КЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ: ВИДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ - БИОЛОГИЯ

Транспортная ячейка включает в себя движение и движение молекул между внутренней и внешней клеток. Обмен молекулами между этими компартментами является важным явлением для правильного функционирования организма и опосредует ряд событий, таких как мембранный потенциал, и многие другие.

Биологические мембраны не только несут ответственность за разграничение клеток, они также играют незаменимую роль в перемещении веществ. У них есть ряд белков, которые пересекают структуру и очень избирательно разрешают или не допускают проникновение определенных молекул.

Источник: LadyofHats, Wikimedia Commons.

Сотовый транспорт подразделяется на два основных типа, в зависимости от того, использует ли система энергию напрямую или нет.

Пассивный транспорт не требует энергии, и молекулы могут пересекать мембрану посредством пассивной диффузии, через водные каналы или через транспортируемые молекулы. Направление активного транспорта определяется исключительно градиентами концентрации между обеими сторонами мембраны.

Напротив, второй тип транспорта требует энергии и называется активным транспортом. Благодаря энергии, вводимой в систему, насосы могут перемещать молекулы против градиентов их концентрации. Наиболее ярким примером в литературе является натриево-калиевый насос.

Теоретические основы

-Клеточные мембраны

Чтобы понять, как происходит движение веществ и молекул между клеткой и соседними компартментами, необходимо проанализировать структуру и состав биологических мембран.

-Липиды в мембранах

Автор Jpablo cad, из Wikimedia Commons

Клетки окружены тонкой и сложной мембраной липидной природы. Основной компонент - фосфолипиды.

Они состоят из полярной головы и неполярных хвостов. Мембраны состоят из двух слоев фосфолипидов - «липидных бислоев», в которых хвосты сгруппированы внутри, а головки обращены к внеклеточным и внутриклеточным поверхностям.

Молекулы, которые имеют как полярные, так и аполярные зоны, называются амфипатическими. Это свойство имеет решающее значение для пространственной организации липидных компонентов внутри мембран.

Эта структура разделяется мембранами, окружающими субклеточные компартменты. Помните, что митохондрии, хлоропласты, везикулы и другие органеллы также окружены мембраной.

Помимо фосфоглицеридов или фосфолипидов, мембраны богаты сфинголипидами, скелет которых состоит из молекулы сфингозина и стеринов. В этой последней группе мы находим холестерин, липид, который модулирует свойства мембраны, такие как ее текучесть.

-Белки в мембранах

Рисунок 1. Схема модели жидкой мозаики. Источник: LadyofHats, Мариана Руис, перевод Пилар Саенс, через Wikimedia Commons.

Мембрана - это динамическая структура, содержащая внутри множество белков. Белки мембраны действуют как своего рода молекулярные «привратники» или «охранники», которые с большой избирательностью определяют, кто входит в клетку, а кто покидает ее.

По этой причине мембраны считаются полупроницаемыми, так как некоторые соединения могут проникать, а другие - нет.

Не все белки, находящиеся в мембране, несут ответственность за передачу трафика. Другие отвечают за улавливание внешних сигналов, которые вызывают клеточный ответ на внешние раздражители.

-Селективность мембраны

Липидная внутренняя часть мембраны очень гидрофобна, что делает мембрану очень непроницаемой для прохождения молекул полярной или гидрофильной природы (этот термин означает «влюбленный в воду»).

Это подразумевает дополнительную трудность прохождения полярных молекул. Однако транзит водорастворимых молекул необходим, поэтому клетки обладают рядом транспортных механизмов, которые позволяют эффективно перемещать эти вещества между клеткой и ее внешней средой.

Точно так же большие молекулы, такие как белки, должны транспортироваться и требуют специализированных систем.

-Диффузия и осмос

Движение частиц через клеточные мембраны происходит в соответствии со следующими физическими принципами.

Эти принципы - диффузия и осмос, и они применяются к перемещению растворенных веществ и растворителей в растворе через полупроницаемую мембрану, такую как биологические мембраны, обнаруженные в живых клетках.

Диффузия - это процесс, который включает случайное тепловое движение взвешенных частиц из областей с высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Существует математическое выражение, которое пытается описать процесс и называется уравнением диффузии Фика, но мы не будем углубляться в него.

Имея в виду эту концепцию, мы можем определить термин проницаемость, который относится к скорости, с которой веществу удается пассивно проникать через мембрану в ряде определенных условий.

С другой стороны, вода также движется по градиенту своей концентрации в результате явления, называемого осмосом. Хотя нам кажется неточным ссылаться на концентрацию воды, мы должны понимать, что жизненная жидкость ведет себя, как любое другое вещество, с точки зрения ее диффузии.

-Тоничность

Принимая во внимание описанные физические явления, концентрации, существующие как внутри клетки, так и снаружи, будут определять направление переноса.

Таким образом, тоничность раствора - это реакция клеток, погруженных в раствор. К этому сценарию применяется некоторая терминология:

Изотонический

Клетка, ткань или раствор изотоничны по отношению к другим, если концентрация обоих элементов одинакова. В физиологическом контексте клетка, погруженная в изотоническую среду, не претерпевает никаких изменений.

Гипотонический

Раствор является гипотоническим по отношению к клетке, если концентрация растворенных веществ ниже снаружи, то есть в клетке больше растворенных веществ. В этом случае вода имеет тенденцию попадать в ячейку.

Если мы поместим эритроциты в дистиллированную воду (не содержащую растворенных веществ), вода будет проникать внутрь, пока они не лопнут. Это явление называется гемолизом.

Гипертонический

Раствор является гипертоническим по отношению к ячейке, если концентрация растворенных веществ выше снаружи, то есть в ячейке меньше растворенных веществ.

В этом случае вода имеет тенденцию покидать ячейку. Если мы поместим эритроциты в более концентрированный раствор, вода из клеток крови будет вытекать наружу, и клетка приобретет вид морщинистой.

Эти три концепции имеют биологическое значение. Например, яйца морского организма должны быть изотоничными по отношению к морской воде, чтобы не лопнуть и не потерять воду.

Точно так же паразиты, обитающие в крови млекопитающих, должны иметь концентрацию растворенных веществ, аналогичную окружающей среде, в которой они развиваются.

-Электрическое воздействие

Когда мы говорим об ионах, которые являются заряженными частицами, движение через мембраны не происходит исключительно за счет градиентов концентрации. В этой системе необходимо учитывать заряд растворенных веществ.

Ион имеет тенденцию уходить от областей с высокой концентрацией (как описано в разделе, посвященном осмосу и диффузии), а также, если ион отрицательный, он продвигается к областям, где есть растущий отрицательный потенциал. Помните, что разные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются.

Чтобы предсказать поведение иона, мы должны добавить объединенные силы градиента концентрации и электрического градиента. Этот новый параметр называется чистым электрохимическим градиентом.

Типы клеточного транспорта классифицируются в зависимости от использования - или нет - энергии системой при пассивных и активных движениях. Мы подробно опишем каждый из них ниже:

Пассивный трансмембранный транспорт

Пассивные движения через мембраны включают прохождение молекул без прямой потребности в энергии. Поскольку эти системы не используют энергию, она зависит исключительно от градиентов концентрации (включая электрические), которые существуют через плазматическую мембрану.

Хотя энергия, отвечающая за движение частиц, сохраняется в таких градиентах, целесообразно и удобно продолжать рассматривать этот процесс как пассивный.

Есть три элементарных способа, которыми молекулы могут пассивно переходить с одной стороны на другую:

Простая диффузия

Самый простой и интуитивно понятный способ транспортировки растворенного вещества - это пересечь мембрану в соответствии с упомянутыми выше градиентами.

Молекула диффундирует через плазматическую мембрану, оставляя водную фазу в стороне, растворяется в липидной части и, наконец, входит в водную часть внутренней части клетки. То же самое может произойти и в обратном направлении, изнутри клетки наружу.

Эффективный проход через мембрану будет определяться уровнем тепловой энергии, которой обладает система. Если он будет достаточно высоким, молекула сможет пересечь мембрану.

Если рассматривать более подробно, молекула должна разорвать все водородные связи, образованные в водной фазе, чтобы иметь возможность перейти в липидную фазу. Это событие требует 5 ккал кинетической энергии для каждого присутствующего звена.

Следующим фактором, который необходимо учитывать, является растворимость молекулы в липидной зоне. На подвижность влияет множество факторов, таких как молекулярная масса и форма молекулы.

Кинетика простого диффузионного прохождения демонстрирует кинетику ненасыщенности. Это означает, что поступление увеличивается пропорционально концентрации растворенного вещества, которое транспортируется во внеклеточную область.

Водные каналы

Вторая альтернатива прохождению молекул через пассивный путь - через водный канал, расположенный в мембране. Эти каналы представляют собой своего рода поры, которые позволяют молекуле проходить, избегая контакта с гидрофобной областью.

Некоторым заряженным молекулам удается проникнуть в клетку, следуя градиенту их концентрации. Благодаря этой системе каналов, заполненных водой, мембраны очень непроницаемы для ионов. Среди этих молекул выделяются натрий, калий, кальций и хлор.

Молекула-носитель

Последней альтернативой является комбинация интересующего растворенного вещества с молекулой-носителем, которая маскирует ее гидрофильную природу, так что она проходит через богатую липидами часть мембраны.

Переносчик увеличивает растворимость липидов молекулы, которую необходимо транспортировать, и способствует ее прохождению в пользу градиента концентрации или электрохимического градиента.

Эти белки-носители работают по-разному. В простейшем случае растворенное вещество переносится с одной стороны мембраны на другую. Этот тип называется унипортом. Напротив, если другое растворенное вещество транспортируется одновременно или связано, переносчик называется связанным.

Если связанный переносчик перемещает две молекулы в одном направлении, это симпорт, а если он делает это в противоположных направлениях, переносчик является антиопорным.

Осмос

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiK, производная работа: Ortisa, через Wikimedia Commons

Это тип клеточного транспорта, при котором растворитель избирательно проходит через полупроницаемую мембрану.

Вода, например, имеет тенденцию переходить в ту сторону клетки, где ее концентрация ниже. Движение воды по этому пути создает давление, называемое осмотическим давлением.

Это давление необходимо для регулирования концентрации веществ в ячейке, которая затем влияет на форму ячейки.

Ультрафильтрация

В этом случае движение некоторых растворенных веществ происходит под действием гидростатического давления из области наибольшего давления в область меньшего давления. В организме человека этот процесс происходит в почках благодаря кровяному давлению, создаваемому сердцем.

Таким образом, вода, мочевина и т. Д. Переходит из клеток в мочу; а гормоны, витамины и т. д. остаются в крови. Этот механизм также известен как диализ.

Облегченное распространение

Есть вещества с очень большими молекулами (например, глюкоза и другие моносахариды), которым для диффузии нужен белок-носитель. Эта диффузия происходит быстрее, чем простая диффузия, и зависит от:

Градиент концентрации вещества.
Количество белков-носителей, присутствующих в клетке.
Скорость присутствующих белков.

Одним из этих белков-переносчиков является инсулин, который способствует диффузии глюкозы, снижая ее концентрацию в крови.

Активный трансмембранный транспорт

До сих пор мы обсуждали прохождение различных молекул по каналам без затрат энергии. В таких случаях единственная стоимость - генерирование потенциальной энергии в виде разной концентрации по обе стороны мембраны.

Таким образом, направление транспорта определяется существующим уклоном. Растворенные вещества начинают транспортироваться в соответствии с вышеупомянутыми принципами диффузии, пока не достигнут точки, где заканчивается чистая диффузия - в этот момент было достигнуто равновесие. В случае ионов на движение также влияет заряд.

Однако единственный случай, когда распределение ионов по обеим сторонам мембраны находится в истинном равновесии, - это когда клетка мертва. Все живые клетки вкладывают большое количество химической энергии в поддержание баланса концентраций растворенных веществ.

Энергия, используемая для поддержания активности этих процессов, обычно представляет собой молекулу АТФ. Аденозинтрифосфат, сокращенно АТФ, является основной энергетической молекулой в клеточных процессах.

Активные транспортные характеристики

Активный транспорт может действовать против градиентов концентрации, независимо от того, насколько они круты - это свойство станет ясным после объяснения натрий-калиевого насоса (см. Ниже).

Активные транспортные механизмы могут перемещать более одного класса молекул одновременно. Для активного транспорта используется та же классификация, что и для транспорта нескольких молекул одновременно при пассивном транспорте: симпорт и антиподдержка.

Транспорт с помощью этих насосов можно подавить, применяя молекулы, которые специфически блокируют важные участки белка.

Кинетика переноса относится к типу Михаэлиса-Ментен. Оба поведения - подавляемые некоторыми молекулами и кинетикой - являются типичными характеристиками ферментативных реакций.

Наконец, в системе должны быть специфические ферменты, способные гидролизовать молекулу АТФ, например АТФазы. Это механизм, с помощью которого система получает характерную для нее энергию.

Транспортная селективность

Используемые насосы чрезвычайно избирательны в отношении молекул, которые будут транспортироваться. Например, если насос является носителем ионов натрия, он не будет принимать ионы лития, хотя оба иона очень похожи по размеру.

Предполагается, что белки способны различать две диагностические характеристики: легкость дегидратации молекулы и взаимодействие с зарядами внутри поры переносчика.

Известно, что большие ионы легко обезвоживаются по сравнению с маленькими ионами. Таким образом, пора со слабыми полярными центрами будет предпочтительно использовать большие ионы.

Напротив, в каналах с сильно заряженными центрами преобладает взаимодействие с дегидратированным ионом.

Пример активного транспорта: натриево-калиевый насос

Для объяснения механизмов активного транспорта лучше всего использовать наиболее изученную модель: натриево-калиевый насос.

Поразительной особенностью клеток является способность выдерживать крутые градиенты ионов натрия (Na ⁺ ) и калия (K ⁺ ).

В физиологической среде концентрация калия внутри клеток в 10-20 раз выше, чем вне клеток. Напротив, ионы натрия гораздо больше сконцентрированы во внеклеточной среде.

С принципами, которые регулируют движение ионов пассивным образом, было бы невозможно поддерживать эти концентрации, поэтому клеткам требуется активная транспортная система, а это натрий-калиевый насос.

Насос состоит из белкового комплекса типа АТФазы, прикрепленного к плазматической мембране всех клеток животных. Он имеет участки связывания для обоих ионов и отвечает за транспорт с инжекцией энергии.

Как работает насос?

В этой системе есть два фактора, которые определяют движение ионов между клеточным и внеклеточным компартментами. Первый - это скорость, с которой действует натрий-калиевый насос, а второй фактор - это скорость, с которой ион может снова войти в клетку (в случае натрия) из-за пассивной диффузии.

Таким образом, скорость, с которой ионы входят в ячейку, определяет скорость, с которой насос должен работать, чтобы поддерживать соответствующую концентрацию ионов.

Работа насоса зависит от серии конформационных изменений в белке, который отвечает за транспортировку ионов. Каждая молекула АТФ гидролизуется напрямую, при этом три иона натрия покидают клетку и в то же время два иона калия попадают в клеточную среду.

Общественный транспорт

Это еще один тип активного транспорта, который помогает перемещению макромолекул, таких как полисахариды и белки. Это может быть дано:

-Эндоцитоз

Существует три процесса эндоцитоза: фагоцитоз, пиноцитоз и лиганд-опосредованный эндоцитоз:

Фагоцитоз

Фагоцитоз - тип транспорта, при котором твердая частица покрывается пузырьком или фагосомой, состоящей из слитых псевдопод. Эта твердая частица, которая остается внутри везикулы, переваривается ферментами и, таким образом, достигает внутренней части клетки.

Так работают белые кровяные тельца в организме; они поглощают бактерии и инородные тела как защитный механизм.

Пиноцитоз

Питание простейших. Пиноцитоз. Автор изображения: Яцек Ф.Х. (производное от Марианы Руис Вильярреал). Взято и отредактировано с https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

Пиноцитоз возникает, когда транспортируемое вещество представляет собой каплю или везикулу внеклеточной жидкости, а мембрана создает пиноцитарную везикулу, в которой содержимое везикулы или капли обрабатывается таким образом, что оно возвращается на поверхность клетки.

Эндоцитоз через рецептор

Это процесс, аналогичный пиноцитозу, но в этом случае инвагинация мембраны происходит, когда определенная молекула (лиганд) связывается с мембранным рецептором.

Несколько эндоцитарных везикул соединяются и образуют более крупную структуру, называемую эндосомой, в которой лиганд отделяется от рецептора. Затем рецептор возвращается к мембране, и лиганд связывается с липосомой, где он переваривается ферментами.

-Экзоцитоз

Это тип клеточного транспорта, при котором вещество должно выноситься за пределы клетки. Во время этого процесса мембрана секреторных пузырьков связывается с клеточной мембраной и высвобождает содержимое пузырька.

Таким образом клетки удаляют синтезированные вещества или отходы. Таким же образом они выделяют гормоны, ферменты или нейротрансмиттеры.

Ссылки

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: жизнь на Земле. Образование Пирсона.
Доннерсбергер, А.Б., и Лесак, А.Е. (2002). Лабораторный сборник анатомии и физиологии. Редакция Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Основы анатомофизиологии и патологии. Редакция Паранинфо.
Рэндалл Д., Бурггрен В.В., Бурггрен В., Френч К. и Эккерт Р. (2002). Физиология животных Эккерта. Macmillan.
Вивед, А. М. (2005). Основы физиологии физической активности и спорта. Panamerican Medical Ed.

КЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ: ВИДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ - БИОЛОГИЯ - 2025