Cel is een structurele eenheid van al het leven op onze planeet en een open systeem. Dit betekent dat zijn leven een constante uitwisseling van materie en energie met de omgeving vereist. Deze uitwisseling vindt plaats via het membraan - de hoofdrand van de cel, die is ontworpen om zijn integriteit te behouden. Het is door het membraan dat het cellulaire metabolisme wordt uitgevoerd en het gaat ofwel langs de concentratiegradiënt van een stof, ofwel er tegenin. Actief transport door het cytoplasmatische membraan is een complex en energie-intensief proces.
Membraan - barrière en poort
Het cytoplasmatische membraan maakt deel uit van veel celorganellen, plastiden en insluitsels. De moderne wetenschap is gebaseerd op het vloeibare mozaïekmodel van de membraanstructuur. Actief transport van stoffen door het membraan is mogelijk dankzij despecifiek gebouw. De basis van membranen wordt gevormd door een lipide dubbellaag - voornamelijk fosfolipiden gerangschikt in overeenstemming met hun hydrofiele-hydrofobe eigenschappen. De belangrijkste eigenschappen van de lipidedubbellaag zijn vloeibaarheid (het vermogen om plaatsen in te bedden en te verliezen), zelfassemblage en asymmetrie. De tweede component van membranen zijn eiwitten. Hun functies zijn divers: actief transport, receptie, fermentatie, herkenning.
Eiwitten bevinden zich zowel aan het oppervlak van de membranen als aan de binnenkant, en sommige penetreren het meerdere keren. De eigenschap van eiwitten in een membraan is het vermogen om van de ene kant van het membraan naar de andere te bewegen (“flip-flop”-sprong). En de laatste component zijn de saccharide- en polysaccharideketens van koolhydraten op het oppervlak van de membranen. Hun functies zijn vandaag de dag nog steeds controversieel.
Soorten actief transport van stoffen door het membraan
Actief zal een dergelijke overdracht van stoffen door het celmembraan zijn, die wordt gecontroleerd, gebeurt met energiekosten en gaat tegen de concentratiegradiënt in (stoffen worden overgebracht van een gebied met lage concentratie naar een gebied van hoge concentratie). Afhankelijk van welke energiebron wordt gebruikt, worden de volgende vervoerswijzen onderscheiden:
- Primair actief (energiebron - hydrolyse van adenosinetrifosforzuur ATP tot adenosinedifosforzuur ADP).
- Secundair actief (voorzien van secundaire energie die ontstaat als gevolg van de mechanismen van primair actief transport van stoffen).
Eiwitten-assistenten
In zowel het eerste als het tweede geval is transport onmogelijk zonder dragereiwitten. Deze transporteiwitten zijn zeer specifiek en ontworpen om bepaalde moleculen te dragen, en soms zelfs bepaalde soorten moleculen. Dit werd experimenteel bewezen op gemuteerde bacteriële genen, wat leidde tot de onmogelijkheid van actief transport over het membraan van een bepaald koolhydraat. Transmembraantransporteiwitten kunnen zelftransporters zijn (ze interageren met moleculen en dragen ze direct over het membraan) of kanaalvormend (vormen poriën in membranen die openstaan voor specifieke stoffen).
Natrium- en kaliumpomp
Het meest bestudeerde voorbeeld van het primaire actieve transport van stoffen door het membraan is de Na+ -, K+ -pomp. Dit mechanisme zorgt voor het verschil in de concentraties Na+ en K+ ionen aan beide zijden van het membraan, wat nodig is om de osmotische druk in de cel en andere metabolische processen te handhaven. Het transmembraan dragereiwit, natrium-kalium ATPase, bestaat uit drie delen:
- Aan de buitenzijde van het eiwitmembraan bevinden zich twee receptoren voor kaliumionen.
- Er zijn drie natriumion-receptoren aan de binnenkant van het membraan.
- Het binnenste deel van het eiwit heeft ATP-activiteit.
Als twee kaliumionen en drie natriumionen binden aan eiwitreceptoren aan weerszijden van het membraan, wordt ATP-activiteit ingeschakeld. Het ATP-molecuul wordt gehydrolyseerd tot ADP waarbij energie vrijkomt, die wordt besteed aan het transport van kaliumionenbinnen en natriumionen buiten het cytoplasmatische membraan. Geschat wordt dat het rendement van zo'n pomp meer dan 90% is, wat op zich al verbazingwekkend is.
Ter referentie: het rendement van een verbrandingsmotor is ongeveer 40%, elektrisch - tot 80%. Interessant is dat de pomp ook in de tegenovergestelde richting kan werken en als fosfaatdonor voor ATP-synthese kan dienen. Voor sommige cellen (bijvoorbeeld neuronen) wordt tot 70% van alle energie besteed aan het verwijderen van natrium uit de cel en het erin pompen van kaliumionen. Pompen voor calcium, chloor, waterstof en enkele andere kationen (ionen met een positieve lading) werken volgens hetzelfde principe van actief transport. Voor anionen (negatief geladen ionen) zijn dergelijke pompen niet gevonden.
Cotransport van koolhydraten en aminozuren
Een voorbeeld van secundair actief transport is de overdracht van glucose, aminozuren, jodium, ijzer en urinezuur naar cellen. Door de werking van de kalium-natriumpomp ontstaat er een gradiënt van natriumconcentraties: de concentratie is buiten hoog en binnen laag (soms 10-20 keer). Natrium heeft de neiging om de cel in te diffunderen en de energie van deze diffusie kan worden gebruikt om stoffen naar buiten te transporteren. Dit mechanisme wordt cotransport of gekoppeld actief transport genoemd. In dit geval heeft het dragereiwit twee receptorcentra aan de buitenkant: een voor natrium en de andere voor het element dat wordt getransporteerd. Pas na de activering van beide receptoren ondergaat het eiwit conformationele veranderingen en de diffusie-energienatrium brengt de getransporteerde stof de cel in tegen de concentratiegradiënt in.
De waarde van actief transport voor de cel
Als de gebruikelijke diffusie van stoffen door het membraan willekeurig lang zou doorgaan, zouden hun concentraties buiten en binnen de cel gelijk worden. En dit is de dood voor de cellen. Alle biochemische processen moeten immers plaatsvinden in een omgeving van elektrisch potentiaalverschil. Zonder actief, tegen een concentratiegradiënt in, transport van stoffen zouden neuronen geen zenuwimpuls kunnen doorgeven. En spiercellen zouden het vermogen om samen te trekken verliezen. De cel zou de osmotische druk niet kunnen handhaven en zou instorten. En de producten van het metabolisme zouden niet naar buiten worden gebracht. En hormonen zouden nooit in de bloedbaan komen. Zelfs een amoebe verbruikt immers energie en creëert een potentiaalverschil op zijn membraan met dezelfde ionenpompen.
