Транспорт веществ через клеточную мембрану
Общие сведения
Одним из великих чудес клеточной мембраны является ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. Эти вещества включают ионы, такие как Ca ++ , Na + , K + и Cl - ; питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты; и отходы, особенно углекислый газ (СО 2 ), который должен покинуть клетку.
Структура липидного бислоя мембраны обеспечивает первый уровень контроля. Фосфолипиды плотно упакованы вместе, а мембрана имеет гидрофобную внутреннюю часть. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана с селективной проницаемостьюпозволяет только веществам, отвечающим определенным критериям, проходить через него без посторонней помощи. В случае клеточной мембраны только относительно небольшие неполярные материалы могут проходить через липидный бислой (помните, что липидные хвосты мембраны неполярные). Некоторыми примерами этого являются другие липиды, газы кислорода и углекислого газа и спирт. Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи для прохождения через мембрану, поскольку они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного бислоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух общих методов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт - это движение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. По сравнению,Активный транспорт - это движение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).
Пассивный транспорт веществ через клеточную мембрану
Чтобы понять, как вещества перемещаются пассивно через клеточную мембрану , необходимо понять градиенты концентрации и диффузии. Градиент концентрации является различие в концентрации вещества через пробел. Молекулы (или ионы) будут распространяться / распространяться от того места, где они более сконцентрированы, до места, где они менее концентрированы, до тех пор, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, говорят, что они понижают градиент концентрации).
Диффузия - это движение частиц из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой ванной комнате. Если распылять флакон духов, молекулы аромата естественным образом диффундируют из места, где они оставляли флакон, во все углы ванной комнаты, и эта диффузия будет продолжаться до тех пор, пока не останется больше градиента концентрации. Другой пример - ложка сахара, помещенная в чашку чая. В конечном итоге сахар будет распространяться по всему чаю, пока не останется градиент концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай теплее, диффузия происходит даже быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах. Имея внутреннюю температуру тела около 98,6 °Таким образом, F также способствует диффузии частиц внутри тела.
Всякий раз, когда вещество существует в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, это будет делать любое вещество, которое может перемещаться по градиенту концентрации через мембрану. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O 2 ) и CO 2. O 2 обычно диффундирует в клетки, потому что он более концентрирован вне их, а CO 2 обычно диффундирует из клеток, потому что он более концентрирован внутри них. Ни один из этих примеров не требует никакой энергии со стороны клетки, и поэтому они используют пассивный транспорт для перемещения через мембрану.
Прежде чем двигаться дальше, вам необходимо рассмотреть газы, которые могут диффундировать через клеточную мембрану. Поскольку клетки быстро расходуют кислород во время обмена веществ, обычно внутри клетки концентрация O 2 ниже, чем снаружи. В результате кислород будет диффундировать из межклеточной жидкости непосредственно через липидный бислой мембраны и в цитоплазму внутри клетки. С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO 2 как побочный продукт метаболизма, концентрации CO 2 возрастают в цитоплазме; следовательно, CO 2 будет двигаться из клетки через липидный бислой в межклеточную жидкость, где его концентрация ниже. Этот механизм перемещения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, в сторону, где они менее сконцентрированы, является формой пассивного транспорта, называемой простой диффузией .
Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану. Структура липидного бислоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану вниз по градиенту их концентрации посредством простой диффузии.
Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересекать фосфолипидный бислой. Очень маленькие полярные молекулы, такие как вода, могут пересекаться посредством простой диффузии из-за их небольшого размера. Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, так как заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри фосфолипидного бислоя. Растворенные вещества, растворенные в воде с обеих сторон клеточной мембраны, будут стремиться диффундировать вниз по своим градиентам концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничено белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. , Облегченная диффузияэто процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересекать липидный бислой из-за их размера, заряда и / или полярности.
Облегченная диффузия. Облегченная диффузия веществ, пересекающих клеточную (плазменную) мембрану, происходит с помощью белков, таких как канальные белки и белки-носители. Канальные белки менее избирательны, чем белки-носители, и обычно мягко различают их груз по размеру и заряду. (б) Белки-носители являются более селективными, часто позволяя скрещивать только один конкретный тип молекулы.
Типичным примером облегченной диффузии является движение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересечь липидный бислой посредством простой диффузии, потому что она и большая, и полярная. Чтобы решить эту проблему, специализированный белок-носитель, называемый транспортером глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку для облегчения ее внутренней диффузии.
Например, несмотря на то, что ионы натрия (Na + ) высоко концентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут проходить через неполярный липидный бислой мембраны. Их диффузия облегчается мембранными белками, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na + могут перемещаться по градиенту концентрации снаружи от клеток внутрь клеток. Существует много других растворенных веществ, которые должны пройти ускоренную диффузию, чтобы проникнуть в клетку, например, в аминокислоты, или выйти из клетки, например, в отходы. Поскольку облегченная диффузия является пассивным процессом, он не требует затрат энергии клеткой.
Вода также может свободно перемещаться по клеточной мембране всех клеток либо через белковые каналы, либо проскальзывая между липидными хвостами самой мембраны. Осмос - это диффузия воды через полупроницаемую мембрану.
Движение молекул воды само по себе не регулируется клетками, поэтому важно, чтобы клетки подвергались воздействию среды, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенных веществ внутри клеток ( в цитоплазме). Два раствора, которые имеют одинаковую концентрацию растворенных веществ, называются изотоническими (одинаковое напряжение). Когда клетки и их внеклеточные среды являются изотоническими, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).
Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки и внутри клетки. Говорят, что раствор с более высокой концентрацией растворенных веществ, чем другой раствор, является гипертоническим , и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор.
Клетки в гипертоническом растворе будут высыхать, когда вода покидает клетку посредством осмоса. Напротив, раствор, который имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипотоническими молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора. Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и разбухать, что может привести к взрыву. Критическим аспектом гомеостаза в живых организмах является создание внутренней среды, в которой все клетки организма находятся в изотоническом растворе. Различные системы органов, особенно почки, работают для поддержания этого гомеостаза.
Другим механизмом, помимо диффузии для пассивного перемещения материалов между отсеками, является фильтрация . В отличие от диффузии вещества, из которого оно более концентрировано, в менее концентрированное, фильтрация использует градиент гидростатического давления, который выталкивает жидкость - и растворенные в ней вещества - из области более высокого давления в область более низкого давления. Фильтрация является чрезвычайно важным процессом в организме. Например, система кровообращения использует фильтрацию для перемещения плазмы и веществ через эндотелиальную оболочку капилляров и в окружающие ткани, снабжая клетки питательными веществами. Давление фильтрации в почках обеспечивает механизм для удаления отходов из кровотока.
Активный транспорт веществ через мембрану клеток
Для всех способов транспортировки, описанных выше, клетка не расходует энергию. Мембранные белки, которые помогают в пассивном транспорте веществ, делают это без использования АТФ. Во время активного транспорта АТФ требуется для перемещения вещества через мембрану, часто с помощью белковых носителей, и обычно против градиента концентрации.
Один из наиболее распространенных видов активного транспорта включает белки, которые служат насосами. Слово «насос», вероятно, вызывает мысли об использовании энергии для накачки шины велосипеда или баскетбола. Точно так же энергия от АТФ требуется для того, чтобы эти мембранные белки транспортировали вещества - молекулы или ионы - через мембрану, обычно против их градиентов концентрации (от области низкой концентрации до области высокой концентрации).
Натрий-калиевый насос, который также называют Na + / K + АТФазы, транспортирует натрий из клетки , в то время как перемещение калия в клетку. Насос Na + / K + является важным ионным насосом, обнаруженным в мембранах многих типов клеток. Эти насосы особенно распространены в нервных клетках, которые постоянно откачивают ионы натрия и вытягивают ионы калия для поддержания электрического градиента через их клеточные мембраны. Электрический градиентразница в электрическом заряде в пространстве Например, в случае нервных клеток электрический градиент существует между внутренней и внешней частью клетки, причем внутренняя часть заряжена отрицательно (около -70 мВ) относительно внешней стороны. Отрицательный электрический градиент поддерживается, потому что каждый насос Na + / K + выводит три иона Na + из клетки и два иона K + в клетку для каждой используемой молекулы АТФ.
Натриево-калиевый насос. Натриево-калиевая помпа обнаружена во многих клеточных (плазменных) мембранах. Приведенный в действие ATP, насос перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против его градиента концентрации. За один цикл работы насоса три иона натрия выдавливаются, а два иона калия импортируются в клетку.
Этот процесс настолько важен для нервных клеток, что на него приходится большая часть их использования АТФ. Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натриево-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Поэтому, если клетке нужны ионы натрия, все, что нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку. Таким образом, действие активного транспортного насоса (натриево-калиевого насоса) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия путем создания градиента концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает транспорт другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.
Симпортеры - вторичные активные транспортеры, которые перемещают два вещества в одном направлении. Например, натрий-глюкозный симпортер использует ионы натрия, чтобы «втянуть» молекулы глюкозы в клетку. Поскольку клетки накапливают глюкозу для получения энергии, концентрация глюкозы в клетке обычно выше, чем снаружи. Однако благодаря действию натриево-калиевого насоса ионы натрия легко диффундируют в клетку, когда симпортер открыт. Поток ионов натрия через симпортер обеспечивает энергию, которая позволяет глюкозе проходить через симпортер в клетку, против ее градиента концентрации.
И наоборот, антипортеры - это вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия-водорода использует энергию внутреннего потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H +) из клетки. Натриево-водородный антипортер используется для поддержания рН внутри клетки.
Другие формы активного транспорта не включают мембранные носители.
Эндоцитоз (введение «в клетку») - это процесс поглощения клеткой материала, заключая его в часть клеточной мембраны и затем отщипывая эту часть мембраны.
Три формы эндоцитоза - особого транспорта веществ через клеточную стенку
Эндоцитоз является формой активного транспорта, при котором клетка обволакивает внеклеточные материалы, используя свою клеточную мембрану. При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка принимает большую частицу. При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы в жидкости.
После защемления часть мембраны и ее содержимое становятся независимым внутриклеточным пузырьком. Пузырек является перепончатая мешка-сферическая и полые органеллы , ограниченную липидной двухслойной мембраной. Эндоцитоз часто приносит материалы в клетку, которые должны быть расщеплены или переварены. Фагоцитоз(«Поедание клеток») - это эндоцитоз крупных частиц. Многие иммунные клетки участвуют в фагоцитозе вторгающихся патогенов.
Как и маленькие Pac-клетки, их работа заключается в патрулировании тканей организма на предмет нежелательных веществ, таких как проникновение в бактериальные клетки, их фагоцитирование и переваривание. В отличие от фагоцитоза, пиноцитоз («питье клеток») переносит жидкость, содержащую растворенные вещества, в клетку через мембранные везикулы. Фагоцитоз и пиноцитоз поглощают большие порции внеклеточного материала, и они, как правило, не являются высокоселективными в отношении веществ, которые они вносят. Клетки регулируют эндоцитоз конкретных веществ посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза. Рецептор-опосредованного эндоцитозаявляется эндоцитоз частью клеточной мембраны, которая содержит множество рецепторов, которые являются специфическими для определенного вещества. Как только поверхностные рецепторы связали достаточное количество определенного вещества (лиганда рецептора), клетка будет эндоцитозировать часть клеточной мембраны, содержащую комплексы рецептор-лиганд. Железо, необходимый компонент гемоглобина, таким образом подвергается эндоцитозу эритроцитами. Железо связано с белком трансферрин в крови. Специфические рецепторы трансферрина на поверхности эритроцитов связывают молекулы железа-трансферрина, и клетки эндоцитозируют комплексы рецептор-лиганд.
В отличие от эндоцитоза, экзоцитоз (выведение «из клетки») - это процесс экспорта материала клетками с использованием везикулярного транспорта.
Экзоцитоз. Экзоцитоз очень похож на эндоцитоз наоборот. Материал, предназначенный для экспорта, упакован в пузырек внутри клетки. Мембрана везикулы сливается с клеточной мембраной, и содержимое высвобождается во внеклеточное пространство.
Многие клетки производят вещества, которые должны секретироваться, например, фабрика, производящая продукцию для экспорта. Эти вещества, как правило, упакованы в мембранные пузырьки внутри клетки. Когда везикулярная мембрана сливается с клеточной мембраной, везикула высвобождает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Везикулярная мембрана становится частью клеточной мембраны. Клетки желудка и поджелудочной железы производят и выделяют пищеварительные ферменты посредством экзоцитоза.
Ферментные продукты панкреатических клеток. Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и выделяют много ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные пузырьки, заполненные ферментами, которые будут экспортироваться из клеток посредством экзоцитоза.
Эндокринные клетки производят и выделяют гормоны, которые передаются по всему организму, а определенные иммунные клетки вырабатывают и выделяют большое количество гистамина, химического вещества, важного для иммунных реакций.
^Наверх