Мы уже поговорили, что такое клеточная мембрана. И выяснили, что она «выбирает», какие вещества пропускать в клетку и обратно, а какие - нет. Сегодня разберемся, как же транспортируются вещества внутрь клетки и наружу.
В первую очередь определимся, зачем нам транспорт веществ:
- Удаление отходов из клетки (да-да, то самое «очищение на клеточном уровне» происходит и без детокс-соков);
- Доставка питательных веществ в клетку;
- Секреция (выделение) необходимых веществ: ферменты, гормоны, кишечный и желудочный сок и другие;
- Благодаря транспорту веществ на мембране создается электрический потенциал, который необходим для работы нервов и мышц;
- Поддержание необходимого pH и концентрации ионов, нужных для правильной работы ферментов.
Обмен веществ в клетке происходит несколькими способами:
- Пассивный транспорт - для него не нужна энергия;
- Активный транспорт - происходит только с затратами энергии.
Теперь разберем их поподробнее.
Пассивный транспорт: диффузия и осмос.
Диффузия - перемещение вещества из области, где его много, в область, где его мало или совсем нет. То есть вещество «пытается» равномерно распределиться во всем пространстве.
Осмос - это отдельный термин для диффузии воды через полунепроницаемую мембрану. Это понятие выделили отдельно из-за ситуаций с мембраной, которая не пропускает через себя некоторые вещества (например, клеточная мембрана).
На рисунке мы видим, что резервуар разделили пополам такой полунепроницаемой мембраной: дырочки в ней совсем маленькие и большие ионы или молекулы веществ не могут пройти через нее. В то же время эти два раствора сообщены друг с другом и они стремятся прийти к равновесию: чтобы концентрация веществ в резервуаре А и В стало одинаковым. Но как это сделать, если большие молекулы и атомы не могут пройти через мембрану? Тут в дело вступает вода. Благодаря своим размерам и полярности она легко может пройти через заряженную или «мелкодырчатую» мембрану. Таким образом из резервуара А молекулы воды пойдут в В и будут идти туда, пока концентрация растров в обоих сосудах не станет одинаковым.
С помощью диффузии через клеточную мембрану могут попасть различные газы, например, кислород попадает из лёгких в кровь, а углекислый газ обратно.
Облегченная диффузия - это диффузия,которой помогают специальные белки: переносчики и каналы. Благодаря им в клетку проникают некоторые ионы и заряженные молекулы. Белки-каналы как ворота, которые открываются и закрываются для определенных веществ, а белки-переносчики как-будто ведут вещества «за ручку» через мембрану.
Активный транспорт, экзо- и эндоцитоз
Энергия для такого транспорта нужна, потому что вещества двигаются против своего «естественного желания». Они стремятся, например, выйти из клетки, а их закачивают еще больше.
Энергия, необходимая для этого, берётся после расщепления АТФ - соединения, которое образуется в наших митохондриях во время дыхания.
———
Для самых любознательных:
АТФ - аденозинтрифосфат, нуклеотид, который состоит из: азотистого основания (аденина), сахара (рибозы) и трех остатков фосфорной кислоты. В «веревочках», которые соединяют эти три остатка содержится большое количество энергии.
При расщеплении АТФ сначала «отваливается» первый остаток фосфорной кислоты, при этом выделяется 40 кДж энергии (т.е. примерно 9,5 ккал). Так АТФ превращается в АДФ - аденозинДИфосфат (в названии обозначается, что фосфата осталось только два). АДФ может расщепиться дальше: если убрать еще одну фосфорную кислоту, то снова выделится 40 кДж энергии и остается АМФ - аденозинМОНОфосфат.
———
Натрий-калиевый насос
Самый яркий пример активного транспорта — натрий-калиевый насос. Насосом он называется, естественно, метафорически. На деле это белок, который пронизывает всю клеточную мембрану.
Он нужен для:
- поддержания водного баланса внутри и снаружи клетки (чтобы клетка на засыхала или не разбухала от избытка воды);
- транспорта в клетку некоторых веществ (например, глюкозы и аминокислот);
- поддержания электрической активности в нервах и мышцах.
Как он работает?
Задача натрий-калиевого насоса - выкачивать ионы натрия из клетки, а ионы калия запускать в клетку. Белок-насос «открывается» то внутрь клетки, то наружу. Сейчас разберем, как же это работает:
- Насос открыт внутрь клетки. К нему присоединяются три иона натрия и молекула АТФ.
- АТФ расщепляется на АДФ и остаток фосфорной кислоты, высвобождая большое количество энергии. Эта энергия позволяет белку разрушить старые и образовать новые связи, и таким образом изменить свою форму.
- Насос открывается наружу клетки. Натрий выходит в окружающую среду, а из нее к насосу присоединяются два иона калия.
- Энергия, которая передалась белку, проще говоря, закончилась, и насос выворачивается обратно внутрь. И калий поступает в клетку.
———
Для самых любознательных:
Если натрий постоянно выкачивают, как же он снова появляется в клетке?
- когда «клетка понимает», что натрия становится слишком мало, открываются специальные каналы, пропускающие натрий обратно. На то, когда будут открываться каналы, влияет, например, напряжение мембраны;
- совместный транспорт с другими веществами: натрий помогает движению других веществ в клетку, например, глюкозы или аминокислот
Если калий постоянно закачивается в клетку, как он попадает обратно?
Благодаря пассивному транспорту через калиевые каналы. Некоторые из них открыты постоянно, другие открываются, когда критически изменяется мембранный потенциал.
———
Экзо- и эндоцитоз
Еще один пример активного транспорта. Экзоцитоз - транспорт веществ из клетки, эндоцитоз - в клетку.
При эндоцитозе в мембране образуются выросты, которые «захватывают» вещества, а образовавшиеся пузырьки или вакуоли отправляются в клетку. Внешне это похоже, как будто рот захватывает еду (фагоцитоз) или жидкость (пиноцитоз).
Экзоцитоз происходит с помощью пищеварительных вакуолей, которые убирают из клетки непереваренные плотные частицы, а также они могут выносить в окружающую среду секреты (гормоны, ферменты и т.п.). Приближаясь к мембране вакуоли как бы «лопаются» (наподобие пузырьков газа в минералке, когда те поднимаются наверх) и вещества выходят наружу.
Мы с вами сегодня большие молодцы: узнали много о транспорте веществ в клетку и обратно. В последних статьях я часто упоминала какие-то молекулы: липиды, белки, нуклеотиды, сахара. Думаю, что логичнее будет в следующих статьях разобраться, что же это за существа такие и с чем их едят (ведь мы на самом деле их едим!).
#биология #наука #цитология