- Существует два типа клеточного транспорта: активный транспорт и пассивный транспорт
- Неполярные молекулы и вода перемещаются пассивным транспортом
- Существует два типа пассивного транспорта: диффузионный и осмотический
- Большие и заряженные молекулы перемещаются трансмембранными белками
Активный транспорт — это транспорт, для которого требуются трансмембранные белки и энергия в виде АТФ. При активном транспорте молекулы перемещаются против градиента
Если молекулы перемещаются по градиенту с помощью белка, этот процесс называется облегчённой диффузией
Клетка — это многофункциональная и многозадачная структура. Она может производить все четыре класса макромолекул: белки, липиды, углеводы и макромолекулы. Но ей всё равно нужно импортировать необходимые для производства компоненты извне, такие как вода и малые молекулы. Липиды и белки также постоянно поступают в клетку и выходят из неё. Для обеспечения такого активного обмена клетка нуждается в эффективных транспортных механизмах.
Существует множество условий, определяющих, что и как может проникать в клеточную мембрану. Эти процессы определяются свойствами самой клеточной мембраны. Клеточная мембрана уникальна и обладает двумя основными свойствами, которые сильно влияют на всё, что происходит вокруг клетки и внутри неё.
Клеточная мембрана полупроницаема. Структура её основного компонента — липидного бислоя — позволяет свободно проходить через неё только небольшим неполярным молекулам (то есть молекулам без заряда).
Клеточная мембрана селективна. Помимо липидного бислоя, у мембраны есть ещё один строгий регулятор — мембранные белки. Они отвечают за «ощупывание» окружающей среды и пропускают только определённые вещества.
Молекулы, которые могут проходить через бислой без посторонней помощи, перемещаются с помощью механизмов пассивного транспорта. Крупные и полярные молекулы (например, ионы) могут перемещаться с помощью активного транспорта — механизма, который полностью контролируется клеточными структурами и требует энергии.
Пассивный транспорт: подчинение градиенту
Вы когда-нибудь что-нибудь сжигали на плите? Это случается со всеми нами: мы решаем приготовить яичницу-глазунью, а потом совершенно забываем о времени. И вдруг мы что-то ЧУВСТВУЕМ. И бежим обратно на кухню, борясь с дымом и ужасным запахом гари. Обратите внимание на несколько моментов:
- Мы не сразу почувствовали запах гари. Прошло какое-то время между тем, как яйца сгорели, и тем, как мы почувствовали запах
- Запах будет сильнее всего ощущаться на кухне и слабее всего — в самой дальней от кухни комнате
- Со временем все комнаты могут провонять, если мы что-нибудь не предпримем
- Если мы откроем окна, запах постепенно исчезнет
Почему это происходит именно так? Потому что здесь действуют законы физики! Для нас запах — это «ощущение», но на самом деле мы чувствуем запах, потому что маленькие молекулы связываются с нашими обонятельными рецепторами и создают ощущение, которое мы воспринимаем как «запах гари». Сначала, когда яйца подгорели, в воздух поднялось множество «горячих» молекул. Но они не остались на месте. Они начали медленно перемещаться в те области, где молекул не было совсем. Этот процесс называется диффузией. Согласно закону диффузии, молекулы всегда движутся в соответствии с разницей в концентрациях, которая также называется градиентом концентрации. При диффузии молекулы всегда движутся из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, то есть туда, где градиент ниже.
То же самое происходит в клетке. У нас есть две стороны клеточной мембраны. На одной стороне мембраны много молекул определённого типа, а на другой — совсем немного. И если эти молекулы не заряжены и достаточно малы или липофильны (могут растворяться в жирах), они могут медленно перемещаться с одной стороны, где концентрация выше, на другую сторону мембраны, где концентрация ниже.
Диффузия через плазматическую мембрану
Вода проходит через мембрану с помощью особого вида диффузии, называемого осмосом. Вода часто служит растворителем — она растворяет другие молекулы. Но когда клетка окружена раствором, более крупные растворённые молекулы не могут пройти через мембрану, в то время как молекулы воды могут. Если цитоплазме по какой-то причине не хватает воды, а концентрация молекул воды в окружающем её растворе выше, то вода будет проникать через мембрану. Если этот процесс никак не ограничивать, всегда существует риск, что клетка может лопнуть. По отношению к клетке такой раствор будет называться гипотоническим. И наоборот, если поместить клетку в гипертонический раствор, где концентрация воды выше, чем в клетке, то клетка будет быстро терять воду и сжиматься. Чтобы сохранить воду внутри, лучшей средой для клетки будет изотонический раствор, где концентрация воды снаружи и внутри будет одинаковой.
Осмос особенно важен для растений. Это основной механизм, который позволяет корням растений поглощать воду из почвы. Осмос также влияет на внутреннее давление в клетке, то есть на тургорное давление. Когда вода попадает в растительную клетку, она в основном попадает в центральную вакуоль растения. По мере того, как вода заполняет вакуоль, она растягивается и увеличивается в размерах. Она становится похожа на воздушный шарик, наполненный воздухом, — когда он надувается, он становится очень твёрдым на ощупь. Этот процесс имеет решающее значение для способности растений сохранять свою форму и стоять вертикально.
И осмос, и диффузия имеют свои преимущества. Поскольку молекулы движутся по градиенту, клетке не нужно тратить энергию на их перемещение.
Активный транспорт: воины, сражающиеся с уклоном.
Но мы ещё не упомянули крупные и заряженные молекулы! Как насчёт них? Именно здесь на помощь приходят трансмембранные белки. У них есть внешняя часть, которая обычно содержит рецепторы — особые структуры, распознающие молекулы, которые они могут переносить. Затем, когда рецептор вступает в контакт с нужным «пассажиром», белок меняет свою форму и переносит молекулу внутрь клетки. Если белок работает против градиента, он не сможет работать, если не будет затрачена энергия в виде молекулы АТФ. Этот процесс называется активным мембранным транспортом. Если белок переносит молекулу по градиенту, это называется облегчённой диффузией.
Как видите, существуют различные механизмы, с помощью которых клетка может получать необходимые ей вещества. Клеточный транспорт важен для многих важнейших процессов в клетке. Если один из механизмов выходит из строя, клетка может погибнуть.