ŠŪNU TRANSPORTĒŠANA: VEIDI UN TO RAKSTUROJUMS - BIOLOĢIJA

Transporta šūna ir saistīta ar satiksmi un kustību molekulu starp iekšpusē un ārpusē šūnu. Molekulu apmaiņa starp šiem nodalījumiem ir būtiska parādība organisma pareizai darbībai, un tā ir vairāku notikumu virkne, piemēram, membrānas potenciāls, lai nosauktu dažus.

Bioloģiskās membrānas ir atbildīgas ne tikai par šūnas norobežošanu, tām ir arī neaizstājama loma vielu tirdzniecībā. Viņiem ir virkne olbaltumvielu, kas šķērso struktūru un ļoti selektīvi ļauj vai neļauj iekļūt noteiktām molekulām.

Avots: LadyofHats, izmantojot Wikimedia Commons

Šūnu transportu iedala divos galvenajos veidos atkarībā no tā, vai sistēma tieši patērē enerģiju.

Pasīvajam transportam nav nepieciešama enerģija, un molekulas spēj šķērsot membrānu pasīvās difūzijas ceļā, caur ūdens kanāliem vai ar transportētām molekulām. Aktīvā transporta virzienu nosaka tikai ar koncentrācijas gradientu starp abām membrānas pusēm.

Turpretim otrajam transporta veidam ir nepieciešama enerģija, un to sauc par aktīvo transportu. Pateicoties sistēmā ievadītajai enerģijai, sūkņi var pārvietot molekulas pret to koncentrācijas gradientu. Ievērojamākais piemērs literatūrā ir nātrija-kālija pumpis.

Teorētiskās bāzes

-Šūnu membrānas

Lai saprastu, kā vielu un molekulu satiksme notiek starp šūnu un blakus esošajiem nodalījumiem, jāanalizē bioloģisko membrānu struktūra un sastāvs.

-Lipīdi membrānās

Autors: Jpablo cad, no Wikimedia Commons

Šūnas ieskauj plāna un sarežģīta lipīdu rakstura membrāna. Pamata sastāvdaļa ir fosfolipīdi.

Tos veido polārā galva un apolārās astes. Membrānas sastāv no diviem fosfolipīdu slāņiem - "lipīdu divslāņu slāņiem", kuros astes ir sagrupētas iekšpusē, un galvas ir vērstas uz ārējo un starpšūnu seju.

Molekulas, kurām ir gan polārā, gan apolārā zona, sauc par amfātiskām. Šis īpašums ir izšķirošs lipīdu komponentu telpiskajai organizācijai membrānās.

Šo struktūru dala membrānas, kas ieskauj subcelulāros nodalījumus. Atcerieties, ka mitohondrijus, hloroplastus, pūslīšus un citus organellus ieskauj arī membrāna.

Papildus fosfoglicerīdiem vai fosfolipīdiem membrānās ir daudz sfingolipīdu, kuriem ir skeleti, kas sastāv no molekulas, ko sauc par sfingozīnu un sterīniem. Šajā pēdējā grupā mēs atrodam holesterīnu - lipīdu, kas modulē membrānas īpašības, piemēram, tās plūstamību.

-Proteīni membrānās

1. attēls. Šķidrās mozaīkas modeļa diagramma. Avots: LadyofHats Mariana Ruiz, tulkojums Pilar Saenz, izmantojot Wikimedia Commons

Membrāna ir dinamiska struktūra, kuras iekšpusē atrodas vairāki proteīni. Membrānas olbaltumvielas darbojas kā sava veida molekulārie "sargi" vai "sargi", kas ar lielu selektivitāti nosaka, kurš iekļūst šūnā un kurš to pamet.

Šī iemesla dēļ membrānas tiek uzskatītas par daļēji caurlaidīgām, jo dažiem savienojumiem izdodas iekļūt, bet citiem - ne.

Ne visi proteīni, kas atrodas membrānā, ir atbildīgi par transporta starpniecību. Citi ir atbildīgi par tādu ārējo signālu uztveršanu, kas rada šūnu reakciju uz ārējiem stimuliem.

- Membrānas selektivitāte

Membrānas lipīdu iekšpuse ir ļoti hidrofobiska, kas padara membrānu ļoti necaurlaidīgu polara vai hidrofila rakstura molekulu caurbraukšanai (šis termins nozīmē “iemīlējies ūdenī”).

Tas nozīmē papildu grūtības polāro molekulu caurbraukšanā. Tomēr ūdenī šķīstošo molekulu tranzīts ir nepieciešams, lai šūnās būtu virkne transporta mehānismu, kas ļauj šīm vielām efektīvi pārvietoties starp šūnu un tās ārējo vidi.

Tāpat ir jāpārvadā lielas molekulas, piemēram, olbaltumvielas, un tām ir vajadzīgas īpašas sistēmas.

-Diffūzija un osmoze

Daļiņu kustība caur šūnu membrānām notiek saskaņā ar šādiem fizikāliem principiem.

Šie principi ir difūzija un osmoze, un tie attiecas uz izšķīdušo vielu un šķīdinātāju kustību šķīdumā caur puscaurlaidīgu membrānu - piemēram, bioloģiskām membrānām, kas atrodamas dzīvās šūnās.

Difūzija ir process, kas ietver suspendēto daļiņu nejaušu termisko pārvietošanos no augstas koncentrācijas reģioniem uz zemākas koncentrācijas reģioniem. Pastāv matemātiska izteiksme, kas mēģina aprakstīt procesu, un to sauc par Fika difūzijas vienādojumu, bet mēs tajā neiedziļināsimies.

Paturot prātā šo jēdzienu, mēs varam definēt terminu caurlaidība, kas attiecas uz ātrumu, ar kādu vielai izdodas pasīvi iespiesties membrānā virknē īpašu apstākļu.

No otras puses, ūdens arī pārvietojas pa tā koncentrācijas gradientu parādībā, ko sauc par osmozi. Lai arī šķiet neprecīzi atsaukties uz ūdens koncentrāciju, mums ir jāsaprot, ka būtiskais šķidrums izkliedēšanas ziņā uzvedas tāpat kā jebkura cita viela.

-Tonitāte

Ņemot vērā aprakstītās fizikālās parādības, transportēšanas virzienu nosaka koncentrācijas, kas pastāv gan šūnā, gan ārpus tās.

Tādējādi šķīduma tonitāte ir šķīdumā iegremdēto šūnu reakcija. Šim scenārijam ir zināma terminoloģija:

Izotoniski

Šūna, audi vai šķīdums ir izotoniski attiecībā pret otru, ja abos elementos koncentrācija ir vienāda. Fizioloģiskā kontekstā šūnā, kas iegremdēta izotoniskā vidē, netiks veiktas nekādas izmaiņas.

Hipotoniski

Risinājums ir hipotonisks attiecībā pret šūnu, ja izšķīdušo vielu koncentrācija ārpusē ir zemāka - tas ir, šūnā ir vairāk izšķīdušo vielu. Šajā gadījumā ūdens tendence ir iekļūt šūnā.

Ja mēs ieliktu sarkanās asins šūnas destilētā ūdenī (kurā nav izšķīdušas vielas), ūdens nonāktu līdz brīdim, kad tie eksplodēs. Šo parādību sauc par hemolīzi.

Hipertonisks

Šķīdums ir hipertonisks attiecībā pret šūnu, ja izšķīdušo vielu koncentrācija ir augstāka ārpusē - tas ir, šūnā ir mazāk izšķīdušo vielu.

Šajā gadījumā ūdens tendence ir pamest šūnu. Ja mēs ieliekam sarkanās asins šūnas koncentrētākā šķīdumā, ūdens šūnās ir tendence noplūst un šūna iegūst saburzītu izskatu.

Šiem trim jēdzieniem ir bioloģiska nozīme. Piemēram, jūras organisma olām jābūt izotoniskām attiecībā pret jūras ūdeni, lai tās neplīst un nezaudētu ūdeni.

Tāpat parazītiem, kas dzīvo zīdītāju asinīs, izšķīdušo vielu koncentrācijai jābūt līdzīgai videi, kurā tie attīstās.

-Elektriskā ietekme

Ja mēs runājam par joniem, kas ir uzlādētas daļiņas, tad kustību caur membrānām nevada tikai koncentrācijas gradienti. Šajā sistēmā jāņem vērā izšķīdušo vielu maksa.

Jonam ir tendence attālināties no reģioniem, kur ir augsta koncentrācija (kā aprakstīts sadaļā par osmozi un difūziju), un arī tad, ja jons ir negatīvs, tas virzīsies uz reģioniem, kur pieaug negatīvs potenciāls. Atcerieties, ka dažādas maksas piesaista, tāpat kā maksas atgrūž.

Lai prognozētu jonu izturēšanos, mums jāpievieno koncentrācijas gradienta un elektriskā gradienta apvienotie spēki. Šo jauno parametru sauc par tīro elektroķīmisko gradientu.

Šūnu transporta veidus klasificē atkarībā no enerģijas enerģijas izmantošanas vai neizmantošanas pasīvās un aktīvās kustībās. Mēs katrs sīkāk aprakstīsim zemāk:

Pasīvie transmembranālie pārvadājumi

Pasīvās kustības caur membrānām ietver molekulu pāreju bez tiešas enerģijas nepieciešamības. Tā kā šīs sistēmas neietver enerģiju, tas ir atkarīgs tikai no koncentrācijas gradientiem (ieskaitot elektriskos), kas pastāv visā plazmas membrānā.

Kaut arī enerģija, kas atbild par daļiņu kustību, tiek uzkrāta šādos gradientos, ir lietderīgi un ērti turpināt uzskatīt procesu par pasīvu.

Pastāv trīs elementāri veidi, kā molekulas pasīvi var pāriet no vienas puses uz otru:

Vienkārša difūzija

Vienkāršākais un intuitīvākais šķīdinātāja pārvadāšanas veids ir šķērsot membrānu, ievērojot iepriekš minētos slīpumus.

Molekuls izkliedējas caur plazmas membrānu, atstājot ūdens fāzi malā, izšķīst lipīdu daļā un visbeidzot nonāk šūnas iekšējā ūdens daļā. Tas pats var notikt pretējā virzienā - no šūnas iekšpuses uz ārpusi.

Efektīvu caurbraukšanu caur membrānu noteiks siltumenerģijas līmenis, kāds ir sistēmai. Ja tā ir pietiekami augsta, molekula varēs šķērsot membrānu.

Sīkāk aplūkojot, molekulai jālauž visas ūdeņraža saites, kas veidojas ūdens fāzē, lai varētu pāriet uz lipīdu fāzi. Šim notikumam ir nepieciešama 5 kcal kinētiskā enerģija katrai esošajai saitei.

Nākamais faktors, kas jāņem vērā, ir molekulas šķīdība lipīdu zonā. Mobilitāti ietekmē dažādi faktori, piemēram, molekulmasa un molekulas forma.

Vienkāršās difūzijas caurlaides kinētika parāda nepiesātinātības kinētiku. Tas nozīmē, ka iekļūšana palielinās proporcionāli pārvadājamā šķīduma koncentrācijai ārpusšūnu reģionā.

Ūdens kanāli

Otra alternatīva molekulu pārejai pasīvajā ceļā ir caur ūdens kanālu, kas atrodas membrānā. Šie kanāli ir sava veida poras, kas ļauj iziet molekulu, izvairoties no saskares ar hidrofobisko reģionu.

Noteiktām uzlādētām molekulām izdodas iekļūt šūnā, ievērojot to koncentrācijas gradientu. Pateicoties šai ar ūdeni piepildīto kanālu sistēmai, membrānas ir ļoti necaurlaidīgas pret joniem. Starp šīm molekulām izceļas nātrijs, kālijs, kalcijs un hlors.

Nesēja molekula

Pēdējā alternatīva ir interesējošā šķīdinātāja apvienojums ar nesējmolekulu, kas maskē tā hidrofīlo raksturu, lai tā izietu cauri membrānas daļai, kas bagāta ar lipīdiem.

Pārvadātājs palielina transportējamās molekulas lipīdu šķīdību un veicina tās pāreju par labu koncentrācijas gradientam vai elektroķīmiskajam gradientam.

Šie nesējproteīni darbojas dažādos veidos. Vienkāršākajā gadījumā izšķīdušo vielu pārnes no vienas membrānas puses uz otru. Šo tipu sauc par uniport. Tieši pretēji, ja vienlaikus pārvadā vai savieno citu izšķīdušo vielu, pārvadātāju sauc par savienotu.

Ja savienotais transportieris pārvieto abas molekulas vienā virzienā, tas ir simpāts, un, ja tas notiek pretējos virzienos, transportētājs ir pretstats.

Osmoze

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiK atvasinātais darbs: Ortisa, izmantojot Wikimedia Commons

Tas ir šūnu transportēšanas veids, kurā šķīdinātājs selektīvi iziet caur puscaurlaidīgu membrānu.

Piemēram, ūdenim ir tendence nokļūt šūnas pusē, kur tā koncentrācija ir zemāka. Ūdens kustība šajā ceļā rada spiedienu, ko sauc par osmotisko spiedienu.

Šis spiediens ir nepieciešams, lai regulētu vielu koncentrāciju šūnā, kas pēc tam ietekmē šūnas formu.

Ultrafiltrācija

Šajā gadījumā dažu izšķīdušo vielu kustību rada hidrostatiskā spiediena ietekme no lielākās spiediena zonas uz mazāka spiediena zonu. Cilvēka ķermenī šis process notiek nierēs, pateicoties sirds radītajam asinsspiedienam.

Tādā veidā ūdens, urīnviela utt. No šūnām nonāk urīnā; un hormoni, vitamīni utt., paliek asinīs. Šis mehānisms ir pazīstams arī kā dialīze.

Vienkāršota izplatīšana

Ir vielas ar ļoti lielām molekulām (piemēram, glikoze un citi monosaharīdi), kurām difūzijai nepieciešams nesējproteīns. Šī difūzija ir ātrāka nekā vienkārša difūzija un ir atkarīga no:

Vielas koncentrācijas gradients.
Nesējā olbaltumvielu daudzums šūnā.
Klāt esošo olbaltumvielu ātrums.

Viens no šiem transportiera proteīniem ir insulīns, kas atvieglo glikozes difūziju, samazinot tā koncentrāciju asinīs.

Aktīvs transmembranālais transports

Līdz šim mēs esam apsprieduši dažādu molekulu pāreju pa kanāliem bez enerģijas izmaksām. Šajos gadījumos vienīgās izmaksas ir potenciālās enerģijas ģenerēšana diferenciālas koncentrācijas veidā abās membrānas pusēs.

Tādā veidā transporta virzienu nosaka esošais slīpums. Šķīdinātās vielas sāk pārvadāt pēc iepriekšminētajiem difūzijas principiem, līdz tās sasniedz punktu, kur beidzas neto difūzija - šajā brīdī ir sasniegts līdzsvars. Jonu gadījumā kustību ietekmē arī lādiņš.

Tomēr vienīgais gadījums, kad jonu sadalījums abās membrānas pusēs ir patiesā līdzsvarā, ir tad, kad šūna ir mirusi. Visas dzīvās šūnas iegulda lielu daudzumu ķīmiskās enerģijas, lai izšķīdušās vielas koncentrācijas nebūtu līdzsvarā.

Enerģija, kas tiek izmantota, lai uzturētu šos procesus aktīvus, parasti ir ATP molekula. Adenozīna trifosfāts, saīsināts kā ATP, ir pamata enerģijas molekula šūnu procesos.

Aktīvās transporta īpašības

Aktīvais transports var ietekmēt koncentrācijas gradientus neatkarīgi no tā, cik stāvi tie ir - šī īpašība kļūs skaidra ar nātrija-kālija sūkņa skaidrojumu (skatīt zemāk).

Aktīvie transporta mehānismi vienlaikus var pārvietot vairāk nekā vienu molekulas klasi. Aktīvajam transportam tiek izmantota tā pati klasifikācija, kas minēta vairāku molekulu pārvadāšanai vienlaikus pasīvā transportā: symport un anti-support.

Šo sūkņu transportēšanu var kavēt, uzklājot molekulas, kas īpaši bloķē olbaltumvielu kritiskās vietas.

Transporta kinētikai ir Miķelis-Mentens tips. Abas izturēšanās - ko kavē kāda molekula un kinētika - ir tipiskas fermentatīvo reakciju īpašības.

Visbeidzot, sistēmā jābūt īpašiem fermentiem, piemēram, ATPāzēm, kas spēj hidrolizēt ATP molekulu. Šis ir mehānisms, ar kura palīdzību sistēma iegūst enerģiju, kas to raksturo.

Transporta selektivitāte

Iesaistītie sūkņi ir ārkārtīgi selektīvi molekulās, kuras tiks pārvadātas. Piemēram, ja sūknis ir nātrija jonu nesējs, tas neaizņems litija jonus, lai gan abi joni ir ļoti līdzīga lieluma.

Tiek pieņemts, ka olbaltumvielas spēj atšķirt divas diagnostiskās pazīmes: vieglu molekulas dehidratāciju un mijiedarbību ar lādiņiem transportiera porās.

Ir zināms, ka lielie joni viegli dehidrējas, salīdzinot ar nelielu jonu. Tādējādi porās ar vājiem polārajiem centriem, vēlams, tiks izmantoti lieli joni.

Turpretī kanālos ar spēcīgi lādētiem centriem dominē mijiedarbība ar dehidrētu jonu.

Aktīvā transporta piemērs: nātrija-kālija pumpis

Lai izskaidrotu aktīvā transporta mehānismus, vislabāk to darīt ar vislabāk izpētīto modeli: nātrija-kālija sūkni.

Pārsteidzoša šūnu īpašība ir spēja uzturēt nātrija (Na ⁺ ) un kālija (K ⁺ ) jonu stāvos slīpumus .

Fizioloģiskajā vidē kālija koncentrācija šūnās ir 10-20 reizes augstāka nekā ārpus šūnām. Turpretī nātrija joni ir daudz vairāk koncentrēti ārpusšūnu vidē.

Izmantojot principus, kas pasīvi regulē jonu kustību, šīs koncentrācijas uzturēt nav iespējams, tāpēc šūnām nepieciešama aktīva transporta sistēma, un tas ir nātrija-kālija pumpis.

Sūkni veido ATPāzes tipa olbaltumvielu komplekss, kas piestiprināts pie visu dzīvnieku šūnu plazmas membrānas. Tam ir abiem joniem saistošas vietas un tas ir atbildīgs par transportēšanu ar enerģijas ievadīšanu.

Kā darbojas sūknis?

Šajā sistēmā ir divi faktori, kas nosaka jonu kustību starp šūnu un ārpusšūnu nodalījumiem. Pirmais ir ātrums, ar kādu darbojas nātrija-kālija pumpis, un otrais faktors ir ātrums, ar kādu jons pasīvās difūzijas dēļ var atkal iekļūt šūnā (nātrija gadījumā).

Tādā veidā ātrums, ar kādu joni nonāk šūnā, nosaka ātrumu, ar kādu sūknim jādarbojas, lai uzturētu atbilstošu jonu koncentrāciju.

Sūkņa darbība ir atkarīga no konformācijas izmaiņām virknē olbaltumvielu, kas ir atbildīga par jonu transportēšanu. Katra ATP molekula tiek hidrolizēta tieši, procesā no šūnas iziet trīs nātrija joni un vienlaikus divi vidējie šūnu kālija joni nonāk šūnas vidē.

Masu pārvadājumi

Tas ir vēl viens aktīvā transporta veids, kas palīdz makromolekulu, piemēram, polisaharīdu un olbaltumvielu, kustībā. To var dot:

-Endocitoze

Pastāv trīs endocitozes procesi: fagocitoze, pinocitoze un ar ligandiem saistīta endocitoze:

Fagocitoze

Fagocitoze - transporta veids, kurā cietu daļiņu sedz pūslīši vai fagosoma, ko veido sapludināti pseidopodi. To cieto daļiņu, kas paliek pūslīša iekšpusē, sagremo fermenti un tādējādi nonāk šūnas iekšpusē.

Tas ir kā balto asins šūnu darbība organismā; tie piesaista baktērijas un svešķermeņus kā aizsardzības mehānismu.

Pinocitoze

Vienšūņu uzturs. Pinocitoze. Attēlu veidoja: Jacek FH (atvasināts no Mariana Ruiz Villarreal). Uzņemts un rediģēts no https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

Pinocitoze rodas, ja pārvadājamā viela ir ārpusšūnu šķidruma piliens vai pūslīši, un membrāna izveido pinocītisko pūslīšu, kurā pūslīša vai piliena saturu apstrādā tā, lai tas atgrieztos šūnas virsmā.

Endocitoze caur receptoru

Tas ir process, kas līdzīgs pinocitozei, taču šajā gadījumā membrānas invaginācija notiek, kad noteikta molekula (ligands) saistās ar membrānas receptoru.

Vairāki endocītiskie pūslīši pievienojas un veido lielāku struktūru, ko sauc par endosomu, kur ligands tiek atdalīts no receptora. Pēc tam receptoru darbība atgriežas membrānā, un ligands saistās ar liposomu, kur to sagremo fermenti.

-Eksocitoze

Tas ir šūnu transporta veids, kurā viela jāpārnēsā ārpus šūnas. Šī procesa laikā sekrēcijas pūslīšu membrāna saistās ar šūnas membrānu un atbrīvo pūslīšu saturu.

Šādā veidā šūnas likvidē sintezētās vielas vai atkritumus. Tas ir arī veids, kā viņi izdala hormonus, fermentus vai neirotransmiterus.

Atsauces

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Bioloģija: Dzīve uz Zemes. Pīrsona izglītība.
Donnersberger, AB, un Lesak, AE (2002). Anatomijas un fizioloģijas laboratorijas grāmata. Redakcija Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Anatomofizioloģijas un patoloģijas pamati. Redakcijas Paraninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Ekerta dzīvnieka fizioloģija. Makmillans.
Atbalstīja, À. M. (2005). Fizisko aktivitāšu un sporta fizioloģijas pamati. Panamerican Medical Ed.

ŠŪNU TRANSPORTĒŠANA: VEIDI UN TO RAKSTUROJUMS - BIOLOĢIJA - 2025