La célula es una unidad estructural de toda la vida en nuestro planeta y un sistema abierto. Esto significa que su vida requiere un constante intercambio de materia y energía con el medio ambiente. Este intercambio se lleva a cabo a través de la membrana, el borde principal de la célula, que está diseñado para preservar su integridad. Es a través de la membrana que se lleva a cabo el metabolismo celular y va a lo largo del gradiente de concentración de una sustancia, o en contra. El transporte activo a través de la membrana citoplasmática es un proceso complejo que consume mucha energía.
Membrana - barrera y pasarela
La membrana citoplasmática forma parte de muchos orgánulos celulares, plástidos e inclusiones. La ciencia moderna se basa en el modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana. El transporte activo de sustancias a través de la membrana es posible debido a suedificio especifico. La base de las membranas está formada por una bicapa lipídica, principalmente fosfolípidos dispuestos de acuerdo con sus propiedades hidrofílicas-hidrofóbicas. Las principales propiedades de la bicapa lipídica son la fluidez (la capacidad de incrustarse y perder sitios), el autoensamblaje y la asimetría. El segundo componente de las membranas son las proteínas. Sus funciones son diversas: transporte activo, recepción, fermentación, reconocimiento.
Las proteínas se encuentran tanto en la superficie de las membranas como en el interior, y algunas de ellas las penetran varias veces. La propiedad de las proteínas en una membrana es la capacidad de moverse de un lado de la membrana al otro (s alto "flip-flop"). Y el último componente son las cadenas de sacáridos y polisacáridos de carbohidratos en la superficie de las membranas. Sus funciones siguen siendo controvertidas en la actualidad.
Tipos de transporte activo de sustancias a través de la membrana
Activa será tal transferencia de sustancias a través de la membrana celular, que es controlada, ocurre con costos energéticos y va en contra del gradiente de concentración (las sustancias se transfieren de un área de baja concentración a un área de alta concentración). Según la fuente de energía utilizada, se distinguen los siguientes modos de transporte:
- Activo primario (fuente de energía: hidrólisis del ácido trifosfórico de adenosina ATP a ácido difosfórico de adenosina ADP).
- Activo secundario (provisto de energía secundaria creada como resultado de los mecanismos de transporte activo primario de sustancias).
Proteínas-asistentes
Tanto en el primer como en el segundo caso, el transporte es imposible sin proteínas portadoras. Estas proteínas de transporte son muy específicas y están diseñadas para transportar ciertas moléculas y, a veces, incluso ciertos tipos de moléculas. Esto se demostró experimentalmente en genes bacterianos mutados, lo que condujo a la imposibilidad del transporte activo a través de la membrana de un carbohidrato determinado. Las proteínas transportadoras transmembrana pueden ser autotransportadoras (interactúan con las moléculas y las transportan directamente a través de la membrana) o formadoras de canales (forman poros en las membranas que están abiertos a sustancias específicas).
Bomba de sodio y potasio
El ejemplo más estudiado del transporte activo primario de sustancias a través de la membrana es la bomba de Na+ -, K+. Este mecanismo asegura la diferencia en las concentraciones de iones Na+ y K+ a ambos lados de la membrana, lo cual es necesario para mantener la presión osmótica en la célula y otros procesos metabólicos. La proteína transportadora transmembrana, ATPasa de sodio y potasio, consta de tres partes:
- En el lado exterior de la membrana proteica hay dos receptores para los iones de potasio.
- Hay tres receptores de iones de sodio en el interior de la membrana.
- La parte interna de la proteína tiene actividad ATP.
Cuando dos iones de potasio y tres iones de sodio se unen a los receptores de proteínas a ambos lados de la membrana, se activa la actividad ATP. La molécula de ATP se hidroliza a ADP con liberación de energía, que se gasta en el transporte de iones de potasio.dentro, y los iones de sodio fuera de la membrana citoplasmática. Se estima que la eficiencia de una bomba de este tipo es superior al 90%, lo que en sí mismo es bastante sorprendente.
Para referencia: La eficiencia de un motor de combustión interna es de alrededor del 40%, eléctrico - hasta el 80%. Curiosamente, la bomba también puede funcionar en la dirección opuesta y servir como donante de fosfato para la síntesis de ATP. Para algunas células (por ejemplo, las neuronas), hasta el 70% de toda la energía se gasta en eliminar el sodio de la célula y bombearle iones de potasio. Las bombas de calcio, cloro, hidrógeno y algunos otros cationes (iones con carga positiva) funcionan según el mismo principio de transporte activo. No se han encontrado tales bombas para aniones (iones cargados negativamente).
Cotransporte de carbohidratos y aminoácidos
Un ejemplo de transporte activo secundario es la transferencia de glucosa, aminoácidos, yodo, hierro y ácido úrico a las células. Como resultado de la operación de la bomba de potasio-sodio, se crea un gradiente de concentraciones de sodio: la concentración es alta afuera y baja adentro (a veces 10-20 veces). El sodio tiende a difundirse dentro de la célula y la energía de esta difusión puede utilizarse para transportar sustancias hacia el exterior. Este mecanismo se denomina cotransporte o transporte activo acoplado. En este caso, la proteína transportadora tiene dos centros receptores en el exterior: uno para el sodio y otro para el elemento que se transporta. Solo después de la activación de ambos receptores, la proteína sufre cambios conformacionales y la energía de difusiónel sodio introduce la sustancia transportada en la célula en contra del gradiente de concentración.
El valor del transporte activo para la celda
Si la difusión habitual de sustancias a través de la membrana se produjera durante un tiempo arbitrariamente largo, sus concentraciones fuera y dentro de la célula se igualarían. Y esto es la muerte para las células. Después de todo, todos los procesos bioquímicos deben desarrollarse en un entorno de diferencia de potencial eléctrico. Sin un transporte activo de sustancias en contra de un gradiente de concentración, las neuronas no serían capaces de transmitir un impulso nervioso. Y las células musculares perderían la capacidad de contraerse. La celda no sería capaz de mantener la presión osmótica y colapsaría. Y los productos del metabolismo no saldrían. Y las hormonas nunca llegarían al torrente sanguíneo. Después de todo, incluso una ameba gasta energía y crea una diferencia de potencial en su membrana usando las mismas bombas de iones.
