תא הוא יחידה מבנית של כל החיים על הפלנטה שלנו ומערכת פתוחה. המשמעות היא שהחיים שלו דורשים חילוף מתמיד של חומר ואנרגיה עם הסביבה. החלפה זו מתבצעת דרך הממברנה - הגבול הראשי של התא, שנועד לשמור על שלמותו. דרך הממברנה מתבצעת חילוף החומרים התאי והוא עובר או לאורך שיפוע הריכוז של חומר, או נגדו. הובלה פעילה על פני הממברנה הציטופלזמית היא תהליך מורכב ועתיר אנרגיה.
ממברנה - מחסום ושער
הממברנה הציטופלזמית היא חלק מאברוני תאים רבים, פלסטידים ותכלילים. המדע המודרני מבוסס על מודל הפסיפס הנוזל של מבנה הממברנה. הובלה פעילה של חומרים על פני הממברנה אפשרית בשל כךבניין ספציפי. בסיס הממברנות נוצר על ידי דו-שכבה שומנית - בעיקר פוספוליפידים המסודרים בהתאם לתכונות ההידרופיליות-הידרופוביות שלהם. המאפיינים העיקריים של דו-שכבת השומנים הם נזילות (היכולת להטביע ולאבד אתרים), הרכבה עצמית ואסימטריה. המרכיב השני של הממברנות הוא חלבונים. תפקידיהם מגוונים: הובלה פעילה, קליטה, תסיסה, זיהוי.
חלבונים ממוקמים הן על פני הקרומים והן בפנים, וחלקם חודרים אליו מספר פעמים. התכונה של חלבונים בממברנה היא היכולת לנוע מצד אחד של הממברנה לצד השני ("קפיצה כפכפים"). והמרכיב האחרון הוא שרשראות הסכרים והפוליסכרידים של פחמימות על פני הקרומים. התפקידים שלהם עדיין שנויים במחלוקת היום.
סוגי הובלה פעילה של חומרים על פני הממברנה
פעיל תהיה העברה כזו של חומרים דרך קרום התא, אשר מבוקרת, מתרחשת בעלויות אנרגיה ויוצאת נגד שיפוע הריכוז (חומרים מועברים מאזור בריכוז נמוך לאזור של ריכוז גבוה). בהתאם למקור האנרגיה שבו נעשה שימוש, מובחנים דרכי התחבורה הבאות:
- פעיל ראשוני (מקור אנרגיה - הידרוליזה של חומצה אדנוזין טריפוספורית ATP לחומצה דיפוספורית אדנוזין ADP).
- פעיל משני (מסופק עם אנרגיה משנית שנוצרת כתוצאה מהמנגנונים של הובלה פעילה ראשונית של חומרים).
חלבונים-עוזרים
במקרה הראשון והשני, הובלה בלתי אפשרית ללא חלבונים נשאים. חלבוני התחבורה הללו הם מאוד ספציפיים ומיועדים לשאת מולקולות מסוימות, ולעיתים אפילו סוגים מסוימים של מולקולות. זה הוכח בניסוי על גנים של חיידקים שעברו מוטציה, מה שהוביל לחוסר אפשרות של הובלה פעילה על פני הממברנה של פחמימה מסוימת. חלבוני טרנספורטר טרנסממברני יכולים להיות מעבירים עצמיים (הם מקיימים אינטראקציה עם מולקולות ונושאים אותם ישירות על פני הממברנה) או יוצרים תעלות (יוצרים נקבוביות בממברנות הפתוחות לחומרים ספציפיים).
משאבת נתרן ואשלגן
הדוגמה הנחקרת ביותר להובלה הפעילה העיקרית של חומרים על פני הממברנה היא משאבת Na+ -, K+ -משאבת. מנגנון זה מבטיח את ההבדל בריכוז יוני Na+ ו-K+ משני צידי הממברנה, דבר הדרוש לשמירה על הלחץ האוסמוטי בתא ותהליכים מטבוליים נוספים. חלבון הנשא הטרנסממברני, נתרן-אשלגן ATPase, מורכב משלושה חלקים:
- בצד החיצוני של קרום החלבון ישנם שני קולטנים ליוני אשלגן.
- יש שלושה קולטנים ליוני נתרן בחלק הפנימי של הממברנה.
- לחלק הפנימי של החלבון יש פעילות ATP.
כאשר שני יוני אשלגן ושלושה יוני נתרן נקשרים לקולטני חלבון משני צידי הממברנה, פעילות ATP מופעלת. מולקולת ה-ATP עוברת הידרוליזה ל-ADP עם שחרור אנרגיה, המושקעת בהובלת יוני אשלגןבתוך, ויוני נתרן מחוץ לממברנה הציטופלזמית. ההערכה היא שהיעילות של משאבה כזו היא יותר מ-90%, וזה כשלעצמו די מדהים.
לעיון: היעילות של מנוע בעירה פנימית היא כ-40%, חשמלי - עד 80%. מעניין שהמשאבה יכולה לעבוד גם בכיוון ההפוך ולשמש כתורם פוספט לסינתזת ATP. עבור תאים מסוימים (לדוגמה, נוירונים), עד 70% מכל האנרגיה מושקעת בהוצאת נתרן מהתא ושאיבת יוני אשלגן לתוכו. משאבות לסידן, כלור, מימן ועוד כמה קטיונים (יונים בעלי מטען חיובי) פועלות על אותו עיקרון של הובלה פעילה. לא נמצאו משאבות כאלה לאניונים (יונים בעלי מטען שלילי).
הובלה משותפת של פחמימות וחומצות אמינו
דוגמה להובלה פעילה משנית היא העברת גלוקוז, חומצות אמינו, יוד, ברזל וחומצת שתן לתאים. כתוצאה מהפעלת משאבת האשלגן-נתרן נוצר שיפוע של ריכוזי נתרן: הריכוז גבוה בחוץ, ונמוך בפנים (לעיתים פי 10-20). נתרן נוטה להתפזר לתוך התא וניתן להשתמש באנרגיה של דיפוזיה זו כדי להעביר חומרים החוצה. מנגנון זה נקרא קוטרנספורט או הובלה פעילה מצמדת. במקרה זה, לחלבון הנשא יש שני מרכזי קולטנים מבחוץ: אחד עבור נתרן והשני עבור היסוד המועבר. רק לאחר הפעלת שני הקולטנים, החלבון עובר שינויים קונפורמטיביים, ואת אנרגיית הדיפוזיהנתרן מכניס את החומר המועבר לתא כנגד שיפוע הריכוז.
הערך של תחבורה פעילה עבור התא
אם הדיפוזיה הרגילה של חומרים דרך הממברנה הייתה מתמשכת במשך זמן רב באופן שרירותי, הריכוזים שלהם מחוץ לתא ובתוכו ישתווה. וזה מוות לתאים. אחרי הכל, כל התהליכים הביוכימיים חייבים להתקדם בסביבה של הבדל פוטנציאל חשמלי. ללא הובלה פעילה, כנגד שיפוע ריכוז, של חומרים, נוירונים לא יוכלו להעביר דחף עצבי. ותאי השריר יאבדו את היכולת להתכווץ. התא לא יוכל לשמור על לחץ אוסמוטי ויקרוס. ותוצרי חילוף החומרים לא יובאו החוצה. והורמונים לעולם לא יכנסו לזרם הדם. אחרי הכל, אפילו אמבה מוציאה אנרגיה ויוצרת הבדל פוטנציאל על הממברנה שלה באמצעות אותן משאבות יונים.
