Прийом і витрата речовин належать до основних процесів і є умовою існування клітини. Це спілкування відбувається через клітинні поверхні, що відокремлюють клітину від зовнішнього середовища. Велике значення в цьому спілкуванні має цитоплазматична мембрана, яка є напівпроникною, вибірково просочуючи необхідні речовини до клітини та з неї. Завдяки своїй хімічній структурі ця мембрана також пропускає через себе більші молекули або частини клітин. Після загибелі клітин плазматична мембрана стає проникною.
Клітина отримує речовини, необхідні для:
- охоплення енергоспоживання (цукри, жири)
- клітинна структура (цукри, білки)
- контроль активності клітин (білки, гормони, ферменти)
- хід метаболічних процесів (вода, іони, вітаміни)
Клітина виділяє речовини, які:
- не потребує або шкодить йому (вуглекислий газ, сечовина)
- потрібні інші клітини (ферменти, вітаміни, гормони)
- потрібні для захисту (антитіла)
Ми виділяємо три основних типи переносу речовин:
- пасивний транспорт - відбувається без споживання енергії
- активний транспорт - енергія потрібна для перенесення речовин через мембрану
- цитоз - перенесення великих молекул і цілих частинок під час ремоделювання мембрани
Пасивне транспортне сполучення
Пасивний транспорт означає перенесення біомолекул атомної або низькомолекулярної природи через біомембрани без споживання енергії. Це процес, який залежить від градієнта концентрації розчиненої речовини та проникності мембрани. Ми включаємо дифузію та осмос.
Дифузійне посилання
Це переміщення молекул, атомів та іонів з місця вищої концентрації в місце з меншою концентрацією, тобто після градієнта концентрації. Швидкість і ступінь дифузії відрізняється від різниці в концентрації речовини (розчиненої речовини) по обидва боки біомембрани. Процес зупиняється, коли концентрація речовини по обидва боки мембрани порушена, тобто. при усуненні градієнта концентрації. Це транспортує кисень, вуглекислий газ, органічні неелектроліти (спирт, сечовина), а також деякі отрути та барвники.
Полегшена дифузія являє собою рух молекул через біомембрану за допомогою специфічних білкових транспортерів, вбудованих у мембрану. Таким чином, напр. глюкози, оскільки вона не розчиняється в жирах, а молекула занадто велика, щоб проходити через пори мембрани. Хоча в якості транспортера потрібен конкретний білок, цей процес відбувається після градієнта концентрації без споживання енергії.
Посилання на осмос
З фізичної точки зору, це односпрямоване проходження молекул розчинника через напівпроникну мембрану. У біологічному сенсі це в основному особлива назва дифузія молекул води. Рушійною силою є різниця в концентраціях осмотично активних частинок. Осмос залежить від градієнта концентрації.
Осмос можна продемонструвати на розчині NaCl і чистої дистильованої води, які розділені напівпроникною мембраною, що дозволяє проходити молекулам води, але не іонам Na + та Cl -. Вода «намагається» розвести розчин на протилежній стороні мембрани, що видно на підвищенні рівня розчину NaCl і, навпаки, на зниженні рівня дистильованої води. Осмотичний тиск (Π) (виражається в паскалях [Па]) - це фізична величина, значення якої - тиск, при якому ми повинні діяти на рідину, щоб запобігти осмосу (тобто, що різниця в рівнях Δh = 0). Підтримання постійного осмотичного тиску життєво важливо як для клітини, так і для організму.
Клітина може поглинати або втрачати воду осмотично залежно від концентрації осмотично активних частинок у позаклітинному середовищі та всередині клітини, відповідно. в клітинному соку вакуолей рослинної клітини. З цієї точки зору ми виділяємо кілька осмотичних значень навколишнього середовища:
-
Ізотонічне середовище (гр. iso = те саме; tonos = напруга) має таке ж осмотичне значення, як і клітина, тому потік води в жодному напрямку.
Гіпертонічне середовище (гр. гіпер = вище) має вищу концентрацію осмотично активних частинок і клітина втрачає воду в такому середовищі, зменшує свій об’єм. Це відбувається в клітині рослини плазмоліз (це виведення протопласту з клітинної стінки). Плазмоліз можна спостерігати при засолюванні нарізаного огірка. Сіль забирає воду з протопластів клітин. Усадка відбувається в клітині тварини, іменована як плазморіз. Це трапляється, наприклад, коли ми втираємо спирт на шкіру. Зворотний процес, тобто. збалансування осмотичного рівня клітини та навколишнього середовища називається деплазмоліз. На його кінці виникає ізотонічний стан.
Активне транспортне сполучення
Це перенесення молекул проти градієнта концентрації, тобто з місць з меншою концентрацією на ділянки з більш високою концентрацією. Для цього витрачається енергія, яка надходить від гідролітичного ферментативного розщеплення АТФ (аденозинтрифосфату). АТФ містить макроергічні хімічні зв’язки між фосфатами, які при розщепленні виділяють хімічну енергію, придатну для інших біохімічних процесів. Активний транспорт дає можливість захоплювати певні іони або молекули із зовнішнього середовища, навіть якщо вони трапляються в навколишньому середовищі в дуже низьких концентраціях. Він представляє певну незалежність клітини від навколишнього середовища.
Активний транспорт виконує білкові транспортери, які є мембранними білками, які активно транспортують молекули через біомембрани. Принцип подібний до принципу у випадку полегшеної дифузії, але він суперечить градієнту концентрації переданої молекули. Портовий транспорт працює в кілька етапів:
- носій розпізнає і захоплює молекулу на поверхні мембрани
- змінюючи конформацію (структуру) транспортера, відбувається перенесення (транслокація) молекули на іншу сторону біомембрани (цей процес підтримується гідролізом АТФ)
- вивільнення молекули з транспортера з іншого боку біомембрани відновлює початкову конформацію транспортера
Прикладом активного транспорту перевізниками є натрієво-калієвий насос. Це трансмембранний транспортер білка, який транспортує катіони натрію (Na +) з клітини, а катіони калію (K +) у клітину шляхом споживання АТФ. Для однієї молекули АТФ 3 молекули Na + переносяться з клітини, а 2 молекули K + в клітину. Наслідком цього процесу є поява негативного електричний потенціал на внутрішній стороні біомембрани проти зовнішньої. Натрієво-калієві насоси рясні в нервових клітинах.
Ланка цитозу
Великі молекули та цілі частинки речовин, які не можуть проникнути в клітину вищезазначеними шляхами, проходять через плазмовий механізм мембранного потоку. Ми також називаємо ці процеси цитозами. Це дуже динамічні процеси, які передбачають злиття оболонок та везикуляцію (розщеплення везикул). Вони відбуваються на поверхні клітин, між клітинами і всередині клітин.
За напрямком, в якому відбувається перенесення частинок, ми розрізняємо:
- ендоцитоз - до осередку
- екзоцитоз - з клітини
Ендоцитозний ланка
Ендоцитоз - це потрапляння речовин у клітину. Хоча пасивний та активний транспорт відбувається у всіх клітинах, ендоцитоз - лише у деяких. Ми виділяємо три типи ендоцитозу:
- фагоцитоз
- піноцитоз
- опосередкований рецепторами ендоцитоз
Фагоцитоз - поглинання твердих речовин у клітину. Він спостерігав за нею МЕЧНИКОВ у 1883 р. Використовуючи мікрофіламенти, він створює клітину панчохи (псевдотіла), який обволікає частинки і закриває їх фагоцитарна вакуоля.
Фагоцитоз - основне споживання їжі у найпростіших. Фагоцитоз служить неспецифічним вродженим імунітетом, доступним для імунокомпетентних клітин у багатоклітинних тварин. Фагоцитоз бере участь у поглинанні бактерій, мертвих і зношених клітин (еритроцитів у селезінці). Фагоцитарні клітини мають здатність до амебного руху.
Піноцитоз являє собою поглинання речовин у формі розчину. Він описав це вперше ЛЮІС в 1931 р. Поглинання речовини відбувається шляхом проникнення плазматичної мембрани в клітину і створення депресії, яка збільшується, доки її не відірве задушення у вигляді маленького міхура. - вакуоля піноцитів - з речовиною, що транспортується (термін ендосома для виявлення пухирців, які є результатом різних форм ендоцитозу). Ендосоми зливаються з первинними лізосомами, утворюючи вторинні лізосоми.
Фагоцитоз і піноцитоз - це не дуже специфічні процеси вживання речовин. Ендоцитоз, опосередкований рецепторами на відміну від цього, це специфічний процес, який концентрується на певних ділянках клітинної поверхні з великою кількістю рецепторів, які зв'язують певний тип молекули (ліганд). Зв'язування достатньої кількості лігандів з рецепторами призведе до інвагінації цієї частини мембрани разом із рецепторно-лігандним комплексом. Таким чином, напр. залізо, зв’язане зі специфічним білком - трансферином, який розпізнається рецепторами трансферину на поверхні еритроцитів.
Екзоцитоз ланка
Екзоцитоз - це процес доставки більших молекул, які не можуть пройти через плазматичну мембрану шляхом дифузії. В основному це процес, протилежний ендоцитозу. Такі молекули переходять у зовнішнє середовище у вигляді пухирців - екзоцитарні везикули. Зазвичай міхур утворюється з мембрани ендоплазматичного ретикулуму або диктиосом апарату Гольджі. Перенесені везикули поступово асоціюються з цитоплазматичною мембраною і після їх злиття їх вміст виводиться у зовнішнє середовище.
Таким чином з клітини виводяться відходи речовин, полісахариди клітинної стінки рослин, молекули позаклітинного матриксу, позаклітинні ферменти, білки крові, антитіла, гормони, нейромедіатори.