Кіріспе

Жасушалық биологиядағы концентрация градиентіне қарсы жасушалық молекулалар тасымалының механизмі. Жасушалық биологияда белсенді тасымалдау – молекулалардың немесе иондардың жасушалық мембрана арқылы концентрациясы төмен аймақтан концентрациясы жоғары аймаққа, яғни концентрация градиентіне қарсы қозғалысы. Бұл қозғалысты жүзеге асыру үшін белсенді тасымалдау жасушалық энергияны қажет етеді. Белсенді тасымалдаудың екі түрі бар: аденозин трифосфатын (АТФ) пайдаланатын біріншілік белсенді тасымалдау және электрохимиялық градиентті пайдаланатын екіншілік белсенді тасымалдау. Бұл процесс пассивті тасымалдауға қарама-қарсы келеді, ол молекулалардың немесе иондардың энергия жұмсамай, концентрация градиенті бойынша жоғары концентрациялы аймақтан төмен концентрациялы аймаққа қозғалуына мүмкіндік береді. Белсенді тасымалдау түрлі физиологиялық процестер үшін маңызды, мысалы, қоректік заттардың сіңуі, гормондардың секрециясы және нерв импульстарының таралуы. Мысалы, натрий-калий сорғысы натрий иондарын жасушадан сыртқа, ал калий иондарын жасушаға сору үшін АТФ-ты пайдаланады, жасушалық функция үшін қажетті концентрация градиентін сақтайды. Белсенді тасымалдау жоғары селективті және реттелген, әртүрлі молекулалар мен иондарға арналған әртүрлі тасымалдаушылар бар. Белсенді тасымалдаудың бұзылуы түрлі ауруларға алып келуі мүмкін, соның ішінде хлоридтік каналдың жұмысындағы бұзылуларға байланысты муковисцидоз және жасушаларға глюкоза тасымалының кемшіліктерінен туындаған диабет.

Белсенді жасушалық тасымалдау (ACT)

Пассивті тасымалдаудан айырмашылығы, ол градиент бойынша қозғалған молекулалардың кинетикалық энергиясы мен табиғи энтропиясын пайдаланады, белсенді тасымалдау оларды градиентке, полярлық итергіш күшке немесе басқа да қарсылыққа қарсы жылжыту үшін жасушалық энергияны қолданады. Белсенді тасымалдау көбінесе жасушаға қажетті молекулалардың, мысалы иондардың, глюкозаның және аминқышқылдарының жоғары концентрациясын жинақтаумен байланысты. Белсенді тасымалдаудың мысалдары: адам ішегінде глюкозаның сіңірілуі және өсімдіктердің түбірлік түктеріндегі жасушаларға минералды иондардың сіңірілуі.

Тарих

1848 жылы неміс физиологы Эмиль дю Буа Реймонд мембраналар арқылы заттардың белсенді тасымалдану мүмкіндігін ұсынды. 1926 жылы Деннис Роберт Хогланд өсімдіктердің концентрация градиентіне қарсы тұздарды сіңіру қабілетін зерттеді және бақыланатын тәжірибелік жағдайларда инновациялық модельдік жүйелерді қолдану арқылы қоректік заттардың сіңірілуі мен метаболикалық энергияға тәуелділігін анықтады. Розенберг (1948) белсенді тасымалдау концепциясын энергетикалық тұрғыдан қарастырып жасады, бірақ кейіннен ол қайта қарастырылды. 1997 жылы даниялық дәрігер Йенс Кристиан Скоу натрий-калий сорғысы жөніндегі зерттеулері үшін химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Бұл натрий-глюкоза котранспортерлері. Бұл транспортерлерді Ұлттық денсаулық сақтау институтының ғалымдары тапқан. Олар егеуқұйрықтың бүйрек түтікшелерінің әртүрлі нүктелерінде глюкозаның сіңірілуіндегі айырмашылықты байқаған. Ішек глюкозасын тасымалдау ақуызының гені кейін табылды және бұл мембраналық натрий-глюкоза котранспорт жүйелерімен байланысты болды. Бұл мембраналық тасымалдау ақуыздарының алғашқысы SGLT1 деп аталды, одан кейін SGLT2 табылды. Активті тасымалдаудың екі түрі бар: біріншілік активті тасымалдау және екіншілік активті тасымалдау. Біріншілік активті тасымалдауда қатысатын ақуыздар әдетте АТФ түріндегі химиялық энергияны пайдаланатын сорғылар болып табылады. Екіншілік активті тасымалдау, әдетте, электрохимиялық градиентті пайдалану арқылы алынатын потенциалдық энергияны пайдаланады. Электрохимиялық градиентке қарсы қозғалатын басқа ионды тасымалдау үшін электрохимиялық градиентке қарай қозғалатын бір ионнан алынған энергия қолданылады. Бұл жасуша мембранасында арналар құрайтын тесік жасайтын ақуыздарды қамтиды. Пассивті және активті тасымалдаудың айырмашылығы – активті тасымалдау энергияны қажет етеді және заттарды олардың тиісті концентрация градиентіне қарсы жылжытады, ал пассивті тасымалдау жасуша энергиясын қажет етпейді және заттарды олардың тиісті концентрация градиенті бағытында жылжытады. Антипортерде бір субстрат мембрана арқылы бір бағытта, ал екіншісі кері бағытта тасымалданады. Симпортерде екі субстрат мембрана арқылы бір бағытта тасымалданады. Антипорттық және симпорттық процестер екіншілік активті тасымалдаумен байланысты, яғни екі заттың бірі басқа ионның (көбінесе Na, K немесе H иондарының) концентрация градиенті бойынша тасымалдануынан алынған энергияны пайдалана отырып, оның концентрация градиентіне қарсы тасымалданады. Егер субстрат молекулалары төмен концентрациялы аймақтардан жоғары концентрациялы аймақтарға (яғни концентрация градиентіне қарсы) қозғалса, арнайы трансмембраналық тасымалдаушы ақуыздар қажет. Бұл ақуыздар белгілі бір молекулаларға (мысалы, глюкозаға) байланысатын рецепторлары бар және оларды жасуша мембранасы арқылы тасымалдайды. Бұл процеске энергия қажет болғандықтан, ол "активті" тасымалдау деп аталады. Активті тасымалдаудың мысалдары: натрий-калий сорғысы арқылы натрийді жасушадан және калийді жасушаға тасымалдау. Активті тасымалдау көбінесе жұқа ішектің ішкі қабатында жүреді. Өсімдіктер топырақтан немесе басқа көздерден минералды тұздарды сіңіруі керек, бірақ бұл тұздар өте сұйылтылған ерітіндіде болады. Активті тасымалдау осы жасушаларға концентрация градиентіне қарсы осы сұйылтылған ерітіндіден тұздарды алуға мүмкіндік береді. Мысалы, хлорид (Cl−) және нитрат (NO3−) иондары өсімдік жасушаларының цитозолында болады және оларды вакуольге тасымалдау қажет. Вакуольде осы иондар үшін арналар бар, бірақ олардың тасымалы концентрация градиентіне қарсы болады, сондықтан осы иондардың қозғалысы сутек сорғыларымен немесе протон сорғыларымен басқарылады. Біріншілік активті тасымалдау арқылы жасуша мембранасы арқылы тасымалданатын заттарға Na+, K+, Mg2+ және Ca2+ сияқты металл иондары жатады. Бұл зарядталған бөлшектер мембраналар арқылы өтуі және денеде таралуы үшін иондық сорғылар немесе иондық арналарды қажет етеді. Осы типтегі тасымалды жүзеге асыратын ферменттердің көпшілігі трансмембраналық АТФазалар болып табылады. Барлық жануарлар үшін ортақ негізгі АТФаза – жасуша потенциалын сақтауға көмектесетін натрий-калий сорғысы. Натрий-калий сорғысы жасушаға кіретін әрбір екі К+ ионы үшін жасушадан үш Na+ ионын шығару арқылы мембраналық потенциалды сақтайды. Біріншілік активті тасымалдау үшін энергияның басқа көздері – тотығу-тотықсыздану энергиясы және фотон энергиясы (жарық). Тотығу-тотықсыздану энергиясын пайдаланатын біріншілік активті тасымалдаудың мысалы – митохондриялық электрондық тасымалдау тізбегі, ол NADH-тың тотығу энергиясын пайдаланып, митохондрияның ішкі мембранасы арқылы протонды олардың концентрация градиентіне қарсы жылжытады. Жарық энергиясын пайдаланатын біріншілік активті тасымалдаудың мысалы – фотосинтезге қатысқан ақуыздар, олар фотондардың энергиясын пайдаланып, тилакоид мембранасы арқылы протон градиентін және NADPH түріндегі тотығу күшін жасайды.

Белсенді тасымалдау моделі

АТФ гидролизі сутек иондарын электрохимиялық градиентке қарсы (сутек иондарының төмен концентрациясынан жоғары концентрациясына) тасымалдау үшін пайдаланылады. Тасымалдаушы ақуыздың фосфорилирленуі және сутек ионының байланысуы электрохимиялық градиентке қарсы сутек иондарын тасымалдауға себеп болатын конформациялық (түрлену) өзгеріске әкеледі. Байланысқан фосфат тобының гидролизі және сутек ионының босатылуы тасымалдаушыны бастапқы конформациясына қайтарады.

Антипортер

Антипортерде иондардың немесе басқа ерітінділердің екі түрі мембрана арқылы қарама-қарсы бағытта тасымалданады. Бұл түрлердің біріне жоғары концентрациядан төмен концентрацияға өтуге рұқсат етіледі, бұл екінші ерітіндіні төмен концентрациялы аймақтан жоғары концентрациялы аймаққа тасымалдау үшін энтропиялық энергияны қамтамасыз етеді. Мысалы, натрий-кальций алмастырғышы немесе антипортер, ол үш натрий ионының жасушаға енуіне бір кальций ионының шығуына мүмкіндік береді. Бұл антипортер механизмі жүрек бұлшық жасушаларының мембранасында цитоплазмадағы кальций концентрациясын төмен деңгейде ұстау үшін маңызды. Алайда, АТФаза кальций иондарын көбірек уақыт алады: секундына 30 ион ғана шығарады, ал алмастырғыш секундына 2000 ион шығарады. Алмастырғыш кальций концентрациясы күрт өскенде немесе "түйінделгенде" жұмыс істей бастайды және жылдам қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Бұл бір типті ион бірнеше ферменттер арқылы тасымалдануы мүмкін екенін көрсетеді, олар әрқашан белсенді болуы міндетті емес (тұрақты), бірақ нақты, уақытша қажеттіліктерді қанағаттандыру үшін қалуы мүмкін.

Симпорттаушы

Симпортер бір еріген заттың жоғары концентрациядан төмен концентрацияға қарай өтетін қозғалысын пайдаланып, екінші молекуланы төмен концентрациядан жоғары концентрацияға қарай жылжытады (оның концентрация градиентіне қарсы). Екі молекула да бір бағытта тасымалданады. Мысалы, глюкоза симпортері SGLT1, екі натрий ионын ұяшыққа импорттаған әрбір глюкоза (немесе галактоза) молекуласын ұяшыққа бірге тасымалдайды. Бұл симпортер жұқа ішекте, жүректе және мида орналасқан. Сонымен қатар, ол бүйректегі әрбір нефронның проксималды түтікшесінің S3 сегментінде де кездеседі. Оның механизмі глюкозаны қайта толықтыру терапиясында қолданылады. Бұл механизм ішек қабырғалары арқылы қантты сіңіру арқылы суды да бірге тартуға мүмкіндік береді.

Үлкен көлемде тасымалданатын жүк

Эндоцитоз және экзоцитоз – бұл материалдарды көпіршіктер арқылы жасушаларға тиісінше кіргізу және шығарудың екі түрі. Эндоцитоз кезінде жасуша мембранасы жасуша сыртындағы қажетті материалдарды қоршап алады. Ішке сіңген бөлшектер цитоплазма ішіндегі көпіршік деп аталатын қапқа түседі. Көбінесе, осы процесте сіңген молекулаларды қорыту үшін лизосомалардан ферменттер пайдаланылады. Сигналдық электролиз арқылы жасушаға енетін заттарға ақуыздар, гормондар, өсу және тұрақтандыру факторлары жатады. Вирустар жасушаға олардың сыртқы мембранасы жасуша мембранасымен бірігіп өтетін эндоцитоз түрі арқылы енеді. Бұл вирус ДНК-сын қабылдаушы жасушаға күштеп енгізеді. Биологтар эндоцитоздың екі негізгі түрін ажыратады: пиноцитоз және фагоцитоз. Пиноцитоз кезінде жасушалар сұйық бөлшектерді жұтады (адамдарда бұл процесс жұқа ішекте жүзеге асады, онда жасушалар май тамшыларын жұтады). Фагоцитоз кезінде жасушалар қатты бөлшектерді жұтады. Экзоцитоз – жасушаның сыртқы мембранасы мен көпіршік мембранасының бірігуі арқылы заттардың шығарылуы. Экзоцитоздың мысалы – ми жасушалары арасындағы синапстағы нейротрансмиттерлердің берілуі.