Транспорт речовин через мембрани

Сполуки та йони, потрібні для життєдіяльності клітини, а також продукти обміну, перетинають мембрану за допомогою дифузії, активного або пасивного транспорту, а також через отвори (пори) в ній.

Пасивний транспорт забезпечує вибіркове проникнення речовин через мембрани. При цьому молекули переміщуються завдяки різниці концентрації речовин по обидва боки мембрани: з ділянки, де їхня концентрація висока, у ділянку, де їхня концентрація менша. Пасивний транспорт триває доти, доки не вирівняються концентрації речовин по обидва боки мембрани. На здійснення пасивного транспорту витрачається небагато енергії, або ж вона не витрачається взагалі. Існують різні механізми, що забезпечують пасивний транспорт. Зокрема, це може бути дифузія, за допомогою якої в клітину надходять вода і розчинені в ній речовини.

Дифузією називають процес, за якого молекули вільно рухаються крізь певні ділянки мембрани в напрямку меншої концентрації поза одним боком мембрани. Цей процес відбувається без витрат енергії.

Як якщо мембрана вільно пропускає молекули однієї речовини та затримує частинки іншої, то відбувається однобічна дифузія лише тієї речовини, яка здатна проходити через мембрану. Однобічна дифузія розчинника через напівпроникну мембрану, що розділяє розчин певної речовини і чистий розчинник чи розчин більшої концентрації, дістала назву осмос. Плазматичні мембрани вільно пропускають молекули води, однак затримують деякі розчинені речовини. Тому молекули води рухатимуться в бік своєї меншої концентрації, наприклад з оточуючої прісної води всередину клітини. При цьому виникає так званий градієнт концентрації. Він відображає тиск чистого розчинника чи розчину меншої концентрації на мембрану (осмотичний тиск), що відокремлює його від більш концентрованого розчину певної речовини. Градієнт – це хімічна міра зростання або зменшення концентрації певної речовини. Унаслідок явища осмосу концентрація речовини всередині клітини зростає доти, доки її тиск на клітинну мембрану зсередини (тургор) не врівноважить зовнішній осмотичний. Зокрема, тургорний тиск є причиною здатності зелених пагонів, практично позбавлених підтримуючих тканин, зберігати свою форму та просторове положення.

Полегшена дифузія – це проникнення через мембрану певних молекул за допомогою мембранних білків-переносників, які пронизують мембрану. Ці білки взаємодіють з певними молекулами на одній з поверхонь мембрани і внаслідок зміни своєї просторової структури транспортують їх на інший бік.

У забезпеченні пасивного транспорту беруть участь білкові рецепторні молекули плазматичної мембрани. Для різних сполук існують різні типи рецепторних молекул. Молекули сполук (наприклад, гормони чи нейрогормони), які мають надійти до клітини, спочатку взаємодіють із цими рецепторами. Згодом утворюються мікроскопічні пухирці, усередині яких перебувають комплексні сполуки «речовина-рецептор», що переміщуються крізь мембрану.

Активний транспорт речовин через біологічні мембрани, на відміну від пасивного, здійснюється проти градієнта концентрації. Він пов’язаний із значними витратами енергії, акумульованої у молекулах АТФ. Один із механізмів активного транспорту речовин через мембрани називається калій-натрієвим насосом. Він пов'язаний з тим, що концентрація йонів Калію всередині клітини вища, ніж ззовні, а йонів Натрію – навпаки. Завдяки такій різниці концентрацій унаслідок дифузії йони Натрію надходять у клітину, а Калію – виводяться з неї. Але концентрація цих йонів у живій клітині й поза нею ніколи не вирізняються, оскільки існує особливий механізм, завдяки якому йони Натрію виходять («відкачуються») з клітини, а Калію – надходять («закачуються») до неї. Цей процес потребує витрат енергії. Існування механізму калій-натрієвого насоса доводить той факт, що у відмерлих або заморожених клітинах концентрація йонів Калію і Натрій з обох боків плазматичної мембрани швидко вирівнюється.

Біологічне значення калій-натрієвого насоса полягає в тому, що завдяки йому енергетично сприятливе (тобто за градієнтом концентрації) пересування йонів Натрію в клітину полегшує енергетично несприятливий (проти градієнта концентрації) транспорт низькомолекулярних сполук (глюкози, амінокислот тощо). У цих процесах беруть участь особливі транспортні білки, що входять до складу клітинних мембран.

Існує ще один механізм транспорту речовин через мембрани – цитоз. Розрізняють два основні види цитозу – екзо- і ендоцитоз. Ендоцитоз – це процес надходження речовин до клітини. Він може відбуватися у вигляді фаго- та піноцитозу. Фагоцитоз – це активне захоплення твердих мікроскопічних об’єктів (частинки органічних сполук, дрібних клітин та ін.). За допомогою фагоцитозу захоплюють їжу деякі одноклітинні організми (наприклад, амеби, форамініфери) та клітини багатоклітинних (наприклад, травні клітини гідри) тварин. Спеціалізовані клітини багатоклітинних тварин за допомогою фагоцитозу здійснюють захисну функцію (наприклад, макрофаги). Вони захоплюють і перетравлюють сторонні органічні частки і мікроорганізми.

Процес фагоцитозу відбувається в декілька етапів. Спочатку клітина зближується з об’єктом, який має захопити. Під час контакту плазматична мембрана клітини огортає об’єкт і проштовхує його в цитоплазму. Так утворюється вкритою пухирець. До нього надходять ферменти, які перетравлюють захоплений об’єкт. так формується травна вакуоля.

Піноцитоз — захоплення та поглинання клітиною рідин разом із розчиненими в них сполуками. Процес піноцитозу подібний до фагоцитозу, але відбувається переважно завдяки вгинанню мембрани. Піноцитоз спостерігають у клітин різноманітних організмів.

Шляхом цитозу сполуки не лише потрапляють до клітини, але й виводяться з неї (наприклад, гормони, нейрогормони, нейромедіатори, травні ферменти). Цей процес називають екзоцитозом.