Молекулы проходят через мембраны благодаря трем различным процессам: простой диффузии, облегчённой диффузии, активному транспорту.

Простая диффузия - пример пассивного транспорта. Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Путем простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах и мелкие незаряженные молекулы (например, вода).

Большинство веществ, необходимых клеткам, переносится через мембрану с помощью погружённых в нее транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки, по-видимому, образуют непрерывный белковый проход через мембрану.

Различают две основные формы транспорта с помощью переносчиков: облегченная диффузия и активный транспорт.

Облегченная диффузия обусловлена градиентом концентрации, и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Однако если молекула заряжена, то на ее транспорт влияет как градиент концентрации, так и общий электрический градиент поперек мембраны (мембранный потенциал).

Активный транспорт - это перенос растворенных веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента с использованием энергии АТФ. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении.

Некоторые транспортные белки переносят одно растворенное вещество через мембрану (унипорт).

Другие функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества.

Второе вещество может транспортироваться в том же направлении (симпорт) либо в противоположном (антипорт).

Na-K насос

Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.

Рис 9. Модель работы Na-K насоса

А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка.
Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.
В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки
Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.
Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.

Типы обменных процессов

Совокупность всех реакций биосинтеза принято называть ассимиляцией (лат. ассимиляцию – уподобление), или пластическим обменом. В се реакции пластического обмена идут с поглощением энергии.

Противоположный процесс – распад и окисление клеткой органических соединений – носит название диссимиляции (лат. диссимиляцию - делать неподобным) или энергетического обмена. Все реакции этого процесса идут с выделением энергии.

АТФ как источник клеточной энергии.Для того чтобы осуществлять и выполнять определенные функции клетка нуждается в энергии. Энергия, приобретаемая клеткой, сохраняется главным образом в виде молекул аденозитрифосфата – АТФ (аденозитрифосфорная кислота). Молекула АТФ является нуклеотидом, так как состоит из азотистого основания – аделина, сахара, рибозы и трех фосфатных групп (остатки фосфорной кислоты).

АТФ - это макроэргическое соединение, поскольку в двух фосфатных связях накапливается большое количество энергии. Химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты, неустойчивы. Под действием фермента АТФ – в ходе гидролиза (присоединения воды) один богатый энергией остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ с образованием аденозиндифосфата АТФ и выделением энергии в количестве около 40 кДж/моль. Указанный процесс называется дефосфорилированием.

Обратное явление переход АДФ в АТФ путем присоединения неорганического фосфата – фосфорилированием. Накопление и концентрация энергии в макроэнергетических фосфатных связях при образовании АТФ происходит в ходе энергетического обмена, а также во время фотосинтеза.

Образование АТФ в процессе энергетического обмена.

Энергетическим обменом или диссимиляцией называются процессы распада и окисления клеткой органических соединений. Внутриклеточный этап энергетического обмена подразделяется на два периода.

Первый период безкислородный (анаэробный). Глюкоза поступает из крови в цитоплазму клеток, где под действием ферментов преобразуется в две молекулы молочной кислоты. В реакции участвуют АДФ и Н₂ РО_4.

С₆Н₂ О₆ + 2Н₃ РО₄ + 2АДФ → С ₃Н₆ О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Образование двух молекул АТФ из одной молекулы глюкозы в целом мало эффективно. Количество выделяемой энергии невелико 200 кДж. Основные процессы, связанные с накоплением энергии, происходит во втором периоде.

Второй период – кислородный (аэробный)называют окислительным фосфорилированием (клеточное дыхание). Входе его наблюдается полное кислородное расщепление молочной кислоты до двуокиси углерода СО_2. Происходит освобождение атомов водорода Н (водород выделяется из углеводов в результате прохождения ими сложного ряда химических превращений, называемых циклом Кребса).

Реакция протекает с участием АДФ и Н₃ РО_4.

2С₂ Н₆ О₃ + 6О + 36АДФ + 36НРО → 6СО + 36 АТФ + 42НО

При этом выделяется большое количество энергии 2600 кДж. Окислительное фосфорилирование совершается в митохондриях клеток. Атомы водорода Н (электроны и протоны) переносятся на систему ферментов в митохондриальной мембране. Здесь они окисляются, то есть теряют электроны: Н _{2 __}- 2 _е → 2Н⁺. Образуются свободные электроны е и ионы водорода Н ⁺ (протоны). В ходе дыхания электроны несколько раз пересекают мембрану, вынося протоны Н⁺ в наружную поверхность. Количество положительно заряженных протонов там резко возрастает. Возникает градиент концентрации протонов и электрический потенциал. Благодаря ему, протоны стремятся вернутся назад во внутрь.