6.3 Механизмы поступления питательных веществ в клетку
Основным препятствием для транспорта веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана (ЦПМ), которая обладает избирательной проницаемостью. ЦПМ регулирует не только поступление веществ в клетку, но и выход из нее воды, разнообразных продуктов обмена и ионов, что обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки.
Существует несколько механизмов транспорта питательных веществ в клетку: простая диффузия, облегченная диффузия и активный транспорт.
Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану схематично изображен на рис.6.1.
Прокариоты и эукариоты различаются по механизмам транспорта. У прокариот избирательное поступление питательных веществ осуществляется главным образом путем активного транспорта, а у эукариот – путем облегченной диффузии, реже путем активного транспорта. Выход продуктов из клетки чаще всего осуществляется путем облегченной диффузии.
ТРАНСПОРТВеществ
Без участия переносчиков
С участием переносчиков
Пассивный транспорт
В
Активный транспорт
Простая диффузия
Облегченная диффузия
АТФ
S1
S2
S3
Б
А
А
Рис. 6.1. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану
А –цитоплазма, Б – мембрана, В – окружающая среда;
S1, S2, S3 –субстрат, Р - переносчик
Простая диффузия – проникновение молекул вещества в клетку без помощи каких-либо переносчиков. Движущей силой этого процесса служит градиент концентрации вещества, т.е. различия в его концентрации по обе стороны ЦПМ – во внешней среде и в клетке. Молекулы воды, некоторых газов (молекулярного кислорода, азота, водорода), некоторые ионы, концентрация которых во внешней среде выше, чем в клетке, перемещаются через ЦПМ путем пассивной диффузии. Пассивный перенос протекает до тех пор, пока концентрация веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны не выравняется. Поступающая вода прижимает цитоплазму и ЦПМ к клеточной стенке, и в клетке создается внутреннее давление на клеточную стенку, называемое тургором. Простая диффузия происходит без затраты энергии. Скорость такого процесса незначительна.
Подавляющее большинство веществ может проникнуть внутрь клетки только при участии переносчиков – специфических белков, называемых пермеазами и локализованных на цитоплазматической мембране. Пермеазы захватывают молекулы растворенных веществ и переносят их к внутренней поверхности клетки. С помощью белков-переносчиков осуществляется перенос растворенных веществ путем облегченной диффузии и активного транспорта.
Облегченная диффузия происходит по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков. Как и пассивная диффузия, она протекает без затраты энергии. Скорость ее зависит от концентрации веществ в растворе. Предполагают, что путем облегченной диффузии осуществляется также выход продуктов обмена из клетки. Путем облегченной диффузии в клетку проникают моносахара, аминокислоты.
Активный транспорт – растворенные вещества переносятся независимо от градиента концентраций. Этот вид транспорта веществ нуждается в затратах энергии (АТФ). При активном транспорте скорость поступления веществ в клетку достигает максимума даже при малой концентрации его в питательной среде. Большинство веществ проникает в клетку микроорганизмов в результате активного транспорта.