В клуба - мембрани и транспорт

O, здравей. Не те видях. Колко време чакаш на тази опашка? Аз съм тук от 15 минути и е супер студено. Колко време се чака, за да те пуснат в тоя клуб? Докато сме тук, предполагам не е лош момент да продължим дискусията ни за клетките. Защото клетките, както нощните клубове, трябва да имат избирателна пропускливост. Те могат да работят, само ако пускат необходимите им неща, и изритват нещата, които не им трябват, като келеши, ужасно пияни хора, и фенове на Джъстин Бийбър. Независимо какво е, всичко трябва да премине през клетъчната мембрана. Някои неща могат да преминат наистина лесно през клетките, и без много помощ – като водата или кислорода. Но много други необходими неща като захар и други хранителни вещества или сигнализиращи молекули, или стероиди – те не могат да минат. Или им отнема наистина много време. Разбирам ги. Днес ще говорим за това как веществата преминават през клетъчните мембрани, което се случва през цялото време, включително и в този момент в мен и в теб. Това е жизненоважно за всичко живо, защото не е важно само как клетките получават необходимото им и изхвърлят това, което не им трябва. Също е важно как клетките комуникират една с друга. Различните вещества имат различни начини да преминават през клетъчната мембрана. Различаваме 2 основни категории – има активен транспорт и пасивен транспорт. Пасивният транспорт не се нуждае от енергия, което е супер, защото важните неща като кислорода и водата могат да го използват и да влязат в клетките наистина лесно. И те го правят чрез т.нар. процес на дифузия. Да речем, че най-накрая съм влязъл в клуба и съм вътре с брат ми Джон. Може би познаваш брат ми Джон. Аз го обичам, но той не си пада много по хората. Искам да кажа, че харесва хората, но не обича големи тълпи. Не обича да е част от големи тълпи от хора, стоящи близо до него, дишащи в него, докосващи го инцидентно, подобни неща. Понеже Джон е с мен на концерта, с всички наши приятели сме отпред близо до сцената. Но той започва да се отдалечава от сцената към другия край, така че група хипстери да не му нарушават личното пространство. Това по същество е дифузията. Ако всеки в клуба беше Джон Грийн, те щяха да се опитат да застанат на възможно най-голямо разстояние един от друг, докато в клуба се подредят равномерно всички Джон Грийновци. Когато на кислорода му стане тясно, той си намира места, които не са толкова претъпкани, и се движи към тези места. Когато на водата ѝ е тясно, тя прави същото нещо. Тя отива там, където има по-малко вода. Когато водата преминава през мембрана, това е вид дифузия, наречена осмоза. Това е начинът, по който твоите клетки регулират водното съдържание. Това не се отнася само до самата вода, която, както вече говорихме, е най-добрият разтворител на Земята. Ще научиш повече за нея в нашия епизод за водата. Осмозата протича също така и във водни разтвори – като солена вода или захарни разтвори. Или алкохол. Което е разтвор на етанол във вода. Ако концентрацията на разтвора е по-висока вътре в клетката, отколкото отвън, разтворът се нарича хипертоничен. Като енергийна напитка. Има всичко вътре в нея. И ако концентрацията вътре в клетката е по-ниска от тази отвън, този разтвор се нарича хипотоничен. Което е тъжна версия на хипертоничния разтвор. Като с Чарли Шийн – не искаме лудия, маниакален Чарли Шийн. Не ни харесва тъжния, депресиран Чарли Шийн. Искаме Чарли Шийн по средата, който може да ни накара да се смеем. И това е състоянието, което водната концентрация постоянно търси. Нарича се изотонична, когато концентрацията е една и съща от двете страни, отвътре и отвън. Това се случва в реалния живот. И сега ще го покажем. Тази ваза е пълна с чиста вода. Имаме също обвивка за наденица, която е направена от целулоза. Вътре тук имаме солена вода. Оцветена е, за да видиш как се движи през обвивката, която действа като мембрана. Тези забързани кадри показват как за няколко часа солената вода се разпространява в чистата вода. Тя ще продължи да се просмуква, докато концентрацията на солта във водата не стане същата отвътре и отвън на мембраната. Когато водата прави това, опитвайки се да стане изотонична, тя се движи по посока на концентрационния градиент. Повечето мои клетки сега са потопени в разтвор, който има същата концентрация като този вътре в тях. И това е важно. Например, ако вземеш една от червените ми кръвни клетки и я сложиш в чаша с чиста вода, това ще е хипертонично. Толкова много неща има в клетката, отколкото извън нея, че водата ще се втурне вътре в клетката и тя ще експлодира. Ние не искаме това. Ако концентрацията на кръвната ми плазма е твърде висока, всичката вода ще се втурне навън от клетката ми и тя ще се сбръчка и стане безполезна. Затова бъбреците ти постоянно се трудят да поддържат концентрацията на кръвната плазма изотонична. Водата може да се просмуче през клетъчна мембрана без помощ, но всъщност не е съвсем лесно. Както казахме в последния епизод, клетъчните мембрани са изградени от фосфолипиди. Фосфолипидният бислой е хидрофилен за водата отвън и хидрофобен отвътре. Водните молекули се затрудняват да преминат през тези слоеве, защото се спират в неполярния хидрофобен център. Тогава се появяват тунелните протеини. Те позволяват преминаването на неща като вода и йони без да се използва енергия. Те са разположени по широчината на мембраната и вътре имат хидрофилни тунели, които привличат водата навътре. Протеините, специализирани в отвеждане на вода, се наричат аквапорини. Всеки от тях може да пренася 3 милиарда водни молекули за секунда. Само от мисълта за това ми се приходи по малка нужда. Неща, от които клетките имат нужда постоянно – като кислород и вода, могат да влизат в клетката без разход на енергия. Повечето вещества обаче използват активния транспорт. Това е особено удобно, ако искаш да преместиш нещо в обратната посока на концентрационния градиент: от ниска концентрация към висока концентрация. Да речем, че сме обратно на концерта и правя компания на Джон, който е антисоциален по своя мил и очарователен начин, но след половин бира и спор за това кой е най-добрият Д-р Кой, искам да се върна при приятелите си в другия край на претъпкания бар. Транспортирам се срещу концентрационния градиент на хората, като изразходвам много енергия, отбягвайки настъпвания, ръчкайки с лакти, за да стигна до тях. Това е високоенергиен транспорт. В една клетка получаването на енергията, необходима за общо взето всичко, включително преместването на нещо в обратната посока на концентрационния градиент, изисква АТФ. АТФ, аденозинтрифосфат. Просто искаш да си го повтаряш в главата отново и отново, докато не го пееш, защото е един от най-важните химикали, за които някога ще чуеш изобщо. Аденозинтрифосфат, АТФ. Ако нашите тела бяха Америка, АТФ щеше да е кредитните карти. Толкова важна форма на информационна валута е, че ще направим отделен епизод за него, който ще е тук, когато е готов. А, това беше грешната посока, но ще е тук, като е готов. Ето какво трябва да знаеш засега. Когато на една клетка ѝ трябва активен транспорт, трябва да плати такса под формата на АТФ на транспортния протеин. Особено важен вид транспортен протеин е калиево-натриевата помпа. Повечето клетки ги имат, но те са важни най-вече за клетките, които изразходват много енергия, като мускулните и мозъчните клетки. А! Биолография. Това е любимата ми част от шоуто. Калиево-натриевата помпа е открита през 1950-е години от датски лекар на име Йенс Кристиан Скоу, който изучавал как анестетиците работят върху мембраните. Забелязал е, че има протеин в клетъчната мембрана, който може да изпомпва натрия от клетката. Натъкнал се на помпата, докато изучавал нервите на раци, защото техните нерви са грамадни, сравнени с човешките. И са по лесни за дисекция и наблюдение. Раците все пак са малки, затова се нуждаел от много. Имал е договор с местен рибар и през годините проучил около 25 000 рака, всеки от които той сварявал, за да изучи пресните нервни влакна. Публикувал е откритията си за калиево-натриевата помпа през 1957 г. Междувременно става известен с натрапчивата миризма, която изпълвала коридорите на катедрата по физиология в университета, където работил. 40 години след откритието, Скоу получава Нобелова награда за химия. И ето какво ни е научил. Излиза че тези помпи работят срещу 2 градиента едновременно. Първият е концентрационният градиент и другият е електрохимичният градиент. Това е разликата между електрическия заряд от двете страни на клетъчната мембрана. Тогава нашите клетки, които Скоу изучавал, като нервните клетки в мозъка, обичайно имат сравнително отрицателен заряд вътре спрямо вън. Също вътре обикновено имат ниска концентрация на натриеви йони. Помпата работи срещу тези две условия, като взима 3 положително заредени натриеви йона и ги пренася в положително заредената среда, богата на натриеви йони. За да има енергия за това, протеиновата помпа разгражда молекула АТФ. Аденозинтрифосфат, аденозинова молекула с три фосфатни групи, закрепени за нея. Когато АТФ се свърже с протеиновата помпа, ензим разкъсва ковалентната връзка на един от тези фосфати в изблик на въодушевление и енергия. Разкъсването отделя достатъчно енергия, за да промени формата на помпата, така че да се отвори навън и да изпусне 3 натриеви йони. Тази нова форма също я прави подходяща за калиеви йони извън клетката и помпата пуска 2 такива вътре. Това, което се получава накрая, е нервна клетка, която е буквално и метафорично заредена. Отвън са всички тези натриеви йони, очакващи с голямо желание да влязат в клетката. Когато нещо провокира нервната клетка, ги пуска всички навътре. Това дава на нервната клетка електрохимична енергия, която можеш да използваш за изпитване на емоции, докосване, подушване или вкусване, или да мислиш. Има и друг начин, по който нещата влизат в клетките. Той също изисква енергия и е форма на активен транспорт. Нарича се везикуларен транспорт и тежката работа се извършва от мехурчета, които са малки торбички от фосфолипиди – точно като клетъчната мембрана. Този вид активен транспорт се нарича и цитоза – от клетъчно действие на гръцки. Когато мехурчетата транспортират материали извън клетката, се нарича екзоцитоза или външно клетъчно действие. Чудесен пример за това е какво се случва с мозъка ти сега, как нервните клетки освобождават невротрансмитери. Чувал/а си за тях, те са много важни за това да чувстваш различни неща. Например допамин и серотонин. След като невротрансмитерите се синтезират и пакетират в мехурчетата, те се транспортират, докато стигнат мембраната. Тогава двата бислоя се преподреждат така, че да се слеят и невротрансмитерите се изплюват. И сега си спомних къде си оставих ключовете! Просто пусни процеса наобратно и ще видиш как метериалът влиза в клетката. Това е ендоцитоза. Има три различни начина това да се случи. Най-любимият ми е фагоцитозата. Якото при този вид е самото име. Означава "поглъщащо клетъчно действие". Гледай сега! Тази частица отвън е някакъв вид опасна бактерия в тялото ти. А това е бяла кръвна клетка. Химическите рецептори на клетъчната мембраната на клетката засичат този пънк натрапник и се прикрепят за него. Всъщност обгръща го и го поглъща. После мембраната формира мехурче, за да го внесе вътре, където получава нечуван тупаник от ензими и други яки оръжия. Пиноцитозата, или "пиещо действие", е много подобна на фагоцитозата. Но вместо да огражда цели частици, тя обгръща неща, които вече са били разтворени. Тук мембраната просто се огъва малко, за да оформи началото на канал и после го откъсва, за да стане мехурче, което носи течността. Повечето от клетките ти правят това в момента, защото по този начин те приемат хранителни вещества. Какво става, ако клетката се нуждае от нещо, което е само в малки концентрации? Тогава клетката използва клъстери от специализирани рецепторни протеини в мембраната, които оформят мехурче при свързването на рецепторите с търсената молекула. Например твоите клетки имат специализирани холестеролни рецептори, които ти позволяват да абсорбираш холестерол. Ако те не работят, както става при някои генетични нарушения, холестеролът остава да плава в кръвта и накрая предизвиква болести на сърцето. Това е една от многото причини да оценим т. нар. рецептор-медиирана ендоцитоза.