Różnica między osmozą a aktywnym transportem

Komórka ma wiele wymagań do wzrostu i replikacji, a nawet komórki, które nie aktywnie rosną lub replikują się, wymagają składników odżywczych ze środowiska. Wiele wymagań komórki to cząsteczki, które można znaleźć poza komórką, w tym woda, cukry, witaminy i białka.

Błona komórkowa pełni ważne funkcje ochronne i strukturalne i działa w celu oddzielenia zawartości komórkowej od środowiska zewnętrznego. Dwuwarstwowa warstwa lipidowa błony komórkowej składa się z fosfolipidów, które mają hydrofobowe (rozpuszczalne w oleju, „lękające się w wodzie”) ogony, które stanowią barierę dla wielu substancji rozpuszczonych i cząsteczek w środowisku. Ta funkcja błony komórkowej pozwala wewnętrznemu środowisku komórkowemu różnić się od środowiska zewnętrznego, ale działa również jako główna bariera dla pobierania niektórych cząsteczek ze środowiska i wydalania odpadów.

Jednak dwuwarstwa lipidowa nie stanowi problemu dla wszystkich cząsteczek. Hydrofobowe (lub rozpuszczalne w oleju) cząsteczki niepolarne mogą swobodnie dyfundować przez błonę komórkową bez przeszkód. Ta klasa cząsteczek obejmuje gazy, takie jak tlen (O2), dwutlenek węgla (CO2) i tlenek azotu (NO). Większe hydrofobowe cząsteczki organiczne mogą również przechodzić przez błonę plazmatyczną, w tym niektóre hormony (takie jak estrogen) i witaminy (takie jak witamina D). Małe, polarne cząsteczki (w tym woda) są częściowo utrudnione przez dwuwarstwę lipidową, ale nadal mogą przechodzić.

W przypadku cząsteczek, które mogą swobodnie przechodzić przez błonę komórkową, to czy podróżują do komórki, czy z niej, zależy od ich stężenia. Nazywa się tendencję cząsteczek do poruszania się zgodnie z ich gradientem stężenia (to znaczy od wyższego stężenia do niższego stężenia) dyfuzja. Oznacza to, że cząsteczki wypływają z komórki, jeśli wewnątrz komórki jest więcej niż na zewnątrz. Podobnie, jeśli jest więcej na zewnątrz komórki, cząsteczki będą wpływać do komórki, aż do osiągnięcia równowagi. Na przykład rozważ komórkę mięśniową. Podczas ćwiczeń komórka przekształca O2 w CO2. Gdy dotleniona krew dostaje się do mięśnia, O2 przemieszcza się z miejsca, w którym stężenie jest wyższe (we krwi) do miejsca, w którym jest niższe (w komórkach mięśniowych). Jednocześnie CO2 przemieszcza się z komórek mięśniowych (gdzie jest wyższy) do krwi (gdzie jest niższy). Dyfuzja nie wymaga nakładów energii. Dyfuzja wody ma specjalną nazwę, osmoza.

W przypadku większych cząsteczek polarnych i wszelkich naładowanych cząsteczek wchodzenie i wychodzenie z komórki jest trudniejsze, ponieważ nie mogą one przejść przez dwuwarstwę lipidową. Ta klasa cząsteczek obejmuje jony, cukry, aminokwasy (elementy budulcowe białek) i wiele innych rzeczy, których komórka potrzebuje, aby przetrwać i funkcjonować. Aby rozwiązać ten problem, komórka ma białka transportowe, które umożliwiają tym cząsteczkom przemieszczanie się do i z komórki. Te białka transportowe stanowią 15-30% białek w błonie komórkowej.

Białka transportowe występują w kilku kształtach i rozmiarach, ale wszystkie przebiegają przez dwuwarstwę lipidową, a każde białko transportowe ma określony rodzaj cząsteczki, którą transportuje. Istnieją białka nośnikowe (znane również jako transportery lub permeazy), które wiążą się z substancją rozpuszczoną lub cząsteczką po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę błony. Druga klasa białek transportowych obejmuje białka kanałowe. Białka kanałowe tworzą hydrofilowe („kochające wodę”) otwory w błonie, umożliwiając przepływ polarnych lub naładowanych cząsteczek. Zarówno białka kanałowe, jak i białka nośnikowe ułatwiają transport do i z komórki.

Cząsteczki mogą podróżować przez białka transportowe od wysokiego do niższego stężenia. Proces ten nazywa się transportem pasywnym lub ułatwioną dyfuzją. Jest podobny do dyfuzji niepolarnych cząsteczek lub wody bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową, z tym wyjątkiem, że wymaga białek transportowych.

Czasami komórka potrzebuje rzeczy ze środowiska, które są obecne w bardzo niskim stężeniu poza komórką. Alternatywnie komórka może wymagać wyjątkowo niskich stężeń pewnej substancji rozpuszczonej w komórce. Podczas gdy dyfuzja pozwoliłaby, aby stężenia wewnątrz i na zewnątrz komórki przemieszczały się w kierunku równowagi, tak zwany proces transport aktywny pomaga skoncentrować substancję rozpuszczoną lub cząsteczkę wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Aktywny transport wymaga wydatku energii, aby przesunąć cząsteczkę wbrew jej gradientowi stężenia. Istnieją dwie główne formy aktywnego transportu w komórkach eukariotycznych. Pierwszy typ składa się z pomp napędzanych ATP. Pompy te wykorzystują hydrolizę ATP do transportu określonej klasy substancji rozpuszczonej lub cząsteczki przez membranę, aby skoncentrować ją wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Drugi typ (zwany kotransporterami) łączy transport jednej cząsteczki z jej gradientem stężenia (od niskiego do wysokiego) z transportem drugiej cząsteczki w dół od jej gradientu stężenia (od wysokiego do niskiego).

Komórki wykorzystują również aktywny transport, aby utrzymać właściwe stężenie jonów. Stężenie jonów jest bardzo ważne dla właściwości elektrycznych komórki, kontrolując ilość wody w komórkach i inne ważne funkcje jonów. Na przykład jony magnezu (MG2 +) są bardzo ważne dla wielu białek zaangażowanych w naprawę i utrzymanie DNA. Wapń (Ca2 +) jest również ważny w wielu procesach komórkowych, a aktywny transport pomaga utrzymać gradient wapnia 1: 10 000. Transport jonów przez dwuwarstwę lipidową zależy nie tylko od gradientu stężenia, ale także od właściwości elektrycznych błony, gdzie odpychają podobne ładunki. Pompa sodowo-potasowa ATPaza lub pompa Na + -K + utrzymuje wyższe stężenie sodu na zewnątrz komórki. Prawie jedna trzecia zapotrzebowania energii ogniwa jest zużywana w tym przedsięwzięciu. Ten ogromny wydatek energetyczny na aktywny transport jonów potwierdza znaczenie utrzymania równowagi molekuł we właściwej funkcji komórek.

streszczenie

Osmoza to pasywna dyfuzja wody przez błonę komórkową i nie wymaga białek transportowych. ZAtransport aktywny jest ruchem cząsteczek wbrew ich gradientowi stężenia (od niskiego do wysokiego stężenia) lub przeciwko ich gradientowi elektrycznemu (w kierunku podobnego ładunku) i wymaga transporterów białka i dodatkowej energii, albo przez hydrolizę ATP, albo przez sprzęganie z transportem w dół innej substancji rozpuszczonej.