Różnica między osmozą a transportem aktywnym

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

Membrana komórkowa ma ważne funkcje ochronne i strukturalne i działa w celu utrzymywania zawartości komórkowej oddzielenia od środowiska zewnętrznego. Lipidowa dwuwarstwowa błony komórkowej składa się z fosfolipidów, które mają ogony hydrofobowe (rozpuszczalne w oleju, „wytrącanie wody”), które stanowią barierę dla wielu substancji rozpuszczonych i cząsteczek w środowisku. Ta cecha błony komórkowej pozwala komórkowego środowiska wewnętrznego różniący się od środowiska zewnętrznego, ale także stanowi główną barierę dla pobierania niektórych cząsteczek ze środowiska i wydalania odpadów.

Jednak dwuwarstwowa lipidowa nie stanowi problemu dla wszystkich cząsteczek. Hydrofobowe (lub rozpuszczalne w oleju), niepolarne cząsteczki mogą swobodnie rozpowszechniać 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 komórki, niezależnie od tego, czy podróżują do komórki, czy wychodzą z ich stężenia. Tendencja cząsteczek do poruszania się zgodnie z ich gradientem stężenia (czyli od wyższego stężenia do niższego stężenia) jest nazywane dyfuzja. Oznacza to, że cząsteczki wypłyną z komórki, jeśli w komórce jest więcej niż na zewnątrz. Podobnie, jeśli jest więcej poza komórką, cząsteczki będą pływać do komórki, aż do osiągnięcia równowagi. Rozważ na przykład komórkę mięśniową. Podczas ćwiczeń komórka przekształca O2 na CO2. Gdy natleniona krew wchodzi do mięśnia, O2 przesuwa się od miejsca, w którym stężenie jest wyższe (we krwi) do miejsca, w którym jest niższe (w komórkach mięśni). Jednocześnie CO2 wypływa z komórek mięśniowych (gdzie jest wyższa) do krwi (gdzie jest niższa). Dyfuzja nie wymaga wydatków energetycznych. Dyfuzja wody ma specjalną nazwę, osmoza.

W przypadku większych cząsteczek polarnych i wszelkich naładowanych cząsteczek, wejście i opuszczenie 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 działać. Aby rozwiązać ten problem, komórka ma białka transportowe, które pozwalają tym cząsteczkom przemieszczać się i wychodzą z komórki. Te białka transportowe stanowią 15-30% białek w błonie komórkowej.

Białka transportowa. Istnieją białka nośne (znane również jako transportery lub permeases), które wiążą się z substancją rozpuszczoną lub cząsteczką po jednej stronie błony i przenoszą je na drugą stronę błony. Druga klasa białek transportowych obejmuje białka kanałowe. Białka kanału tworzą w błonie otwory hydrofilowe („kochające wodę”), aby umożliwić przepływ polarnych lub naładowanych cząsteczek. Zarówno białka kanałowe, jak i białka nośne ułatwiają transport zarówno do komórki, jak i poza.

Cząsteczki mogą podróżować przez białka transportowe od wysokiego stężenia do niższego stężenia. Proces ten nazywa się transportem pasywnym lub ułatwionym 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 stężeniom wewnątrz i na zewnątrz komórki przejść do równowagi, proces nazywany transport aktywny pomaga skoncentrować substancję substancji rozpuszczonej lub cząsteczki wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Aktywny transport wymaga wydatków energetycznych w celu przesunięcia cząsteczki przeciwko jej gradientowi koncentracji. 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 błonę, aby ją skoncentrować wewnątrz lub poza komórką. Drugi typ (zwany kotransporterami) łączy transport jednej cząsteczki przeciwko jej gradientowi stężenia (od niskiego do wysokiego) z transportem drugiej cząsteczki w dół gradientu stężenia (od wysokiego do niskiego).

Komórki używają również aktywnego transportu, aby utrzymać właściwe stężenie jonów. Stężenie jonów jest bardzo ważne dla właściwości elektrycznych ogniwa, kontrolując ilość wody w komórkach i innych ważnych funkcjach jonów. Na przykład jony magnezu (MG2+) są bardzo ważne dla wielu białek zaangażowanych w naprawę i konserwację 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 membrany, w których odpychają podobnie jak ładunki. ATPaza sodu-potasowa lub pompa Na+ -K+ utrzymuje wyższe stężenie sodu poza komórką. W tym przedsięwzięciu zużywa się prawie jedna trzecia zapotrzebowania na energię komórki. Ten ogromny wydatek energetyczny na aktywny transport jonów potwierdza znaczenie utrzymania równowagi cząsteczek w właściwej funkcji komórkowej.

Streszczenie

Osmoza jest pasywną dyfuzją wody w błonie komórkowej i nie wymaga białek transportowych. ATransport CTive to ruch cząsteczek przeciwko ich gradientowi stężenia (od niskiego do wysokiego stężenia) lub przeciwko ich gradientowi elektrycznemu (w kierunku ładunku podobnego) i wymaga transporterów białkowych i dodatkowej energii, albo poprzez hydrolizę ATP, albo przez sprzężenie z transportem spadku kolejnej substancji rozpuszczonej.