Osmoza i aktywny transport

Komórka ma wiele wymagań, aby rosnąć i powielać, a nawet komórki, które nie aktywnie się rozwijają lub nie rozmnażają, wymagają funkcjonowania składników odżywczych pochodzących ze środowiska. Wiele wymagań komórki to molekuły, które można znaleźć poza komórką, w tym woda, cukry, witaminy i białka.

Błona komórkowa pełni ważne funkcje ochronne i strukturalne, a jej działanie polega na oddzieleniu zawartości komórkowej od środowiska zewnętrznego. Dwuwarstwowa warstwa lipidowa błony komórkowej składa się z fosfolipidów, które mają hydrofobowe (rozpuszczalne w oleju, "oblewające wodą") ogony, które stanowią barierę dla wielu substancji rozpuszczonych i cząsteczek w środowisku. Ta cecha błony komórkowej pozwala środowisku wewnętrznemu komórki różnić się od środowiska zewnętrznego, ale także działa jako główna bariera do przyjmowania pewnych cząsteczek ze środowiska i wydalania odpadów.

Jednakże 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 estrogeny) 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 przechodzą one do komórki, czy też z niej, zależy od ich stężenia. Zmierzono tendencję cząsteczek do poruszania się zgodnie z ich gradientem stężenia (czyli od wyższego stężenia do niższego stężenia) dyfuzja. Oznacza to, że cząsteczki będą wypływać z komórki, jeśli w jej wnętrzu znajduje się więcej niż na zewnątrz. Podobnie, jeśli jest ich więcej poza komórką, cząsteczki wpadną do komórki, dopóki nie zostanie osiągnięta równowaga. Weźmy na przykład komórkę mięśniową. Podczas ćwiczeń komórka przekształca O2 w CO2. Gdy dotleniona krew dostaje się do mięśnia, O2 przemieszcza się z miejsca, gdzie stężenie jest wyższe (we krwi), gdzie jest niższe (w komórkach mięśniowych). W tym samym czasie CO2 wydostaje się z komórek mięśniowych (gdzie jest wyższy) do krwi (gdzie jest niższy). Dyfuzja nie wymaga wydatków na energię. Dyfuzja wody ma specjalną nazwę, osmoza.

W przypadku większych cząsteczek polarnych i wszelkich naładowanych cząsteczek wejście i wyjście z komórki jest trudniejsze, ponieważ nie mogą przejść przez dwuwarstwę lipidową. Ta klasa cząsteczek obejmuje jony, cukry, aminokwasy (budulce białek) i wiele innych rzeczy, które komórka musi przetrwać i funkcjonować. Aby rozwiązać ten problem, komórka zawiera białka transportowe, które pozwalają cząsteczkom przenosić się do komórki i wychodzić z niej. Te białka transportowe stanowią 15-30% białek w błonie komórkowej.

Białka transportowe występują w kilku kształtach i rozmiarach, ale wszystkie rozciągają się przez dwuwarstwę lipidową, a każde białko transportowe ma określony rodzaj transportowanej cząsteczki. Istnieją białka nośnikowe (które są również znane jako transportery lub permeazy), które wiążą się z solą lub cząsteczką po jednej stronie membrany i przenoszą ją na drugą stronę błony. Druga klasa białek transportowych obejmuje białka kanałowe. Białka kanałowe tworzą hydrofilowe ("wodne") otwory w membranie, aby umożliwić przepłynięcie polarnych lub naładowanych cząsteczek. Zarówno białka kanałowe, jak i białka nośnikowe ułatwiają transport zarówno do i z komórki.

Cząsteczki mogą przechodzić przez białka transportowe od wysokiego stężenia 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, że wymaga białek transportowych.

Czasami komórka potrzebuje rzeczy ze środowiska, które są obecne w bardzo niskiej koncentracji poza komórką. Alternatywnie, komórka może wymagać wyjątkowo niskich stężeń pewnej substancji rozpuszczonej w komórce. Podczas gdy dyfuzja umożliwi koncentracje wewnątrz i na zewnątrz komórki w kierunku równowagi, proces ten zostanie nazwany transport aktywny pomaga skoncentrować substancję rozpuszczoną lub cząsteczkę wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Aktywny transport wymaga wydatkowania energii w celu przesunięcia cząsteczki w stosunku do jej gradientu 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 błonę w celu jej zatężenia wewnątrz lub z komórki. Drugi typ (zwany kotransporterami) łączy transport jednej cząsteczki z jej gradientem stężenia (od niskiego do wysokiego) z transportem drugiej cząsteczki w dół jej gradientu stężenia (od wysokiego do niskiego).

Komórki wykorzystują również transport aktywny, aby utrzymać właściwe stężenie jonów. Koncentracja jonów jest bardzo ważna 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 związanych z naprawą i konserwacją 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 elektrycznych właściwości membrany, gdzie podobne ładunki odpychają. Pompa ATPazy sodowo-potasowej lub Na + -K + utrzymuje wyższe stężenie sodu poza komórką. Prawie jedna trzecia zapotrzebowania na energię ogniwa jest zużywana w tym przedsięwzięciu. Ten ogromny wydatek energetyczny dla aktywnego transportu jonów potwierdza znaczenie utrzymania równowagi cząsteczek w prawidłowej funkcji komórki.

streszczenie

Osmosis jest bierną dyfuzją wody przez błonę komórkową i nie wymaga białek transportowych. ZAtransport ctive to ruch cząsteczek w stosunku do ich gradientu stężenia (od niskiego do wysokiego stężenia) lub do ich gradientu elektrycznego (w kierunku podobnego ładunku) i wymaga transporterów białka i dodanej energii, albo poprzez hydrolizę ATP, albo poprzez sprzęganie z transportem w dół kolejnej substancji rozpuszczonej.