Різниця між осмосом та активним транспортом

У клітині є багато вимог для росту та розмноження, і навіть клітини, які активно не ростуть і не розмножуються, потребують поживних речовин з навколишнього середовища, щоб функціонувати. Багато вимог клітини - це молекули, які можна знайти поза клітиною, включаючи воду, цукри, вітаміни та білки.

Клітинна мембрана виконує важливі захисні та структурні функції, і вона діє, щоб зберігати клітинний вміст окремо від зовнішнього середовища. Ліпідний двошаровий клітинний мембран складається з фосфоліпідів, які мають гідрофобні (маслорозчинні, «бояться води») хвости, що утворюють бар’єр для багатьох розчинників та молекул у навколишньому середовищі. Ця особливість клітинної мембрани дозволяє відрізняти внутрішнє середовище клітини від зовнішнього середовища, але також виступає головним бар'єром для виведення певних молекул з навколишнього середовища та виведення відходів.

Однак ліпідний двошаровий не представляє проблеми для всіх молекул. Гідрофобні (або нафторозчинні) неполярні молекули можуть вільно дифундувати через клітинну мембрану безперешкодно. До цього класу молекул належать такі гази, як кисень (O2), вуглекислий газ (CO2) та оксид азоту (NO). Більш великі гідрофобні органічні молекули також можуть проходити через плазматичну мембрану, включаючи певні гормони (наприклад, естроген) та вітаміни (наприклад, вітамін D). Невеликі полярні молекули (включаючи воду) частково перешкоджають ліпідному двошарову, але все ще можуть проходити через нього.

Для молекул, які можуть вільно проходити через мембрану клітини, незалежно від того, потрапляють вони в клітину або виходять із неї, залежить їх концентрація. Називається тенденція руху молекул відповідно до їх градієнта концентрації (тобто від вищої концентрації до нижчої концентрації) дифузія. Це означає, що молекули будуть витікати з клітини, якщо всередині клітини більше, ніж зовні. Так само, якщо за межами клітини є більше, молекули будуть надходити в клітину до досягнення балансу. Наприклад, розглянемо м’язову клітину. Під час фізичного навантаження клітина перетворює О2 у СО2. Коли кисень, що окислює, потрапляє в м'яз, O2 рухається звідти, де концентрація вища (у крові), до тієї, де вона нижча (у м’язових клітинах). У той же час СО2 потрапляє з м'язових клітин (там, де він вище) до крові (там, де вона нижча). Дифузія не вимагає витрат енергії. Дифузії води дають особливу назву, осмос.

Для більших полярних молекул і будь-яких заряджених молекул вхід і вихід із клітини є складнішим, оскільки вони не можуть пройти через ліпідний шар. До цього класу молекул належать іони, цукру, амінокислоти (будівельні блоки білків) та багато іншого, що потрібно клітині, щоб вижити та функціонувати. Щоб вирішити цю проблему, у клітині є транспортні білки, які дозволяють цим молекулам просуватися в клітину і виходити з неї. Ці транспортні білки складають 15-30% білків клітинної мембрани.

Транспортні білки бувають декількох форм і розмірів, але всі проходять через ліпідний двошаровий шар, і кожен транспортний білок має специфічний тип молекули, який він транспортує. Існують білки-носії (які також відомі як транспортери або пермеази), які зв'язуються з розчинником або молекулою з одного боку мембрани і транспортують її до іншої сторони мембрани. Другий клас транспортних білків включає білки каналів. Канал-білки утворюють гідрофільні («водолюбиві») отвори в мембрані, щоб пропускати полярні або заряджені молекули. І канальні білки, і білки-носії полегшують транспортування в клітину і поза нею.

Молекули можуть подорожувати транспортними білками від високої концентрації до нижчої концентрації. Цей процес називається пасивним транспортом або полегшеною дифузією. Це схоже на дифузію неполярних молекул або води безпосередньо через ліпідний двошаровий, за винятком того, що він потребує транспортних білків.

Іноді клітині потрібні речі з навколишнього середовища, які знаходяться в дуже низькій концентрації поза клітиною. Альтернативно, клітина може вимагати надзвичайно низьких концентрацій певного розчиненого речовини всередині клітини. Хоча дифузія дозволила б концентраціям всередині і зовні клітини рухатися до рівноваги, процес називається активний транспорт допомагає сконцентрувати розчинник або молекулу всередині або зовні клітини. Активний транспорт вимагає витрат енергії для переміщення молекули проти її градієнта концентрації. Існує дві основні форми активного транспорту в еукаріотичних клітинах. Перший тип складається з насосів, що працюють на АТФ. Ці насоси використовують гідроліз АТФ для транспортування певного класу розчиненого речовини або молекули по мембрані, щоб сконцентрувати його всередині або поза клітиною. Другий тип (званий котранспортерами) з’єднує транспортування однієї молекули проти її градієнта концентрації (від низької до високої) з транспортом другої молекули вниз по її градієнту концентрації (від високої до низької).

Клітини також використовують активний транспорт для підтримки належної концентрації іонів. Концентрація іонів дуже важлива для електричних властивостей клітини, контролюючи кількість води в клітинах та інші важливі функції іонів. Наприклад, іони магнію (MG2 +) дуже важливі для багатьох білків, що беруть участь у відновленні та підтримці ДНК. Кальцій (Са2 +) також важливий у багатьох процесах клітин, а активний транспорт допомагає підтримувати градієнт кальцію 1: 10000. Транспорт іонів через ліпідний двошаровий залежить не тільки від градієнта концентрації, але і від електричних властивостей мембрани, де подібно заряди відштовхуються. Натрієво-калієва АТФаза або Na + -K + насос підтримує більш високу концентрацію натрію поза клітиною. Майже третина енергетичної потреби в клітині споживається на це. Цей величезний витрата енергії для активного транспортування іонів підтверджує важливість підтримки балансу молекул у належній роботі клітин.

Підсумок

Осмоз - це пасивна дифузія води по клітинній мембрані і не потребує транспортних білків. Аctive транспорт - це рух молекул проти їх градієнта концентрації (від низької до високої концентрації) або проти їх електричного градієнта (у напрямку до подібного заряду) і вимагає транспортерів білка та доданої енергії, або через гідроліз АТФ, або через приєднання до переносу іншого розчинника.