Co to jest transport pasywny? Ruch przezbłonowy różnych związków wielkocząsteczkowych, składników komórkowych, cząstek supramolekularnych, które nie są w stanie przeniknąć przez kanały w błonie, odbywa się za pomocą specjalnych mechanizmów, na przykład za pomocą fagocytozy, pinocytozy, egzocytozy, transferu przez przestrzeń międzykomórkową. Oznacza to, że ruch substancji przez błonę może odbywać się za pomocą różnych mechanizmów, które są podzielone według znaków udziału w nich określonych nośników, a także zużycia energii. Naukowcy dzielą transport substancji na aktywny i pasywny.
Główne środki transportu
Transport pasywny to przenoszenie substancji przez błonę biologiczną wzdłuż gradientu (osmotycznego, stężeniowego, hydrodynamicznego i innych), które nie wymaga zużycia energii.
Transport aktywny to przenoszenie substancji przez błonę biologiczną w kierunku gradientu. W którejenergia jest zużywana. Około 30-40% energii, która powstaje w wyniku reakcji metabolicznych w organizmie człowieka, zużywana jest na realizację aktywnego transportu substancji. Jeśli weźmiemy pod uwagę funkcjonowanie nerek człowieka, to około 70 - 80% zużytego tlenu jest wydawane na aktywny transport.
Pasywny transport substancji
polega na przenoszeniu różnych substancji przez błony biologiczne wzdłuż różnych gradientów. Te gradienty mogą być:
- gradient potencjału elektrochemicznego;
- gradient stężenia substancji;
- gradient pola elektrycznego;
- gradient ciśnienia osmotycznego i inne.
Proces wdrażania transportu pasywnego nie wymaga żadnego zużycia energii. Może nastąpić przez ułatwioną i prostą dyfuzję. Jak wiemy, dyfuzja to chaotyczny ruch cząsteczek substancji w różnych ośrodkach, który jest spowodowany energią drgań termicznych substancji.
Jeżeli cząsteczka substancji jest elektrycznie obojętna, kierunek, w którym nastąpi dyfuzja, jest określony przez różnicę w stężeniu substancji zawartych w mediach, które są oddzielone przez membranę. Na przykład między przedziałami komórki, wewnątrz komórki i na zewnątrz. Jeżeli cząstki substancji, jej jony mają ładunek elektryczny, to dyfuzja będzie zależeć nie tylko od różnicy stężeń, ale także od wielkości ładunku danej substancji, obecności i znaków ładunku po obu stronach membrany. Wielkość gradientu elektrochemicznegojest określana przez sumę algebraiczną gradientów elektrycznych i stężeń na błonie.
Co zapewnia transport przez błonę?
Pasywny transport przez błonę jest możliwy dzięki obecności gradientów stężenia substancji, ciśnienia osmotycznego powstającego pomiędzy różnymi stronami błony komórkowej lub ładunku elektrycznego. Przykładowo średni poziom jonów Na+ zawartych w osoczu krwi wynosi około 140 mM/l, a ich zawartość w erytrocytach jest około 12 razy wyższa. Taki gradient, wyrażony jako różnica stężeń, jest w stanie wytworzyć siłę napędową, która zapewnia transfer cząsteczek sodu do czerwonych krwinek z osocza krwi.
Należy zauważyć, że szybkość takiej przemiany jest bardzo niska ze względu na fakt, że błona komórkowa charakteryzuje się niską przepuszczalnością dla jonów tej substancji. Membrana ta ma znacznie większą przepuszczalność w stosunku do jonów potasu. Energia metabolizmu komórkowego nie jest wykorzystywana do zakończenia procesu prostej dyfuzji.
Szybkość dyfuzji
Aktywny i pasywny transport substancji przez membranę charakteryzuje się szybkością dyfuzji. Można to opisać równaniem Ficka: dm/dt=-kSΔC/x.
W tym przypadku dm/dt to ilość substancji, która dyfunduje w jednej jednostce czasu, a k to współczynnik procesu dyfuzji, który charakteryzuje przepuszczalność membrany dla substancji dyfundującej. S równa się powierzchni, na której zachodzi dyfuzja, a ΔC wyraża różnicęstężenie substancji z różnych stron błony biologicznej, natomiast x charakteryzuje odległość między punktami dyfuzji.
Oczywiście, te substancje, które dyfundują jednocześnie wzdłuż gradientów stężeń i pól elektrycznych, najłatwiej przejdą przez błonę. Ważnym warunkiem dyfuzji substancji przez membranę są właściwości fizyczne samej membrany, jej przepuszczalność dla każdej konkretnej substancji.
Z uwagi na fakt, że dwuwarstwę membrany tworzą rodniki węglowodorowe fosfolipidów o właściwościach hydrofobowych, substancje o charakterze hydrofobowym łatwo przez nią dyfundują. W szczególności dotyczy to substancji łatwo rozpuszczających się w lipidach, takich jak hormony tarczycy i steroidów, a także niektórych substancji narkotycznych.
Jony mineralne i substancje o niskiej masie cząsteczkowej, które są z natury hydrofilowe, dyfundują przez pasywne kanały jonowe błony, które są utworzone z cząsteczek białek tworzących kanały, a czasami przez defekty upakowania błony cząsteczek fosfolipidów, które powstają w błonie komórkowej jako wynik fluktuacji temperatury.
Transport pasywny przez błonę jest bardzo interesującym procesem. Jeśli warunki są normalne, znaczne ilości substancji mogą przenikać przez dwuwarstwową błonę tylko wtedy, gdy są niepolarne i mają niewielki rozmiar. W przeciwnym razie transfer odbywa się za pośrednictwem białek nośnikowych. Podobne procesy obejmującebiałko nośnikowe nie nazywa się dyfuzją, ale transportem substancji przez błonę.
Ułatwiona dyfuzja
Dyfuzja ułatwiona, podobnie jak dyfuzja prosta, zachodzi wzdłuż gradientu stężenia substancji. Główna różnica polega na tym, że w procesie przenoszenia substancji bierze udział specjalna cząsteczka białka, zwana nośnikiem.
Ułatwiona dyfuzja to rodzaj pasywnego transferu cząsteczek substancji przez biomembrany, który odbywa się wzdłuż gradientu stężeń przy użyciu nośnika.
Stany transferu białek
Białko nośnikowe może znajdować się w dwóch stanach konformacyjnych. Na przykład w stanie A białko to może mieć powinowactwo do substancji, którą przenosi, jego miejsca wiązania z substancją są skierowane do wewnątrz, dzięki czemu tworzy się por, który jest otwarty z jednej strony błony.
Gdy białko zwiąże się z przenoszoną substancją, jego konformacja zmienia się i przechodzi w stan B. W wyniku tej transformacji nośnik traci powinowactwo do substancji. Od połączenia z nośnikiem jest uwalniany i przesuwa się do porów już po drugiej stronie membrany. Po przeniesieniu substancji białko nośnikowe ponownie zmienia swoją konformację, wracając do stanu A. Ten transport substancji przez błonę nazywa się uniport.
Ułatwiona prędkość dyfuzji
Substancje o małej masie cząsteczkowej, takie jak glukoza, mogą być transportowanemembrana poprzez ułatwioną dyfuzję. Taki transport może zachodzić z krwi do mózgu, do komórek z przestrzeni śródmiąższowych. Szybkość przenoszenia materii z tego typu dyfuzją może osiągnąć do 108 cząstek przez kanał w ciągu jednej sekundy.
Jak już wiemy, szybkość aktywnego i biernego transportu substancji w dyfuzji prostej jest proporcjonalna do różnicy stężeń substancji po obu stronach membrany. W przypadku dyfuzji ułatwionej szybkość ta wzrasta proporcjonalnie do rosnącej różnicy w stężeniu substancji aż do pewnej wartości maksymalnej. Powyżej tej wartości szybkość nie wzrasta, chociaż różnica stężeń z różnych stron membrany stale się zwiększa. Osiągnięcie takiego punktu maksymalnej szybkości w procesie ułatwionej dyfuzji można wytłumaczyć faktem, że maksymalna szybkość implikuje zaangażowanie wszystkich dostępnych białek nośnikowych w proces transferu.
Jaką inną koncepcję obejmuje aktywny i pasywny transport przez błony?
Rozproszenie wymiany
Ten rodzaj transportu cząsteczek substancji przez błonę komórkową charakteryzuje się tym, że w wymianie uczestniczą cząsteczki tej samej substancji, które znajdują się po różnych stronach błony biologicznej. Należy zauważyć, że przy takim transporcie substancji stężenie cząsteczek po obu stronach błony w ogóle się nie zmienia.
Rodzaj dyfuzji wymiany
Jedną z odmian dyfuzji wymiany jest wymiana, w którejcząsteczka jednej substancji jest wymieniana na dwie lub więcej cząsteczek innej substancji. Na przykład jednym ze sposobów usuwania dodatnich jonów wapnia z komórek mięśni gładkich oskrzeli i naczyń kurczliwych miocytów serca jest ich wymiana na jony sodu znajdujące się poza komórką. Jeden jon sodu jest w tym przypadku wymieniany na trzy jony wapnia. W ten sposób następuje ruch sodu i wapnia przez błonę, który jest współzależny. Ten rodzaj transportu pasywnego przez błonę komórkową nazywa się antyportem. W ten sposób komórka jest w stanie pozbyć się jonów wapnia, których jest w nadmiarze. Proces ten jest niezbędny do rozluźnienia gładkich miocytów i kardiomiocytów.
Ten artykuł dotyczył aktywnego i pasywnego transportu substancji przez membranę.
