Τι είναι η παθητική μεταφορά; Η διαμεμβρανική κίνηση διαφόρων μακρομοριακών ενώσεων, κυτταρικών συστατικών, υπερμοριακών σωματιδίων που δεν μπορούν να διεισδύσουν μέσω των καναλιών στη μεμβράνη, πραγματοποιείται μέσω ειδικών μηχανισμών, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας φαγοκυττάρωση, πινοκύττωση, εξωκυττάρωση, μεταφορά μέσω του μεσοκυττάριου χώρου. Δηλαδή, η κίνηση των ουσιών μέσω της μεμβράνης μπορεί να συμβεί χρησιμοποιώντας διάφορους μηχανισμούς, οι οποίοι χωρίζονται ανάλογα με τα σημάδια της συμμετοχής συγκεκριμένων φορέων σε αυτούς, καθώς και την κατανάλωση ενέργειας. Οι επιστήμονες χωρίζουν τη μεταφορά ουσιών σε ενεργητική και παθητική.
Κύριοι τρόποι μεταφοράς
Παθητική μεταφορά είναι η μεταφορά μιας ουσίας μέσω μιας βιολογικής μεμβράνης κατά μήκος μιας βαθμίδωσης (ωσμωτικής, συγκέντρωσης, υδροδυναμικής και άλλων), η οποία δεν απαιτεί κατανάλωση ενέργειας.
Ενεργή μεταφορά είναι η μεταφορά μιας ουσίας μέσω μιας βιολογικής μεμβράνης έναντι μιας κλίσης. Ενκαταναλώνεται ενέργεια. Περίπου το 30 - 40% της ενέργειας που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα μεταβολικών αντιδράσεων στο ανθρώπινο σώμα δαπανάται για την υλοποίηση της ενεργού μεταφοράς ουσιών. Αν λάβουμε υπόψη τη λειτουργία των ανθρώπινων νεφρών, τότε περίπου το 70 - 80% του οξυγόνου που καταναλώνεται δαπανάται για ενεργή μεταφορά.
Παθητική μεταφορά ουσιών
περιλαμβάνει τη μεταφορά διαφόρων ουσιών μέσω βιολογικών μεμβρανών κατά μήκος μιας ποικιλίας βαθμίδων. Αυτές οι διαβαθμίσεις μπορεί να είναι:
- ηλεκτροχημική κλίση δυναμικού;
- κλίση συγκέντρωσης ουσίας;
- κλίση ηλεκτρικού πεδίου;
- κλίση ωσμωτικής πίεσης και άλλα.
Η διαδικασία υλοποίησης παθητικών μεταφορών δεν απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. Μπορεί να συμβεί με διευκολυνόμενη και απλή διάχυση. Όπως γνωρίζουμε, η διάχυση είναι μια χαοτική κίνηση των μορίων μιας ουσίας σε διάφορα μέσα, η οποία οφείλεται στην ενέργεια των θερμικών δονήσεων μιας ουσίας.
Αν ένα σωματίδιο μιας ουσίας είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, τότε η κατεύθυνση στην οποία θα συμβεί η διάχυση καθορίζεται από τη διαφορά στη συγκέντρωση των ουσιών που περιέχονται στα μέσα που διαχωρίζονται από τη μεμβράνη. Για παράδειγμα, μεταξύ των διαμερισμάτων του κελιού, μέσα στο κελί και έξω από αυτό. Εάν τα σωματίδια μιας ουσίας, τα ιόντα της έχουν ηλεκτρικό φορτίο, τότε η διάχυση θα εξαρτηθεί όχι μόνο από τη διαφορά συγκέντρωσης, αλλά και από το μέγεθος του φορτίου της δεδομένης ουσίας, την παρουσία και τα σημάδια φορτίου και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Το μέγεθος της ηλεκτροχημικής κλίσηςκαθορίζεται από το αλγεβρικό άθροισμα των ηλεκτρικών κλίσεων και των κλίσεων συγκέντρωσης σε όλη τη μεμβράνη.
Τι παρέχει μεταφορά μέσω της μεμβράνης;
Η παθητική μεταφορά μεμβράνης είναι δυνατή λόγω της παρουσίας βαθμίδων συγκέντρωσης ουσίας, της οσμωτικής πίεσης που προκύπτει μεταξύ των διαφορετικών πλευρών της κυτταρικής μεμβράνης ή του ηλεκτρικού φορτίου. Για παράδειγμα, το μέσο επίπεδο των ιόντων Na+ που περιέχονται στο πλάσμα του αίματος είναι περίπου 140 mM/l και η περιεκτικότητά του στα ερυθροκύτταρα είναι περίπου 12 φορές υψηλότερη. Μια τέτοια κλίση, που εκφράζεται ως διαφορά στη συγκέντρωση, είναι ικανή να δημιουργήσει μια κινητήρια δύναμη που διασφαλίζει τη μεταφορά των μορίων νατρίου στα ερυθρά αιμοσφαίρια από το πλάσμα του αίματος.
Πρέπει να σημειωθεί ότι ο ρυθμός μιας τέτοιας μετάβασης είναι πολύ χαμηλός λόγω του γεγονότος ότι η κυτταρική μεμβράνη χαρακτηρίζεται από χαμηλή διαπερατότητα για τα ιόντα αυτής της ουσίας. Αυτή η μεμβράνη έχει πολύ μεγαλύτερη διαπερατότητα σε σχέση με τα ιόντα καλίου. Η ενέργεια του κυτταρικού μεταβολισμού δεν χρησιμοποιείται για την ολοκλήρωση της διαδικασίας της απλής διάχυσης.
Ρυθμός διάχυσης
Η ενεργή και παθητική μεταφορά ουσιών μέσω της μεμβράνης χαρακτηρίζεται από το ρυθμό διάχυσης. Μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση Fick: dm/dt=-kSΔC/x.
Σε αυτήν την περίπτωση, dm/dt είναι η ποσότητα της ουσίας που διαχέεται σε μία μονάδα χρόνου και k είναι ο συντελεστής της διαδικασίας διάχυσης, που χαρακτηρίζει τη διαπερατότητα της βιομεμβράνης για την ουσία διάχυσης. Το S ισούται με την περιοχή στην οποία συμβαίνει η διάχυση και το ΔC εκφράζει τη διαφοράσυγκέντρωση ουσιών από διαφορετικές πλευρές της βιολογικής μεμβράνης, ενώ το x χαρακτηρίζει την απόσταση μεταξύ των σημείων διάχυσης.
Προφανώς, εκείνες οι ουσίες που διαχέονται ταυτόχρονα κατά μήκος των διαβαθμίσεων των συγκεντρώσεων και των ηλεκτρικών πεδίων θα μετακινηθούν πιο εύκολα μέσω της μεμβράνης. Μια σημαντική προϋπόθεση για τη διάχυση μιας ουσίας μέσω μιας μεμβράνης είναι οι φυσικές ιδιότητες της ίδιας της μεμβράνης, η διαπερατότητά της για κάθε συγκεκριμένη ουσία.
Λόγω του γεγονότος ότι η διπλή στιβάδα της μεμβράνης σχηματίζεται από ρίζες υδρογονάνθρακα φωσφολιπιδίων με υδρόφοβες ιδιότητες, ουσίες υδρόφοβης φύσης διαχέονται εύκολα μέσω αυτής. Ειδικότερα, αυτό ισχύει για ουσίες που διαλύονται εύκολα στα λιπίδια, όπως ο θυρεοειδής και οι στεροειδείς ορμόνες, καθώς και ορισμένες ναρκωτικές ουσίες.
Μεταλλικά ιόντα και ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους που είναι υδρόφιλες στη φύση διαχέονται μέσω παθητικών διαύλων ιόντων μεμβράνης, τα οποία σχηματίζονται από μόρια πρωτεΐνης που σχηματίζουν κανάλι και μερικές φορές μέσω ελαττωμάτων πλήρωσης μεμβράνης μορίων φωσφολιπιδίου που προκύπτουν στην κυτταρική μεμβράνη ως αποτέλεσμα θερμικής διακύμανσης.
Η παθητική μεταφορά μέσω της μεμβράνης είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα διαδικασία. Εάν οι συνθήκες είναι φυσιολογικές, τότε σημαντικές ποσότητες μιας ουσίας μπορούν να διεισδύσουν στη μεμβράνη της διπλής στιβάδας μόνο εάν είναι μη πολικές και έχουν μικρό μέγεθος. Διαφορετικά, η μεταφορά γίνεται μέσω πρωτεϊνών-φορέων. Παρόμοιες διαδικασίες που περιλαμβάνουνΗ πρωτεΐνη φορέας δεν ονομάζεται διάχυση, αλλά η μεταφορά μιας ουσίας μέσω της μεμβράνης.
Διευκολυνόμενη διάχυση
Η διευκολυνόμενη διάχυση, όπως η απλή διάχυση, εμφανίζεται κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης μιας ουσίας. Η κύρια διαφορά είναι ότι ένα ειδικό μόριο πρωτεΐνης, που ονομάζεται φορέας, συμμετέχει στη διαδικασία μεταφοράς ουσίας.
Διευκολυνόμενη διάχυση είναι ένας τύπος παθητικής μεταφοράς μορίων μιας ουσίας μέσω βιομεμβρανών, που πραγματοποιείται κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης χρησιμοποιώντας έναν φορέα.
Καταστάσεις μεταφοράς πρωτεΐνης
Η πρωτεΐνη φορέας μπορεί να βρίσκεται σε δύο διαμορφωτικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, στην κατάσταση Α, αυτή η πρωτεΐνη μπορεί να έχει συγγένεια με την ουσία που μεταφέρει, οι θέσεις δέσμευσής της για την ουσία στρέφονται προς τα μέσα, εξαιτίας των οποίων σχηματίζεται ένας πόρος που είναι ανοιχτός στη μία πλευρά της μεμβράνης.
Μετά τη δέσμευση της πρωτεΐνης με τη μεταφερόμενη ουσία, η διαμόρφωσή της αλλάζει και περνά στην κατάσταση Β. Με αυτόν τον μετασχηματισμό, ο φορέας χάνει τη συγγένειά του για την ουσία. Από τη σύνδεση με τον φορέα, απελευθερώνεται και μετακινείται στον πόρο ήδη στην άλλη πλευρά της μεμβράνης. Αφού μεταφερθεί η ουσία, η πρωτεΐνη φορέας αλλάζει ξανά τη διαμόρφωσή της, επιστρέφοντας στην κατάσταση Α. Αυτή η μεταφορά της ουσίας μέσω της μεμβράνης ονομάζεται uniport.
Διευκολυνόμενη Ταχύτητα Διάχυσης
Ουσίες μικρού μοριακού βάρους όπως η γλυκόζη μπορούν να μεταφερθούν μέσωμεμβράνη μέσω διευκολυνόμενης διάχυσης. Μια τέτοια μεταφορά μπορεί να συμβεί από το αίμα στον εγκέφαλο, στα κύτταρα από τους διάμεσους χώρους. Ο ρυθμός μεταφοράς της ύλης με αυτόν τον τύπο διάχυσης μπορεί να φτάσει έως και 108 σωματίδια μέσω του καναλιού σε ένα δευτερόλεπτο.
Όπως ήδη γνωρίζουμε, ο ρυθμός ενεργητικής και παθητικής μεταφοράς ουσιών σε απλή διάχυση είναι ανάλογος με τη διαφορά στις συγκεντρώσεις της ουσίας και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Στην περίπτωση διευκόλυνσης της διάχυσης, ο ρυθμός αυτός αυξάνεται ανάλογα με την αυξανόμενη διαφορά στη συγκέντρωση της ουσίας μέχρι μια ορισμένη μέγιστη τιμή. Πάνω από αυτή την τιμή, ο ρυθμός δεν αυξάνεται, παρόλο που η διαφορά στις συγκεντρώσεις από διαφορετικές πλευρές της μεμβράνης συνεχίζει να αυξάνεται. Η επίτευξη ενός τέτοιου σημείου μέγιστου ρυθμού στη διαδικασία διευκόλυνσης της διάχυσης μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι ο μέγιστος ρυθμός συνεπάγεται τη συμμετοχή όλων των διαθέσιμων πρωτεϊνών-φορέων στη διαδικασία μεταφοράς.
Τι άλλη έννοια περιλαμβάνει η ενεργητική και η παθητική μεταφορά μέσω των μεμβρανών;
Διάχυση ανταλλαγής
Αυτός ο τύπος μεταφοράς μορίων ουσίας μέσω της κυτταρικής μεμβράνης χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι στην ανταλλαγή συμμετέχουν μόρια της ίδιας ουσίας που βρίσκονται σε διαφορετικές πλευρές της βιολογικής μεμβράνης. Πρέπει να σημειωθεί ότι με τέτοια μεταφορά ουσιών, η συγκέντρωση των μορίων και στις δύο πλευρές της μεμβράνης δεν αλλάζει καθόλου.
Ένας τύπος διάχυσης ανταλλαγής
Μία από τις ποικιλίες της ανταλλαγής διάχυσης είναι μια ανταλλαγή στην οποίαένα μόριο μιας ουσίας ανταλλάσσεται με δύο ή περισσότερα μόρια μιας άλλης ουσίας. Για παράδειγμα, ένας από τους τρόπους με τους οποίους τα θετικά ιόντα ασβεστίου απομακρύνονται από τα λεία μυϊκά κύτταρα των βρόγχων και τα αγγεία από τα συσταλτικά μυοκύτταρα της καρδιάς είναι η ανταλλαγή τους με ιόντα νατρίου που βρίσκονται έξω από το κύτταρο. Ένα ιόν νατρίου σε αυτή την περίπτωση ανταλλάσσεται με τρία ιόντα ασβεστίου. Έτσι, υπάρχει μια κίνηση νατρίου και ασβεστίου μέσω της μεμβράνης, η οποία είναι αλληλεξαρτώμενη. Αυτός ο τύπος παθητικής μεταφοράς μέσω της κυτταρικής μεμβράνης ονομάζεται antiport. Με αυτόν τον τρόπο το κύτταρο μπορεί να απαλλαγεί από ιόντα ασβεστίου, τα οποία υπάρχουν σε περίσσεια. Αυτή η διαδικασία είναι απαραίτητη για να χαλαρώσουν τα λεία μυοκύτταρα και τα καρδιομυοκύτταρα.
Αυτό το άρθρο εξέτασε την ενεργητική και παθητική μεταφορά ουσιών μέσω της μεμβράνης.
