Forskellen mellem osmose og aktiv transport

En celle har mange krav for at vokse og replikere, og selv celler, der ikke aktivt vokser eller replikerer, kræver næringsstoffer fra miljøet for at fungere. Mange af cellens krav er molekyler, der kan findes uden for cellen, herunder vand, sukker, vitaminer og proteiner.

Cellemembranen har vigtige beskyttelses- og strukturfunktioner, og den fungerer til at holde celleindhold adskilt fra det ydre miljø. Lipid-dobbeltlaget i cellemembranen er sammensat af phospholipider, som har hydrofobe (olieopløselige, "vand-frygtige") haler, der danner en barriere for mange opløste stoffer og molekyler i miljøet. Denne funktion af cellemembranen gør det muligt for det indre miljø i cellerne at adskille sig fra det ydre miljø, men fungerer også som en vigtig barriere for at optage visse molekyler fra miljøet og udvise affald.

Lipid-dobbeltlaget udgør imidlertid ikke et problem for alle molekyler. Hydrofobe (eller olieopløselige), ikke-polære molekyler kan frit diffundere gennem cellemembranen uhindret. Denne klasse af molekyler inkluderer gasser såsom ilt (O2), kuldioxid (CO2) og nitrogenoxid (NO). Større hydrofobe organiske molekyler kan også passere gennem plasmamembranen, herunder visse hormoner (såsom østrogen) og vitaminer (såsom vitamin D). Små polære molekyler (inklusive vand) hindres delvist af lipid-dobbeltlaget, men kan stadig passere igennem.

For molekyler, der frit kan passere gennem cellens membran, afhænger det af deres koncentration, uanset om de bevæger sig ind i eller ud af cellen. Molekylernes tendens til at bevæge sig i henhold til deres koncentrationsgradient (det vil sige fra højere koncentration til lavere koncentration) kaldes diffusion. Dette betyder, at molekyler vil strømme ud af cellen, hvis der er flere inde i cellen end udenfor. Ligeledes, hvis der er flere uden for cellen, vil molekyler strømme ind i cellen, indtil en balance er opfyldt. Overvej for eksempel en muskelcelle. Under træning konverterer cellen O2 til CO2. Når iltet blod kommer ind i musklen, rejser O2 fra hvor koncentrationen er højere (i blodet) til hvor den er lavere (i muskelcellerne). På samme tid rejser CO2 ud af muskelcellerne (hvor det er højere) til blodet (hvor det er lavere). Diffusion kræver ikke energiudgifter. Spredning af vand får et specielt navn, osmose.

For større polære molekyler og eventuelle ladede molekyler er det vanskeligere at komme ind og forlade cellen, da de ikke kan passere gennem lipid-dobbeltlaget. Denne klasse af molekyler inkluderer ioner, sukkerarter, aminosyrer (byggestenene til proteiner) og mange flere ting, som cellen har brug for for at overleve og fungere. For at løse dette problem har cellen transportproteiner, der tillader disse molekyler at bevæge sig ind og ud af cellen. Disse transportproteiner udgør 15-30% af proteinerne i cellemembranen.

Transportproteiner findes i flere former og størrelser, men alle strækker sig gennem lipid-dobbeltlaget, og hvert transportprotein har en bestemt type molekyle, som den transporterer. Der er bærerproteiner (som også er kendt som transportører eller permeaser), som binder til et opløst stof eller molekyle på den ene side af membranen og transporterer det til den anden side af membranen. En anden klasse af transportproteiner inkluderer kanalproteiner. Kanalproteiner danner hydrofile (“vandelskende”) åbninger i membranen for at lade polære eller ladede molekyler strømme igennem. Både kanalproteiner og bærerproteiner letter transport både ind og ud af cellen.

Molekyler kan rejse gennem transportproteiner fra høj koncentration til lavere koncentration. Denne proces kaldes passiv transport eller lettere diffusion. Det ligner diffusion af ikke-polære molekyler eller vand direkte gennem lipid-dobbeltlaget, bortset fra at det kræver transportproteiner.

Undertiden har en celle brug for ting fra miljøet, der er til stede i meget lav koncentration uden for cellen. Alternativt kan en celle kræve ekstremt lave koncentrationer af et vist opløst stof inde i cellen. Mens diffusion ville tillade koncentrationer inden i og uden for cellen at bevæge sig mod ligevægt, kaldes en proces aktiv transport hjælper med at koncentrere et opløst stof eller molekyle enten inde i eller uden for cellen. Aktiv transport kræver energiudgifter for at bevæge et molekyle mod dens koncentrationsgradient. Der er to hovedformer for aktiv transport i eukaryote celler. Den første type består af ATP-drevne pumper. Disse pumper bruger ATP-hydrolyse til at transportere en bestemt klasse af opløst eller molekyle over membranen for at koncentrere den enten inde eller ud af cellen. Den anden type (kaldet cotransporters) kobler transport af et molekyle mod dets koncentrationsgradient (fra lav til høj) med transporten af ​​et andet molekyle nedad i dens koncentrationsgradient (fra høj til lav).

Celler bruger også aktiv transport til at opretholde den korrekte koncentration af ioner. Ionkoncentration er meget vigtig for cellens elektriske egenskaber ved at kontrollere mængden af ​​vand i celler og andre vigtige funktioner for ioner. For eksempel er magnesiumioner (MG2 +) meget vigtige for mange proteiner, der er involveret i DNA-reparation og -vedligeholdelse. Calcium (Ca2 +) er også vigtigt i mange celleprocesser, og aktiv transport hjælper med at opretholde en calciumgradient på 1: 10.000. Transport af ioner over lipid-dobbeltlaget afhænger ikke kun af koncentrationsgradienten, men også af membranens elektriske egenskaber, hvor lignende ladninger afviser. Natrium-kalium ATPase- eller Na + -K + -pumpen opretholder en højere koncentration af natrium uden for cellen. Næsten en tredjedel af cellens energibehov forbruges i denne bestræbelse. Denne enorme energiudgift til aktiv transport af ioner bekræfter vigtigheden af ​​at opretholde en balance mellem molekyler i korrekt cellefunktion.

Resumé

Osmosis er den passive diffusion af vand over cellemembranen og kræver ikke transportproteiner. ENctive transport er bevægelsen af ​​molekyler mod deres koncentrationsgradient (fra lav til høj koncentration) eller mod deres elektriske gradient (mod en lignende ladning) og kræver proteintransportører og den tilsatte energi, enten gennem ATP-hydrolyse eller gennem kobling til ned ad bakke af et andet opløst stof.