Осмос и активный транспорт

У клетки есть много требований, чтобы расти и реплицироваться, и даже клетки, которые не активно растут или реплицируются, требуют использования питательных веществ из окружающей среды. Многие из требований клетки являются молекулами, которые можно найти вне клетки, включая воду, сахара, витамины и белки.

Клеточная мембрана имеет важные защитные и структурные функции, и она действует, чтобы сохранить клеточное содержимое отдельно от внешней среды. Липидный бислой клеточной мембраны состоит из фосфолипидов, которые имеют гидрофобные (маслорастворимые, «водянистые») хвосты, которые образуют барьер для многих растворенных веществ и молекул в окружающей среде. Эта особенность клеточной мембраны позволяет внутренней среде клетки отличаться от внешней среды, но также выступает в качестве основного барьера для захвата определенных молекул из окружающей среды и изгнания отходов.

Однако липидный бислой не создает проблем для всех молекул. Гидрофобные (или маслорастворимые), неполярные молекулы могут свободно диффундировать через мембрану клеток беспрепятственно. Этот класс молекул включает газы, такие как кислород (O2), двуокись углерода (CO2) и оксид азота (NO). Большие гидрофобные органические молекулы также могут проходить через плазматическую мембрану, включая определенные гормоны (такие как эстроген) и витамины (такие как витамин D). Малые полярные молекулы (включая воду) частично препятствуют липидному бислою, но могут все еще проходить.

Для молекул, которые могут свободно проходить через мембрану клетки, попадают ли они в клетку или из нее, зависит от их концентрации. Тенденция перемещения молекул по их градиенту концентрации (то есть от более высокой концентрации до более низкой концентрации) называется диффузия, Это означает, что молекулы будут вытекать из клетки, если внутри клетки больше, чем снаружи. Аналогичным образом, если есть больше вне клетки, молекулы будут поступать в ячейку до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Например, рассмотрите мышечную клетку. Во время тренировки клетка преобразует O2 в CO2. Когда кислородсодержащая кровь поступает в мышцу, О2 перемещается от того места, где концентрация выше (в крови), где она ниже (в мышечных клетках). В то же время CO2 выходит из мышечных клеток (где он выше) в кровь (где она ниже). Диффузия не требует затрат энергии. Диффузии воды уделяется особое название, осмос.

Для больших полярных молекул и любых заряженных молекул вход и выход из клетки сложнее, поскольку они не могут проходить через липидный бислой. Этот класс молекул включает в себя ионы, сахара, аминокислоты (строительные блоки белков) и многие другие вещи, которые клетка должна выжить и функционировать. Чтобы решить эту проблему, клетка имеет транспортные белки, которые позволяют этим молекулам перемещаться в клетку и выходить из нее. Эти транспортные белки составляют 15-30% белков в клеточной мембране.

Транспортные белки бывают нескольких форм и размеров, но все они проходят через липидный бислой, и каждый транспортный белок имеет определенный тип молекулы, который он транспортирует. Существуют белки-носители (которые также известны как переносчики или пермеазы), которые связываются с растворенным веществом или молекулой на одной стороне мембраны и переносят ее на другую сторону мембраны. Второй класс транспортных белков включает канальные белки. Канальные белки образуют гидрофильные («любящие воду») отверстия в мембране, чтобы пропускать полярные или заряженные молекулы. Оба белка канала и белки-носители облегчают транспортировку как в клетку, так и вне ее.

Молекулы могут перемещаться через транспортные белки от высокой концентрации до более низкой концентрации. Этот процесс называется пассивным транспортом или облегченной диффузией. Он похож на диффузию неполярных молекул или воды непосредственно через липидный бислой, за исключением того, что он требует транспортных белков.

Иногда клетке нужны вещи из окружающей среды, которые присутствуют в очень низкой концентрации вне клетки. Альтернативно, ячейка может требовать чрезвычайно низких концентраций определенного растворенного вещества внутри клетки. Хотя диффузия позволит концентрациям внутри и снаружи клетки двигаться в направлении равновесия, процесс, называемый активный транспорт помогает концентрировать растворенное вещество или молекулу как внутри, так и снаружи клетки. Активный транспорт требует затрат энергии для перемещения молекулы против ее градиента концентрации. Существуют две основные формы активного транспорта в эукариотических клетках. Первый тип состоит из насосов с ATP-приводом. Эти насосы используют гидролиз АТФ для транспортировки определенного класса растворенного вещества или молекулы через мембрану, чтобы сконцентрировать его либо внутри, либо вне клетки. Второй тип (называемый cotransporters) соединяет транспорт одной молекулы с ее градиентом концентрации (от низкого до высокого) с переносом второй молекулы вниз по ее градиенту концентрации (от высокого к низкому).

Клетки также используют активный транспорт для поддержания надлежащей концентрации ионов. Концентрация ионов очень важна для электрических свойств клетки, контроля количества воды в клетках и других важных функций ионов. Например, ионы магния (MG2 +) очень важны для многих белков, участвующих в ремонте и обслуживании ДНК. Кальций (Са2 +) также важен во многих клеточных процессах, а активный транспорт помогает поддерживать градиент кальция 1: 10000.Транспортировка ионов через липидный бислой зависит не только от градиента концентрации, но и от электрических свойств мембраны, где подобные заряды отталкиваются. Натрий-калийная АТФаза или Na + -K + насос поддерживает более высокую концентрацию натрия вне клетки. В этой работе потребляется почти одна треть потребляемой энергии ячейки. Эти огромные затраты энергии на активный перенос ионов подтверждают важность поддержания баланса молекул в правильной клеточной функции.

Резюме

Оsmosis представляет собой пассивную диффузию воды через клеточную мембрану и не требует транспортных белков. транспортный транспорт представляет собой движение молекул против их градиента концентрации (от низкой до высокой концентрации) или от их электрического градиента (к аналогичному заряду) и требует переноса белка и добавленной энергии либо путем гидролиза АТФ, либо путем связывания с переносом спутника другого растворенного вещества,