Ενεργητική και παθητική μεταφορά στη μεμβράνη πλάσματος

Η κίνηση κατά μήκος αυτής της μεμβράνης μπορεί να λάβει διάφορες μορφές, που γενικά ταξινομούνται σε μεθόδους ενεργητικής μεταφοράς και παθητική μεταφορά . Η παθητική μεταφορά περιλαμβάνει τη μετακίνηση μορίων «κάτω» στη βαθμίδα συγκέντρωσης, από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε χαμηλή συγκέντρωση. Η ενεργή μεταφορά, ωστόσο, είναι όταν τα μόρια μετακινούνται «επάνω» στη βαθμίδα συγκέντρωσης. Αυτό είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί, γι' αυτό απαιτείται ενέργεια για την εκτέλεση αυτής της ενέργειας. Αυτή η ενέργεια έρχεται με τη μορφή ATP.

Το σώμα μας αποτελείται από όχι δισεκατομμύρια, αλλά τρισεκατομμύρια κύτταρα—πάνω από 30 τρισεκατομμύρια κατά μέσο όρο, σύμφωνα με τις τελευταίες μελέτες. Ακόμη πιο απίστευτο, υπάρχουν περισσότεροι από 200 διαφορετικοί τύποι κυττάρων που λειτουργούν στο σώμα σας ανά πάσα στιγμή. Κάθε κύτταρο εξυπηρετεί έναν συγκεκριμένο σκοπό και μπορεί να συμπεριφέρεται μάλλον αυτόνομα, έχοντας το δικό του σύνολο γενετικών κατευθύνσεων και υποδομών για την εκτέλεση σύνθετων εργασιών και τη διασφάλιση της επιβίωσής μας.

Όταν βλέπουμε έναν άνθρωπο στο σύνολό του, συχνά ξεχνάμε ότι είμαστε υπέροχες μηχανές που αποτελούνται από απίστευτα μικρά μέρη, αλλά το να κοιτάξουμε βαθύτερα είναι σημαντικό εάν θέλετε να κατανοήσετε το σύνολο. Έχοντας αυτό κατά νου, αν πλησιάζατε ένα μόνο κύτταρο, το πρώτο πράγμα που θα συναντούσατε είναι η πλασματική μεμβράνη. Η κίνηση σε αυτή τη μεμβράνη μπορεί να λάβει διάφορες μορφές, που γενικά ταξινομούνται σε μεθόδους ενεργητικής μεταφοράς και παθητική μεταφορά . Χωρίς αυτές τις δύο μορφές μεταφοράς, η κυτταρική λειτουργία όπως ξέρουμε θα ήταν αδύνατη, όπως και η ύπαρξή μας!

Πριν σκάψουμε τις περιπλοκές αυτών των δύο μορφών μεταφοράς, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στην ίδια την πλασματική μεμβράνη.

Τι είναι η πλασματική μεμβράνη;

Εάν ένα κύτταρο συγκρίνεται με μια μικρή πόλη, τότε η πλασματική μεμβράνη είναι ο τοίχος που το περιβάλλει, διασφαλίζοντας ότι το εσωτερικό (κυτταρόπλασμα και οργανίδια) διατηρείται χωριστά από το εξωτερικό (εξωκυττάριο υγρό) και ότι οποιαδήποτε δίοδος μέσω του τοίχου είναι στενά ελεγχόμενη.

Η ίδια η πλασματική μεμβράνη είναι μια λιπιδική διπλή στιβάδα - μια εξαιρετικά πολική μεμβράνη που αποτελείται από δύο στρώματα λιπιδίων. Αυτά τα δύο φωσφιλιπιδικά στρώματα έχουν τις υδρόφοβες ουρές τους στραμμένες προς τα μέσα και τις υδρόφιλες κεφαλές τους προς τα έξω, δημιουργώντας ένα φράγμα που μπορεί να περάσει μόνο υπό ειδικές συνθήκες. Αυτές οι μεμβράνες είναι επομένως γνωστές ως επιλεκτικά διαπερατές. Η μεμβράνη δεν αποτελείται αποκλειστικά από τέτοια φωσφολιπίδια. Υπάρχουν επίσης μεγαλύτερες δομές, όπως σύμπλοκα πρωτεϊνών και άλλες μορφές λιπιδίων, όπως η χοληστερόλη.

(Photo Credit :OpenStax/Wikimedia Commons)

Αυτός ο φραγμός εξυπηρετεί έναν πολύ σημαντικό σκοπό, καθώς τα κύτταρα έχουν συνεχή ανάγκη από νέα θρεπτικά συστατικά και εξάγουν επίσης συνεχώς πράγματα, από άχρηστα προϊόντα έως ένζυμα και νευροδιαβιβαστές. Για να συνεχίσουμε την αναλογία του κυττάρου ως πόλης, υπάρχει μια αέναη ροή υλικών που εισέρχονται και εξέρχονται από τις πύλες, και στην περίπτωση του κυττάρου, αυτό είναι δηλαδή νερό, ιόντα, αμινοξέα, σάκχαρα και άλλα μόρια/προϊόντα. Ενώ ορισμένα από τα αντικείμενα μπορεί να είναι μικρά, ακίνδυνα και εύκολο να τα παραδεχθούμε, άλλα απαιτούν περισσότερη προσπάθεια ή προσοχή προτού μπορέσουν να εισέλθουν ή να φύγουν από το κελί. Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι μέθοδοι μοριακής κίνησης—ενεργητική και παθητική μεταφορά.

Τι είναι η παθητική μεταφορά;

Από τους δύο τύπους κίνησης στις κυτταρικές μεμβράνες, η παθητική μεταφορά είναι σίγουρα η ευκολότερη επιλογή. Χρησιμοποιώντας τη διαδικασία της διάχυσης, η οποία περιγράφει την κίνηση των μορίων από μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης σε χαμηλότερη συγκέντρωση, η παθητική μεταφορά δεν απαιτεί ενεργειακή είσοδο από το κύτταρο - καμία άμεση κατανάλωση πόρων. Η μεμβράνη εξακολουθεί να παίζει ρόλο στην κίνηση, με την έννοια ότι μπορούν να λειτουργήσουν ως φίλτρο, επιβραδύνοντας την είσοδο μερικών μορίων ή να είναι πιο ανθεκτικές στη διέλευσή τους, αλλά η μεμβράνη δεν θα ελέγξει την κατεύθυνση της κίνησης. Αυτό βασίζεται στις διαβαθμίσεις που υπάρχουν τόσο εντός όσο και εκτός του κελιού.

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι παθητικής μεταφοράς που συμβαίνουν σε μια κυτταρική μεμβράνη:απλή διάχυση, διευκολυνόμενη διάχυση και όσμωση.

Απλή διάχυση

Στο απλούστερο επίπεδο, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα πρέπει να ανταλλάσσονται συνεχώς κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης και μπορεί να το κάνει σε οποιοδήποτε σημείο κατά μήκος της πλασματικής μεμβράνης, δηλαδή, δεν υπάρχουν καθορισμένες περιοχές όπου αυτό πρέπει να γίνει. Ο ρυθμός διέλευσης μέσω της μεμβράνης εξαρτάται από έναν αριθμό παραγόντων, όπως η διαλυτότητα στα λιπίδια, το μέγεθος και η δομή του μορίου και η βαθμίδα συγκέντρωσης αυτού του μορίου μεταξύ του κυτταροπλάσματος και του εξωκυτταρικού υγρού. Όπως αναφέρθηκε, αυτή η διαδικασία δεν εξαρτάται από οποιαδήποτε ενέργεια που καταναλώνεται ή δαπανάται.

(Meme – Guy Strolling through a open gate – “Λοιπόν, αυτό ήταν εκπληκτικά εύκολο”)

Διευκολυνόμενη διάχυση

Σε αντίθεση με τη διαδικασία της απλής διάχυσης, η διευκολυνόμενη διάχυση αφορά μεγαλύτερα μόρια που πρέπει να περάσουν από ένα κανάλι πρωτεΐνης προκειμένου να αποκτήσουν είσοδο ή έξοδο από ένα κύτταρο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτείται η βοήθεια μιας πρωτεΐνης φορέα για να περάσουν τέτοια μόρια μέσω ενός καναλιού πρωτεΐνης. Στην περίπτωση των αμινοξέων, των σακχάρων και των βασικών ιόντων (κάλιο, νάτριο κ.λπ.), απαιτούνται κανάλια, καθώς δεν μπορούν να διαχυθούν μέσω όμοιων αερίων, όπως περιγράφεται παραπάνω. Αυτά τα κανάλια πρωτεΐνης έχουν συχνά ένα συγκεκριμένο σχήμα και σύνθεση αμινοξέων, έτσι ώστε μόνο συγκεκριμένα μόρια μπορούν να περάσουν από συγκεκριμένα κανάλια. Όταν απαιτούνται πρωτεΐνες φορέα, η προσκόλληση σε ένα εξωτερικό ή εσωτερικό μόριο θα αλλάξει τη δομική φύση της πρωτεΐνης φορέα, επιτρέποντάς της να περάσει μέσω της μεμβράνης στην άλλη πλευρά και να απελευθερώσει το μόριο στο οποίο προσκολλήθηκε. Ορισμένες πρωτεΐνες-φορείς δεν απαιτούν ενέργεια, ενώ άλλες απαιτούν κάποια κατανάλωση ATP (μια μορφή ενεργού μεταφοράς).

Όσμωση

Παρόμοια με την «απλή διάχυση» που περιγράφηκε παραπάνω, η κίνηση του νερού προς τα έξω από ένα κύτταρο είναι γνωστή ως όσμωση. Αυτή η κίνηση γίνεται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε χαμηλή συγκέντρωση, σε μια προσπάθεια διατήρησης της ισορροπίας. Αυτή η κίνηση του νερού δεν απαιτεί κατανάλωση ενέργειας.

Τι είναι η Active Transport;

Ενώ η παθητική μεταφορά είναι η απλή επιλογή για τη μετακίνηση μορίων κατά μήκος της μεμβράνης, η ενεργός μεταφορά δεν είναι λιγότερο σημαντική για τη λειτουργία και την επιβίωση των κυττάρων. Τώρα, όπως εξηγήθηκε παραπάνω, η παθητική μεταφορά περιλαμβάνει τη μετακίνηση μορίων «κάτω» στη βαθμίδα συγκέντρωσης, από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε χαμηλή συγκέντρωση. Η ενεργή μεταφορά, ωστόσο, είναι όταν τα μόρια μετακινούνται «επάνω» στη βαθμίδα συγκέντρωσης. Αυτό είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί, γι' αυτό απαιτείται ενέργεια για την εκτέλεση αυτής της ενέργειας. Αυτή η ενέργεια έρχεται με τη μορφή ATP.

Παρόμοια με την παθητική μεταφορά, υπάρχουν τρεις κύριες μορφές ενεργητικής μεταφοράς:η ενδοκυττάρωση, η εξωκυττάρωση και οι αντλίες μεμβράνης. Θα εξερευνήσουμε το καθένα με λίγο περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω.

Ενδοκυττάρωση

Αυτή είναι μια μορφή κίνησης κυστιδίων στην οποία τα πράγματα μπορούν να εισαχθούν φυσικά στο κύτταρο. Με απλά λόγια, φανταστείτε ένα κύτταρο να ανοίγει το στόμα του και να παίρνει μια γουλιά από το εξωτερικό περιβάλλον, είτε αυτή η γουλιά αποτελείται απλώς από υγρά (πινοκύττωση – «πίεση κυττάρων»), ή ακόμη και ένα μόριο ή ένα ολόκληρο κύτταρο (φαγοκυττάρωση – «κύτταρο» τρώει"). Με απλά λόγια, ένα στρώμα της διπλοστοιβάδας φωσφολιπιδίου τσιμπά γύρω από την επιθυμητή ουσία ή μόριο και τελικά σχηματίζει ένα κυστίδιο. Αυτό μπορεί στη συνέχεια να περάσει από το δεύτερο μισό της διπλής στιβάδας και να μετακινηθεί σε όλο το κελί, όπως χρειάζεται.

Εξωκυττάρωση

Αυτή είναι μια μορφή κίνησης κυστιδίων στην οποία τα πράγματα μπορούν να ωθηθούν σωματικά έξω ή να αφαιρεθούν από το κύτταρο. Όταν ένα κυστίδιο σχηματίζεται μέσα σε ένα κύτταρο, αποτελείται από παρόμοια υλικά όπως η πλασματική μεμβράνη, δηλαδή από φωσφολιπίδια. Αυτό το κυστίδιο και τα περιεχόμενά του μπορούν να μετακινηθούν στη μεμβράνη του πλάσματος και να συνδεθούν μαζί της, τα φωσφολιπίδια μπορούν να αναδιαταχθούν και το περιεχόμενο μπορεί ουσιαστικά να «αποχετευτεί» έξω στο εξωκυττάριο υγρό και το κυστίδιο θα αποτελεί απλώς μέρος της μεμβράνης. Όπως και με την ενδοκυττάρωση, που εξηγήθηκε παραπάνω, αυτή η ενέργεια θα απαιτήσει κατανάλωση ATP, καθώς η κίνηση αυτών των μορίων είναι συχνά αντίθετη με τη βαθμίδα συγκέντρωσης.

Μεμβρανικές Αντλίες

Όταν συζητήσαμε προηγουμένως τη διευκόλυνση μεταφοράς, αναφέραμε τις πρωτεΐνες-φορείς. Σε εκείνο το προηγούμενο παράδειγμα, τα μόρια κινούνταν «κάτω» στη βαθμίδα συγκέντρωσης, αλλά για την ενεργή μεταφορά, το κύτταρο πρέπει να εργαστεί ενεργά για να διατηρήσει τη βαθμίδα συγκέντρωσης άνιση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό είναι προτιμότερο για συγκεκριμένες λειτουργίες. Το να έχετε υψηλότερο επίπεδο καλίου στο εσωτερικό και υψηλότερο επίπεδο νατρίου έξω είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα αυτής της ανισορροπίας. Για να μετακινηθούν τα μόρια σε αυτή τη βαθμίδα, το ATP χρησιμοποιείται για να αλλάξει το σχήμα της πρωτεΐνης φορέα, έτσι ώστε τα επιλεγμένα μόρια να μπορούν να μετακινηθούν σε περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης.

Μια τελευταία λέξη

Με την πρώτη ματιά, η πλασματική μεμβράνη μπορεί να μην μοιάζει τίποτα άλλο από ένα προστατευτικό κέλυφος για το κύτταρο, αλλά είναι μια δυναμική και διαρκώς ενεργή σειρά από πύλες και διόδους, που επιτρέπουν την ομαλή και αποτελεσματική κίνηση των κρίσιμων μορίων προς και έξω από το κύτταρο. Η κατανόηση των λόγων για τέτοιες κινήσεις, καθώς και των διαφορετικών μορφών που παίρνει μια τέτοια κίνηση, παρέχει μια καλύτερη αίσθηση του κυτταρικού μεταβολισμού και μεγαλύτερο σεβασμό τόσο για τον μικρόκοσμο όσο και για τον μακρόκοσμο της ζωής!