Какво е пасивен транспорт? Трансмембранното движение на различни макромолекулни съединения, клетъчни компоненти, супрамолекулни частици, които не са в състояние да проникнат през каналите в мембраната, се осъществява чрез специални механизми, например с помощта на фагоцитоза, пиноцитоза, екзоцитоза, пренос през междуклетъчното пространство. Тоест, движението на веществата през мембраната може да се осъществи с помощта на различни механизми, които се разделят според признаците на участието на специфични носители в тях, както и консумацията на енергия. Учените разделят транспортирането на вещества на активно и пасивно.
Основни видове транспорт
Пасивният транспорт е пренос на вещество през биологична мембрана по градиент (осмотичен, концентрационен, хидродинамичен и други), който не изисква консумация на енергия.
Активният транспорт е пренасяне на вещество през биологична мембрана срещу градиент. При коетосе изразходва енергия. Приблизително 30 - 40% от енергията, която се образува в резултат на метаболитни реакции в човешкото тяло, се изразходва за осъществяване на активен транспорт на вещества. Ако разгледаме функционирането на човешките бъбреци, тогава около 70 - 80% от консумирания кислород се изразходва за активен транспорт.
Пасивен транспорт на вещества
включва пренос на различни вещества през биологични мембрани по различни градиенти. Тези градиенти могат да бъдат:
- електрохимичен потенциален градиент;
- градиент на концентрация на вещество;
- градиент на електрическо поле;
- градиент на осмотично налягане и други.
Процесът на внедряване на пасивен транспорт не изисква никаква консумация на енергия. Може да се случи чрез улеснена и проста дифузия. Както знаем, дифузията е хаотично движение на молекули на вещество в различни среди, което се дължи на енергията на топлинните вибрации на веществото.
Ако частица от вещество е електрически неутрална, тогава посоката, в която ще настъпи дифузия, се определя от разликата в концентрацията на веществата, съдържащи се в средата, която е разделена от мембраната. Например между отделенията на клетката, вътре в клетката и извън нея. Ако частиците на веществото, неговите йони имат електрически заряд, тогава дифузията ще зависи не само от разликата в концентрацията, но и от големината на заряда на даденото вещество, наличието и признаците на заряд от двете страни на мембраната. Големината на електрохимичния градиентсе определя от алгебричната сума на електрическите и концентрационните градиенти през мембраната.
Какво осигурява транспортиране през мембраната?
Пасивният мембранен транспорт е възможен поради наличието на градиенти на концентрация на веществото, осмотично налягане, възникващо между различните страни на клетъчната мембрана или електрически заряд. Например, средното ниво на Na+ йони, съдържащи се в кръвната плазма, е около 140 mM/l, а съдържанието му в еритроцитите е около 12 пъти по-високо. Такъв градиент, изразен като разлика в концентрацията, е в състояние да създаде движеща сила, която осигурява прехвърлянето на натриеви молекули към червените кръвни клетки от кръвната плазма.
Трябва да се отбележи, че скоростта на такъв преход е много ниска поради факта, че клетъчната мембрана се характеризира с ниска пропускливост за йоните на това вещество. Тази мембрана има много по-голяма пропускливост спрямо калиеви йони. Енергията на клетъчния метаболизъм не се използва за завършване на процеса на проста дифузия.
Скорост на дифузия
Активният и пасивен транспорт на вещества през мембраната се характеризира със скоростта на дифузия. Може да се опише с помощта на уравнението на Фик: dm/dt=-kSΔC/x.
В този случай dm/dt е количеството вещество, което дифундира за една единица време, а k е коефициентът на дифузионния процес, който характеризира пропускливостта на биомембраната за дифузиращото вещество. S е равно на площта, върху която възниква дифузия, а ΔC изразява разликатаконцентрация на вещества от различни страни на биологичната мембрана, докато x характеризира разстоянието между точките на дифузия.
Очевидно тези вещества, които дифундират едновременно по градиентите на концентрациите и електрическите полета, най-лесно ще се движат през мембраната. Важно условие за дифузията на вещество през мембрана са физичните свойства на самата мембрана, нейната пропускливост за всяко конкретно вещество.
Поради факта, че двуслойният слой на мембраната е образуван от въглеводородни радикали на фосфолипиди с хидрофобни свойства, вещества с хидрофобна природа лесно дифундират през него. По-специално, това се отнася за вещества, които лесно се разтварят в липиди, като хормони на щитовидната жлеза и стероидни хормони, както и някои наркотични вещества.
Минерални йони и субстанции с ниско молекулно тегло, които са хидрофилни по природа, дифундират през пасивни мембранни йонни канали, които се образуват от образуващи канали протеинови молекули, а понякога и чрез дефекти на мембранната опаковка на фосфолипидни молекули, които възникват в клетъчната мембрана като резултат от термични флуктуации.
Пасивният транспорт през мембраната е много интересен процес. Ако условията са нормални, значи значителни количества вещество могат да проникнат през двуслойната мембрана само ако са неполярни и имат малък размер. В противен случай трансферът става чрез протеини носители. Подобни процеси, включващипротеинът носител не се нарича дифузия, а транспортирането на вещество през мембраната.
Улеснена дифузия
Улеснената дифузия, подобно на простата дифузия, се случва по градиента на концентрацията на веществото. Основната разлика е, че специална протеинова молекула, наречена носител, участва в процеса на пренос на веществото.
Улеснената дифузия е вид пасивно пренасяне на молекули от вещество през биомембрани, извършвано по градиент на концентрация с помощта на носител.
Прехвърляне на протеинови състояния
Протеинът носител може да бъде в две конформационни състояния. Например в състояние А този протеин може да има афинитет към веществото, което носи, местата му на свързване с веществото са обърнати навътре, поради което се образува пора, която е отворена от едната страна на мембраната.
След като протеинът се свърже с прехвърленото вещество, неговата конформация се променя и той преминава в състояние В. При тази трансформация носителят губи афинитета си към веществото. От връзката с носителя, той се освобождава и се придвижва към порите вече от другата страна на мембраната. След като веществото бъде прехвърлено, протеинът носител отново променя своята конформация, връщайки се в състояние А. Този транспорт на веществото през мембраната се нарича унипорт.
Улеснена скорост на дифузия
Вещества с малко молекулно тегло като глюкоза могат да бъдат транспортиранимембрана чрез улеснена дифузия. Такъв транспорт може да се случи от кръвта към мозъка, към клетките от интерстициалните пространства. Скоростта на пренос на материята с този тип дифузия може да достигне до 108 частици през канала за една секунда.
Както вече знаем, скоростта на активен и пасивен транспорт на вещества при проста дифузия е пропорционална на разликата в концентрациите на веществото от двете страни на мембраната. В случай на улеснена дифузия тази скорост се увеличава пропорционално на нарастващата разлика в концентрацията на веществото до определена максимална стойност. Над тази стойност скоростта не се увеличава, въпреки че разликата в концентрациите от различните страни на мембраната продължава да се увеличава. Постигането на такава максимална скоростна точка в процеса на улеснена дифузия може да се обясни с факта, че максималната скорост предполага участието на всички налични протеини носители в процеса на трансфер.
Какво друго понятие включва активният и пасивният транспорт през мембраните?
Обменна дифузия
Този вид транспортиране на молекули на веществото през клетъчната мембрана се характеризира с това, че в обмена участват молекули от едно и също вещество, които са разположени от различни страни на биологичната мембрана. Трябва да се отбележи, че при такъв транспорт на вещества концентрацията на молекулите от двете страни на мембраната изобщо не се променя.
Вид обменна дифузия
Една от разновидностите на обменната дифузия е обмен, при койтоедна молекула от едно вещество се заменя с две или повече молекули от друго вещество. Например, един от начините, по които положителните калциеви йони се отстраняват от гладкомускулните клетки на бронхите и съдовете от контрактилните миоцити на сърцето, е тяхната обмяна на натриеви йони, разположени извън клетката. Един натриев йон в този случай се заменя с три калциеви йона. По този начин има движение на натрий и калций през мембраната, което е взаимозависимо. Този вид пасивен транспорт през клетъчната мембрана се нарича антипорт. Именно по този начин клетката е в състояние да се отърве от калциевите йони, които присъстват в излишък. Този процес е необходим, за да се отпуснат гладките миоцити и кардиомиоцити.
Тази статия изследва активния и пасивния транспорт на вещества през мембраната.
