Skillnaden mellan osmos och aktiv transport

En cell har många krav för att växa och replikera, och även celler som inte aktivt växer eller replikerar kräver att näringsämnen från miljön ska fungera. Många av cellens krav är molekyler som kan hittas utanför cellen, inklusive vatten, sockerarter, vitaminer och proteiner.

Cellmembranet har viktiga skyddande och strukturella funktioner, och det verkar för att hålla cellulära innehåll separerade från den yttre miljön. Cellmembranets lipid-dubbelskikt består av fosfolipider, som har hydrofoba (oljelösliga, "vattenfrämjande") svansar som utgör en barriär mot många lösta ämnen och molekyler i miljön. Denna egenskap hos cellmembranet tillåter att cellens interna miljö skiljer sig från den yttre miljön, men fungerar också som ett stort hinder för att ta upp vissa molekyler från miljön och utvisa avfall.

Lipid-dubbelskiktet utgör emellertid inte ett problem för alla molekyler. Hydrofoba (eller oljelösliga), icke-polära molekyler kan fritt diffundera genom cellmembranet oimpedant. Denna klass av molekyler innefattar gaser som syre (O2), koldioxid (CO2) och kväveoxid (NO). Större hydrofoba organiska molekyler kan också passera genom plasmamembranet, inklusive vissa hormoner (såsom östrogen) och vitaminer (såsom vitamin D). Små polära molekyler (inklusive vatten) hindras delvis av lipid-dubbelskiktet men kan fortfarande passera igenom.

För molekyler som fritt kan passera genom cellens membran, oavsett om de reser in i eller ut ur cellen beror på deras koncentration. Molekylernas tendens att röra sig i enlighet med deras koncentrationsgradient (det vill säga från högre koncentration till lägre koncentration) kallas diffusion. Det betyder att molekyler kommer att flöda ur cellen om det finns mer inuti cellen än ute. På samma sätt, om det finns mer utanför cellen, kommer molekylerna att strömma in i cellen tills en balans är uppfylld. Tänk på en muskelcell. Under träning omvandlar cellen O2 till CO2. När oxygenat blod går in i muskeln, reser O2 från var koncentrationen är högre (i blodet) till var den är lägre (i muskelcellerna). Samtidigt reser CO2 ut ur muskelcellerna (var det är högre) till blodet (där det är lägre). Diffusion kräver inte energiförbrukning. Spridningen av vatten ges ett speciellt namn, osmos.

För större polära molekyler och eventuella laddade molekyler är det svårare att komma in och lämna cellen eftersom de inte kan passera genom lipid-dubbelskiktet. Denna klass av molekyler innehåller joner, sockerarter, aminosyror (byggstenarna i proteiner) och många fler saker som cellen behöver överleva och fungera. För att lösa detta problem har cellen transportproteiner som tillåter dessa molekyler att flytta in i och ut ur cellen. Dessa transportproteiner utgör 15-30% av proteinerna i cellmembranet.

Transportproteiner finns i flera former och storlekar, men alla sträcker sig genom lipid-dubbelskiktet, och varje transportprotein har en specifik typ av molekyl som den transporterar. Det finns bärarproteiner (som även är kända som transporters eller permeaser), vilka binder till ett lösningsmedel eller en molekyl på ena sidan av membranet och transporterar den till andra sidan av membranet. En andra klass av transportproteiner innefattar kanalproteiner. Kanalproteiner bildar hydrofila ("vattenälskande") öppningar i membranet för att tillåta polära eller laddade molekyler att strömma igenom. Båda kanalproteinerna och bärarproteinerna underlättar transport både in i och ut ur cellen.

Molekyler kan resa genom transportproteiner från hög koncentration till lägre koncentration. Denna process kallas passiv transport eller underlättad diffusion. Det liknar diffusion av icke-polära molekyler eller vatten direkt genom lipid-dubbelskiktet, förutom att det kräver transportproteiner.

Ibland behöver en cell saker från miljön som är närvarande i mycket låg koncentration utanför cellen. Alternativt kan en cell kräva extremt låga koncentrationer av en viss lösning i cellen. Medan diffusion skulle tillåta koncentrationerna inuti och utanför cellen att röra sig mot jämvikt, kallas en process aktiv transport hjälper till att koncentrera ett lösningsmedel eller en molekyl antingen inuti eller utanför cellen. Aktiv transport kräver energiutgifter för att flytta en molekyl mot dess koncentrationsgradient. Det finns två huvudformer av aktiv transport i eukaryota celler. Den första typen består av ATP-driven pumpar. Dessa pumpar använder ATP-hydrolys för att transportera en specifik klass av lösningsmedel eller molekyl över membranet för att koncentrera det antingen inuti eller ut ur cellen. Den andra typen (kallad cotransporters) kopplar transport av en molekyl mot dess koncentrationsgradient (från låg till hög) med transporten av en andra molekyl ned sin koncentrationsgradient (från hög till låg).

Celler använder också aktiv transport för att upprätthålla den korrekta koncentrationen av joner. Jonkoncentrationen är mycket viktig för cellens elektriska egenskaper, kontrollerar mängden vatten i celler och andra viktiga funktioner i joner. Magnesiumjoner (MG2 +) är till exempel mycket viktiga för många proteiner som är inblandade i reparation och underhåll av DNA. Kalcium (Ca2 +) är också viktigt vid många cellprocesser, och aktiv transport bidrar till att upprätthålla en kalciumgradient på 1: 10.000. Transport av joner över lipid-dubbelskiktet beror inte bara på koncentrationsgradienten utan även på membranets elektriska egenskaper, där likadana laddningar avstöter. Natriumkalium-ATPas- eller Na + -K + -pumpen upprätthåller en högre koncentration av natrium utanför cellen. Nästan en tredjedel av cellens energibehov förbrukas i detta försök. Denna enorma energiförbrukning för den aktiva transporten av joner bekräftar vikten av att bibehålla en balans av molekyler i korrekt cellfunktion.

Sammanfattning

Osmosis är passiv diffusion av vatten över cellmembranet och kräver inte transportproteiner. enctive transport är molekylernas rörelse mot deras koncentrationsgradient (från låg till hög koncentration) eller mot deras elektriska gradient (mot en liknande laddning) och kräver proteintransportörer och den tillförda energin, antingen genom ATP-hydrolys eller genom koppling till nedförsbacken av en annan lösning.