Erinevus osmoosi ja aktiivse transpordi vahel

Rakul on kasvamiseks ja paljunemiseks palju nõudeid ning isegi rakud, mis aktiivselt ei kasva ega paljune, vajavad toimimiseks keskkonnast toitaineid. Paljud raku vajadused on molekulid, mida võib leida väljaspool raku, sealhulgas vesi, suhkrud, vitamiinid ja valgud.

Rakumembraanil on olulised kaitse- ja struktuurifunktsioonid ning see hoiab rakusisaldust väliskeskkonnast eraldi. Rakumembraani lipiidne kaksikkiht koosneb fosfolipiididest, millel on hüdrofoobsed (õlis lahustuvad, "vett kardavad") sabad, mis takistavad keskkonnas paljusid lahustunud aineid ja molekule. Rakumembraani see omadus võimaldab raku sisekeskkonnal erineda väliskeskkonnast, kuid toimib ka peamise takistusena teatud molekulide keskkonnast eemaldamisel ja jäätmete väljasaatmisel.

Kahekordne lipiidkiht ei kujuta aga probleemiks kõigile molekulidele. Hüdrofoobsed (või õlis lahustuvad) mittepolaarsed molekulid võivad takistuseta vabalt difundeeruda läbi rakumembraani. Sellesse molekulide klassi kuuluvad gaasid nagu hapnik (O2), süsinikdioksiid (CO2) ja lämmastikoksiid (NO). Suuremad hüdrofoobsed orgaanilised molekulid võivad läbida ka plasmamembraani, sealhulgas teatud hormoonid (näiteks östrogeen) ja vitamiinid (näiteks D-vitamiin). Lipiidide kaksikkiht takistab väikseid, polaarseid molekule (sealhulgas vett), kuid need võivad siiski läbi pääseda.

Molekulide puhul, mis võivad rakumembraanist vabalt läbi pääseda, sõltub nende kontsentratsioonist see, kas nad liiguvad rakku või sealt välja. Kutsutakse molekulide kalduvust liikuda vastavalt nende kontsentratsiooni gradiendile (see tähendab kõrgemast kontsentratsioonist madalamale kontsentratsioonile) difusioon. See tähendab, et molekulid voolavad rakust välja, kui raku sees on rohkem kui väljaspool. Samuti, kui raku väliskülgi on rohkem, voolab molekule rakku, kuni tasakaal on saavutatud. Mõelge näiteks lihasrakule. Treeningu ajal muundab rakk O2 CO2-ks. Kui hapnikuga rikastatud veri siseneb lihasesse, liigub O2 sealt, kus kontsentratsioon on kõrgem (veres), sinna, kus see on madalam (lihasrakkudes). Samal ajal liigub CO2 lihasrakkudest (kus see on kõrgem) verre (kus see on madalam). Levitamine ei nõua energiakulu. Vee difusioonile antakse eriline nimi, osmoos.

Suuremate polaarsete molekulide ja mis tahes laetud molekulide korral on rakku sisenemine ja sealt väljumine raskem, kuna nad ei saa lipiidide kaksikkihi läbi. Sellesse molekulide klassi kuuluvad ioonid, suhkrud, aminohapped (valkude ehitusplokid) ja palju muud, mida rakk vajab ellujäämiseks ja funktsioneerimiseks. Selle probleemi lahendamiseks on rakus transpordivalgud, mis võimaldavad nendel molekulidel liikuda rakku ja sealt välja. Need transpordivalgud moodustavad rakumembraani valkudest 15–30%.

Transpordivalgud on erineva kuju ja suurusega, kuid kõik ulatuvad läbi lipiidide kaksikkihi ja igal transpordivalgul on teatud tüüpi molekul, mida see transpordib. Leidub kandjavalke (mida nimetatakse ka transporteriteks või permeaasideks), mis seonduvad lahustunud aine või molekuliga membraani ühel küljel ja transpordivad selle membraani teisele küljele. Transpordivalkude teine ​​klass hõlmab kanalivalke. Kanalivalgud moodustavad membraanis hüdrofiilseid (vett armastavaid) avasid, et võimaldada polaarsetel või laetud molekulidel läbi voolata. Mõlemad kanalivalgud ja kandjavalgud hõlbustavad transporti nii rakku kui ka sellest välja.

Molekulid võivad liikuda transportvalkude kaudu kõrgelt kontsentratsioonilt madalamale. Seda protsessi nimetatakse passiivseks transpordiks või hõlbustatud difusiooniks. See sarnaneb mittepolaarsete molekulide või vee difusiooniga otse lipiidide kaksikkihi kaudu, välja arvatud see, et see nõuab transpordivalke.

Mõnikord vajab rakk keskkonnast asju, mille kontsentratsioon väljaspool raku on väga väike. Teise võimalusena võib rakk nõuda raku sees kindla lahustunud aine madalaid kontsentratsioone. Kuigi difusioon võimaldaks kontsentratsioonidel rakus ja väljaspool seda liikuda tasakaalu poole, nimetatakse protsessi aktiivne transport aitab kontsentreerida lahustunud aine või molekuli rakus või väljaspool seda. Aktiivne transport nõuab molekuli liikumiseks selle kontsentratsioonigradiendi vastu energiakulu. Eukarüootsetes rakkudes on kaks peamist aktiivse transpordi vormi. Esimene tüüp koosneb ATP-mootoritest. Need pumbad kasutavad ATP hüdrolüüsi konkreetse lahustunud aine või molekuli klassi transportimiseks üle membraani, et kontsentreerida see rakusse või välja. Teine tüüp (nn kotransporterid) ühendab ühe molekuli transpordi selle kontsentratsioonigradiendi (madalalt kõrgele) ja teise molekuli transportimisega allapoole selle kontsentratsioonigradienti (kõrgest madalani).

Rakud kasutavad ioonide õige kontsentratsiooni säilitamiseks ka aktiivset transporti. Ioonide kontsentratsioon on raku elektriliste omaduste jaoks väga oluline, kontrollides rakkude veekogust ja ioonide muid olulisi funktsioone. Näiteks magneesiumioonid (MG2 +) on väga olulised paljude valkude jaoks, mis osalevad DNA parandamises ja säilitamises. Kaltsium (Ca2 +) on oluline ka paljudes rakuprotsessides ning aktiivne transport aitab säilitada kaltsiumi gradienti 1: 10 000. Ioonide transport läbi lipiidse kaksikkihi ei sõltu mitte ainult kontsentratsioonigradiendist, vaid ka membraani elektrilistest omadustest, kus sarnased laengud tõrjuvad. Naatrium-kaalium ATPaasi või Na + -K + pump hoiab väljaspool raku kõrgemat naatriumi kontsentratsiooni. Selles ettevõtmises kulub peaaegu kolmandik raku energiavajadusest. See tohutu energiakulu ioonide aktiivseks transportimiseks kinnitab molekulide tasakaalu säilitamise olulisust raku korralikus funktsioonis.

Kokkuvõte

Osmosis "Vee passiivne difusioon läbi rakumembraani ja ei vaja transpordivalke. Aloomulik transport on molekulide liikumine nende kontsentratsioonigradiendi (madalalt kõrgelt) või nende elektrigradiendi (samasuguse laengu poole) suunas ning see nõuab valgukandjaid ja lisaenergiat, kas ATP hüdrolüüsi või teise lahustunud aine allamäge transportimise kaudu.