Osmóza a aktivní doprava

Buňka má řadu požadavků, aby mohla růst a replikovat, a dokonce i buňky, které nejsou aktivně rostoucí nebo replikují, vyžadují, aby živiny z prostředí fungovaly. Mnoho požadavků na buňky jsou molekuly, které se nacházejí mimo buňku, včetně vody, cukrů, vitamínů a bílkovin.

Buněčná membrána má důležité ochranné a strukturní funkce a slouží k udržení buněčného obsahu odděleného od vnějšího prostředí. Lipidová dvojvrstva buněčné membrány se skládá z fosfolipidů, které mají hydrofobní (rozpustné v oleji, "strach z vody"), které tvoří bariéru pro mnoho rozpuštěných látek a molekul v prostředí. Tato vlastnost buněčné membrány umožňuje, aby vnitřní prostředí buňky se lišilo od vnějšího prostředí, ale také působí jako hlavní bariéra pro převzetí určitých molekul z prostředí a vylučování odpadu.

Lipidová dvojvrstvá však nepředstavuje problém pro všechny molekuly. Hydrofobní (nebo rozpustné v oleji), nepolární molekuly mohou volně difundovat přes buněčnou membránu bez omezení. Tato skupina molekul obsahuje plyny, jako je kyslík (O2), oxid uhličitý (CO2) a oxid dusnatý (NO). Větší hydrofobní organické molekuly mohou také procházet plazmatickou membránou, včetně některých hormonů (jako je estrogen) a vitamínů (jako je například vitamin D). Malé, polární molekuly (včetně vody) jsou částečně bráněny lipidovou dvojvrstvou, ale mohou ještě projít.

Pro molekuly, které mohou volně procházet membránou buňky, závisí na jejich koncentraci, zda do buněk vstupují nebo vystupují. Je nazývána tendence molekul pohybovat se podle jejich koncentračního gradientu (to znamená z vyšší koncentrace do nižší koncentrace) difúze. To znamená, že molekuly vyteče z buňky, pokud je uvnitř buňky více než venku. Stejně tak, pokud jsou uvnitř buňky více, do buňky proudí molekuly, dokud nedosáhne rovnováhy. Zvažte například buňku svalů. Během cvičení buňka převádí O2 na CO2. Vzhledem k tomu, že kyslíková krev vstupuje do svalu, O2 se pohybuje odkud je koncentrace vyšší (v krvi), kde je nižší (ve svalových buňkách). Současně CO2 vystupuje ze svalových buněk (kde je vyšší) do krve (kde je nižší). Rozptýlení nevyžaduje výdaj energie. Rozptýlení vody má zvláštní název, osmóza.

Pro větší polární molekuly a jakékoliv nabité molekuly je vstup a výstup z buňky obtížnější, protože nemohou projít lipidovou dvojvrstvou. Tato třída molekul zahrnuje ionty, cukry, aminokyseliny (stavební kameny proteinů) a mnoho dalších věcí, které musí buňka přežít a fungovat. K vyřešení tohoto problému buňka obsahuje transportní proteiny, které dovolí těmto molekulám přesunout se do buněk. Tyto transportní proteiny tvoří 15 až 30% bílkovin v buněčné membráně.

Transportní bílkoviny přicházejí v několika tvarech a velikostech, ale všechny probíhají přes lipidovou dvojvrstvu a každý transportní protein má specifický druh molekuly, kterou transportuje. Existují nosné proteiny (které jsou také známé jako transportéry nebo permeasy), které se váží na rozpuštěnou látku nebo molekulu na jedné straně membrány a přenášejí ji na druhou stranu membrány. Druhá třída transportních proteinů obsahuje kanálové proteiny. Kanálové proteiny vytvářejí hydrofilní ("milující vodu") otvory v membráně, aby umožňovaly proudění polárních nebo nabitých molekul. Obě kanálové proteiny a nosné proteiny usnadňují transport jak do buňky, tak mimo ni.

Molekuly mohou cestovat transportními bílkovinami z vysoké koncentrace do nižší koncentrace. Tento proces se nazývá pasivní transport nebo usnadňuje difúzi. Je podobná difúzi nepolárních molekul nebo vody přímo přes lipidovou dvojvrstvu, kromě toho, že vyžaduje transportní proteiny.

Někdy buňka potřebuje věci z prostředí, které jsou přítomny ve velmi nízké koncentraci mimo buňku. Alternativně může buňka vyžadovat v buňce extrémně nízké koncentrace určité rozpuštěné látky. Zatímco difúze umožní koncentraci uvnitř i vně buňky k pohybu k rovnováze, nazývá se proces aktivní transport pomáhá koncentrovat rozpuštěnou látku nebo molekulu buď uvnitř, nebo mimo buňku. Aktivní transport vyžaduje výdaj energie k pohybu molekuly proti jejímu koncentračnímu gradientu. Existují dvě hlavní formy aktivní dopravy v eukaryotických buňkách. První typ se skládá z čerpadel poháněných ATP. Tato čerpadla používají ATP hydrolýzu k transportu specifické třídy rozpuštěné látky nebo molekuly přes membránu, aby ji soustředily buď uvnitř, nebo ven z buňky. Druhý typ (tzv. Cotransporters) spojuje transport jedné molekuly s koncentračním gradientem (od nízkého k vysokému) s transportem druhé molekuly směrem dolů k jejímu koncentračnímu gradientu (od vysokých po nízké).

Buňky také používají aktivní transport k udržení správné koncentrace iontů. Koncentrace iontů je velmi důležitá pro elektrické vlastnosti buňky, které řídí množství vody v buňkách a další důležité funkce iontů. Například hořčíkové ionty (MG2 +) jsou velmi důležité pro mnoho proteinů, které se podílejí na opravě a údržbě DNA. V mnoha buňkách je důležitý také vápník (Ca2 +) a aktivní transport pomáhá udržovat gradient vápníku 1: 10 000.Přeprava iontů napříč lipidovou dvojvrstvou závisí nejen na koncentračním gradientu, ale také na elektrických vlastnostech membrány, kde se náboje odpuzují. Napájecí sodík-draselná pumpa nebo pumpa Na + -K + udržuje vyšší koncentraci sodíku mimo buňku. Téměř jedna třetina energie energie buňky se spotřebuje v tomto úsilí. Tento obrovský energetický výdaj aktivního transportu iontů potvrzuje důležitost udržení rovnováhy molekul ve správné funkci buněk.

souhrn

Ósmóza je pasivní difúze vody přes buněčnou membránu a nevyžaduje transportní proteiny. Adopravy je pohyb molekul proti jejich koncentračnímu gradientu (od nízké k vysoké koncentraci) nebo proti jejich elektrickému gradientu (směrem k podobnému náboji) a vyžaduje transportéry bílkovin a přidanou energii buď pomocí ATP hydrolýzy, nebo prostřednictvím vazby na dopravu z kopce jiné látky.