Forskjellen mellom osmose og aktiv transport

En celle har mange krav for å vokse og replikere, og til og med celler som ikke vokser eller replikerer, krever næringsstoffer fra miljøet til å fungere. Mange av cellens krav er molekyler som kan finnes utenfor cellen, inkludert vann, sukker, vitaminer og proteiner.

Cellemembranen har viktige beskyttende og strukturelle funksjoner, og det virker for å holde cellulært innhold skilt fra det ytre miljø. Lipid-bilaget av cellemembranen er sammensatt av fosfolipider, som har hydrofobe (oljeoppløselige, "vann-fryktende") haler som danner en barriere for mange oppløsninger og molekyler i miljøet. Denne egenskapen til cellemembranen gjør det mulig for cellens indre miljø å skille seg fra det ytre miljøet, men fungerer også som en viktig barriere for å ta opp bestemte molekyler fra miljøet og utvise avfall.

Lipid-dobbeltlaget er imidlertid ikke et problem for alle molekyler. Hydrofobe (eller oljeløselige), ikke-polare molekyler kan fritt diffundere gjennom cellemembranen uhindret. Denne klassen av molekyler inkluderer gasser som oksygen (O2), karbondioksid (CO2) og nitrogenoksid (NO). Større hydrofobiske organiske molekyler kan også passere gjennom plasmamembranen, inkludert visse hormoner (som østrogen) og vitaminer (for eksempel vitamin D). Små polære molekyler (inkludert vann) er delvis hindret av lipid-dobbeltlaget, men kan fortsatt passere gjennom.

For molekyler som fritt kan passere gjennom cellens membran, avhengig av konsentrasjonen, om de reiser inn i eller ut av cellen. Mengdenes tendens til å bevege seg i henhold til konsentrasjonsgradienten (det vil si fra høyere konsentrasjon til lavere konsentrasjon) kalles spredning. Dette betyr at molekyler vil strømme ut av cellen hvis det er mer inne i cellen enn ute. På samme måte, hvis det er mer utenfor cellen, vil molekylene strømme inn i cellen til en balanse er oppfylt. For eksempel vurdere en muskelcelle. Under trening konverterer cellen cellen O2 til CO2. Som oksygenert blod går inn i muskelen, reiser O2 fra hvor konsentrasjonen er høyere (i blodet) til hvor den er lavere (i muskelcellene). Samtidig reiser CO2 ut av muskelceller (hvor det er høyere) til blodet (hvor det er lavere). Diffusjon krever ikke energiforbruk. Spredningen av vann er gitt et spesielt navn, osmose.

For større polare molekyler og eventuelle ladede molekyler er det vanskeligere å komme inn og ut av cellen, da de ikke kan passere gjennom lipid-dobbeltlaget. Denne klassen av molekyler inkluderer ioner, sukkerarter, aminosyrer (byggeblokkene til proteiner) og mange flere ting cellen trenger for å overleve og fungere. For å fikse dette problemet har cellen celleproteiner som lar disse molekylene bevege seg inn i og ut av cellen. Disse transportproteinene utgjør 15-30% av proteinene i cellemembranen.

Transportproteiner kommer i flere former og størrelser, men alle strekker seg gjennom lipid-dobbeltlaget, og hvert transportprotein har en bestemt type molekyl som den transporterer. Det finnes bærerproteiner (som også er kjent som transportører eller permeaser), som binder til et oppløsningsmiddel eller molekyl på den ene siden av membranen og transporterer den til den andre siden av membranen. En andre klasse av transportproteiner innbefatter kanalproteiner. Kanalproteiner danner hydrofile ("vannkjærlige") åpninger i membranen for å tillate at polare eller ladede molekyler strømmer gjennom. Både kanalproteiner og bærerproteiner letter transport både inn og ut av cellen.

Molekyler kan bevege seg gjennom transportproteiner fra høy konsentrasjon til lavere konsentrasjon. Denne prosessen kalles passiv transport eller forenklet diffusjon. Det ligner diffusjon av ikke-polare molekyler eller vann direkte gjennom lipid-dobbeltlaget, bortsett fra at det krever transportproteiner.

Noen ganger trenger en celle ting fra miljøet som er tilstede i svært lav konsentrasjon utenfor cellen. Alternativt kan en celle kreve ekstremt lave konsentrasjoner av et bestemt oppløsningsmiddel inne i cellen. Mens diffusjon vil tillate konsentrasjonene i og utenfor cellen til å bevege seg mot likevekt, kalles en prosess aktiv transport bidrar til å konsentrere et oppløsningsmiddel eller molekyl enten i eller utenfor cellen. Aktiv transport krever energiforbruk for å flytte et molekyl mot konsentrasjonsgradienten. Det er to hovedformer for aktiv transport i eukaryotiske celler. Den første typen består av ATP-drevne pumper. Disse pumpene bruker ATP hydrolyse til å transportere en bestemt klasse av løsemiddel eller molekyl over membranen for å konsentrere det enten inne eller ut av cellen. Den andre typen (kalt transportører) kobler transport av ett molekyl mot konsentrasjonsgradienten (fra lav til høy) med transport av et andre molekyl nedover konsentrasjonsgradienten (fra høy til lav).

Celler bruker også aktiv transport for å opprettholde riktig konsentrasjon av ioner. Ion konsentrasjon er svært viktig for cellens elektriske egenskaper, kontrollerer mengden vann i celler og andre viktige funksjoner av ioner. For eksempel er magnesiumioner (MG2 +) svært viktige for mange proteiner som er involvert i reparasjon og vedlikehold av DNA. Kalsium (Ca2 +) er også viktig i mange celleprosesser, og aktiv transport bidrar til å opprettholde en kalsiumgradient på 1: 10.000. Transport av ioner over lipid tolag avhenger ikke bare av konsentrasjonsgradienten, men også på de elektriske egenskapene til membranen, hvor like ladninger avviser. Natriumkalium-ATPase- eller Na + -K + -pumpen opprettholder en høyere konsentrasjon av natrium utenfor cellen. Nesten en tredjedel av cellens energibehov er forbruket i dette forsøket. Denne enorme energiforbruket for den aktive transporten av ioner bekrefter betydningen av å opprettholde en balanse av molekyler i riktig cellefunksjon.

Sammendrag

Osmosis er den passive diffusjonen av vann over cellemembranen og krever ikke transportproteiner. ENctive transport er bevegelsen av molekyler mot konsentrasjonsgradienten (fra lav til høy konsentrasjon) eller mot deres elektriske gradient (mot en lignende ladning) og krever proteintransportører og den tilførte energi, enten ved ATP-hydrolyse eller ved kobling til nedoverbakningstransport av et annet oppløst.