Sự khác biệt giữa thẩm thấu và vận chuyển tích cực

Một tế bào có nhiều yêu cầu để phát triển và nhân lên, và thậm chí các tế bào không tích cực phát triển hoặc nhân rộng đòi hỏi các chất dinh dưỡng từ môi trường để hoạt động. Nhiều yêu cầu của tế bào là các phân tử có thể được tìm thấy bên ngoài tế bào, bao gồm nước, đường, vitamin và protein.

Màng tế bào có chức năng bảo vệ và cấu trúc quan trọng, và nó hoạt động để giữ cho các nội dung của tế bào tách biệt với môi trường bên ngoài. Bộ đôi lipid của màng tế bào bao gồm các phospholipid, có đuôi kỵ nước (hòa tan trong dầu, có thể tạo ra một rào cản đối với nhiều chất hòa tan và phân tử trong môi trường. Tính năng này của màng tế bào cho phép môi trường bên trong tế bào khác với môi trường bên ngoài, nhưng cũng đóng vai trò là rào cản lớn trong việc hấp thụ một số phân tử từ môi trường và thải chất thải.

Tuy nhiên, lớp kép lipid không gây ra vấn đề cho tất cả các phân tử. Các phân tử kỵ nước (hoặc hòa tan trong dầu), các phân tử không phân cực có thể tự do khuếch tán qua màng tế bào không bị cản trở. Lớp phân tử này bao gồm các loại khí như oxy (O2), carbon dioxide (CO2) và oxit nitric (NO). Các phân tử hữu cơ kỵ nước lớn hơn cũng có thể đi qua màng plasma, bao gồm một số hormone (như estrogen) và vitamin (như vitamin D). Các phân tử nhỏ, cực (bao gồm cả nước) bị cản trở một phần bởi lớp kép lipid nhưng vẫn có thể đi qua.

Đối với các phân tử có thể tự do đi qua màng tế bào, việc chúng đi vào hay ra khỏi tế bào phụ thuộc vào nồng độ của chúng. Xu hướng của các phân tử di chuyển theo gradient nồng độ của chúng (nghĩa là từ nồng độ cao hơn đến nồng độ thấp hơn) được gọi là khuếch tán. Điều này có nghĩa là các phân tử sẽ chảy ra khỏi tế bào nếu có nhiều bên trong tế bào hơn bên ngoài. Tương tự như vậy, nếu có nhiều bên ngoài tế bào, các phân tử sẽ chảy vào trong tế bào cho đến khi đạt được sự cân bằng. Ví dụ, hãy xem xét một tế bào cơ. Trong quá trình tập luyện, tế bào chuyển đổi O2 thành CO2. Khi máu được oxy hóa vào cơ bắp, O2 di chuyển từ nơi có nồng độ cao hơn (trong máu) đến nơi thấp hơn (trong các tế bào cơ). Đồng thời, CO2 đi ra khỏi các tế bào cơ (nơi cao hơn) đến máu (nơi thấp hơn). Khuếch tán không đòi hỏi chi tiêu năng lượng. Sự khuếch tán của nước được đặt một cái tên đặc biệt, thẩm thấu.

Đối với các phân tử phân cực lớn hơn và bất kỳ phân tử tích điện nào, việc vào và ra khỏi tế bào sẽ khó khăn hơn vì chúng không thể đi qua lớp kép lipid. Lớp phân tử này bao gồm các ion, đường, axit amin (khối xây dựng của protein) và nhiều thứ khác mà tế bào cần để tồn tại và hoạt động. Để khắc phục vấn đề này, tế bào có các protein vận chuyển cho phép các phân tử này di chuyển vào và ra khỏi tế bào. Những protein vận chuyển này chiếm 15-30% protein trong màng tế bào.

Các protein vận chuyển có nhiều hình dạng và kích cỡ, nhưng tất cả đều mở rộng qua lớp kép lipid và mỗi protein vận chuyển có một loại phân tử cụ thể mà nó vận chuyển. Có các protein vận chuyển (còn được gọi là chất vận chuyển hoặc hoán vị), liên kết với một chất tan hoặc phân tử ở một bên của màng và vận chuyển nó sang phía bên kia của màng. Một lớp protein vận chuyển thứ hai bao gồm protein kênh. Các protein kênh hình thành các khe hở ưa nước (trong nước yêu thương) trong màng để cho phép các phân tử phân cực hoặc tích điện chảy qua. Cả protein kênh và protein vận chuyển đều tạo điều kiện cho việc vận chuyển cả vào và ra khỏi tế bào.

Các phân tử có thể đi qua các protein vận chuyển từ nồng độ cao đến nồng độ thấp hơn. Quá trình này được gọi là vận chuyển thụ động hoặc khuếch tán thuận lợi. Nó tương tự như sự khuếch tán của các phân tử không phân cực hoặc nước trực tiếp qua lớp kép lipid, ngoại trừ việc nó đòi hỏi các protein vận chuyển.

Đôi khi, một tế bào cần những thứ từ môi trường có nồng độ rất thấp bên ngoài tế bào. Ngoài ra, một tế bào có thể yêu cầu nồng độ cực thấp của một chất tan nào đó bên trong tế bào. Trong khi khuếch tán sẽ cho phép nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào di chuyển về trạng thái cân bằng, một quá trình được gọi là vận chuyển tích cực giúp cô đặc một chất tan hoặc phân tử trong hoặc ngoài tế bào. Vận chuyển tích cực đòi hỏi chi tiêu năng lượng để di chuyển một phân tử chống lại nồng độ gradient của nó. Có hai hình thức vận chuyển chính trong các tế bào nhân chuẩn. Loại đầu tiên bao gồm máy bơm điều khiển ATP. Những máy bơm này sử dụng quá trình thủy phân ATP để vận chuyển một loại chất tan hoặc phân tử cụ thể qua màng để tập trung nó vào bên trong hoặc ra khỏi tế bào. Loại thứ hai (được gọi là cotransporters) vận chuyển một phân tử theo độ dốc nồng độ của nó (từ thấp đến cao) với việc vận chuyển một phân tử thứ hai xuống gradient nồng độ của nó (từ cao đến thấp).

Các tế bào cũng sử dụng vận chuyển tích cực để duy trì nồng độ ion thích hợp. Nồng độ ion rất quan trọng đối với tính chất điện của tế bào, kiểm soát lượng nước trong tế bào và các chức năng quan trọng khác của các ion. Ví dụ, các ion Magiê (MG2 +) rất quan trọng đối với nhiều protein liên quan đến sửa chữa và bảo trì DNA. Canxi (Ca2 +) cũng quan trọng trong nhiều quá trình tế bào và vận chuyển tích cực giúp duy trì độ dốc canxi 1: 10.000. Sự vận chuyển các ion qua lớp kép lipid không chỉ phụ thuộc vào gradient nồng độ, mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của màng, nơi giống như điện tích đẩy lùi. Bơm natri-kali ATPase hoặc Na + -K + duy trì nồng độ natri cao hơn bên ngoài tế bào. Gần một phần ba nhu cầu năng lượng của tế bào được tiêu thụ trong nỗ lực này. Chi phí năng lượng khổng lồ này cho việc vận chuyển tích cực các ion chứng tỏ tầm quan trọng của việc duy trì sự cân bằng của các phân tử trong chức năng tế bào thích hợp.

Tóm lược

Ôinhiễm trùng là sự khuếch tán thụ động của nước qua màng tế bào và không cần protein vận chuyển. Mộtgiao thông vận tải là sự chuyển động của các phân tử chống lại gradient nồng độ của chúng (từ nồng độ thấp đến cao) hoặc chống lại gradient điện của chúng (hướng tới một điện tích tương tự) và đòi hỏi các chất vận chuyển protein và năng lượng được thêm vào, thông qua quá trình thủy phân ATP hoặc thông qua khớp nối với sự vận chuyển xuống dốc của chất tan khác.