Mitä on passiivinen kuljetus? Erilaisten makromolekyyliyhdisteiden, solukomponenttien, supramolekulaaristen hiukkasten, jotka eivät pysty tunkeutumaan kalvossa olevien kanavien läpi, kalvon läpi kulkeva liike suoritetaan erityisillä mekanismeilla, esimerkiksi käyttämällä fagosytoosia, pinosytoosia, eksosytoosia, siirtoa solujen välisen tilan läpi. Toisin sanoen aineiden liikkuminen kalvon läpi voi tapahtua käyttämällä erilaisia mekanismeja, jotka on jaettu tiettyjen kantajien osallistumisen merkkien sekä energiankulutuksen mukaan. Tiedemiehet jakavat aineiden kuljetuksen aktiiviseen ja passiiviseen.
Tärkeimmät kulkuvälineet
Passiivinen kuljetus on aineen siirtymistä biologisen kalvon läpi gradienttia (osmoottista, konsentraatiota, hydrodynaamista ja muuta) pitkin, mikä ei vaadi energiankulutusta.
Aktiivinen kuljetus on aineen siirtymistä biologisen kalvon läpi gradienttia vasten. Jossaenergiaa kuluu. Noin 30 - 40 % ihmiskehon metabolisten reaktioiden tuloksena muodostuvasta energiasta kuluu aktiivisen aineiden kuljetuksen toteuttamiseen. Jos otetaan huomioon ihmisen munuaisten toiminta, niin noin 70-80 % kulutetusta hapesta kuluu aktiiviseen kuljetukseen.
Aineiden passiivinen kuljetus
se käsittää erilaisten aineiden siirtymisen biologisten kalvojen läpi eri gradientteja pitkin. Nämä gradientit voivat olla:
- sähkökemiallinen potentiaaligradientti;
- ainepitoisuuden gradientti;
- sähkökentän gradientti;
- osmoottisen paineen gradientti ja muut.
Passiivisen kuljetuksen toteutusprosessi ei vaadi energiankulutusta. Se voi tapahtua helpotetun ja yksinkertaisen diffuusion avulla. Kuten tiedämme, diffuusio on aineen molekyylien kaoottista liikettä eri väliaineissa, mikä johtuu aineen lämpövärähtelyjen energiasta.
Jos aineen hiukkanen on sähköisesti neutraali, diffuusion suunta määräytyy kalvon erottamien väliaineiden sisältämien aineiden pitoisuuksien eron perusteella. Esimerkiksi solun osastojen välillä, solun sisällä ja sen ulkopuolella. Jos aineen hiukkasilla, sen ioneilla on sähkövaraus, niin diffuusio ei riipu pelkästään pitoisuuserosta, vaan myös tietyn aineen varauksen suuruudesta, varauksen läsnäolosta ja merkeistä kalvon molemmilla puolilla.. Sähkökemiallisen gradientin suuruusmääräytyy kalvon poikki sähköisten ja pitoisuusgradienttien algebrallisella summalla.
Mikä kuljettaa kalvon läpi?
Passiivinen kalvokuljetus on mahdollista aineen pitoisuusgradienttien, solukalvon eri puolien välillä syntyvän osmoottisen paineen tai sähkövarauksen vuoksi. Esimerkiksi veriplasman sisältämien Na+-ionien keskimääräinen taso on noin 140 mM/l, ja sen pitoisuus punasoluissa on noin 12 kertaa suurempi. Tällainen gradientti, joka ilmaistaan pitoisuuksien erona, pystyy luomaan käyttövoiman, joka varmistaa natriummolekyylien siirtymisen punasoluihin veriplasmasta.
On huomattava, että tällaisen siirtymän nopeus on hyvin alhainen johtuen siitä, että solukalvolle on ominaista alhainen läpäisevyys tämän aineen ioneille. Tällä kalvolla on paljon suurempi läpäisevyys suhteessa kalium-ioneihin. Solujen aineenvaihdunnan energiaa ei käytetä yksinkertaisen diffuusioprosessin loppuun saattamiseen.
Diffuusionopeus
Aineiden aktiiviselle ja passiiviselle kuljetukselle kalvon läpi on ominaista diffuusionopeus. Sitä voidaan kuvata käyttämällä Fick-yhtälöä: dm/dt=-kSΔC/x.
Tässä tapauksessa dm/dt on aineen määrä, joka diffundoituu yhdessä aikayksikössä, ja k on diffuusioprosessin kerroin, joka kuvaa biokalvon läpäisevyyttä diffuusoivalle aineelle. S on yhtä suuri kuin alue, jolla diffuusio tapahtuu, ja ΔC ilmaisee eronaineiden pitoisuus biologisen kalvon eri puolilta, kun taas x kuvaa diffuusiopisteiden välistä etäisyyttä.
Ilmeisesti ne aineet, jotka diffundoituvat samanaikaisesti pitoisuuksien ja sähkökenttien gradientteja pitkin, liikkuvat helpoimmin kalvon läpi. Tärkeä edellytys aineen diffuusiolle kalvon läpi ovat itse kalvon fysikaaliset ominaisuudet, sen läpäisevyys kullekin tietylle aineelle.
Jos kalvon kaksoiskerroksen muodostavat hydrofobisia ominaisuuksia omaavien fosfolipidien hiilivetyradikaalit, hydrofobiset aineet diffundoituvat helposti sen läpi. Tämä koskee erityisesti aineita, jotka liukenevat helposti lipideihin, kuten kilpirauhas- ja steroidihormonit, sekä eräät huumausaineet.
Mineraali-ionit ja pienimolekyylipainoiset aineet, jotka ovat luonteeltaan hydrofiilisiä, diffundoituvat passiivisten kalvon ionikanavien läpi, jotka muodostuvat kanavaa muodostavista proteiinimolekyyleistä, ja joskus fosfolipidimolekyylien kalvopakkausvirheiden kautta, joita syntyy solukalvossa mm. lämmönvaihtelun seurauksena.
Passiivinen kuljetus kalvon läpi on erittäin mielenkiintoinen prosessi. Jos olosuhteet ovat normaalit, merkittävät määrät ainetta voivat tunkeutua kaksikerroksisen kalvon läpi vain, jos ne ovat polaarittomia ja niiden koko on pieni. Muuten siirto tapahtuu kantajaproteiinien kautta. Samanlaisia prosessejakantajaproteiinia ei kutsuta diffuusioksi, vaan aineen kuljettamiseksi kalvon läpi.
Helpotettu leviäminen
Helpotettu diffuusio, kuten yksinkertainen diffuusio, tapahtuu pitkin aineen pitoisuusgradienttia. Suurin ero on, että erityinen proteiinimolekyyli, jota kutsutaan kantajaksi, osallistuu aineen siirtoprosessiin.
Halennettu diffuusio on eräänlainen aineen molekyylien passiivinen siirto biokalvojen läpi, joka suoritetaan pitoisuusgradienttia pitkin kantoaineen avulla.
Siirrä proteiinitilat
Kantajaproteiini voi olla kahdessa konformaatiotilassa. Esimerkiksi tilassa A tällä proteiinilla voi olla affiniteettia kantamaansa aineeseen, sen sitoutumiskohdat aineeseen ovat kääntyneet sisäänpäin, minkä seurauksena muodostuu kalvon toiselle puolelle avoin huokos.
Kun proteiini on sitoutunut siirrettyyn aineeseen, sen konformaatio muuttuu ja se siirtyy tilaan B. Tämän muunnoksen myötä kantaja menettää affiniteettinsa aineeseen. Liitoksesta kantajaan se vapautuu ja siirtyy jo kalvon toisella puolella olevaan huokoseen. Kun aine on siirretty, kantajaproteiini muuttaa uudelleen konformaatiotaan ja palaa tilaan A. Tätä aineen kulkeutumista kalvon läpi kutsutaan uniportiksi.
Helpotettu diffuusionopeus
Pienimolekyyliset aineet, kuten glukoosi, voidaan kuljettaa läpikalvo helpotetun diffuusion kautta. Tällainen kuljetus voi tapahtua verestä aivoihin, soluihin välitiloista. Aineen siirtonopeus tämäntyyppisellä diffuusiolla voi saavuttaa jopa 108 hiukkasta kanavan läpi yhdessä sekunnissa.
Kuten jo tiedämme, aineiden aktiivisen ja passiivisen kuljetuksen nopeus yksinkertaisessa diffuusiossa on verrannollinen aineen pitoisuuksien eroon kalvon molemmilla puolilla. Helpotetun diffuusion tapauksessa tämä nopeus kasvaa suhteessa kasvavaan aineen pitoisuuksien eroon tiettyyn maksimiarvoon asti. Tämän arvon yläpuolella nopeus ei kasva, vaikka pitoisuuksien ero kalvon eri puolilta jatkaa kasvamistaan. Tällaisen maksiminopeuspisteen saavuttaminen helpotetun diffuusion prosessissa voidaan selittää sillä, että maksiminopeus edellyttää kaikkien saatavilla olevien kantajaproteiinien osallistumista siirtoprosessiin.
Mitä muuta käsitettä aktiivinen ja passiivinen kuljetus kalvojen läpi sisältää?
Vaihda diffuusio
Tälle ainemolekyylien kuljetukselle solukalvon läpi on ominaista se, että saman aineen molekyylit, jotka sijaitsevat biologisen kalvon eri puolilla, osallistuvat vaihtoon. On huomattava, että tällaisella aineiden kuljetuksella molekyylien pitoisuus kalvon molemmilla puolilla ei muutu ollenkaan.
Eräänlainen vaihtodiffuusio
Yksi vaihdon diffuusion muodoista on vaihto, jossayhden aineen molekyyli vaihdetaan kahteen tai useampaan toisen aineen molekyyliin. Esimerkiksi yksi tavoista, joilla positiiviset kalsiumionit poistetaan keuhkoputkien sileistä lihassoluista ja verisuonista sydämen supistuvista myosyyteistä, on niiden vaihto solun ulkopuolella sijaitseviin natriumioneihin. Tässä tapauksessa yksi natriumioni vaihdetaan kolmeen kalsiumioniin. Siten natrium ja kalsium liikkuvat kalvon läpi, mikä on toisistaan riippuvaista. Tämän tyyppistä passiivista kuljetusta solukalvon läpi kutsutaan antiportiksi. Tällä tavalla solu pystyy pääsemään eroon kalsiumioneista, joita on liikaa. Tämä prosessi on tarpeen sileiden myosyyttien ja sydänlihassolujen rentoutumiselle.
Tässä artikkelissa tarkasteltiin aineiden aktiivista ja passiivista kulkeutumista kalvon läpi.
