If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Dyfuzja i transport bierny

Obejmuje selektywną przepuszczalność błon, dyfuzję oraz dyfuzję wspomaganą (w tym białka kanałowe i nośnikowe). Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Wprowadzenie

Czy ostatnio przechodziłeś przez kontrolę bezpieczeństwa na lotnisku? Jeśli tak, prawdopodobnie zauważyłeś, że jest starannie zaprojektowana, aby przepuszczać niektóre rzeczy (na przykład pasażerów z biletami), a inne zatrzymywać (takie jak broń, materiały wybuchowe i woda butelkowana). Stewardessy, kapitanowie i personel lotniska przemieszczają się szybko specjalnymi korytarzami, podczas gdy zwykli pasażerowie przechodzą tę drogę wolniej, czasem z długim oczekiwaniem w kolejce.
Pod wieloma względami kontrola bezpieczeństwa na lotnisku przypomina błonę plazmatyczną komórki. Błony komórkowe są selektywnie przepuszczalne, regulując, które substancje mogą przez nie przechodzić, a także ile każdej substancji może wejść lub wyjść w danym momencie z komórki. Selektywna przepuszczalność błony komórkowej jest niezbędna do tego, aby komórki były zdolne do pozyskiwania składników odżywczych, eliminowania odpadów i utrzymywania stabilnego środowiska wewnętrznego, innego niż otoczenie (utrzymanie homeostazy).
Najprostsze rodzaje transportu przez membranę są bierne. Transport bierny nie wymaga, aby komórka zużywała na niego jakąkolwiek energię i dotyczy substancji przemieszczającej się zgodnie ze swoim gradientem stężenia przez błonę. Gradient stężenia jest obszarem przestrzeni, na którym zmienia się stężenie substancji, a substancje naturalnie będą się przesuwać w dół swoich gradientów, z obszaru o wyższym do obszaru o niższym stężeniu.
W komórkach niektóre cząsteczki mogą przemieszczać się zgodnie ze swoim gradientem stężenia poprzez bezpośrednie przejście przez część lipidową błony, podczas gdy inne muszą przejść przez białka błonowe w procesie zwanym dyfuzją ułatwioną. Tutaj przyjrzymy się bardziej szczegółowo przepuszczalności błony i różnym rodzajom transportu biernego.

Selektywna przepuszczalność

Fosfolipidy błon plazmatycznych są amfipatyczne: mają zarówno regiony hydrofilowe (lubiące wodę), jak i hydrofobowe (nie lubiące wody). Hydrofobowy rdzeń błony plazmatycznej pomaga niektórym cząsteczkom przemieszczać się przez membranę, a jednocześnie blokuje ruch innych.
Obraz zmodyfikowany z OpenStax Biology.
Cząsteczki polarne oraz te posiadające ładunek mają znacznie więcej problemów z przejściem przez błonę. Cząsteczki polarne mogą łatwo oddziaływać z zewnętrzną powierzchnią błony, w której znajdują się ujemnie naładowane grupy "głowy", ale mają trudności z przejściem przez jej hydrofobowy rdzeń. Na przykład cząsteczki wody nie mogą szybko przenikać przez błonę (chociaż dzięki małym rozmiarom i brakowi ładunku mogą przepływać z małą prędkością).
Ponadto, mimo iż małe jony mają odpowiedni rozmiar, aby przejść przez membranę, ich ładunek im to uniemożliwia. Oznacza to, że jony takie jak sód, potas, wapń i chlor nie mogą w żaden sposób przenikać przez błony przez zwykłą dyfuzję, a zamiast tego muszą być transportowane przez wyspecjalizowane białka (co omówimy później). Większe naładowane i polarne cząsteczki, takie jak cukry i aminokwasy, również potrzebują pomocy białek, aby efektywnie przechodzić przez błonę.

Dyfuzja

W procesie dyfuzji substancja ma tendencję do przemieszczania się z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu, dopóki jej stężenie nie stanie się równomierne w przestrzeni. Pomyśl na przykład o tym, że ktoś otwiera butelkę amoniaku do sprzątania na środku pokoju. Cząsteczki amoniaku będą początkowo najbardziej stężone w miejscu, w którym osoba otworzyła butelkę, zaś na obrzeżach pokoju będzie niewielka liczba cząsteczek amoniaku lub wcale ich nie będzie. Stopniowo cząsteczki amoniaku będą dyfundować lub rozprzestrzeniać się z miejsca, w którym zostały uwolnione, i ostatecznie będzie można poczuć zapach amoniaku także na obrzeżach pokoju. Finalnie, jeśli butelka zostanie zakryta, a pomieszczenie zamknięte, cząsteczki amoniaku zostaną równomiernie rozmieszczone w całej objętości pokoju.
To samo będzie działo się z cząsteczkami dowolnego typu: jako populacja mają tendencję do przemieszczania się z obszaru, w którym są bardziej stężone, do obszaru, w którym są mniej stężone. Aby to zrozumieć, wyobraź sobie, że istnieje obszar, w którym cząsteczki są bardziej stężone (na przykład, gdzie właśnie otworzono amoniak) i obszar, w którym są mniej stężone (otaczające pomieszczenie). Ponieważ w obszarze, w którym są one stężone znajduje się wiele cząsteczek amoniaku, istnieje duże prawdopodobieństwo, że przeniosą się stamtąd do obszaru o ich niskim stężeniu. A ponieważ w obszarze o niskim stężeniu jest niewiele cząsteczek amoniaku, jest mało prawdopodobne, że nastąpi odwrotność.
W miarę upływu czasu ruch netto cząsteczek będzie przebiegał z obszaru o wyższym stężeniu cząsteczek i do obszaru o niższym stężeniu, dopóki stężenia nie osiągną jednakowego poziomu (w tym momencie cząsteczka będzie mogła poruszać się w obu kierunkach). Ten proces nie wymaga żadnego wkładu energii; w rzeczywistości sam gradient stężeń jest formą zmagazynowanej (potencjalnej) energii, a energia ta jest zużywana w miarę wyrównywania się stężeń.
Źródło schematu: OpenStax Biology, zmodyfikowany przez Mariana Ruiz Villareal.
Cząsteczki mogą przemieszczać się w cytozolu komórki na drodze dyfuzji, a niektóre cząsteczki mogą również dyfundować przez błonę plazmatyczną (jak pokazano na powyższym schemacie). Każda pojedyncza substancja w roztworze lub przestrzeni ma własny gradient stężeń, niezależnie od gradientów stężeń innych substancji, i będzie dyfundować zgodnie z tym gradientem. Przy zachowaniu stałych innych czynników, większy gradient stężeń (większa różnica stężeń między regionami) powoduje szybszą dyfuzję. Zatem w pojedynczej komórce mogą występować różne szybkości i kierunki dyfuzji dla różnych cząsteczek. Na przykład tlen może przedostawać się do komórki na drodze dyfuzji, a jednocześnie dwutlenek węgla może wydostawać się z niej, zgodnie z własnym gradientem stężeń.

Dyfuzja ułatwiona

Niektóre cząsteczki, takie jak dwutlenek węgla i tlen, mogą dyfundować bezpośrednio przez błonę plazmatyczną, ale inne cząsteczki potrzebują pomocy, aby przejść przez jej hydrofobowy rdzeń. W dyfuzji ułatwionej cząsteczki dyfundują przez błonę plazmatyczną przy pomocy białek błonowych, takich jak kanały i białka nośnikowe.
W przypadku tych cząsteczek również istnieje gradient stężeń, więc mogą one dyfundować do (lub poza) komórkę, zgodnie ze swoim gradientem. Ponieważ jednak są one naładowane lub polarne, nie mogą przejść przez fosfolipidową część błony bez pomocy. Białka transportu ułatwionego osłaniają te cząsteczki przed hydrofobowym rdzeniem błony, zapewniając drogę, którą mogą się poruszać. Dwie główne klasy białek transportu ułatwionego to kanały i białka nośnikowe.

Kanały

Kanały białkowe rozciągają się na całej grubości błony i tworzą w niej hydrofilowe tunele, umożliwiając ich cząsteczkom docelowym transport na drodze dyfuzji. Kanały są bardzo selektywne i transportują tylko jeden rodzaj cząsteczki (lub kilka blisko spokrewnionych cząsteczek). Przejście przez kanał pozwala polarnym i naładowanym związkom uniknąć kontaktu z hydrofobowym rdzeniem błony plazmatycznej, który w spowolniłby lub zablokowałby ich transport do komórki.
_Schemat zmodyfikowany na podstawie "Scheme facilitated diffusion in cell membrane," przez Mariana Ruiz Villareal (public domain)._
Akwaporyny są kanałami białkowymi, które umożliwiają wodzie bardzo szybko przenikać przez błonę i odgrywają ważną rolę w komórkach roślinnych, czerwonych krwinkach i niektórych częściach nerki (gdzie minimalizują ilość wody traconej z moczem).
Niektóre kanały białkowe są otwarte przez cały czas, zaś inne są „bramkowane”, co oznacza, że kanał może się otwierać lub zamykać w odpowiedzi na określony sygnał (np. sygnał elektryczny lub wiązanie cząsteczki). Komórki związane z przesyłaniem sygnałów elektrycznych, takie jak komórki nerwowe i mięśniowe, mają w swoich błonach bramkowane kanały jonowe dla jonów sodu, potasu i wapnia. Otwieranie i zamykanie tych kanałów, a co za tym idzie zmiany poziomu jonów w komórce, odgrywają ważną rolę w transmisji impulsów elektrycznych wzdłuż błon (w komórkach nerwowych) i w skurczu mięśni (w komórkach mięśniowych).

Białka nośnikowe

Inna klasa białek transbłonowych zaangażowanych w transport ułatwiony dotyczy białek nośnikowych. Białka nośnikowe mogą zmienić swój kształt, aby przenieść docelową cząsteczkę z jednej strony błony na drugą.
_Schemat zmodyfikowany na podstawie "Scheme facilitated diffusion in cell membrane," przez Mariana Ruiz Villareal (public domain)._
Podobnie jak kanały białkowe, białka nośnikowe są zazwyczaj selektywne względem jednej lub kilku substancji. Często zmieniają kształt w odpowiedzi na związanie cząsteczki docelowej, przy czym zmiana kształtu przesuwa cząsteczkę na przeciwną stronę błony. Białka nośnikowe zaangażowane w dyfuzję ułatwioną zapewniają cząsteczkom hydrofilowym sposób na przejście przez błonę zgodnie z istniejącym gradientem stężeń (nie działają jak pompy).
Kanały białkowe i białka nośnikowe transportują cząsteczki w różnym tempie. Ogólnie rzecz biorąc, kanały białkowe transportują cząsteczki znacznie szybciej niż białka nośnikowe. Dzieje się tak, ponieważ kanały białkowe są prostymi tunelami; w przeciwieństwie do białek nośnikowych, nie muszą zmieniać kształtu i „resetować” się za każdym razem, gdy transportują cząsteczkę. Typowy kanał białkowy może pracować z szybkością dziesiątek milionów cząsteczek na sekundę, podczas gdy białko nośnikowe może działać z szybkością około tysiąca cząsteczek na sekundę1.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.