מהי הובלה פסיבית? תנועה טרנסממברנית של תרכובות מקרו-מולקולריות שונות, רכיבים תאיים, חלקיקים על-מולקולריים שאינם מסוגלים לחדור דרך התעלות בממברנה, מתבצעת במנגנונים מיוחדים, למשל, באמצעות פגוציטוזיס, פינוציטוזה, אקסוציטוזיס, העברה דרך החלל הבין-תאי. כלומר, תנועת חומרים דרך הממברנה יכולה להתרחש באמצעות מנגנונים שונים, המחולקים לפי סימני השתתפותם של נשאים ספציפיים בהם, וכן לפי צריכת האנרגיה. מדענים מחלקים את ההובלה של חומרים לפעילים ופסיביים.
אמצעי תחבורה עיקריים
הובלה פסיבית היא העברה של חומר דרך ממברנה ביולוגית לאורך שיפוע (אוסמוטי, ריכוז, הידרודינמי ואחרים), שאינה מצריכה צריכת אנרגיה.
הובלה אקטיבית היא העברה של חומר על פני ממברנה ביולוגית כנגד שיפוע. איפהאנרגיה נצרכת. כ 30 - 40% מהאנרגיה שנוצרת כתוצאה מתגובות מטבוליות בגוף האדם מושקעת ביישום הובלה פעילה של חומרים. אם ניקח בחשבון את תפקוד הכליות האנושיות, אז בערך 70 - 80% מהחמצן הנצרך מושקע בהובלה פעילה.
הובלה פסיבית של חומרים
זה כרוך בהעברת חומרים שונים דרך ממברנות ביולוגיות לאורך מגוון שיפועים. מעברי צבע אלה יכולים להיות:
- שיפוע פוטנציאל אלקטרוכימי;
- שיפוע ריכוז החומר;
- שיפוע שדה חשמלי;
- שיפוע לחץ אוסמוטי ואחרים.
תהליך הטמעת הובלה פסיבית אינו דורש צריכת אנרגיה כלשהי. זה יכול להתרחש על ידי דיפוזיה קלה ופשוטה. כידוע, דיפוזיה היא תנועה כאוטית של מולקולות של חומר במגוון מדיות, הנובעת מאנרגיה של תנודות תרמיות של חומר.
אם חלקיק של חומר הוא נייטרלי מבחינה חשמלית, אזי הכיוון בו תתרחש הדיפוזיה נקבע על ידי ההבדל בריכוז החומרים הכלולים במדיה המופרדים על ידי הממברנה. למשל, בין תאים של התא, בתוך התא ומחוצה לו. אם לחלקיקים של חומר, ליונים שלו יש מטען חשמלי, אז הדיפוזיה תהיה תלויה לא רק בהפרש הריכוזים, אלא גם בגודל המטען של החומר הנתון, בנוכחות ובסימני המטען משני צידי הממברנה.. גודל השיפוע האלקטרוכימינקבע על ידי הסכום האלגברי של גרדיאנטים החשמליים והריכוזים על פני הממברנה.
מה מספק הובלה על פני הממברנה?
הובלת ממברנה פסיבית אפשרית עקב הימצאות שיפועים בריכוז החומר, לחץ אוסמוטי הנובע בין צדדים שונים של קרום התא או מטען חשמלי. לדוגמה, הרמה הממוצעת של יוני Na+ המצויים בפלסמת הדם היא כ-140 מ מ/ליטר, ותכולתה באריתרוציטים גבוהה פי 12 בערך. שיפוע כזה, המתבטא כהבדל בריכוז, מסוגל ליצור כוח מניע המבטיח העברת מולקולות נתרן לתאי דם אדומים מפלסמת הדם.
יש לציין שקצב מעבר כזה נמוך מאוד בשל העובדה שממברנת התא מתאפיינת בחדירות נמוכה ליונים של חומר זה. לממברנה זו יש חדירות הרבה יותר גדולה ביחס ליוני אשלגן. האנרגיה של חילוף החומרים הסלולרי אינה משמשת להשלמת תהליך הדיפוזיה הפשוטה.
קצב דיפוזיה
הובלה אקטיבית ופסיבית של חומרים דרך הממברנה מאופיינת בקצב הדיפוזיה. ניתן לתאר אותו באמצעות משוואת Fick: dm/dt=-kSΔC/x.
במקרה זה, dm/dt היא כמות החומר שמתפזרת ביחידת זמן אחת, ו-k הוא מקדם תהליך הדיפוזיה, המאפיין את חדירות הביו-ממברנה לחומר המתפזר. S שווה לשטח שעליו מתרחשת דיפוזיה, ו-ΔC מבטא את ההבדלריכוז חומרים מצדדים שונים של הממברנה הביולוגית, בעוד x מאפיין את המרחק בין נקודות הדיפוזיה.
ברור, אותם חומרים שמתפזרים בו-זמנית לאורך שיפועים של ריכוזים ושדות חשמליים יעברו הכי בקלות דרך הממברנה. תנאי חשוב לדיפוזיה של חומר דרך ממברנה הוא התכונות הפיזיקליות של הממברנה עצמה, חדירותו לכל חומר ספציפי.
בשל העובדה שהדו-שכבה של הממברנה נוצרת מרדיקלים פחמימניים של פוספוליפידים בעלי תכונות הידרופוביות, חומרים בעלי אופי הידרופובי מתפזרים דרכה בקלות. בפרט, זה חל על חומרים שמתמוססים בקלות בליפידים, כגון הורמוני בלוטת התריס וסטרואידים, וכן כמה חומרים נרקוטיים.
יונים מינרלים וחומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך שהם הידרופיליים בטבעם מתפזרים דרך תעלות יונים ממברנות פסיביות, הנוצרות ממולקולות חלבון יוצרות תעלות, ולעיתים דרך פגמי אריזת ממברנה של מולקולות פוספוליפידים המתעוררות בממברנת התא. תוצאה של תנודה תרמית.
הובלה פסיבית על פני הממברנה היא תהליך מאוד מעניין. אם התנאים תקינים, אזי כמויות משמעותיות של חומר יכולות לחדור לממברנה הדו-שכבתית רק אם הן לא קוטביות ובעלות גודל קטן. אחרת, ההעברה מתרחשת דרך חלבוני נשא. תהליכים דומים הכולליםחלבון נשא לא נקרא דיפוזיה, אלא הובלה של חומר דרך הממברנה.
דיפוזיה מסייעת
דיפוזיה קלה, כמו דיפוזיה פשוטה, מתרחשת לאורך שיפוע הריכוז של חומר. ההבדל העיקרי הוא שמולקולת חלבון מיוחדת, הנקראת נשא, לוקחת חלק בתהליך העברת החומר.
דיפוזיה קלה היא סוג של העברה פסיבית של מולקולות של חומר דרך ביו-ממברנות, המתבצעת לאורך שיפוע ריכוז באמצעות נשא.
מצבי העברת חלבון
חלבון הנשא יכול להיות בשני מצבים קונפורמטיביים. לדוגמה, במצב A עשויה להיות לחלבון זה זיקה לחומר שהוא נושא, אתרי הקישור שלו לחומר מופנים פנימה, עקב כך נוצרת נקבובית הפתוחה לצד אחד של הממברנה.
לאחר שהחלבון נקשר לחומר המועבר, הקונפורמציה שלו משתנה והוא עובר למצב B. עם טרנספורמציה זו, הנשא מאבד את הזיקה שלו לחומר. מהחיבור עם הנשא הוא משתחרר ועובר לנקבובית כבר בצד השני של הממברנה. לאחר העברת החומר, החלבון הנשא משנה שוב את הקונפורמציה שלו, וחוזר למצב A. הובלה זו של החומר על פני הממברנה נקראת uniport.
מהירות דיפוזיה מוקלת
חומרים בעלי משקל מולקולרי קטן כמו גלוקוז יכולים לעבור דרכםקרום באמצעות דיפוזיה קלה. הובלה כזו יכולה להתרחש מהדם למוח, לתאים מהחללים הביניים. קצב העברת החומר עם סוג זה של דיפוזיה יכול להגיע עד 108 חלקיקים דרך הערוץ בשנייה אחת.
כפי שאנו כבר יודעים, קצב ההובלה האקטיבית והפאסיבית של חומרים בדיפוזיה פשוטה הוא פרופורציונלי להפרש בריכוזי החומר משני צידי הממברנה. במקרה של דיפוזיה קלה, שיעור זה גדל ביחס להפרש הגובר בריכוז החומר עד לערך מרבי מסוים. מעל ערך זה, הקצב אינו עולה, למרות שההבדל בריכוזים מצדדים שונים של הממברנה ממשיך לגדול. ניתן להסביר את השגת נקודת קצב מקסימלית כזו בתהליך הדיפוזיה הקלה בכך שהקצב המקסימלי מרמז על מעורבות של כל חלבוני הנשא הזמינים בתהליך ההעברה.
איזה מושג אחר כולל תחבורה אקטיבית ופסיבית על פני ממברנות?
Change diffusion
סוג זה של הובלה של מולקולות חומר דרך קרום התא מאופיין בכך שמשתתפות מולקולות של אותו חומר הממוקמות בצדדים שונים של הממברנה הביולוגית. יש לציין כי בהובלה כזו של חומרים, ריכוז המולקולות משני צידי הממברנה אינו משתנה כלל.
סוג של פיזור חליפין
אחד מהזנים של דיפוזיה של חליפין הוא החלפה שבהמולקולה של חומר אחד מוחלפת בשתי מולקולות או יותר של חומר אחר. לדוגמה, אחת הדרכים שבהן מוציאים יוני סידן חיוביים מתאי השריר החלק של הסמפונות וכלי הדם מהמיוציטים המתכווצים של הלב היא החלפתם ליוני נתרן הממוקמים מחוץ לתא. יון נתרן אחד במקרה זה מוחלף בשלושה יוני סידן. לפיכך, ישנה תנועה של נתרן וסידן דרך הממברנה, שהיא תלויה הדדית. סוג זה של הובלה פסיבית על פני קרום התא נקרא אנטי-פורט. כך התא מסוגל להיפטר מיוני סידן, הנמצאים בעודף. תהליך זה הכרחי כדי להירגע של מיוציטים וקרדיומיוציטים חלקים.
מאמר זה בדק את ההובלה הפעילה והפאסיבית של חומרים דרך הממברנה.
