Դիֆուզիա և պասիվ տեղափոխում

Վերջերս անցե՞լ ես օդանավակայանի անվտանգության հատվածով: Եթե այո, ապա հավանաբար նկատել ես, որ այն նախագծված է որոշ բաներ ներս թողնելու (ինչպես տոսմեր ունեցող ուղևորներին) և որոշ բաներ ներս չթողնելու համար (ինչպիսիք են զենքերը, բռնկվող նյութերը, շշալցված ջուրը): Թռիչքի ուղեկցորդները, ղեկավարները և օդանավակայանի անձնակազմը արագորեն անցնում են հատուկ ուղիով, մինչդեռ սովորական հաճախորդներն անցնում են ավելի դանդաղ, երբեմն էլ՝ շարքում երկար սպասելով:

Օդանավակայանի անվտանգությունը շատ առումներով նման է բջջի պլազմային թաղանթին: Բջջաթաղանթները ընտրողական թափանցելի են, այսինքն՝ կարգավորում են, թե որ նյութերը կարող են անցնել թաղանթով, ինչպես նաև որոշում են, թե տրված ժամանակահատվածում յուրաքանչյուր նյութից ինչ քանակ կարող է մտնել կամ դուրս գալ թաղանթից: Ընտրողական թափանցելիությունը շատ կարևոր է բջիջների կողմից սննդանյութեր կլանելու, թափոնները հեռացնելու, ինչպես նաև կայուն ներքին միջավայր պահպանելու համար՝ անկախ արտաքին միջավայրից (պահպանել հոմեոստազ):

Թաղանթով փոխադրման ամենապարզ ձևերը պասիվ են: Պասիվ փոխադրման ժամանակ բջիջը էներգիա չի ծախսում, և նյութը դիֆուզվում է թաղանթով իր կոնցենտրացիոն գրադիենտի նվազման ուղղությամբ: Կոնցենտրացիոն գրադիենտը պարզապես մի հատված է տարածության մեջ, որտեղ նյութի կոնցենտրացիան փոխվում է , և նյութերը ինքնաբերաբար սկսում են շարժվել գրադիենտի նվազման ուղղությամբ՝ բարձր կոնցենտրացիոն հատվածից դեպի ցածր կոնցենտրացիոն հատվածը:

Բջիջներում որոշ մոլեկուլներ կարող են շարժվել կոնցենտրացիոն գրադիենտի նվազման ուղղությամբ՝ ուղղակիորեն անցնելով թաղանթի լիպիդների միջով, մինչդեռ մյուսները պետք է անցնեն թաղանթային սպիտակուցներով՝ հեշտացված դիֆուզիայի միջոցով: Այստեղ մենք ավելի մանրամասն կդիտարկենք թաղանթի թափանցելիությունը և պասիվ փոխադրման տարբեր ձևերը:

Պլազմային թաղանթի ֆոսֆոլիպիդները ամֆիպատիկ են, այսինքն՝ ունեն և՛ հիդրոֆիլ (ջուր սիրող), և՛ հիդրոֆոբ (ջրից վախեցող) հատվածներ: Պլազմային թաղանթի հիդրոֆոբ միջուկը որոշ նյութերի օգնում է անցնելու թաղանթով, բայց միևնույն ժամանակ արգելակում է մյուս նյութերի շարժումը:

Բևեռային և լիցքավորված մոլեկուլները թաղանթն անցնելու ավելի մեծ խնդիր ունեն: Բևեռային մոլեկուլները կարող են հեշտությամբ փոխազդել թաղանթի արտաքին մասի հետ, որտեղ բացասական լիցքավորված գլխիկներն են, բայց նրանց համար դժվար կլինի անցնել հիդրոֆոբ միջուկով: Ջրի մոլեկուլները, օրինակ, չեն կարող արագորեն անցնել թաղանթով (չնայած նրանց փոքր չափերի և ամբողջական լիցքի պակասի շնորհիվ կարող են դանդաղ անցնել):

Բացի այդ, չնայած փոքր իոնները իրենց ճիշտ չափի շնորհիվ կարող են անցնել թաղանթով, նրանց լիցքն արգելում է այդ գործընթացը: Սա նշանակում է, որ այնպիսի իոնները, ինչպիսիք են նատրիումը, կալիումը, կալցիումը և քլորիդը, չեն կարող պարզ դիֆուզիայի մեխանիզմը գործի դնելով՝ թաղանթը հատել նշանակալի չափով: Փոխարենը՝ դրանք պետք է փոխադրվեն մասնագիտացած սպիտակուցների միջոցով (որոնք կքննարկենք ավելի ուշ): Ավելի մեծ լիցքավորված և բևեռային մոլեկուլները, ինչպիսիք են շաքարները և ամինաթթուները, նույնպես սպիտակուցների կարիք ունեն՝ թաղանթը արդյունավետ հատելու համար:

Դիֆուզիայի գործընթացի ընթացքում նյութը հակված է շարժվելու բարձր կոնցենտրացիայով հատվածից դեպի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածը, մինչև դրա կոնցենտրացիան հավասարվի տարածության մեջ: Օրինակ՝ պատկերացրու, որ ինչ-որ մեկը սենյակի մեջտեղում ամոնիակով լցված շիշ է բացում: Ամոնիակի մոլեկուլները սկզբում ամենախիտը կլինեն հենց այնտեղ, որտեղ բացվել էր շիշը, և շատ քիչ կլինեն կամ ընդհանրապես չեն լինի սենյակի անկյուններում: Աստիճանաբար ամոնիակի մոլեկուլները կդիֆուզվեն կամ կտարածվեն այն վայրից, որտեղից արձակվել էին, և ի վերջո դու կկարողանաս զգալ ամոնիակի հոտը սենյակի բոլոր անկյուններում: Ի վերջո, եթե շիշը փակվի, և սենյակը փակ լինի, ամոնիակի մոլեկուլները հավասարաչափ կբաշխվեն ամբողջ սենյակում։

Նույնը տեղի կունենա ցանկացած տեսակի մոլեկուլների հետ. որպես խումբ՝ նրանք հակված են շարժվելու ամենաբարձր կոնցենտրացիայով հատվածից դեպի ավելի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածը։ Սա հասկանալու համար պատկերացրու մի հատված, որտեղ մոլեկուլներն առավել խիտ են (ինչպես, օրինակ՝ այնտեղ, որտեղ ամոնիակը բացվել էր), և մի հատված, որտեղ ավելի քիչ մոլեկուլներ կան (շրջապատող սենյակը): Քանի որ ամոնիակի շատ մոլեկուլներ կան խիտ հատվածում, շատ հավանական է, որ դրանք կշարժվեն դեպի ավելի նոսր հատվածը: Բայց քանի որ քիչ մոլեկուլներ կան այդ նոսր հատվածում, շատ անհավանական է, որ հակառակը տեղի ունենա։

Այսպիսով՝ ժամանակի ընթացքում մոլեկուլների գումարային շարժը ուղղված կլինի բարձր կոնցենտրացիայով տարածքից դեպի ցածր կոնցենտրացիայով տարածք, մինչև կոնցենտրացիաները կհավասարվեն (այդ կետում հավասարապես հնարավոր է մոլեկուլի շարժը երկու ուղղությամբ էլ)։ Այս գործընթացը էներգիայի որևէ պահանջ չունի: Փաստորեն, կոնցենտրացիոն գրադիենտն ինքնին պահեստավորված (պոտենցիալ) էներգիայի ձև է, և այս էներգիան սպառվում է, երբ կոնցենտրացիաները հավասարվում են:

Մոլեկուլները կարող են դիֆուզիայով շարժվել բջջի ցիտոպլազմայով, և որոշ մոլեկուլներ կարող են նաև դիֆուզվել պլազմային թաղանթով (ինչպես պատկերված է վերևի նկարում): Լուծույթում կամ տարածության մեջ յուրաքանչյուր նյութ ունի իր սեփական կոնցենտրացիոն գրադիենտը՝ անկախ մյուս նյութերի կոնցենտրացիոն գրադիենտներից, և դիֆուզիայի կենթարկվի այդ գրադիենտի համաձայն: Հաստատուն պահելով մյուս բոլոր գործոնները՝ ավելի ուժեղ կոնցենտրացիոն գրադիենտը (տարածքների միջև կոնցենտրացիոն գրադիենտի ավելի մեծ տարբերությունը) հանգեցնում է ավելի արագ դիֆուզիայի: Հետևաբար մեկ բջջում կարող են լինել դիֆուզիայի տարբեր արագություններ և տարբեր ուղղություններ տարբեր մոլեկուլների համար: Օրինակ՝ թթվածինը կարող է մտնել բջիջ դիֆուզիայով, մինչդեռ ածխաթթու գազը միևնույն ժամանակ կարող է դուրս գալ՝ ըստ իր կոնցենտրացիոն գրադիենտի։

Որոշ մոլեկուլներ, ինչպիսիք են ածխաթթու գազը և թթվածինը, կարող են ուղղակիորեն դիֆուզիայի ենթարկվել պլազմային թաղանթով, սակայն մյուս մոլեկուլներն օգնության կարիք ունեն հիդրոֆոբ միջուկը հատելու համար: Հեշտացված դիֆուզիայի ժամանակ մոլեկուլները դիֆուզիայի են ենթարկվում պլազմային թաղանթի թաղանթային սպիտակուցների՝ անցուղիների և փոխադրիչների օգնությամբ։

Այս մոլեկուլների համար գոյություն ունի կոնցենտրացիոն գրադիենտ, հետևաբար նրանք կարող են դիֆուզիայի միջոցով մտնել բջիջ (կամ բջջից դուրս գալ)՝ շարժվելով գրադիենտի նվազման ուղղությամբ: Սակայն քանի որ նրանք լիցքավորված կամ բևեռային են, չեն կարող անցնել թաղանթի ֆոսֆոլիպիդային հատվածով՝ առանց որևէ օգնության: Հեշտացված փոխադրման սպիտակուցները այդ մոլեկուլներին պաշտպանում են հիդրոֆոբ միջուկից՝ ստեղծելով ճանապարհ, որով նրանք կարող են անցնել: Հեշտացված փոխադրման երկու գլխավոր տարրերը անցուղիները և փոխադրիչ սպիտակուցներն են:

Անցուղի առաջացնող սպիտակուցները անցնում են թաղանթի միջով և հիդրոֆիլ ուղիներ են ստեղծում դրա երկայնքով՝ թույլ տալով իրենց թիրախային մոլեկուլներին անցնել դիֆուզիայի միջոցով: Անցուղիները շատ ընտրողական են և փոխադրման համար ընդունում են միայն մի տեսակի մոլեկուլ (կամ մի քանի՝ իրար հետ սերտ կապ ունեցող մոլեկուլների): Անցուղի առաջացնող սպիտակուցի միջով անցնելը բևեռային և լիցքավորված միացություններին թույլ է տալիս խուսափել պլազմային թաղանթի հիդրոֆոբ միջուկից, որը հակառակ դեպքում կդանդաղեցներ կամ կարգելափակեր նրանց մուտքը բջիջ:

Ակվապորինները անցուղի առաջացնող սպիտակուցներ են, որոնք թույլ են տալիս ջրին արագ հատել թաղանթը, և որոնք կարևոր գործառույթ ունեն բուսական բջիջներում, արյան կարմիր բջիջներում և երիկամի որոշ հատվածներում (որտեղ նրանք նվազագույնի են հասցնում մեզի տեսքով կորսված ջրի քանակը):

Որոշ փոխադրիչ սպիտակուցներ միշտ բաց են, բայց որոշներն էլ «փակվում են», այսինքն՝ անցուղին կարող է բացվել կամ փակվել՝ պատասխանելով որոշակի ազդանշանի (օրինակ՝ էլեկտրական ազդանշան կամ մոլեկուլի միացում): Էլեկտրական ազդանշանների փոխանցմանը մասնակցող բջիջները, ինչպես, օրինակ՝ նյարդային և մկանային բջիջները, իրենց թաղանթներում փակում են իոնական անցուղիները նատրիումի, կալիումի և կալցիումի իոնների համար: Այս անցուղիների բացվելն ու փակվելը և դրա արդյունքում իոնների մակարդակի փոփոխությունները բջջում կարևոր դեր են խաղում թաղանթների երկայնքով էլեկտրական փոխանցման (նյարդային բջիջներում) և մկանների կծկման մեջ (մկանային բջիջներում):

Հեշտացված դիֆուզիային մասնակցող տրանսմեմբրանային սպիտակուցների մեկ այլ տեսակ են փոխադրիչ սպիտակուցները: Փոխադրիչ սպիտակուցները կարող են փոխել իրենց ձևը՝ թիրախային մոլեկուլը թաղանթի մի կողմից մյուս կողմը տեղափոխելու համար:

Ինչպես անցուղի սպիտակուցները, փոխադրիչ սպիտակուցներն էլ, որպես կանոն, ընտրողական են մեկ կամ մի քանի նյութի համար: Նրանք հաճախ փոխում են իրենց ձևը՝ ի պատասխան թիրախային մոլեկուլին միանալուն: Նրանք ձևը փոխում են՝ տեղաշարժելով մոլեկուլը դեպի թաղանթի հակառակ կողմը: Հեշտացված դիֆուզիային մասնակցող փոխադրիչ սպիտակուցները հիդրոֆիլ մոլեկուլների համար ճանապարհ են ապահովում՝ գոյություն ունեցող կոնցենտրացիոն գրադիենտի նվազման ուղղությամբ շարժվելու համար (ոչ թե պոմպի դեր են կատարում):

Անցուղի առաջացնող և փոխադրիչ սպիտակուցները նյութերը փոխադրում են տարբեր արագությամբ: Ընդհանուր առմամբ, անցուղի առաջացնող սպիտակուցները մոլեկուլները փոխադրում են շատ ավելի արագ, քան փոխադրիչ սպիտակուցները: Սա պայմանավորված է նրանով, որ անցուղի առաջացնող սպիտակուցները պարզ թունելներ են: Նման չլինելով փոխադրիչ սպիտակուցներին՝ նրանք կարիք չունեն իրենց ձևը փոխելու և ամեն անգամ մոլեկուլ տեղափոխելիս «վերագործարկվելու»: Անցուղի առաջացնող սպիտակուցը կարող է հեշտացնել դիֆուզիան մեկ վայրկյանում տասնյակ միլիոնավոր մոլեկուլ արագությամբ, մինչդեռ փոխադրիչ սպիտակուցը կարող է աշխատել մեկ վայրկյանում հազար մոլեկուլ արագությամբ: