Der Unterschied zwischen Osmose und aktivem Transport

Eine Zelle hat viele Anforderungen, um zu wachsen und sich zu vermehren, und selbst Zellen, die nicht aktiv wachsen oder sich vermehren, benötigen Nährstoffe aus der Umgebung, um zu funktionieren. Viele der Anforderungen der Zelle sind Moleküle, die sich außerhalb der Zelle befinden können, einschließlich Wasser, Zucker, Vitamine und Proteine.

Die Zellmembran hat wichtige Schutz- und Strukturfunktionen und dient dazu, Zellinhalte von der äußeren Umgebung zu trennen. Die Lipiddoppelschicht der Zellmembran besteht aus Phospholipiden, die hydrophobe (öllösliche, "wasserfurchtende") Schwänze haben, die eine Barriere für viele gelöste Stoffe und Moleküle in der Umgebung bilden. Dieses Merkmal der Zellmembran ermöglicht es der zellinternen Umgebung, sich von der äußeren Umgebung zu unterscheiden, wirkt aber auch als Haupthindernis für die Aufnahme bestimmter Moleküle aus der Umgebung und zum Ausstoßen von Abfall.

Die Lipiddoppelschicht ist jedoch nicht für alle Moleküle ein Problem. Hydrophobe (oder öllösliche) unpolare Moleküle können ungehindert durch die Zellmembran diffundieren. Diese Klasse von Molekülen umfasst Gase wie Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2) und Stickoxid (NO). Größere hydrophobe organische Moleküle können auch die Plasmamembran passieren, einschließlich bestimmter Hormone (wie Östrogen) und Vitamine (wie Vitamin D). Kleine, polare Moleküle (einschließlich Wasser) werden teilweise durch die Lipiddoppelschicht behindert, können aber trotzdem passieren.

Bei Molekülen, die frei durch die Zellmembran gelangen können, hängt es von ihrer Konzentration ab, ob sie in die Zelle hinein oder aus ihr heraus gelangen. Die Tendenz von Molekülen, sich entsprechend ihrem Konzentrationsgradienten (dh von höherer Konzentration zu niedrigerer Konzentration) zu bewegen, wird als "Bewegung" bezeichnet Diffusion. Dies bedeutet, dass Moleküle aus der Zelle fließen, wenn sich mehr in der Zelle befindet als außerhalb. Wenn mehr Zellen außerhalb der Zelle vorhanden sind, strömen Moleküle in die Zelle, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Betrachten Sie zum Beispiel eine Muskelzelle. Während des Trainings wandelt die Zelle O2 in CO2 um. Wenn sauerstoffhaltiges Blut in den Muskel gelangt, wandert O2 von dort, wo die Konzentration höher ist (im Blut), bis dort, wo es niedriger ist (in den Muskelzellen). Gleichzeitig strömt CO2 aus den Muskelzellen (wo es höher ist) in das Blut (wo es niedriger ist). Diffusion erfordert keinen Energieaufwand. Die Diffusion von Wasser erhält einen besonderen Namen, Osmose.

Bei größeren polaren Molekülen und geladenen Molekülen ist das Eintreten und Verlassen der Zelle schwieriger, da sie die Lipiddoppelschicht nicht passieren können. Diese Klasse von Molekülen umfasst Ionen, Zucker, Aminosäuren (die Bausteine ​​von Proteinen) und viele weitere Dinge, die die Zelle zum Überleben und zum Funktionieren benötigt. Um dieses Problem zu beheben, enthält die Zelle Transportproteine, die es diesen Molekülen erlauben, in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu gelangen. Diese Transportproteine ​​machen 15-30% der Proteine ​​in der Zellmembran aus.

Transportproteine ​​gibt es in verschiedenen Formen und Größen, aber alle erstrecken sich durch die Lipiddoppelschicht, und jedes Transportprotein besitzt einen spezifischen Molekültyp, den es transportiert. Es gibt Trägerproteine ​​(die auch als Transporter oder Permeasen bezeichnet werden), die auf einer Seite der Membran an einen gelösten Stoff oder ein Molekül binden und ihn auf die andere Seite der Membran transportieren. Eine zweite Klasse von Transportproteinen umfasst Kanalproteine. Kanalproteine ​​bilden hydrophile ("wasserliebende") Öffnungen in der Membran, damit polare oder geladene Moleküle durchfließen können. Sowohl Kanalproteine ​​als auch Trägerproteine ​​erleichtern den Transport in und aus der Zelle.

Moleküle können durch Transportproteine ​​von hoher Konzentration zu niedrigerer Konzentration gelangen. Dieser Vorgang wird passiver Transport oder erleichterte Diffusion genannt. Es ist der Diffusion unpolarer Moleküle oder von Wasser direkt durch die Lipiddoppelschicht ähnlich, mit der Ausnahme, dass Transportproteine ​​erforderlich sind.

Manchmal benötigt eine Zelle Dinge aus der Umgebung, die außerhalb der Zelle in sehr geringer Konzentration vorliegen. Alternativ kann eine Zelle extrem niedrige Konzentrationen eines bestimmten gelösten Stoffes in der Zelle erfordern. Während durch Diffusion die Konzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle sich dem Gleichgewicht nähern könnten, wird dies als Prozess bezeichnet aktiven Transport hilft, einen gelösten Stoff oder Molekül innerhalb oder außerhalb der Zelle zu konzentrieren. Aktiver Transport erfordert einen Energieverbrauch, um ein Molekül gegen seinen Konzentrationsgradienten zu bewegen. Es gibt zwei Hauptformen des aktiven Transports in eukaryotischen Zellen. Der erste Typ besteht aus ATP-angetriebenen Pumpen. Diese Pumpen verwenden ATP-Hydrolyse, um eine bestimmte Klasse von gelösten Stoffen oder Molekülen durch die Membran zu transportieren, um sie entweder innerhalb oder außerhalb der Zelle zu konzentrieren. Der zweite Typ (Cotransporter genannt) koppelt den Transport eines Moleküls gegen seinen Konzentrationsgradienten (von niedrig nach hoch) mit dem Transport eines zweiten Moleküls entlang seines Konzentrationsgradienten (von hoch nach niedrig)..

Zellen verwenden auch aktiven Transport, um die richtige Konzentration von Ionen aufrechtzuerhalten. Die Ionenkonzentration ist für die elektrischen Eigenschaften der Zelle sehr wichtig, da sie die Wassermenge in den Zellen und andere wichtige Funktionen von Ionen steuert. Zum Beispiel sind Magnesiumionen (MG2 +) für viele Proteine, die an der DNA-Reparatur und -Pflege beteiligt sind, sehr wichtig. Calcium (Ca2 +) ist auch in vielen Zellprozessen von Bedeutung, und der aktive Transport trägt dazu bei, einen Calciumgradienten von 1: 10.000 aufrechtzuerhalten. Der Transport von Ionen durch die Lipiddoppelschicht hängt nicht nur vom Konzentrationsgradienten ab, sondern auch von den elektrischen Eigenschaften der Membran, wo sich ähnliche Ladungen abstoßen. Die Natrium-Kalium-ATPase oder Na + -K + -Pumpe behält eine höhere Natriumkonzentration außerhalb der Zelle bei. Dabei wird fast ein Drittel des Energiebedarfs der Zelle verbraucht. Dieser enorme Energieaufwand für den aktiven Transport von Ionen unterstreicht die Wichtigkeit eines Gleichgewichtes der Moleküle bei der richtigen Zellfunktion.

Zusammenfassung

OSmosis ist die passive Diffusion von Wasser durch die Zellmembran und erfordert keine Transportproteine. EINaktiver Transport ist die Bewegung von Molekülen gegen ihren Konzentrationsgradienten (von niedriger zu hoher Konzentration) oder gegen ihren elektrischen Gradienten (in Richtung einer ähnlichen Ladung) und erfordert Proteintransporter und die zusätzliche Energie, entweder durch ATP-Hydrolyse oder durch Kopplung an den Abwärtstransport eines anderen gelösten Stoffes.