Prehod snovi skozi celično membrano

Pojasnjuje vam: Inštruktorica Betka

Transport snovi skozi celično membrano je nujno potreben za normalno delovanje celice. Za lažje razumevanje prehoda snovi, moramo najprej na hitro ponoviti zgradbo celične membrane:
Celična membrana je sestavljena iz lipidnega dvoslojnika, v katerega so vključene različne beljakovine. Na beljakovine in na nekatere fosfolipide so vezane molekule ogljikovih hidratov. Na spodnji sliki je lipidni dvoslojnik označen z roza bravo, beljakovine z modro in vezani ogljikovi hidrati z rdečo.

Poznavanje sestave celične membrane je pomembno, ker se vse snovi ne transportirajo skozi enake celične strukture. Nekatere prehajajo skozi fosfolipidni dvosloj, medtem ko druge lahko prehajajo le skozi posebej oblikovane prehode, ki jih tvorijo beljakovine. Na kakšen način bodo molekule prehajale je odvisno od njihove velikosti in naboja.

Skozi fosfolipidni dvoslojnik prehajajo:

1. Kisik, ogljikov dioksid in dušik

2. Majhne organske molekule ( npr. sečnina, glicerol)

3. Večje nepolarne molekule

Skozi fosfolipidni dvosloj lahko potujejo le majhne molekule, večje pa le, če so topne v lipidih. Fosfolipidi so nepolarni in ker velja pravilo podobno se topi v podobnem, se skozi fosfolipidni dvosloj lahko večje molekule prehajajo le, če so nepolarne.

Skozi prehode iz beljakovinskih molekul prehajajo:

1. Polarni delci (ioni H+, Ca2+…)

2. Večje polarne molekule (monosaharidi, disaharidi, aminokisline)

Zdaj, ko razumemo preko katerih struktur potujejo molekule potrebne za rast in delovanje celic, si lahko natančneje ogledamo načine transporta.
Glede na to ali se pri trasportu porablja celična energija, ločimo aktivni in pasivni transport. Pasivni transport molekul oz. difuzija je prehod molekul iz območja višje konentracije v območje nižje koncentracije (v smeri koncentracijskega gradienta). Pri tem se NE porablja energija. Če morajo molekule potovati iz nižje proti višji koncentraciji (v nasprotni smeri koncentracijskega gradienta), potem potujejo z aktivnim transportom. Pri tem se porablja celična energija v obliki ATP (adenozin trifosfat).

Pasivni transport lahko poteka na tri načine:

Skozi lipidni dvosloj (skica z zelenimi molekulami)
Skozi kanalčke iz beljakovin (skica z rumenimi molekulami)
Skozi posebne membranske prenašalce (skica z rdečimi molekulami)

V zadnjem primeru z membranskimi prenašalci gre za tako imenovano pospešeno difuzijo, ker vezava molekule na prenašalec pospeši njegov prehod.

Aktivni transport poteka preko posebnih membranskih črpalk, ki črpajo molekule in ob tem cepijo fosforne vezi ATPja in tako porabljajo energijo. Aktivni transport predstavlja desna skica z modrimi in rdečimi molekulami. Opazimo lahko, da črpalka rdeče molekule črpa na območje, kjer je njihova koncentracija višja.
Preden še bolj natančno razložimo pojav difuzije in osmoze, moramo razjasniti izraza TOPILO in TOPLJENEC.

Molekule in ioni, ki se raztopijo v vodi so TOPLJENEC, voda je TOPILO. Torej, ko si pripravljamo sok in zmešamo sladki sirup z vodo, molekule glukoze predstavljajo TOPJENEC, voda pa TOPILO.

Difuzija je, kot smo že omenili, prehajanje molekul topljenca iz višje v nižjo koncentracijo. Spodnja slika lepo prikazuje, kaj se zgodi, ko v kozarec vode damo kocko topljenca. Njegove molekule se začnejo premikati (oz. začnejo difundirati) v območja kozarca, kjer teh molekul ni oz. jih je manj. Čeprav bi lahko rekli, da se je v zadnjem kozarcu difuzija ustavila, ker se je topljenec enakomerno porazdelil po celotnem protoru, pa gre tu zgolj za navidezno ustavitev. Molekule še vedno prehajajo v različne smeri, a v enaki koncentraciji, zato ni opaznih sprememb.

Med difuzijo in osmozo poznamo dve veliki razliki:

Pri difuziji gre za transport molekul topljenca, pri osmozi pa topila
Pri osmozi topilo vedno prehaja preko polprepustne membrane, medtem ko pri difuziji membrana ni pogoj

Pomembno je opomniti, da tudi pri osmozi molekule topila prehajajo iz višje proti nižji koncentraciji!

Zakaj je polprepustna membrana pogoj za nastanek osmoze? Več ali manj gre za to, da so molekule topljenca ponavadi večje od molekul topila (ta je v večini primerov voda). Zato v primeru ločitve prostora s polprepustno membrano dobimo stanje, kjer skozi membrano lahko potujejo le manjši delci (topilo), večji pa ostanejo “ujeti”. Na spodnji sliki velike rdeče molekule predstavljajo topljenec, majhne modre pa topilo. Opazimo, da so luknje v polprepustni membrani premajhne, da bi omogočile prehod topljencu, topilo pa lahko prehaja.

Zdaj, ko razumemo osnove osmoze, si oglejmo naslednjo sliko:

Slika prikazuje stekleno cev, ki ima na sredini polprepustno membrano (prekinjena črta), skozi katero lahko prehaja topilo (voda), ne pa topljenec (sol). V tem eksperimentu so na začetku v cev nalili vodo in gladina vode je bila na obeh straneh zavite cevi enaka. Nato so v desni “krak” cevi dodali žličko soli (rumene molekule) v levi “krak” pa le ščepec soli. Ker je sol polarna molekula, se ta veže na proste molekule vode, ki po vezavi več ne morejo prehajati skozi polprepustno vezavo (ko se vežejo na sol, postanejo del večje molekule, ki več ne more prehajati skozi majhne pore). Zaradi te vezave soli na molekule vode, se je koncentracija prostih molekul vode zmanjšala, zmanjšala se je torej koncentracija vode na desnem kraku cevi.
Zaradi te spremembe pride do razlik v koncentracijskem gradientu in voda iz levega kraka začne pospešeno difundirati v desni krak. Tako pride do dviga vodne gladine v desnem kraku. Sila, ki dvigne vodno gladino desnega kraka se imenuje osmotski tlak. Ta je večji, tem večja je razlika v koncentracijskem gradientu.

Za konec pa si še poglejmo kako različna osmolarnost okolja vpliva na obnašanje celice. Poznamo 3 vrste okolij:

HIPERTONIČNO OKOLJE pomeni, da celico obkroža raztopina v kateri je več molekul topljenca, kot v sami celici
HIPOTONIČNO OKOLJE pomeni, da celico obkroža raztopina, v kateri je manj molekul topljenca kot v sami celici
IZOTONIČNO OKOLJE, pomeni, da je koncentracija molekul izven celice in v celici v ravnovesju

Slika prikazuje eritrocit (živalsko krvno celico za prenašanje kisika) v različnih raztopinah. Membrana eritrocita je polprepustna, skozi njo lahko prehaja le voda.
Na prvi sliki je eritrocit v izotonični raztopini in opazimo, da je izmenjava vode med notranjostjo eritrocita in zunanjim okoljem uravnovešena. Druga slika prikazuje hipotonično okolje, molekul topljenca je v zunanji okolici manj kot v notranjosti eritrocita. Zaradi tega voda iz okolja vdira v eritrocit in ta nabreka, lahko tudi poči. Zadnja slika prikazuje eritrocit v hipertoničnem okolju, ker je koncentracija topljenca v okolju večja kakor v sami celici. Posledično voda iz eritrocita izhaja v okolico in ta se skrči.

NALOGE ZA PONOVITEV:

1. Kateri pogoj mora biti izpolnjen za pasiven prehod ionov skozi beljakovinske kanalčke?
Koncentracija ionov na obeh straneh celične membrane mora biti različen.
2. Zakaj lahko kisik prehaja neposredno skozi fosfolipidni dvosloj?
Ker je majhna in nepolarna molekula
3. Kaj se zgodi z živalsko celico v hipotoničnem okolju?
Voda iz okolja začne, zaradi razlik v koncentracijskem gradientu, vdirati v celico in ta nabrekne