3.5: תחבורה פסיבית

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208565

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

ממברנות הפלזמה חייבות לאפשר לחומרים מסוימים להיכנס לתא ולצאת ממנו, תוך מניעת כניסת חומר מזיק ויציאת חומר חיוני. במילים אחרות, ממברנות הפלזמה חדירות באופן סלקטיבי - הן מאפשרות לחומרים מסוימים לעבור אך לא לאחרים. אם הם יאבדו את הסלקטיביות הזו, התא כבר לא יוכל לקיים את עצמו, והוא ייהרס. תאים מסוימים דורשים כמויות גדולות יותר של חומרים ספציפיים מאשר תאים אחרים; עליהם להיות דרך להשיג חומרים אלה מהנוזלים החוץ תאיים. זה עלול לקרות באופן פסיבי, מכיוון שחומרים מסוימים נעים קדימה ואחורה, או לתא עשויים להיות מנגנונים מיוחדים המבטיחים הובלה. רוב התאים מוציאים את רוב האנרגיה שלהם, בצורה של אדנוסין טריפוספט (ATP), כדי ליצור ולשמור על התפלגות לא אחידה של יונים בצדדים הנגדים של הממברנות שלהם. מבנה קרום הפלזמה תורם לתפקודים אלה, אך הוא גם מציג כמה בעיות.

הצורות הישירות ביותר של הובלת קרום הן פסיביות. הובלה פסיבית היא תופעה המתרחשת באופן טבעי ואינה דורשת מהתא להוציא אנרגיה כדי לבצע את התנועה. בהובלה פסיבית, חומרים עוברים מאזור בריכוז גבוה יותר לאזור בריכוז נמוך יותר בתהליך הנקרא דיפוזיה. אומרים כי מרחב פיזי בו יש ריכוז שונה של חומר בודד הוא בעל שיפוע ריכוז.

חדירות סלקטיבית

ממברנות הפלזמה אינן סימטריות, כלומר למרות תמונת המראה הנוצרת על ידי הפוספוליפידים, פנים הממברנה אינו זהה לחלק החיצוני של הממברנה. חלבונים אינטגרליים הפועלים כתעלות או משאבות פועלים בכיוון אחד. פחמימות, המחוברות לליפידים או חלבונים, נמצאות גם על פני השטח החיצוניים של קרום הפלזמה. מתחמי פחמימות אלה מסייעים לתא לקשור חומרים שהתא זקוק להם בנוזל החוץ תאי. זה מוסיף במידה ניכרת לאופי הסלקטיבי של ממברנות הפלזמה.

נזכיר כי לממברנות הפלזמה יש אזורים הידרופיליים והידרופוביים. מאפיין זה מסייע לתנועה של חומרים מסוימים דרך הממברנה ומעכב את תנועתם של אחרים. חומר מסיס בשומנים יכול להחליק בקלות דרך ליבת השומנים ההידרופובית של הממברנה. חומרים כמו הוויטמינים המסיסים בשומן A, D, E ו- K עוברים בקלות דרך ממברנות הפלזמה בדרכי העיכול וברקמות אחרות. תרופות מסיסות בשומן זוכות גם לכניסה קלה לתאים ומועברות בקלות לרקמות ואיברי הגוף. למולקולות של חמצן ופחמן דו חמצני אין מטען ועוברות דרך דיפוזיה פשוטה.

חומרים קוטביים, למעט מים, מציגים בעיות בקרום. בעוד שחלק מהמולקולות הקוטביות מתחברות בקלות לחלק החיצוני של התא, הן אינן יכולות לעבור בקלות דרך ליבת השומנים של קרום הפלזמה. בנוסף, בעוד יונים קטנים יכולים בקלות להחליק דרך החללים בפסיפס של הממברנה, המטען שלהם מונע מהם לעשות זאת. יונים כמו נתרן, אשלגן, סידן וכלוריד חייבים להיות בעלי אמצעי מיוחד לחדירת קרומי פלזמה. סוכרים פשוטים וחומצות אמינו זקוקים גם לעזרה בהובלה על פני ממברנות הפלזמה.

דיפוזיה

דיפוזיה היא תהליך פסיבי של תחבורה. חומר בודד נוטה לעבור מאזור בריכוז גבוה לאזור בריכוז נמוך עד שהריכוז שווה על פני החלל. אתה מכיר דיפוזיה של חומרים באוויר. לדוגמה, לחשוב על מישהו פותח בקבוק בושם בחדר מלא אנשים. הבושם נמצא בריכוז הגבוה ביותר בבקבוק ונמצא בשפל ביותר בשולי החדר. אדי הבושם יתפזרו, או יתפשטו, מהבקבוק, ובהדרגה, יותר ויותר אנשים יריחו את הבושם כשהוא מתפשט. חומרים נעים בתוך הציטוזול של התא על ידי דיפוזיה, וחומרים מסוימים נעים דרך קרום הפלזמה על ידי דיפוזיה (איור\(\PageIndex{1}\)). דיפוזיה לא מוציאה אנרגיה. במקום זאת ריכוזי החומרים השונים באזורים שונים הם סוג של אנרגיה פוטנציאלית, ודיפוזיה היא פיזור אותה אנרגיה פוטנציאלית כאשר חומרים נעים במורד שיפועי הריכוז שלהם, מגבוה לנמוך.

החלק השמאלי של איור זה מציג חומר בצד אחד של הממברנה בלבד. החלק האמצעי מראה כי לאחר זמן מה, חלק מהחומר התפזר על פני קרום הפלזמה. החלק הימני מראה כי לאחר זמן רב יותר, כמות שווה של החומר נמצאת בכל צד של הממברנה. — **איור\(\PageIndex{1}\):** דיפוזיה דרך קרום חדיר עוקבת אחר שיפוע הריכוז של חומר, ומעבירה את החומר מאזור בריכוז גבוה לאחד בריכוז נמוך. (אשראי: שינוי עבודות מאת מריאנה רואיז ויאריאל)

לכל חומר נפרד במדיום, כמו הנוזל החוץ תאי, יש שיפוע ריכוז משלו, ללא תלות בשיפועי הריכוז של חומרים אחרים. בנוסף, כל חומר יתפזר בהתאם לאותו שיפוע.

מספר גורמים משפיעים על קצב הדיפוזיה.

היקף שיפוע הריכוז: ככל שההבדל בריכוז גדול יותר, כך הדיפוזיה מהירה יותר. ככל שהתפלגות החומר מתקרבת לשיווי משקל, כך קצב הדיפוזיה הופך לאט יותר.
מסת המולקולות המתפזרות: מולקולות מסיביות יותר נעות לאט יותר, מכיוון שקשה להן יותר לנוע בין מולקולות החומר בו הן עוברות; לכן הם מתפזרים לאט יותר.
טֶמפֶּרָטוּרָה: טמפרטורות גבוהות יותר מגבירות את האנרגיה ולכן את תנועת המולקולות, ומגבירות את קצב הדיפוזיה.
צפיפות ממס: ככל שצפיפות הממס עולה, קצב הדיפוזיה יורד. המולקולות מאטות מכיוון שהן מתקשות יותר לעבור את המדיום הצפוף יותר.

מושג בפעולה

להנפשה של תהליך הדיפוזיה בפעולה, צפה בסרטון קצר זה על הובלת קרום התא.

הובלה קלה

בהובלה קלה, הנקראת גם דיפוזיה קלה, החומר נע על פני קרום הפלזמה בעזרת חלבונים טרנסממברניים במורד שיפוע ריכוז (מריכוז גבוה לנמוך) ללא הוצאה של אנרגיה תאית. עם זאת, החומרים שעוברים הובלה קלה אחרת לא היו מתפזרים בקלות או במהירות על פני קרום הפלזמה. הפתרון להעברת חומרים קוטביים וחומרים אחרים על פני קרום הפלזמה מונח בחלבונים המשתרעים על פני השטח שלו. החומר המועבר מחובר תחילה לקולטני חלבון או גליקופרוטאין על פני השטח החיצוניים של קרום הפלזמה. זה מאפשר להסיר את החומר הדרוש לתא מהנוזל החוץ תאי. לאחר מכן מועברים החומרים לחלבונים אינטגרליים ספציפיים המאפשרים את מעברם, מכיוון שהם יוצרים תעלות או נקבוביות המאפשרות לחומרים מסוימים לעבור דרך הממברנה. החלבונים האינטגרליים המעורבים בהובלה קלה מכונים ביחד חלבוני הובלה, והם מתפקדים כערוצים לחומר או לנשאים.

אוסמוזה

אוסמוזה היא דיפוזיה של מים דרך קרום חדיר למחצה על פי שיפוע הריכוז של המים על פני הממברנה. בעוד שדיפוזיה מעבירה חומר על פני ממברנות ובתוך תאים, אוסמוזה מעבירה רק מים על פני קרום והממברנה מגבילה את התפשטות המומסים במים. אוסמוזה היא מקרה מיוחד של דיפוזיה. מים, כמו חומרים אחרים, עוברים מאזור בריכוז גבוה יותר לאזור בריכוז נמוך יותר. תארו לעצמכם כוס עם קרום חדיר למחצה, המפריד בין שני הצדדים או החצאים (איור\(\PageIndex{2}\)). משני צידי הממברנה, מפלס המים זהה, אך ישנם ריכוזים שונים מכל צד של חומר מומס, או מומס, שאינם יכולים לחצות את הממברנה. אם נפח המים זהה, אך ריכוזי המומסים שונים, אז ישנם גם ריכוזים שונים של מים, הממס, משני צידי הממברנה.

מוצגות שתי כוסות, כל אחת מחולקת לחצאים שמאל וימין על ידי קרום חדיר למחצה. בכוס הראשונה יש אותה כמות מים משני הצדדים, אך יותר מומסים במים בצד ימין של הממברנה ופחות מומסים במים בצד שמאל. בכוס השנייה, המים עברו מהצד השמאלי של הממברנה לצד ימין, מה שהופך את ריכוז המומסים זהה משני הצדדים, אך מפלס המים נמוך בהרבה בצד שמאל. — **איור\(\PageIndex{2}\):** באוסמוזה, מים עוברים תמיד מאזור בריכוז גבוה יותר (של מים) לאזור בריכוז נמוך יותר (של מים). במערכת זו, המומס אינו יכול לעבור דרך הממברנה החדירה באופן סלקטיבי.

עיקרון של דיפוזיה הוא שהמולקולות נעות מסביב ויתפשטו באופן שווה בכל המדיום אם הן יכולות. עם זאת, רק החומר המסוגל לעבור דרך הממברנה יתפזר דרכו. בדוגמה זו, המומס אינו יכול להתפזר דרך הממברנה, אך המים יכולים. למים יש שיפוע ריכוז במערכת זו. לכן, מים יתפזרו במורד שיפוע הריכוז שלהם, ויחצו את הממברנה לצד שבו הם פחות מרוכזים. דיפוזיה זו של מים דרך הממברנה - אוסמוזה - תימשך עד ששיפוע הריכוז של המים יגיע לאפס. אוסמוזה מתמשכת כל הזמן במערכות חיות.

טוניקות

טוניקות מתארת את כמות המומסים בתמיסה. המדד לטוניות של תמיסה, או הכמות הכוללת של המומסים המומסים בכמות מסוימת של תמיסה, נקרא האוסמולריות שלה. שלושה מונחים - היפוטוניים, איזוטוניים והיפרטוניים - משמשים לקשר בין האוסמולריות של התא לאוסמולריות של הנוזל החוץ -תאי המכיל את התאים. בתמיסה היפוטונית, כמו מי ברז, לנוזל החוץ תאי יש ריכוז מומסים נמוך יותר מהנוזל שבתוך התא, ומים נכנסים לתא. (במערכות חיות, נקודת ההתייחסות היא תמיד הציטופלזמה, ולכן הקידומת היפו - פירושה שלנוזל החוץ -תאי יש ריכוז נמוך יותר של מומסים, או אוסמולריות נמוכה יותר, מאשר הציטופלזמה של התא.) זה גם אומר שלנוזל החוץ תאי יש ריכוז מים גבוה יותר מאשר לתא. במצב זה, המים יעקבו אחר שיפוע הריכוז שלהם ויכנסו לתא. זה עלול לגרום לתא של בעלי חיים להתפוצץ, או לזלול.

בתמיסה היפרטונית (הקידומת היפר - מתייחסת לנוזל החוץ -תאי בעל ריכוז מומסים גבוה יותר מהציטופלזמה של התא), הנוזל מכיל פחות מים מהתא, כגון מי ים. מכיוון שלתא יש ריכוז נמוך יותר של מומסים, המים יעזבו את התא. למעשה, המומס מוציא את המים מהתא. זה עלול לגרום לתא של בעלי חיים להתכווץ, או להתכווץ.

בתמיסה איזוטונית, לנוזל החוץ תאי יש אוסמולריות זהה לתא. אם ריכוז המומסים של התא תואם לזה של הנוזל החוץ תאי, לא תהיה תנועה נטו של מים לתוך התא או החוצה ממנו. תאי דם בתמיסות היפרטוניות, איזוטוניות והיפוטוניות מקבלים מראה אופייני (איור). \(\PageIndex{3}\)

חיבור אמנות

איור של תאי דם אדומים בתמיסות היפוטוניות, איזוטוניות והיפרטוניות. בתמיסה ההיפרטונית התאים מצטמקים ומקבלים מראה קוצני. בפתרון איזוטוני, התאים הם נורמליים במראה. בתמיסה ההיפוטונית התאים מתנפחים ואחד נקרע. — **איור\(\PageIndex{3}\):** לחץ אוסמוטי משנה את צורת כדוריות הדם האדומות בתמיסות היפרטוניות, איזוטוניות והיפוטוניות. (אשראי: שינוי עבודות מאת מריאנה רואיז ויאריאל)

רופא מזריק למטופל את מה שהרופא חושב שהוא תמיסת מלח איזוטונית. החולה מת, ונתיחה שלאחר המוות מגלה כי תאי דם אדומים רבים נהרסו. האם אתה חושב שהפתרון שהרופא הזריק היה באמת איזוטוני?

לחלק מהאורגניזמים, כגון צמחים, פטריות, חיידקים וכמה פרוטיסטים, יש דפנות תאים המקיפות את קרום הפלזמה ומונעות תמוגה של תאים. קרום הפלזמה יכול להתרחב רק עד גבול דופן התא, כך שהתא לא יתפרק. למעשה, הציטופלזמה בצמחים היא תמיד היפרטונית מעט בהשוואה לסביבה התאית, ומים תמיד ייכנסו לתא אם יהיו מים זמינים. זרם מים זה מייצר לחץ טורגור, אשר מקשיח את דפנות התא של הצמח (איור\(\PageIndex{4}\)). בצמחים שאינם עציים, לחץ הטורגור תומך בצמח. אם תאי הצמח הופכים להיפרטוניים, כפי שקורה בבצורת או אם צמח אינו מושקה כראוי, מים יעזבו את התא. צמחים מאבדים לחץ טורגור במצב זה ונובלים.

החלק השמאלי של תמונה זו מציג תא צמחי שטוף בתמיסה היפרטונית כך שקרום הפלזמה התרחק לחלוטין מדופן התא, והוואקום המרכזי הצטמק. החלק האמצעי מראה תא צמחי שטוף בתמיסה איזוטונית; קרום הפלזמה התרחק מעט מדופן התא, והוואקום המרכזי הצטמק. החלק הימני מציג תא צמחי בתמיסה היפוטונית. הוואקום המרכזי גדול, וקרום הפלזמה נלחץ אל דופן התא. — **איור\(\PageIndex{4}\):** לחץ הטורגור בתוך תא צמחי תלוי בטוניות של התמיסה בה הוא שטוף. (אשראי: שינוי עבודות מאת מריאנה רואיז ויאריאל)

סיכום המדור

הצורות הפסיביות של הובלה, דיפוזיה ואוסמוזה, מזיזות חומר בעל משקל מולקולרי קטן. חומרים מתפזרים מאזורים בריכוז גבוה לאזורים בריכוז נמוך, ותהליך זה נמשך עד שהחומר מופץ באופן שווה במערכת. בתמיסות של יותר מחומר אחד, כל סוג של מולקולה מתפזר לפי שיפוע הריכוז שלו. גורמים רבים יכולים להשפיע על קצב הדיפוזיה, כולל שיפוע ריכוז, גדלי החלקיקים המתפזרים וטמפרטורת המערכת.

במערכות חיות, דיפוזיה של חומרים לתאים ומחוצה להם מתווכת על ידי קרום הפלזמה. חומרים מסוימים מתפזרים בקלות דרך הממברנה, אך אחרים מונעים, ומעברם מתאפשר רק על ידי תעלות חלבון ונשאים. הכימיה של יצורים חיים מתרחשת בתמיסות מימיות, ואיזון ריכוזי הפתרונות הללו הוא בעיה מתמשכת. במערכות חיות, דיפוזיה של חומרים מסוימים תהיה איטית או קשה ללא חלבוני ממברנה.

חיבורי אמנות

איור\(\PageIndex{3}\): רופא מזריק למטופל את מה שהוא חושב שהוא תמיסת מלח איזוטונית. החולה מת, ונתיחה שלאחר המוות מגלה כי תאי דם אדומים רבים נהרסו. האם אתה חושב שהפתרון שהרופא הזריק היה באמת איזוטוני?

תשובה: לא, זה בטח היה היפוטוני, שכן פתרון היפוטוני יגרום למים להיכנס לתאים, ובכך לגרום להם להתפוצץ.

רשימת מילים

שיפוע ריכוז: אזור בריכוז גבוה מול אזור בריכוז נמוך

דיפוזיה: תהליך פסיבי של הובלה של חומר בעל משקל מולקולרי נמוך במורד שיפוע הריכוז שלו

הקלה על תחבורה: תהליך שבו החומר נע במורד שיפוע ריכוז (מריכוז גבוה לנמוך) באמצעות חלבוני ממברנה אינטגרליים

היפרטוני: מתאר פתרון שבו לנוזל החוץ -תאי יש אוסמולריות גבוהה יותר מהנוזל שבתוך התא

היפוטוני: מתאר פתרון שבו לנוזל החוץ -תאי יש אוסמולריות נמוכה יותר מהנוזל שבתוך התא

איזוטוני: מתאר פתרון שבו לנוזל החוץ -תאי יש אוסמולריות זהה לנוזל שבתוך התא

אוסמולריות: הכמות הכוללת של חומרים מומסים בכמות מסוימת של פתרון

אוסמוזה: הובלת מים דרך קרום חדיר למחצה מאזור בריכוז מים גבוה לאזור בריכוז מים נמוך על פני קרום

תחבורה פסיבית: שיטה להובלת חומר שאינו דורש אנרגיה

חדיר באופן סלקטיבי: המאפיין של קרום המאפשר לחומרים מסוימים לעבור אך לא לאחרים

מומס: חומר מומס באחר ליצירת פתרון

טוניקות: כמות המומסים בתמיסה.

תורמים וייחוסים

Template:ContribOpenStaxConcepts