3.5: النقل السلبي
- Page ID
- 191333
يجب أن تسمح أغشية البلازما لبعض المواد بالدخول والخروج من الخلية، مع منع المواد الضارة من الدخول والمواد الأساسية من المغادرة. وبعبارة أخرى، فإن أغشية البلازما قابلة للاختراق بشكل انتقائي - فهي تسمح بمرور بعض المواد دون غيرها. وإذا فقدوا هذه الانتقائية، فإن الخلية لن تكون قادرة على الحفاظ على نفسها، وسيتم تدميرها. تتطلب بعض الخلايا كميات أكبر من المواد المحددة مقارنة بالخلايا الأخرى؛ يجب أن يكون لديها طريقة للحصول على هذه المواد من السوائل خارج الخلية. قد يحدث هذا بشكل سلبي، حيث تتحرك بعض المواد ذهابًا وإيابًا، أو قد تحتوي الخلية على آليات خاصة تضمن النقل. تستهلك معظم الخلايا معظم طاقتها، في شكل ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP)، لإنشاء والحفاظ على توزيع غير متساوٍ للأيونات على الجوانب المقابلة من أغشيتها. يساهم هيكل غشاء البلازما في هذه الوظائف، ولكنه يمثل أيضًا بعض المشاكل.
أكثر أشكال النقل الغشائي المباشرة هي السلبية. النقل السلبي هو ظاهرة تحدث بشكل طبيعي ولا يتطلب من الخلية إنفاق الطاقة لإنجاز الحركة. في النقل السلبي، تنتقل المواد من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل في عملية تسمى الانتشار. يقال إن الفضاء المادي الذي يوجد فيه تركيز مختلف لمادة واحدة له تدرج تركيز.
نفاذية انتقائية
أغشية البلازما غير متماثلة، مما يعني أنه على الرغم من صورة المرآة التي تتكون من الفسفوليبيدات، فإن الجزء الداخلي للغشاء ليس مطابقًا للجزء الخارجي للغشاء. تعمل البروتينات المتكاملة التي تعمل كقنوات أو مضخات في اتجاه واحد. توجد الكربوهيدرات المرتبطة بالدهون أو البروتينات أيضًا على السطح الخارجي لغشاء البلازما. تساعد مركبات الكربوهيدرات هذه الخلية على ربط المواد التي تحتاجها الخلية في السائل خارج الخلية. هذا يضيف بشكل كبير إلى الطبيعة الانتقائية لأغشية البلازما.
تذكر أن أغشية البلازما تحتوي على مناطق محبة للماء ومقاومة للماء. تساعد هذه الخاصية على حركة بعض المواد عبر الغشاء وتعيق حركة الآخرين. يمكن أن تنزلق المواد القابلة للذوبان في الدهون بسهولة عبر قلب الدهون الكارهة للماء في الغشاء. تمر مواد مثل الفيتامينات القابلة للذوبان في الدهون A و D و E و K بسهولة عبر أغشية البلازما في الجهاز الهضمي والأنسجة الأخرى. تكتسب الأدوية القابلة للذوبان في الدهون أيضًا دخولًا سهلاً إلى الخلايا ويتم نقلها بسهولة إلى أنسجة الجسم وأعضائه. لا تحتوي جزيئات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون على شحنة وتمر بالانتشار البسيط.
تمثل المواد القطبية، باستثناء الماء، مشاكل للغشاء. في حين أن بعض الجزيئات القطبية تتصل بسهولة بالجزء الخارجي من الخلية، إلا أنها لا تستطيع المرور بسهولة عبر النواة الدهنية لغشاء البلازما. بالإضافة إلى ذلك، في حين أن الأيونات الصغيرة يمكن أن تنزلق بسهولة عبر المساحات الموجودة في فسيفساء الغشاء، فإن شحنتها تمنعها من القيام بذلك. يجب أن تحتوي الأيونات مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والكلوريد على وسيلة خاصة لاختراق أغشية البلازما. تحتاج السكريات البسيطة والأحماض الأمينية أيضًا إلى المساعدة في النقل عبر أغشية البلازما.
الانتشار
الانتشار هو عملية نقل سلبية. تميل مادة واحدة إلى الانتقال من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز عبر الفضاء. أنت على دراية بانتشار المواد عبر الهواء. على سبيل المثال، فكر في شخص يفتح زجاجة عطر في غرفة مليئة بالناس. يحتوي العطر على أعلى تركيز في الزجاجة وهو في أدنى مستوياته عند حواف الغرفة. سوف ينتشر بخار العطر أو ينتشر بعيدًا عن الزجاجة، وتدريجيًا، سيشم المزيد والمزيد من الناس رائحة العطر عند انتشاره. تتحرك المواد داخل العصارة الخلوية للخلية عن طريق الانتشار، وتتحرك بعض المواد عبر غشاء البلازما عن طريق الانتشار (الشكل\(\PageIndex{1}\)). لا ينفق الانتشار على الطاقة. بدلاً من ذلك، فإن التركيزات المختلفة للمواد في مناطق مختلفة هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة، والانتشار هو تبديد تلك الطاقة الكامنة مع انتقال المواد إلى أسفل تدرجات تركيزها، من الأعلى إلى الأدنى.
كل مادة منفصلة في وسط، مثل السائل خارج الخلية، لها تدرج تركيز خاص بها، بغض النظر عن تدرجات تركيز المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، ستنتشر كل مادة وفقًا لهذا التدرج.
هناك عدة عوامل تؤثر على معدل الانتشار.
- مدى تدرج التركيز: كلما زاد الفرق في التركيز، زادت سرعة الانتشار. كلما اقترب توزيع المادة من التوازن، كلما كان معدل الانتشار أبطأ.
- كتلة الجزيئات المنتشرة: تتحرك الجزيئات الأكثر ضخامة ببطء أكثر، لأنه يصعب عليها التنقل بين جزيئات المادة التي تتحرك من خلالها؛ لذلك تنتشر بشكل أبطأ.
- درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة الطاقة وبالتالي حركة الجزيئات، مما يزيد من معدل الانتشار.
- كثافة المذيبات: كلما زادت كثافة المذيب، ينخفض معدل الانتشار. تتباطأ الجزيئات لأنها تواجه صعوبة أكبر في الوصول إلى الوسط الأكثر كثافة.
مفهوم في العمل
للحصول على رسم متحرك لعملية الانتشار أثناء العمل، شاهد هذا الفيديو القصير عن نقل غشاء الخلية.
النقل الميسر
في النقل الميسر، والذي يُطلق عليه أيضًا الانتشار الميسر، تنتقل المواد عبر غشاء البلازما بمساعدة البروتينات عبر الغشاء إلى أسفل تدرج التركيز (من التركيز العالي إلى التركيز المنخفض) دون إنفاق الطاقة الخلوية. ومع ذلك، فإن المواد التي تخضع للنقل الميسر لن تنتشر بسهولة أو بسرعة عبر غشاء البلازما. يكمن الحل لنقل المواد القطبية والمواد الأخرى عبر غشاء البلازما في البروتينات التي تمتد على سطحه. يتم توصيل المادة التي يتم نقلها أولاً بمستقبلات البروتين أو البروتين السكري على السطح الخارجي لغشاء البلازما. يسمح ذلك بإزالة المواد التي تحتاجها الخلية من السائل خارج الخلية. ثم يتم تمرير المواد إلى بروتينات متكاملة محددة تسهل مرورها، لأنها تشكل قنوات أو مسام تسمح لبعض المواد بالمرور عبر الغشاء. يشار إلى البروتينات المتكاملة المشاركة في النقل الميسر بشكل جماعي باسم بروتينات النقل، وهي تعمل إما كقنوات للمادة أو كناقلات.
التناضح
التناضح هو انتشار الماء من خلال غشاء شبه منفذ وفقًا لتدرج تركيز الماء عبر الغشاء. في حين أن الانتشار ينقل المواد عبر الأغشية وداخل الخلايا، فإن التناضح ينقل الماء فقط عبر الغشاء ويحد الغشاء من انتشار المواد المذابة في الماء. التناضح هو حالة خاصة من الانتشار. ينتقل الماء، مثل المواد الأخرى، من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. تخيل كوبًا بغشاء شبه منفذ يفصل بين الجانبين أو النصفين (الشكل\(\PageIndex{2}\)). على جانبي الغشاء، يكون مستوى الماء هو نفسه، ولكن هناك تركيزات مختلفة على كل جانب من المادة الذائبة، أو المذابة، التي لا يمكنها عبور الغشاء. إذا كان حجم الماء هو نفسه، ولكن تركيزات المذاب مختلفة، فهناك أيضًا تركيزات مختلفة من الماء، المذيب، على جانبي الغشاء.
مبدأ الانتشار هو أن الجزيئات تتحرك وستنتشر بالتساوي في جميع أنحاء الوسط إذا استطاعت. ومع ذلك، فإن المواد القادرة على عبور الغشاء فقط هي التي ستنتشر من خلاله. في هذا المثال، لا يمكن أن ينتشر المذاب عبر الغشاء، ولكن يمكن أن ينتشر الماء. يحتوي الماء على تدرج تركيز في هذا النظام. لذلك، سوف ينتشر الماء في تدرج تركيزه، ويعبر الغشاء إلى الجانب الذي يكون فيه أقل تركيزًا. سيستمر انتشار الماء عبر الغشاء - التناضح - حتى يصل تدرج تركيز الماء إلى الصفر. يستمر التناضح باستمرار في الأنظمة الحية.
تونيسيتي
تصف السمية كمية المذاب في المحلول. يُطلق على مقياس شدة المحلول، أو إجمالي كمية المواد المذابة في كمية معينة من المحلول، اسم الأسمولية. تُستخدم ثلاثة مصطلحات - منخفضة التوتر ومتساوية التوتر وفرط التوتر - لربط الأسمولية للخلية بأسمولية السائل خارج الخلية الذي يحتوي على الخلايا. في محلول منخفض التوتر، مثل ماء الصنبور، يحتوي السائل خارج الخلية على تركيز أقل من المواد المذابة مقارنة بالسائل الموجود داخل الخلية، ويدخل الماء إلى الخلية. (في الأنظمة الحية، تكون النقطة المرجعية دائمًا هي السيتوبلازم، لذا فإن البادئة hypo - تعني أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة، أو الأسمولية الأقل، مقارنة بالسيتوبلازم الخلوي.) وهذا يعني أيضًا أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أعلى من الماء مقارنة بالخلية. في هذه الحالة، ستتبع المياه تدرج تركيزها وتدخل الخلية. قد يتسبب ذلك في انفجار خلية حيوانية أو تحللها.
في محلول مفرط التوتر (تشير البادئة hyper - إلى السائل خارج الخلية الذي يحتوي على تركيز أعلى من المواد المذابة مقارنة بالسيتوبلازم في الخلية)، يحتوي السائل على كمية أقل من الماء مقارنة بالخلية، مثل مياه البحر. نظرًا لأن الخلية تحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة، فإن الماء سيغادر الخلية. في الواقع، يقوم المذاب بسحب الماء من الخلية. قد يتسبب ذلك في تذبل خلية حيوانية أو إنشائها.
في محلول متساوي التوتر، يكون للسائل خارج الخلية نفس الأسمولية مثل الخلية. إذا كان تركيز المواد المذابة في الخلية يطابق تركيز السائل خارج الخلية، فلن تكون هناك حركة صافية للمياه داخل الخلية أو خارجها. تتخذ خلايا الدم في المحاليل شديدة التوتر ومتساوية التوتر ومنخفضة التوتر مظاهر مميزة (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
آرت كونيكشن
يقوم الطبيب بحقن المريض بما يعتقد الطبيب أنه محلول ملحي متساوي التوتر. يموت المريض، ويكشف تشريح الجثة أن العديد من خلايا الدم الحمراء قد تم تدميرها. هل تعتقد أن المحلول الذي حقنه الطبيب كان متساوي التوتر حقًا؟
تحتوي بعض الكائنات الحية، مثل النباتات والفطريات والبكتيريا وبعض الطفيليات، على جدران خلوية تحيط بغشاء البلازما وتمنع تحلل الخلايا. يمكن أن يتوسع غشاء البلازما فقط إلى حد جدار الخلية، لذلك لن تتحلل الخلية. في الواقع، يكون السيتوبلازم الموجود في النباتات دائمًا مفرط التوتر قليلاً مقارنة بالبيئة الخلوية، وسيدخل الماء دائمًا إلى الخلية إذا كان الماء متاحًا. ينتج عن تدفق الماء ضغط التورم، مما يؤدي إلى تقوية جدران الخلايا في النبات (الشكل\(\PageIndex{4}\)). في النباتات غير الخشبية، يدعم ضغط التورم النبات. إذا أصبحت الخلايا النباتية مفرطة التوتر، كما يحدث في الجفاف أو إذا لم يتم سقي النبات بشكل كافٍ، فسوف يغادر الماء الخلية. تفقد النباتات ضغط التورم في هذه الحالة وتذبل.
ملخص القسم
الأشكال السلبية للنقل والانتشار والتناضح، تنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير. تنتشر المواد من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض، وتستمر هذه العملية حتى يتم توزيع المادة بالتساوي في النظام. في المحاليل المكونة من أكثر من مادة واحدة، ينتشر كل نوع من الجزيئات وفقًا لتدرج التركيز الخاص به. يمكن أن تؤثر العديد من العوامل على معدل الانتشار، بما في ذلك تدرج التركيز، وأحجام الجسيمات المنتشرة، ودرجة حرارة النظام.
في الأنظمة الحية، يتوسط غشاء البلازما انتشار المواد داخل وخارج الخلايا. تنتشر بعض المواد بسهولة عبر الغشاء، ولكن يتم إعاقة البعض الآخر، ولا يمكن مرورها إلا من خلال قنوات البروتين والناقلات. تحدث كيمياء الكائنات الحية في المحاليل المائية، وموازنة تركيزات هذه المحاليل مشكلة مستمرة. في الأنظمة الحية، سيكون انتشار بعض المواد بطيئًا أو صعبًا بدون بروتينات الغشاء.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{3}\): يقوم الطبيب بحقن المريض بما يعتقد أنه محلول ملحي متساوي التوتر. يموت المريض، ويكشف تشريح الجثة أن العديد من خلايا الدم الحمراء قد تم تدميرها. هل تعتقد أن المحلول الذي حقنه الطبيب كان متساوي التوتر حقًا؟
- إجابة
-
لا، لا بد أنه كان يعاني من نقص التوتر، لأن محلول نقص التوتر قد يتسبب في دخول الماء إلى الخلايا، مما يؤدي إلى انفجارها.
مسرد المصطلحات
- تدرج التركيز
- منطقة ذات تركيز عالٍ مقابل منطقة ذات تركيز منخفض
- تعريف
- عملية سلبية لنقل المواد ذات الوزن الجزيئي المنخفض إلى أسفل تدرج تركيزها
- النقل الميسر
- عملية تنتقل بها المادة إلى أسفل تدرج التركيز (من التركيز العالي إلى التركيز المنخفض) باستخدام بروتينات غشائية متكاملة
- مفرط التوتر
- يصف محلولًا يحتوي فيه السائل خارج الخلية على أسمولية أعلى من السائل داخل الخلية
- منخفض التوتر
- يصف المحلول الذي يحتوي فيه السائل خارج الخلية على أسمولية أقل من السائل داخل الخلية
- متساوي التوتر
- يصف محلولًا يكون فيه السائل خارج الخلية نفس الأسمولية مثل السائل داخل الخلية
- الأسمولية
- إجمالي كمية المواد الذائبة في كمية محددة من المحلول
- تناضج
- نقل المياه عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات تركيز مائي مرتفع إلى منطقة ذات تركيز مائي منخفض عبر الغشاء
- النقل السلبي
- طريقة لنقل المواد التي لا تتطلب طاقة
- قابلة للنفاذ بشكل انتقائي
- خاصية الغشاء الذي يسمح لبعض المواد بالمرور دون غيرها
- المذاب
- مادة مذابة في مادة أخرى لتشكيل محلول
- الوهن
- كمية المذاب في المحلول.