Difuziune și transport pasiv

Ai trecut de curând prin securitatea de la aeroport? Dacă da, probabil ai observat că este proiectată astfel încât să permită intrarea unor lucruri (precum pasagerii cu bilete) și să le-o interzică altora (arme, explozibili și apă la sticlă). Însoțitorii de zbor, piloții și personalul aeroportului se deplasează rapid prin canale speciale, în timp ce pasagerii obișnuiți se deplasează mai încet, așteptând uneori la cozi lungi.

Din multe puncte de vedere, securitatea din aeroport se aseamănă cu membrana plasmatică a unei celule. Membranele celulare sunt permeabile selectiv, reglementând ce cantitate din fiecare substanță poate intra sau ieși în fiecare moment. Permeabilitatea selectivă este esențială pentru abilitatea celulelor de a obține nutrienți, a elimina deșeuri și a menține un mediu interior stabil diferit de cel al împrejurimilor (menținerea homeostaziei).

Cele mai simple forme de transport prin membrană sunt pasive. Transportul pasiv nu necesită ca celula să cheltuiască energie și implică o substanță care difuzează în sensul gradientul său de concentrație prin membrană. Un gradient de concentrație este doar o zonă a spațiului în care se schimbă concentrația unei substanțe, iar substanțele se deplasează în mod natural în sensul gradientului, de la o concentrație mai mare la o concentrație mai mică.

În celule, unele molecule se pot deplasa în sensul gradientului de concentrație trecând direct prin porțiunea de lipide a membranei, în timp ce altele trebuie să treacă prin proteine membranare, într-un proces numit difuziunea facilitată. Mai departe, vom discuta în detaliu permeabilitatea membranei și tipurile diferite de transport pasiv.

Fosfolipidele din membrana plasmatică sunt amfipatice: au regiuni hidrofile (iubitoare de apă) și regiuni hidrofobe (speriate de apă). Centrul hidrofob al membranei plasmatice ajută unele materiale să se deplaseze prin membrană, iar altora le blochează trecerea.

Moleculele polare și cu sarcină electrică au mari probleme la traversarea membranei. Moleculele polare pot interacționa cu ușurință cu fața externă a membranei, unde se găsesc grupările cu sarcină negativă, dar au dificultăți la trecerea prin centrul hidrofob. De exemplu, moleculele de apă nu pot traversa rapid membrana (în ciuda dimensiunii lor mici și sarcinii electrice slabe).

Mai mult, în timp ce ionii mici au mărimea potrivită pentru a trece prin membrană, sarcoma lor electrică îi împiedică să facă acest lucru. Aceasta înseamnă că ionii precum sodiul, potasiul, calciul și clorul nu pot traversa într-o cantitate semnificativă membranele printr-o simplă difuziune, și trebuie să fie transportați de proteine specializate (cum vom prezenta mai târziu). Moleculele mai mari polare și cu sarcină electrică, cum ar fi glucoza și aminoacizii, au nevoie, de asemenea, de ajutor din partea proteinelor pentru a traversa eficient membrana.

În procesul de difuziune, o substanță tinde să se deplaseze de la o zonă cu concentrație mare la o zonă cu concentrație mai mică, până când concentrația sa devine omogenă într-un spațiu dat. De exemplu, gândește-te la cineva care deschide, pentru curățenie, un flacon de amoniac, în mijlocul unei camere. Moleculele de amoniac vor fi inițial concentrate în locul în care persoana a deschis flaconul, cu puține molecule sau chiar deloc către marginile camerei. Treptat, moleculele de amoniac se vor difuza, sau răspândi, tot mai departe de locul în care au fost eliberate, iar, în cele din urmă, vei putea mirosi amoniacul la marginile camerei. În final, în cazul în care flaconul este acoperit cu capacul și camera este închisă, moleculele de amoniac vor fi distribuite uniform în întregul volum al camerei.

Acest fenomen se va produce în cazul moleculelor de orice tip: ele tind să se deplaseze dintr-o zonă în care sunt mai concentrate spre o zonă în care sunt mai puțin concentrate. Pentru a înțelege acest lucru, imaginează-ți că există o zonă în care moleculele sunt mai concentrate (cum ar fi locul în care, de curând, a fost deschis amoniacul) și o zonă în care sunt mai puțin concentrate (camera înconjurătoare). Deoarece există o mulțime de molecule de amoniac în zona concentrată, este destul de probabil să se deplaseze de acolo în zona neconcentrată. Dar din moment ce există câteva molecule de amoniac în zona neconcentrată, este destul de improbabil să se întâmple mișcarea inversă.

Astfel, în timp, deplasarea moleculelor va fi realizată din zona mai concentrată spre zona mai puțin concentrată, până când concentrațiile devin egale (moment în care este la fel de probabil ca o moleculă să se deplaseze în oricare dintre direcții). Acest proces nu necesită niciun consum de energie; de fapt, un gradient de concentrație este în sine o formă de energie stocată (potențială), iar această energie este folosită pentru egalizarea concentrațiilor.

Moleculele se pot mișca prin citosolul celulei prin intermediul difuziunii, iar unele molecule difuzează prin membrana plasmatică (după cum este ilustrat în imaginea de mai sus). Fiecare substanță individuală dintr-o soluție sau spațiu își are propriul gradient de concentrație, independent de gradienții de concentrație ai altor substanțe și va difuza conform acestui gradient. Alți factori fiind egali, un gradient de concentrație mai puternic (diferență mai mare între zone) duce la o difuziune mai rapidă. Deci, într-o singură celulă pot exista grade și direcții diferite de difuziune pentru molecule diferite. De exemplu, oxigenul poate intra în celulă prin difuziune, în același timp, dioxidul de carbon ar putea ieși conform gradientul său de concentrație.

Unele molecule, precum dioxidul de carbon și oxigenul, pot difuza direct prin membrana plasmatică, dar altele au nevoie de ajutor pentru a putea traversa centrul hidrofob. În difuziunea facilitată, moleculele difuzează prin membrana plasmatică, cu ajutorul proteinelor membranare, precum proteinele canal sau transportori.

Pentru aceste molecule, există un gradient de concentrație, deci au potențialul de a difuza în (sau din) celulă, scăzând acest gradient. Cu toate acestea, deoarece sunt polarizate sau încărcate, ele nu pot traversa partea fosfolipidă a membranei fără ajutor. Proteinele de transport facilitat protejează aceste molecule de centrul hidrofob al membranei, asigurând o cale prin care acestea să poată traversa. Două mari clase de proteine de transport facilitat sunt proteinele transportoare și canal.

Proteinele canal traversează membrana și creează tuneluri hidrofile prin ea, permițând moleculelor specifice să treacă prin difuziune. Canalele sunt foarte selective și vor accepta un singur tip de moleculă (sau câteva molecule strâns înrudite) pentru transport. Trecerea printr-o proteină canal permite compușilor cu sarcină electrică să evite centrul hidrofob al membranei plasmatice, care, altfel, le-ar încetini sau bloca intrarea în celulă.

Aquaporinele sunt proteine canal care permit apei să traverseze foarte rapid membrana și joacă roluri importante în celulele vegetale, globulele roșii și anumite părți ale rinichilor (unde minimizează cantitatea de apă pierdută sub formă de urină).

Unele proteine canal sunt deschise tot timpul, dar altele sunt „închise”, canalul având o poartă care se poate deschide sau închide ca răspuns la un anumit semnal (cum ar fi un semnal electric sau prin atașarea unei molecule). Celulele excitabile, cum ar fi celulele nervoase și musculare, au canale pentru ionii de sodiu, potasiu și calciu. Deschiderea și închiderea acestor canale, precum și schimbările concentrației ionilor din interiorul celulei, joacă un rol important în transmiterea impulsului nervos de-a lungul membranelor (în celulele nervoase) și în contracția musculară (în cazul celulelor musculare).

O altă clasă de proteine transmembranare implicate în difuziunea facilitată este reprezentată de proteinele transportatoare. Proteinele transportatoare își pot schimba forma și pot muta o anumită moleculă de pe o parte a membranei pe cealaltă.

Ca proteinele canal, proteinele transportatoare sunt, de obicei, specifice pentru una sau câteva substanțe. Adesea, își vor schimba forma ca răspuns la legarea moleculei țintă, schimbarea formei deplasând molecula spre partea opusă a membranei. Proteinele transportatoare implicate în difuziunea facilitată furnizează pur și simplu moleculelor hidrofile un mod de deplasare în sensul gradientului de concentrație existent (mai degrabă decât să acționeze ca niște pompe).

Proteinele transportatoare și canal transportă materialul cu viteze diferite. În general, proteinele canal transportă moleculele mult mai repede decât proteinele transportatoare. Aceasta se întâmplă deoarece proteinele canal sunt tuneluri simple; spre deosebire de proteinele transportoare, acestea nu trebuie să își schimbe forma și să se „reseteze” de fiecare dată când mută o moleculă. O proteină canal tipică poate facilita difuziunea cu o rată de zeci de milioane de molecule pe secundă, în timp ce o proteină transportatoare ar putea funcționa cu o viteză de aproximativ o mie de molecule pe secundă${}^1$‍.