การขนส่งแบบพาสซีฟคืออะไร? การเคลื่อนที่ของเมมเบรนของสารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ ส่วนประกอบของเซลล์ อนุภาคซูปราโมเลคิวลาร์ที่ไม่สามารถทะลุผ่านช่องในเมมเบรนได้ จะดำเนินการผ่านกลไกพิเศษ เช่น การใช้ฟาโกไซโทซิส พิโนไซโทซิส เอ็กโซไซโทซิส ถ่ายโอนผ่านช่องว่างระหว่างเซลล์ นั่นคือการเคลื่อนที่ของสารผ่านเมมเบรนสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้กลไกต่าง ๆ ซึ่งแบ่งตามสัญญาณของการมีส่วนร่วมของผู้ให้บริการเฉพาะในนั้นรวมถึงการใช้พลังงาน นักวิทยาศาสตร์แบ่งการขนส่งของสารออกเป็น Active และ Passive
รูปแบบการเดินทางหลัก
การขนส่งแบบพาสซีฟคือการถ่ายโอนสารผ่านเมมเบรนชีวภาพตามแนวลาด (ออสโมติก ความเข้มข้น อุทกพลศาสตร์ และอื่นๆ) ซึ่งไม่ต้องการการใช้พลังงาน
การขนส่งแบบแอกทีฟคือการถ่ายโอนสารผ่านเมมเบรนชีวภาพกับเกรเดียนต์ โดยที่พลังงานถูกบริโภค พลังงานประมาณ 30 - 40% ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมในร่างกายมนุษย์นั้นถูกใช้ไปกับการขนส่งสารที่ใช้งาน หากเราพิจารณาถึงการทำงานของไตของมนุษย์ ออกซิเจนที่บริโภคไปประมาณ 70 - 80% จะถูกนำไปใช้ในการขนส่งอย่างกระฉับกระเฉง
ขนส่งสารแบบพาสซีฟ
มันเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนสารต่าง ๆ ผ่านเยื่อหุ้มชีวภาพตามการไล่ระดับสีที่หลากหลาย การไล่ระดับสีเหล่านี้สามารถเป็น:
- ไล่ระดับศักย์ไฟฟ้าเคมี
- ไล่ระดับความเข้มข้นของสาร
- ไล่ระดับสนามไฟฟ้า
- ไล่ระดับแรงดันออสโมติกและอื่นๆ
กระบวนการขนส่งแบบพาสซีฟไม่ต้องการการใช้พลังงานใดๆ มันสามารถเกิดขึ้นได้โดยการอำนวยความสะดวกและการแพร่กระจายอย่างง่าย ดังที่เราทราบ การแพร่เป็นการเคลื่อนที่ที่อลหม่านของโมเลกุลของสารในสื่อต่างๆ ซึ่งเกิดจากพลังงานของการสั่นสะเทือนทางความร้อนของสาร
หากอนุภาคของสารเป็นกลางทางไฟฟ้า ทิศทางที่การแพร่กระจายจะเกิดขึ้นนั้นพิจารณาจากความแตกต่างในความเข้มข้นของสารที่มีอยู่ในสื่อที่แยกจากเมมเบรน ตัวอย่างเช่น ระหว่างส่วนต่างๆ ของเซลล์ ภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ หากอนุภาคของสาร ไอออนของสารมีประจุไฟฟ้า การแพร่กระจายจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความเข้มข้นไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับขนาดของประจุของสารที่กำหนด การมีอยู่และสัญญาณของประจุที่ทั้งสองด้านของเมมเบรน. ขนาดของเกรเดียนต์เคมีไฟฟ้าถูกกำหนดโดยผลรวมเชิงพีชคณิตของการไล่ระดับความเข้มข้นทางไฟฟ้าและข้ามเมมเบรน
อะไรให้การขนส่งข้ามเมมเบรน
การขนส่งเมมเบรนแบบพาสซีฟเป็นไปได้เนื่องจากการไล่ระดับความเข้มข้นของสาร แรงดันออสโมติกที่เกิดขึ้นระหว่างด้านต่างๆ ของเยื่อหุ้มเซลล์หรือประจุไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ระดับเฉลี่ยของไอออน Na+ ที่มีอยู่ในเลือดคือประมาณ 140 mM/l และเนื้อหาในเม็ดเลือดแดงสูงกว่าประมาณ 12 เท่า การไล่ระดับดังกล่าวซึ่งแสดงออกถึงความแตกต่างของความเข้มข้น สามารถสร้างแรงผลักดันที่ทำให้การถ่ายโอนโมเลกุลโซเดียมไปยังเซลล์เม็ดเลือดแดงจากพลาสมาในเลือด
ควรสังเกตว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวต่ำมากเนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์มีลักษณะเฉพาะด้วยการซึมผ่านต่ำสำหรับไอออนของสารนี้ เมมเบรนนี้มีการซึมผ่านได้ดีกว่ามากเมื่อเทียบกับโพแทสเซียมไอออน พลังงานของการเผาผลาญของเซลล์ไม่ได้ถูกใช้เพื่อทำให้กระบวนการแพร่แบบง่ายสมบูรณ์
อัตราการแพร่
การขนส่งของสารผ่านเมมเบรนแบบแอคทีฟและพาสซีฟนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยอัตราการแพร่ สามารถอธิบายได้โดยใช้สมการของฟิค: dm/dt=-kSΔC/x.
ในกรณีนี้ dm/dt คือปริมาณของสารที่กระจายตัวในหนึ่งหน่วยของเวลา และ k คือสัมประสิทธิ์ของกระบวนการแพร่ ซึ่งกำหนดลักษณะการซึมผ่านของไบโอเมมเบรนสำหรับสารที่กระจายตัว S เท่ากับพื้นที่ที่เกิดการแพร่กระจาย และ ΔC แสดงความแตกต่างความเข้มข้นของสารจากด้านต่างๆ ของเมมเบรนชีวภาพ ในขณะที่ x เป็นตัวกำหนดระยะห่างระหว่างจุดแพร่กระจาย
เห็นได้ชัดว่าสารที่กระจายพร้อมกันตามไล่ระดับความเข้มข้นและสนามไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนได้ง่ายที่สุด เงื่อนไขที่สำคัญสำหรับการแพร่กระจายของสารผ่านเมมเบรนคือคุณสมบัติทางกายภาพของเมมเบรนเอง การซึมผ่านของสารนั้นสำหรับสารเฉพาะแต่ละชนิด
เนื่องจาก bilayer ของเมมเบรนเกิดจากอนุมูลไฮโดรคาร์บอนของฟอสโฟลิปิดที่มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ สารที่มีลักษณะไม่ชอบน้ำจึงแพร่กระจายผ่านได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งนี้ใช้กับสารที่ละลายได้ง่ายในไขมัน เช่น ไทรอยด์และฮอร์โมนสเตียรอยด์ รวมถึงสารเสพติดบางชนิด
แร่ไอออนและสารน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่มีลักษณะชอบน้ำในธรรมชาติจะกระจายผ่านช่องไอออนของเมมเบรนแบบพาสซีฟซึ่งเกิดขึ้นจากโมเลกุลโปรตีนที่สร้างช่องสัญญาณ และบางครั้งผ่านเยื่อที่บรรจุข้อบกพร่องของโมเลกุลฟอสโฟลิปิดที่เกิดขึ้นในเยื่อหุ้มเซลล์เป็น ผลจากความร้อนผันผวน
การขนส่งแบบพาสซีฟผ่านเมมเบรนเป็นกระบวนการที่น่าสนใจมาก หากสภาวะปกติ สารจำนวนมากสามารถทะลุผ่านเมมเบรนแบบไบเลเยอร์ได้ก็ต่อเมื่อไม่มีขั้วและมีขนาดเล็ก มิฉะนั้น การถ่ายโอนจะเกิดขึ้นผ่านโปรตีนตัวพา กระบวนการที่คล้ายกันที่เกี่ยวข้องกับโปรตีนตัวพาไม่ได้เรียกว่าการแพร่กระจาย แต่เป็นการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
อำนวยความสะดวกในการแพร่กระจาย
การแพร่แบบอำนวยความสะดวก เช่น การแพร่แบบธรรมดา เกิดขึ้นตามไล่ระดับความเข้มข้นของสาร ความแตกต่างที่สำคัญคือโมเลกุลโปรตีนพิเศษที่เรียกว่าพาหะมีส่วนร่วมในกระบวนการถ่ายโอนสาร
Facilitated diffusion คือการถ่ายโอนโมเลกุลของสารแบบพาสซีฟผ่านไบโอเมมเบรน ไล่ระดับความเข้มข้นโดยใช้ตัวพา
เปลี่ยนสถานะโปรตีน
โปรตีนพาหะสามารถอยู่ในสถานะโครงสร้างได้ 2 แบบ ตัวอย่างเช่น ในสถานะ A โปรตีนนี้อาจมีความเกี่ยวพันกับสารที่มันมีอยู่ ตำแหน่งที่ยึดกับสารจะถูกหันเข้าด้านใน เนื่องจากการที่รูพรุนเกิดขึ้นซึ่งเปิดที่ด้านหนึ่งของเมมเบรน
หลังจากที่โปรตีนจับกับสารที่ถ่ายโอนแล้ว โครงสร้างของโปรตีนจะเปลี่ยนไปและผ่านเข้าสู่สถานะ B ด้วยการเปลี่ยนแปลงนี้ ตัวพาจะสูญเสียความสัมพันธ์ที่มีต่อสารนี้ จากการเชื่อมต่อกับตัวพาจะถูกปล่อยออกมาและเคลื่อนไปที่รูพรุนที่อยู่อีกด้านหนึ่งของเมมเบรน หลังจากที่ถ่ายโอนสารแล้ว โปรตีนพาหะจะเปลี่ยนรูปแบบอีกครั้ง โดยกลับสู่สถานะ A การลำเลียงสารข้ามเยื่อหุ้มเซลล์นี้เรียกว่า uniport
ความเร็วการแพร่กระจายที่สะดวก
สารที่มีน้ำหนักโมเลกุลขนาดเล็กเช่นกลูโคสสามารถขนส่งผ่านได้เมมเบรนผ่านการอำนวยความสะดวกในการแพร่กระจาย การขนส่งดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้จากเลือดไปยังสมอง ไปยังเซลล์จากช่องว่างคั่นระหว่างหน้า อัตราการถ่ายโอนของสสารด้วยการแพร่กระจายประเภทนี้สามารถเข้าถึงได้ถึง 108 อนุภาคผ่านช่องทางในหนึ่งวินาที
ดังที่เราทราบแล้ว อัตราการขนส่งสารแบบแอคทีฟและพาสซีฟในการแพร่แบบง่ายเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างในความเข้มข้นของสารที่ทั้งสองด้านของเมมเบรน ในกรณีของการแพร่กระจายที่สะดวก อัตรานี้จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความแตกต่างที่เพิ่มขึ้นในความเข้มข้นของสารจนถึงค่าสูงสุดที่แน่นอน ค่าที่สูงกว่านี้ อัตราจะไม่เพิ่มขึ้น แม้ว่าความแตกต่างของความเข้มข้นจากด้านต่างๆ ของเมมเบรนจะยังคงเพิ่มขึ้น ความสำเร็จของอัตราสูงสุดดังกล่าวในกระบวนการอำนวยความสะดวกในการแพร่กระจายสามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าอัตราสูงสุดแสดงถึงการมีส่วนร่วมของโปรตีนพาหะที่มีอยู่ทั้งหมดในกระบวนการถ่ายโอน
การขนส่งแบบแอคทีฟและพาสซีฟข้ามเยื่อมีแนวคิดอะไรอีกบ้าง
การแพร่กระจายของการแลกเปลี่ยน
การขนส่งโมเลกุลของสารชนิดนี้ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์มีลักษณะเฉพาะโดยข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลของสารเดียวกันที่อยู่ด้านต่างๆ ของเมมเบรนชีวภาพมีส่วนร่วมในการแลกเปลี่ยน ควรสังเกตว่าด้วยการขนส่งสารดังกล่าว ความเข้มข้นของโมเลกุลทั้งสองด้านของเมมเบรนจะไม่เปลี่ยนแปลงเลย
ประเภทการแลกเปลี่ยน
การแพร่กระจายของการแลกเปลี่ยนรูปแบบหนึ่งคือการแลกเปลี่ยนที่โมเลกุลของสารหนึ่งถูกแลกเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของสารอื่นตั้งแต่สองโมเลกุลขึ้นไป ตัวอย่างเช่น วิธีหนึ่งที่แคลเซียมไอออนบวกจะถูกลบออกจากเซลล์กล้ามเนื้อเรียบของหลอดลมและหลอดเลือดจาก myocytes ที่หดตัวของหัวใจคือการแลกเปลี่ยนโซเดียมไอออนที่อยู่นอกเซลล์ ในกรณีนี้โซเดียมไอออนหนึ่งตัวจะถูกแลกเปลี่ยนเป็นแคลเซียมไอออนสามตัว ดังนั้นจึงมีการเคลื่อนที่ของโซเดียมและแคลเซียมผ่านเมมเบรนซึ่งต้องพึ่งพาอาศัยกัน การขนส่งแบบพาสซีฟประเภทนี้ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เรียกว่าแอนติพอร์ต ด้วยวิธีนี้เซลล์สามารถกำจัดแคลเซียมไอออนซึ่งมีอยู่มากเกินไป กระบวนการนี้จำเป็นสำหรับ myocytes และ cardiomyocytes ที่ราบรื่นเพื่อผ่อนคลาย
บทความนี้ตรวจสอบการขนส่งสารผ่านเมมเบรนทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟ
