انتقال مواد از غشای سلول | به زبان ساده

همانطور که در فصل اول زیست دهم خواندیم، سلول‌ها توسط ساختاری به نام غشا از محیط اطراف خود جدا شده‌اند. اما این واحدهای میکروسکوپیِ زنده برای ادامه حیات نیاز دارند تا به‌طور مداوم با محیط اطراف خود ارتباط برقرار کنند؛ مواد ضروری را از محیط پیرامون دریافت کرده و مواد زائد را به آن انتقال دهند. حال برای آن‌که این امر ممکن شود، مولکول‌های گوناگون نیاز دارند که از غشای پلاسمایی عبور کنند. جالب است بدانید که این فرآیند به شکل‌های متفاوتی انجام می‌شود که در این مطلب قصد داریم تا پس از بیان مقدمه‌ای کوتاه درباره‌ی غشای سلولی ، به توضیح هر یک بپردازیم.

در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا بیشتر با انواع مدل‌های عبور مواد از غشای سلول آشنا شویم.

مطلب مرتبط: نگاهی بر انواع سلول ، سازندگان حیات

مروری بر غشای سلول

غشای سلولی که نام دیگر آن در منابع گوناگون، غشای پلاسمایی است، سلول را به طور کامل احاطه کرده و به صورت یک سد نیمه نفوذپذیر، آن را از محیط اطراف جدا می کند. که همین امر سبب می شود تا این موجودات زنده‌ی میکرونی به عنوان واحدهای تخصصی حیات در نظر گرفته شوند.

غشا از محتویات سیتوزول در برابر محیط محافظت کرده و به حفظ تعادل سلول با محیط اطراف آن کمک می‌کند. همچنین غشا، سلول را از ترکیبات سمی اطراف دور نگه داشته و ترکیبات ضروری داخل سلولی را حفظ می‌کند.

ساختار و ترکیبات غشا در تمام سلول‌ها تقریباً مشابه است. غشا، ترکیبات و مولکول‌های مختلفی در ساختار خود دارد که اصلی‌ترین سازنده آن، فسفولیپیدها هستند که در سرتاسر غشای سلولی قرار گرفته‌اند.

فسفولیپیدها یک سر آبدوست و یک دم آبگریز دارند و در غشا ساختار دولایه را ایجاد می‌کنند. به این صورت که سرهای آبدوست در کنار هم و دم های آبگریز به سمت یکدیگر قرار می‌گیرند. این دولایه فسفولیپیدی تعیین می‌کند که چه مولکول‌هایی می‌توانند به سلول وارد یا از آن خارج شوند و تا حد زیادی مسئول حفظ هموستاز هر سلول است.

علاوه بر لیپیدها، غشا دارای پروتئین‌هایی است که عملکردهای مهمی را از جمله در فرآیند انتقال سلولی برعهده دارند. در ادامه بیشتر پروتئین‌های غشایی را بررسی می‌کنیم.

پروتئین‌های غشایی

علاوه بر فسفولیپیدها، غشای سلولی دارای مولکول‌های پروتئینی نیز می‌باشد. پروتئین‌های غشایی در دو گروه پروتئین‌های محیطی و پروتئین‌های درونی طبقه‌بندی می‌شوند:

پروتئین‌های محیطی در سطح خارجی غشا قرار گرفته‌اند و با فسفولیپیدها یا سایر پروتئین‌های غشا اتصال برقرار می‌کنند.

پروتئین‌های درونی، داخل غشا قرار گرفته‌اند. اغلب آن‌ها به صورت سرتاسری هستند و در تمام طول غشا با دم‌های آبگریز فسفولیپیدها اتصال برقرار می‌کنند.

جالب است بدانید، که پروتئین‌های غشایی به ویژه پروتئین‌های درونی، ممکن است به‌عنوان کانالی برای انتقال مواد از عرض غشا عمل کنند.

از جمله کانال‌های پروتئینی غشا، کانال‌های یونی هستند که به یون‌ها اجازه می‌دهند به داخل یا خارج از سلول حرکت کنند. به این ترتیب، کانال‌های یونی را می‌توان در 3 گروه دسته بندی کرد:

1- کانال‌های نشتی

ساده‌ترین نوع کانال یونی هستند. این نوع کانال دارای نفوذپذیری کم و بیش ثابتی است.

2- کانال‌های دریچه دار

گروهی از کانال‌های یونی هستند که در پاسخ به اتصال یک پیام رسان شیمیایی (لیگاند)، مانند یک انتقال دهنده عصبی، باز یا بسته می‌شوند.

3- پمپ‌ها

پروتئین‌های غشایی حیاتی هستند که انتقال مواد را با استفاده از انرژی سلولی (ATP) انجام می‌دهند. در این حالت یون‌ها برخلاف گرادیان غلظتشان پمپ می‌شوند.

بعد از مرور ساختار غشا، در بخش بعدی با انواع روش‌های انتقال از عرض غشای سلول آشنا می‌شویم.

روش‌های انتقال مواد از غشای سلول

• انتشار ساده (Simple Diffusion)
• انتشار تسهیل شده (Facilitated Diffusion)
• انتقال فعال (Active Transport)

انتشار ساده

هرگونه عدم تعادل در غلظت را گرادیان یا شیب غلظت می‌گویند. انتشار، به معنی حرکت ذرات به سمت شیب یا گرادیان غلظت آن‌ها است؛ یعنی ذرات تمایل دارند از جایی که غلظت‌شان بیشتر است به جایی که غلظت آن‌ها کمتر است، حرکت کنند.

حرکت به سمت گرادیان کمتر به این معنی است که ذره سعی می‌کند به طور مساوی در همه جا توزیع شود، مانند ریختن رنگ خوراکی در آب. این حرکت را اصطلاحاً “سرازیری” می‌نامند و نیازی به انرژی ندارد. به عنوان مثال آب به راحتی می‌تواند از غشای سلولی با انتشار عبور کند. به طور دقیق‌تر، انتشار ساده حرکت مولکول‌ها در جهت شیب یا گرادیان غلظت خود از طریق غشای سلول است.

عوامل موثر بر انتشار ساده

1- مولکول‌هایی که انتشار ساده را انجام می‌دهند، باید کوچک و ناقطبی باشند تا از غشا عبور کنند.

2- مسافت انتشار مولکول مهم است، در صورت افزایش فاصله یا مسافت انتشار ممکن است انتشار ساده مختل شود.

انتشار تسهیل شده

انتشار تسهیل شده، نوعی از انتشار است که با کمک یک کانال انتقال غشایی انجام می‌شود و در واقع به وسیله این کانال‌ها، انتشار تسهیل می‌گردد.

این کانال‌ها، گلیکوپروتئین‌هایی هستند که به مولکول‌ها اجازه عبور از غشا را می‌دهند. این کانال‌ها اغلب برای انتقال دادن یک مولکول خاص یا یک نوع خاصی از مولکول هستند، بنابراین هر یک از آن‌ها با عملکردهای فیزیولوژیکی خاصی مرتبط می‌باشند.

انتقال فعال

گاهی اوقات بدن نیاز دارد که مولکول‌ها را برخلاف شیب غلظت آن‌ها حرکت دهد. این نوع جابجایی اصطلاحاً حرکت “سربالایی” شناخته می‌شود و نیاز به تأمین انرژی از سلول دارد.

یک مثال از این نوع انتقال، در نوعی پمپ به نام پمپ سدیم پتاسیم (Na⁺/K⁺ ATPase) دیده می‌شود. این پروتئین انتقالی، از انرژی آزاد شده بواسطه هیدرولیز ATP (آدنوزین تری فسفات) برای پمپاژ 3 یون سدیم به خارج و 2 یون پتاسیم به داخل سلول، استفاده می‌کند. گفتنی است که ATP یک مولکول انرژی است و هنگامی که هیدرولیز آن اتفاق می‌افتد، تجزیه می‌شود تا انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی آن آزاد شود.

این در حالی است که غلظت سدیم در خارج سلول از غلظت آن در داخل بیشتر است و همچنین غلظت پتاسیم در داخل سلول بیشتر از غلظت آن در خارج سلول است. این نوع انتقال در خلاف جهت شیب غلظت آن‌ها انجام می‌پذیرد.

فرآیند انتقال فعال را می‌توان در دو گروه طبقه بندی کرد:

انتقال فعال اولیه

انتقالی که مستقیماً از ATP برای انرژی استفاده می‌کند، انتقال فعال اولیه در نظر گرفته می‌شود. از آن‌جایی که این نوع نقل و انتقالات، از نظر انرژی بسیار پرهزینه‌اند، نسبتا کمیاب هستند. مثلاً در پمپ سدیم پتاسیم، حرکت سدیم از غلظت 10 میلی‌مولار به 145 میلی‌مولار نوعی انتقال فعال اولیه با صرف انرژی است. همچنین غلظت درون سلولی و خارج سلولی پتاسیم به ترتیب 140 میلی‌مولار و 5 میلی‌مولار است. با این حال پتاسیم با صرف انرژی وارد می‌شود.

یک مثال دیگر از انتقال فعال اولیه و مصرف ATP، مبدل پروتون/پتاسیم (H⁺/K⁺ ATPase) موجود در معده است. این پمپ‌های پروتون، مسئول ایجاد محیط اسیدی معده هستند و می‌توانند باعث رفلاکس اسید شوند.

انتقال فعال ثانویه

انتقال فعال ثانویه، چندین مولکول را از عرض غشا عبور می‌دهد و حرکت سربالایی یک مولکول را با حرکت سرازیری دیگری هماهنگ می‌کند.

به عنوان مثال، SGLT2 یک انتقال‌دهنده گلوکز است که با وارد کردن یک مولکول سدیم، به طور همزمان به گلوکز اجازه می‌دهد تا به درون سلول‌ها (بر خلاف گرادیان آن) وارد شود.

سدیم تمایل دارد به داخل سلول نفوذ کند، انرژی آزاد شده توسط حرکت در جهت شیب غلظت آن، برای نیرو دادن به گلوکز برای ورود به سلول کافی است.

انواع انتقال فعال

یونیپورتر (Uniporter)

اگر یک مولکول در یک جهت حرکت کند، این انتقال به عنوان یونیپورت شناخته خواهد شد.

سیمپورتر (Symporter)

اگر هر دو مولکول در یک جهت حرکت کنند، این انتقال به عنوان سیمپورت یا انتقال در یک جهت شناخته می‌شود.

آنتی‌پورتر (Antiporter)

پروتئین‌هایی که به مولکول‌ها اجازه می‌دهند در جهت‌های مخالف هم حرکت کنند، آنتی‌پورتر هستند.

سایر موارد انتشار و انتقال مواد از غشای سلول

باقی انواع انتشار از عرض غشای سلول شامل موارد زیر هستند:

اندوسیتوز

مولکول‌های بزرگتر یا مواد بزرگ مایع خارج سلولی از طریق فرآیند اندوسیتوز وارد سلول می‌شوند. سلول از بخش پروتئینی غشای خود استفاده می‌کند تا غشا را به شکل یک وزیکول جمع کند. وزیکول تشکیل شده در اطراف مولکول‌های بزرگتر وارد سلول می‌شود و وقتی مولکول‌های بزرگ کاملا محاصره شدند، اتصال وزیکول با غشا قطع شده و تمامی این تشکیلات (مولکول‌های بزرگ + وزیکول) به داخل سیتوپلاسم می‌افتند. سرنوشت این وزیکول بسته به نوع ماده‌ای که در خود دارد می‌تواند متفاوت باشد.

اگزوسیتوز

فرآیند اگزوسیتوز برعکس اندوسیتوز است. عبور وزیکول ساخته شده در داخل سلول به خارج از غشای سلولی به نام اگزوسیتوز شناخته می‌شود. اگزوسیتوز معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که سلول‌های یوکاریوتی نیاز به خارج کردن یک مولکول، آنزیم و هورمون به بیرون دارند.

 یکی از مثال‌های این انتقال، مبدل سدیم/کلسیم است که برای بازیابی غلظت کلسیم سلول‌های قلب، پس از پتانسیل عمل استفاده می‌شود. هجوم کلسیم باعث انقباض قلب می‌شود و آنتی‌پورتر، کلسیم را در خلاف شیب غلظت خود به بیرون هل می‌دهد، در حالی که یون سدیم را وارد می‌کند تا سلول‌های قلبی به حالت آرامش برسند.

جدول زیر به طور خلاصه انواع نقل و انتقال از عرض غشای سلولی را با یکدیگر مقایسه می‌کند:

جمع‌بندی

همانطور که اشاره شد، سلول توسط غشای پلاسمایی از محیط پیرامون خود جدا می‌شود، اما برای ادامه حیات نیاز دارد مواد زائد را به محیط دفع کرده، مواد ضروری را از محیط خارج سلولی دریافت و با محیط اطراف جهت حفظ همئوستازی خود، ارتباط برقرار کند. به همین منظور مولکول‌ها و ذرات می‌توانند طی فرآیندی به نام انتقال از غشا، به سلول وارد یا از آن خارج شوند. همچنین آموختیم، انتقال از عرض غشای سلولی یک فرآیند کاملاً تنظیم شده است، زیرا عملکرد سلول شدیدا به حفظ غلظت دقیق مولکول‌های مختلف وابسته است. هنگامی که یک مولکول در جهت شیب غلظت خود حرکت می‌کند، در واقع با انتقال غیرفعال یا همان انتشار منتقل شده است در حالی‌که حرکت در خلاف شیب غلظت نیاز به انرژی دارد که توسط انتقال فعال این اتفاق می‌افتد.