Diffuziya va passiv transport

Siz aeroportda yoʻlovchilarni oʻtkazishdagi xavfsizlik tizimini bilasizmi? Agar bilsangiz, aeroportda faqat chiptasi bor insonlargagina baʼzi bir taqiqlangan buyumlarsiz (misol uchun, qurol-yaroqlar, portlovchi moddalar va biror-bir idishda suv) samolyotga oʻtirishga ruxsat beriladi. Samolyot kapitani, bort kuzatuvchilari va aeroport xizmatchilari uchun alohida yoʻlaklar bor hamda ular bemalol ushbu maxsus yoʻlaklar orqali kerakli joyga tezda oʻta oladi. Oddiy yoʻlovchilar esa sekinlik bilan uzundan uzun navbatlarda turib oʻtadi.

Hujayraning plazmatik membranasi ham aeroportda yoʻlovchilarni oʻtkazuvchi xavfsizlik tizimiga oʻxshaydi. Hujayra membranasining tanlab oʻtkazish xususiyati mavjud. Bu xususiyat orqali plazmatik membrana maʼlum bir vaqt ichida hujayraga kiruvchi va chiquvchi moddaning turiga qarab uning miqdorini boshqaradi. Tanlab oʻtkazuvchanlikning asosiy vazifasi hujayralarning ozuqa moddalarini qabul qilish, chiqindi moddalarni tashqariga chiqarish va atrof-muhitdagi turli sharoitlarga qaramasdan barqaror ichki muhit (gomeostaz) saqlanishini taʼminlashdir.

Membrana orqali moddalar tashilishining eng oddiy shakli passiv transportdir. Passiv transport hujayradan hech qanday energiya sarflashni talab qilmaydi va moddalar membrananing ikki tarafidagi konsentratsiya gradiyenti hisobiga tashiladi. Konsentratsiya gradiyenti – bu biror-bir modda molekulalarining tabiiy ravishda konsentratsiya yuqori joydan konsentratsiya kam joyga tarqaladigan, modda konsentratsiyasi oʻzgaradigan joydir.

Hujayrada ayrim molekulalar toʻgʻridan toʻgʻri membrananing lipid qavatini kesib oʻtish orqali konsentratsiya gradiyentini tushirsa, baʼzilari yengillashgan diffuziya deb nomlanuvchi jarayon orqali membranadagi oqsillar yordamida oʻtishi mumkin. Quyida biz membrananing oʻtkazuvchanligi va passiv transportning turli usullarini batafsil koʻrib chiqamiz.

Fosfolipidlarning ham gidrofil (suvni yoqtiradigan), ham gidrofob (suvdan qoʻrqadigan) qismlari bor. Shu xususiyati sababli ham plazmatik membranadagi fosfolipidlar amfipatik hisoblanadi. Plazmatik membrananing gidrofob qismi baʼzi moddalarning membrana orqali harakatlanishiga yordam beradi, boshqalarining esa harakatlanishiga toʻsqinlik qiladi.

Qutbli va zaryadlangan molekulalar membranani kesib oʻtayotganda ancha qiyinchilikka uchraydi. Qutbli molekulalar membrananing manfiy zaryadlangan boshlari joylashgan tashqi yuzasi bilan osongina oʻzaro taʼsirlashishi mumkin, ammo qutbli molekulalar fosfolipidning gidrofob qismidan oʻtishda qiyinchilikka duch keladi. Bunga misol tariqasida suv molekulalari membranani tezda kesib oʻta olmasligini keltirsa boʻladi (suv molekulalari kichik oʻlchamda boʻlganligi va toʻliq zaryadlanmaganligiga qaramasdan sekinroq kesib oʻtadi).

Bundan tashqari, kichik ionlar membranadan oʻtish uchun yetarlicha kichik oʻlchamga ega boʻlishiga qaramay, ularning zaryadi membradan oʻtishiga qarshilik qiladi. Bu shuni anglatadiki, natriy, kaliy, kalsiy va xlorid ionlari membranadan oddiy diffuziya orqali oʻta olmaydi, buning oʻrniga ushbu ionlar maxsus oqsillar (bu haqida keyinroq muhokama qilamiz) orqali oʻtkaziladi. Uglevod, aminokislotalar kabi yirik, zaryadlangan va qutbli molekulalar ham membranadan oʻtish uchun yuqorida taʼkidlangan oqsillarning yordamiga muhtoj.

Diffuziya jarayonida moddaning konsentratsiyasi butun maydon boʻylab tenglashgunga qadar modda molekulalari konsentratsiya yuqori qismdan konsentratsiya past boʻlgan qismga oʻtadi. Masalan, kimdir xonaning oʻrtasida tozalovchi ammiak idishini ochayotgani haqida bir oʻylab koʻring. Ammiak molekulalari dastlab shishani ochgan odam turgan joyda toʻplangan boʻladi, xonaning chekkasida ammiak molekulalari kam yoki umuman boʻlmaydi. Asta-sekinlik bilan ammiak molekulalari tarqala boshlaydi, natijada siz xonaning chetida ham ammiak hidini his qila olasiz. Agar idishning ogʻzi yopilsa va xona yopiq holatda boʻlsa, ammiak molekulalari butun xona hajmi boʻyicha teng taqsimlanadi.

Har qanday turdagi molekulalar bilan ham xuddi shunday boʻladi: ular konsentratsiya koʻp joydan konsentratsiya kam joyga koʻchib oʻtadi. Buni tushunish uchun molekulalar yuqori konsentratsiyaga ega boʻlgan joyni (masalan, endigina ammiakli idish ochilgan joy) va kamroq konsentratsiyalangan joyni (xonaning chekka qismlari) tasavvur qiling. Ammiakning konsentratsiyasi yuqori boʻlgan hududdan ammiak molekulalari ammiak molekulalarining konsetratsiya kamroq boʻlgan xonaning chekka qismlariga oʻtadi.

Vaqt oʻtishi bilan molekulalarning konsentratsiyasi tenglashmaguncha (molekulaning ikkala yoʻnalishga ham harakatlanishi teng boʻladigan darajada) molekulalarning natijaviy harakati konsentratsiya koʻp qismdan konsentratsiya kamroq qismga oʻtadi. Ushbu jarayonda hech qanday energiya talab qilinmaydi; aslida konsentratsiya gradiyentining oʻzi potensial (toʻplangan) energiyaning bir shaklidir va bu energiyadan konsentratsiyalarni tenglashtirishda foydalaniladi.

Molekulalar hujayra sitozoli orqali diffuziya natijasida harakatlanishi mumkin va baʼzi molekulalar plazmatik membrana boʻylab (yuqoridagi rasmda koʻrsatilganidek) tarqalishi ham mumkin. Eritmadagi yoki fazodagi har bir molekula oʻzining konsentratsiya gradiyentiga ega va boshqa molekulalarning konsentratsiya gradiyenti qanday boʻlishidan qatʼi nazar, faqat oʻz gradiyenti boʻyicha tarqaladi. Konsentratsiya gradiyenti qanchalik kuchli boʻlsa (turli xil qismlardagi konsenratsiyadagi farqlarning katta boʻlishi), diffuziyaning shunchalik tez boʻlishini belgilaydi. Shu sababli ham birgina hujayrada turli xil molekulalar uchun diffuziya darajasi va yoʻnalishi bir-biridan farqlanishi mumkin. Misol uchun, hujayraga diffuziya orqali kislorod kirsa, bir vaqtning oʻzida karbonat angidrid oʻz konsentratsiya gradiyentiga koʻra hujayradan chiqib ketadi.

Karbonat angidrid va kislorod kabi baʼzi molekulalar toʻgʻridan toʻgʻri osonlik bilan plazmatik membrana boʻylab tarqalishi mumkin, ammo boshqa molekulalar plazmatik membrananing gifrofob qismini kesib oʻtishda yordamga muhtoj. Yengillashgan diffuziyada molekulalar plazmatik membranani kesib oʻtishda membrana oqsillari: kanal hosil qiluvchi va tashuvchi oqsillar yordamidan foydalanadi.

Ushbu molekulalar oʻz konsentratsiya gradiyentiga ega, shuning uchun ham ular hujayra ichkarisiga va hujayradan tashqariga tarqalish potensialiga ega. Ammo ular zaryadlangan yoki qutblangani sababli ushbu oqsillar yordamisiz membrananing fosfolipid qismini kesib oʻta olmaydi. Yengillashgan transport oqsillari ushbu molekulalar membrananing gidrofob yadrosidan oʻtishlari mumkin boʻlgan yoʻlni taʼminlaydi. Yengillashgan transport oqsillarining ikkita asosiy guruhi kanal hosil qiluvchi va tashuvchi oqsillardir.

Kanal hosil qiluvchi oqsillar membranani qamrab oladi va membranada nishon molekulalarning diffuziya orqali oʻtishiga imkon beruvchi gidrofil tunnellarni hosil qiladi. Kanallar oʻta tanlovchan boʻlib, faqat bitta molekulani (yoki bir-biriga yaqin boʻlgan bir nechta molekulalarni) qabul qiladi. Kanal hosil qiluvchi oqsillar yordamida membranani kesib oʻtish qutbli va zaryadlangan moddalar plazmatik membrananing gidrofob qismi tomonidan sekinlashtirilishi yoki toʻxtatib qoʻyilishining oldini oladi.

Akvaporinlar kanal hosil qiluvchi oqsillarning bir turi boʻlib, suvning plazmatik membranadan tezda oʻtishini taʼminlaydi. Ayniqsa, bu oqsillar oʻsimlik hujayralarida, qizil qon tanachalarida va buyrakning ayrim qismlarida (peshob sifatida tanadan chiqib ketadigan suv miqdorini kamaytiruvchi qismlarida) juda muhim rol oʻynaydi.

Oqsillar hosil qilgan baʼzi kanalchalar doimo ochiq turadi, lekin qolganlari “qulf” turadi, yaʼni ularni ochish yoki yopish uchun muayyan signallar (elektr signallari yoki molekulaning bogʻlanishi kabi) taʼsir koʻrsatishi kerak. Elektr signallarini uzatishda qatnashuvchi hujayralar, shu jumladan, nerv va muskul hujayralari membranalaridagi natriy, kaliy va kalsiy ionlarining oʻtkazuvchi kanallarini yopib qoʻygan boʻladi. Ushbu kanallarning ochilishi va yopilishi hujayradagi ion miqdorining doimo oʻzgarib turishiga olib keladi va bu elektr signallarning nerv hujayrasidagi membranalar boʻylab oʻtkazilishini va muskul hujayralarining qisqarishini taʼminlaydi.

Yengillashgan transportda ishtirok etuvchi transmembrana oqsillarining yana bir sinfi tashuvchi oqsillardir. Tashuvchi oqsillar nishon molekulani membrananing bir tomonidan ikkinchi tomoniga oʻtkazish uchun oʻz shaklini oʻzgartirishi mumkin.

Membranadagi kanal hosil qiluvchi oqsillar kabi, tashuvchi oqsillar ham bir yoki bir nechta molekulalarga nisbatan tanlovchan boʻladi. Nishon molekulaga bogʻlanishga javoban bu oqsillar oʻz shaklini oʻzgartiradi, shaklni oʻzgartirib, harakatlanish natijasida molekulani membrananing qarama-qarshi tomoniga olib oʻtadi. Yengillashgan diffuziyada ishtirok etadigan tashuvchi oqsillar gidrofil molekulalarning shunchaki mavjud konsentratsiya gradiyenti boʻyicha oʻtishiga yoʻl yaratadi, xolos.

Kanal hosil qiluvchi va tashuvchi oqsillar materiallarni turli xil tezlikda tashiydi. Umuman olganda, kanal hosil qiluvchi oqsillar tashuvchi oqsillarga qaraganda molekulalarni tezroq tashiydi. Buning sababi kanal hosil qiluvchi oqsillar oddiy tunnellarga oʻxshaydi; tashuvchi oqsillardan farqli oʻlaroq, ular molekulani harakatga keltirganda har safar shaklini oʻzgartirishi va “qayta tiklanishi” shart emas. Odatiy kanal hosil qiluvchi oqsillar sekundiga oʻn millionlab, tashuvchi oqsillar esa sekundiga ming yoki shunga yaqin molekulalar tarqalishini yengillashtirishi mumkin.${}^1$‍