Cell and Molecular Biology 14 : การขนส่งสารผ่านเมมเบรน

Passive and Active transport

การขนส่งสารผ่านเมมเบรน
(Transport across the membranes)

permeability ของเมมเบรน

โมเลกุลของสารที่ไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic) เช่น ไฮโดรคาร์บอน, คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน สามารถละลายผ่านเข้า-ออก ในชั้นของ lipid bilayer ได้อย่างง่ายดาย, ส่วนโมเลกุลของสารที่ชอบน้ำ (Hydrophilic) หรือสามารถละลายได้ในน้ำ เช่น กลูโคส หรือแม้กระทั่งน้ำซึ่งเป็นโมเลกุลของสารที่มีขั้ว (Polar) ที่มีขนาดเล็กผ่านเข้า-ออกเมมเบรนได้ไม่สะดวก

แต่นับว่ายังโชคดีที่เมมเบรนมีคุณสมบัติเป็น "เยื่อเลือกผ่าน (selective permeability)" คือยอมให้สารบางอย่าง (มีความจำเพาะ) ผ่านเข้า-ออกได้ ซึ่งเป็นบทบาทที่สำคัญของโปรตีนชนิดหนึ่งที่เรียกว่า transport protein ที่มีหน้าที่ในการควบคุมการผ่านเข้า-ออกของสาร โดยจะมีความจำเพาะต่ออิออนหรือโมเลกุลของสารที่มีขั้ว (polar) รวมทั้งน้ำด้วย

มีสิ่งที่น่าสงสัยหรือเป็นคำถามว่า "อะไรเป็นตัวกำหนดทิศทาง (เข้าหรือออก) ของสารผ่านเมมเบรน ? " (ดูคำตอบในภาพและเรื่องด้านล่างนี้)

Depict : การแพร่ของตัวถูกละลายผ่านเมมเบรน (diffusion of solutes across membranes) (a) diffusion of one solutes. ที่เมมเบรนมีรูที่ใหญ่พอที่โมเลกุลของสีจะผ่านไปได้, สีจะแพร่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ (ตาม concentration gradient) จนกระทั่งถึงภาวะสมดุลย์, สียังคงแพร่ผ่านเมมเบรนในสองทิศทางในอัตราที่เท่ากัน (b) Diffusion of two solutes. สารละลายของสีที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถผ่านเมมเบรนได้ จะแพร่ไปในทิศทางของตัวเองจากด้านที่มีความเข้มข้นมากไปด้านที่มีความเข้มข้นน้อย จนความเข้มข้นรวมอยู่ในภาวะสมดุลย์

Passive transport

การแพร่ (diffusion) ของสารตาม concentration gradient (จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงมาสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ) เป็นคำตอบของคำถามข้างต้น แต่ทว่าจะเป็นจริงในทุกกรณีหรือไม่

การแพร่ของสารผ่าน biological membrane เรียกว่า "passive transport" ทั้งนี้เพราะว่าไม่มีการใช้พลังงานของเซลล์

แต่มีการแพร่ของน้ำเราจะเรียกว่า "ออสโมซิส (Osmosis)" ซึ่งจัดเป็น passive transport ด้วย (ดูภาพและคำอธิบายจากภาพด้านล่าง)

Depict : Osmosis. สารละลายน้ำตาล 2 ชนิดที่มีความเข้มข้นต่างกัน ซึ่งแยกจากกันโดยเมมเบรนที่มีรู ซึ่งยอมให้ตัวทำละลาย (solvent = น้ำ) ผ่านไปได้เท่านั้น ตัวถูกละลาย (solute = น้ำตาล) ไม่สามารถผ่านไปได้. น้ำจะแพร่จากบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นน้อย (hypotonic) ไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นของสารละลายมาก (hypertonic) จนกระทั่งสารละลายมีความเข้มข้นใกล้เคียงกัน, (Osmosis=passive transport of water๗

(Note : hyper=more, hypo=less, iso=same)

สัตว์หรือสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีผนังเซลล์ เมื่ออาศัยอยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็น hypertonic หรือ hypotonic solution จะต้องมีโครงสร้างพิเศษเพื่อควบคุม สมดุลย์ของเกลือแร่ หรือ Osmoregulation (= cotrol of water balance)

depict : การรักษาสมดุลย์ของน้ำในเซลล์ที่มีชีวิต. เซลล์สัตว์ (บน) จะอยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็น Isotonic, ถ้าอยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็น hypotonic เซลล์ก็จะแตก หรืออยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็น hypertonic เซลล์ก็จะเหี่ยว. ส่วนเซลล์พืช (ซึ่งมีผนังเซลล์) ชอบสภาวะที่เป็น hypertonic

มีคำถามต่อมาว่า "ทำไมน้ำและสารที่ละลายได้ในน้ำ จึงผ่านเข้า-ออกเมมเบรนได้ง่ายกว่าที่ควรจะเป็น? " คำตอบที่เป็นไปได้ น่าจะอยู่ที่ transport protein ซึ่งมีความจำเพาะต่อสารละลายนั้น ๆ โดยจะมีช่องทางจำเพาะและยังไม่ต้องการพลังงานจากเซลล์อีกด้วย

เราเรียกการขนส่งสารผ่านช่องทางพิเศษ โดยไม่ต้องใช้พลังงานของเซลล์ว่า "Facilitated diffusion" ทั้งนี้เพราะเป็นการเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนของสารละลาย จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า (down Concentration Gradient) โปรดดูภาพและรายระเอียดด้านล่าง

Two models for facilitated diffusion

Depict : (a) โปรตีนขนส่ง (สีม่วง) มีช่องที่ทำให้น้ำหรือสารที่มีความจำเพาะผ่านได้ (b) โปรตีนขนส่ง สามารถเปลี่ยนรูปร่าง (conformation) ได้ 2 แบบ ซึ่งทำให้สารจำเพาะผ่านเมมเบรนได้ โดยโปรตีนขนส่งมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างขณะที่สารผ่าน (หมายเหตุ เป็นการขนส่งสาร จากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารสูงมายังบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารต่ำ)

Active transport

เราพบว่ามีสารละลาย (หรือ ions) บางชนิด สามารถผ่านเมมเบรนโดยต้าน Concentration gradient ได้ คือ เคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนจากบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำไปบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงได้ ซึ่งแน่นอนว่าต้องใช้พลังงาน (ATP) จากเซลล์ เปรียบเสมือนการเข็นของขึ้นภูเขาย่อมต้องออกแรงบ้างเป็นธรรมดา

ในเซลล์จะมีระบบคล้ายปั๊มน้ำ ปั๊มสารละลาย (หรือ ions) ผ่านช่องโปรตีนขนส่ง (transport protein) ดังภาพด้านล่าง เราเรียกการขนส่งสารแบบนี้ว่า active transport

กรณีศึกษาของ active transport

depict : Sodium-potassium pump ระบบขนส่งสารนี้เป็นระบบที่ขนส่งสารต้าน Concentration gradient, โดยปั๊ม (transport protein) นี้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 2 แบบ โดยจะมีการนำ (Na+ ion) 3 โมเลกุลออกไปจากเซลล์ และ มีการนำ (K+ ion) 2 โมเลกุลแทนที่เข้าไปในเซลล์ (เสมอ) ทั้งนี้โดยได้พลังงานมาจาก ATP ซึ่งจะถ่ายทอด Phosphate group ไปจับกับโปรตีนขนส่ง (เป็นโปรตีนจำเพาะ)