النقل الفعال والمنفعل

ما هو النقل الفعال والمنفعل؟

النقل النشط والسلبي هما عمليتان بيولوجيتان رئيسيتان تلعبان دورًا مهمًا في تزويد الخلايا بالمغذيات والمياه والأكسجين والجزيئات الأساسية الأخرى وأيضًا عن طريق إزالة النفايات، حيث يعمل كل من النقل النشط والسلبي لنفس السبب، ولكن بحركة مختلفة، إذ يتطلب النقل النشط طاقة كيميائية لأنه نقل المواد الكيميائية الحيوية من مناطق التركيز المنخفض إلى مناطق التركيز الأعلى، ومن ناحية أخرى ينقل النقل السلبي المواد الكيميائية الحيوية من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض لذلك لا يتطلب طاقة.

الفرق بين النقل الفعال والمنفعل:

يُطلق على حركة الجزيئات عبر غشاء الخلية وضخ الجزيئات ضد تدرج التركيز باستخدام ATP (الطاقة)مفهوم النقل النشط، بينما تسمى حركة الجزيئات داخل وعبر غشاء الخلية وبالتالي نقلها عبر تدرج التركيز دون استخدام ATP (الطاقة) بالنقل السلبي، كما ان النقل النشط من متطلباتة الطاقة،إذ أن الطاقة المطلوبة تكون في شكل ATP، اما النقل السلبي لا يكون حاجة للطاقة.

بالنسبة لتدرج التركيز تكون حركة الجزيئات في النقل النشط من التركيز المنخفض إلى التركيز العالي، مما يعني أنها تتحرك عكس تدرج التركيز، بينما  تكون حركة الجزيئات في النقل السلبي من التركيز العالي إلى التركيز المنخفض مما يعني أنها تتحرك على طول تدرج التركيز.

يكون اتجاه الحركة في النقل الفعال باستخدام ATP، حيث يضخ الجزيئات لأعلى، أما في النقل السلبي تتحرك الجزيئات إلى أسفل، كما يتطلب النقل النشط بروتينات حاملة أو المضخات الحاملة، ولا تشارك البروتينات الحاملة للنقل السلبي، ومع ذلك في الانتشار الميسر توجد قنوات معينة لا تستخدم أي طاقة، لايتم تضمين مصفوفة أو تصاريح الغشاء في النقل الفعال وتكون كفاءة العملية سريعة، بينما يتم ذلك من خلال المصفوفة أو القنوات والتصاريح في النقل السلبي، وتوصف بأنها عملية بطيئة نسبيًا.

مبدأ العمل: يسمح النقل النشط للجزيئات بتمرير غشاء الخلية، مما يؤدي إلى تعطيل التوازن الذي أنشأه الانتشار والاتجاه يحدث في اتجاه واحد، أما  في النقل السلبي يتم الحفاظ على التوازن الديناميكي للمياه والمغذيات والغازات والنفايات بين العصارة الخلوية والبيئة خارج الخلية وهي عملية ثنائية الاتجاه.

نوع العملية النقل النشط عملية حيوية وهي انتقائية للغاية ومتأثرة بدرجة الحرارة، والنقل السلبي هو عملية فيزيائية لا تهتم بالانتقائية؛ أي إنه جزئيًا غير انتقائي، كما انها لا تتأثر بدرجة الحرارة، وتأثير مستوى الأوكسجين تقلل من عملية النقل النشط أو تتوقف مع انخفاض مستوى محتوى الأكسجين، بينما لا تتأثر هذه عملية النقل السلبي بمحتوى الأكسجين.

مثبطات التمثيل الغذائي توقف النقل النشط، والجزيئات التي تنقلها هي الجزيئات الضخمة مثل البروتينات والكربوهيدرات (السكريات) والدهون والخلية الكبيرة هي القليل من المواد التي يتم نقلها بهذه الطريقة، بينما مثبطات التمثيل الغذائي لا تؤثر على النقل السلبي، وتنقل جزيئات الأكسجين والسكريات الأحادية والماء وثاني أكسيد الكربون والدهون وهي المواد القليلة القابلة للذوبان التي يتم نقلها بهذه الطريقة.

أنواع النقل النشط:

للحفاظ على الحياة يجب نقل العديد من المواد داخل الخلايا وخارجها وبينها، وفي بعض الحالات يمكن تحقيق ذلك من خلال النقل السلبي، الذي لا يستخدم أي طاقة، ومع ذلك في كثير من الحالات تحتاج الخلية إلى نقل شيء ما مقابل تدرج تركيزها، إذ في هذه الحالات يلزم النقل النشط.

تتطلب آليات النقل النشطة استخدام طاقة الخلية وعادة ما يكون ذلك في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، إذا كان لابد من انتقال مادة إلى الخلية عكس تدرج تركيزها؛ أي إذا كان تركيز المادة داخل الخلية يجب أن يكون أكبر من تركيزها في السائل خارج الخلية فيجب على الخلية استخدام الطاقة لتحريك المادة.

يستخدم النقل النشط بروتينات نقل محددة تسمى المضخات، والتي تستخدم الطاقة الأيضية (ATP) لتحريك الأيونات أو الجزيئات ضد تدرج تركيزها، على سبيل المثال في كل من الفقاريات واللافقاريات يكون تركيز أيون الصوديوم أعلى بحوالي 10 إلى 20 مرة في الدم منه داخل الخلية، ويكون تركيز أيون البوتاسيوم في الاتجاه المعاكس وعادة ما يكون أعلى بمقدار 20 إلى 40 مرة داخل الخلية، إذ يتم الحفاظ على هذا التركيز المنخفض للصوديوم داخل الخلية بواسطة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، وهناك أنواع مختلفة من المضخات لأنواع مختلفة من الأيونات أو الجزيئات مثل مضخة الكالسيوم ومضخة البروتون وما إلى ذلك.

أثناء النقل النشط تنتقل الجزيئات من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز، وهذا هو عكس الانتشار ويقال إن هذه الجزيئات تتدفق عكس تدرج تركيزها، حيث يسمى النقل  “بالنشط”؛ لأن هذا النوع من النقل يتطلب طاقة لتحريك الجزيئات ATP هو أكثر مصادر الطاقة شيوعًا للنقل النشط.

نظرًا لأن الجزيئات تتحرك عكس تدرجات تركيزها، فلا يمكن أن يحدث النقل النشط بدون مساعدة، إذ يتطلب بروتينًا عبر الغشاء أو مركبًا بروتينيًا يسمى الناقل، والذي ينسق العملية بأكملها ومصدرًا للطاقة مثل ATP، وكل نوع من بروتين النقل المصمم لنقل أيون معين أو عنصر غذائي إلى الخلية يربط جزيء من ركائزه على جانب واحد من الغشاء، ثم يغير الشكل ويطلق الركيزة على الجانب الآخر، وغالبًا ما تسمى هذه البروتينات “مضخات” لأنها تستخدم الطاقة لضخ الجزيئات عبر الغشاء.

النقل الأساسي النشط:

يسمى النقل الأساسي النشط أيضًا النقل النشط المباشر أو أحادي المنفذ، ويتضمن استخدام الطاقة (عادةً ATP) لضخ المذاب مباشرة عبر غشاء مقابل تدرجه الكهروكيميائي، حيث تتضمن المواد التي يتم نقلها عبر غشاء الخلية عن طريق النقل النشط الأولي أيونات المعادن، مثل +Na+، K+، Mg2+، Ca2، إذتتطلب هذه الجسيمات المشحونة مضخات أيونية أو قنوات أيونية لعبور الأغشية وتوزيعها عبر الجسم.

بناءً على آلية النقل وكذلك التناظر الجيني والهيكلية، هناك أربع فئات من مضخات الأيونات المعتمدة على ATP: مضخات من الفئة P، مضخات من الفئة F، مضخات من فئة V، عائلة ABC الفائق، حيث تنقل الفئات P و F و V فقط الأيونات، بينما تنقل عائلة ABC أيضًا الجزيئات الصغيرة.

معظم الإنزيمات التي تؤدي هذا النوع من النقل هي (ATPases )عبر الغشاء، والمثال الأكثر دراسة على النقل النشط الأولي هو غشاء البلازما (-Na  K +)ATPase، ومن الأمثلة المألوفة الأخرى على النقل النشط الأولي نظام توليد الانحدار الأكسجيني( H +) للميتوكوندريا، ونظام توليد التدرج ( H+) المدفوع بالضوء لأغشية الثايلاكويد الضوئية، ومضخة حمض ATP (H +) الموجودة في البطانة الظهارية للمعدة .

 النقل الثانوي النشط:

في النقل الثانوي النشط المعروف أيضًا باسم النقل المزدوج أو النقل المشترك تُستخدم الطاقة لنقل الجزيئات عبر الغشاء، ومع ذلك على عكس النقل النشط الأولي، لا يوجد اقتران مباشر لـ ATP بدلاً من ذلك، يعتمد على فرق الجهد الكهروكيميائي الناتج عن ضخ الأيونات داخل / خارج الخلية، حيث ينقل النقل النشط الثانوي جزيئات متعددة عبر الغشاء، مما يؤدي إلى حركة صعود لجزيء واحد، ويساعد جزيء واحد في إنشاء التدرج المطلوب للسماح بحركة العديد من المواد الكيميائية داخل وخارج الخلية.

تُشتق الطاقة اللازمة لإنتاج النقل صعودًا لمذاب واحد من الطاقة الكامنة لمذاب مختلف ينزل أسفل تدرج تركيزه، إذ غالبًا ما تُستخدم الطاقة المشتقة من ضخ البروتونات عبر غشاء الخلية كمصدر للطاقة في النقل الثانوي النشط، في البشر الصوديوم (Na +) هو أيون ينتقل بشكل شائع عبر غشاء البلازما، والذي يستخدم بعد ذلك تدرجه الكهروكيميائي لتزويد النقل النشط لأيون أو جزيء ثانٍ مقابل تدرجه، وفي البكتيريا وخلايا الخميرة الصغيرة الأيون المشترك هو الهيدروجين مبادل الصوديوم والكالسيوم، ( SGLT2).

البروتينات الحاملة للنقل النشط:

من أهم تكيفات الغشاء للنقل النشط وجود بروتينات أو مضخات حاملة معينة لتسهيل الحركة، وهناك ثلاثة أنواع من هذه البروتينات أو الناقلات: الأحاديات، المتزامنة، والمضادات، إذ يحمل أحادي القارب أيونًا أو جزيءًا محددًا، ويحمل المتناظر أيونين أو جزيئين مختلفين كلاهما في نفس الاتجاه، كما يحمل مضاد الحمل أيضًا أيونيين أو جزيئين مختلفين ولكن في اتجاهات مختلفة، كما يمكن لجميع هذه الناقلات أيضًا نقل جزيئات عضوية صغيرة غير مشحونة مثل الجلوكوز.

حيث توجد هذه الأنواع الثلاثة من البروتينات الحاملة أيضًا في الانتشار الميسر لكنها لا تتطلب ATP للعمل في هذه العملية، وبعض الأمثلة على مضخات النقل النشط هي Na + K +) ATPase )، التي تحمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم و (H + -K +) ATPase، التي تحمل أيونات الهيدروجين والبوتاسيوم، إذ كلاهما عبارة عن بروتينات حاملة لمضادات الحمل، وهناك مضختان أخريان للبروتين الحاملان هما (Ca2 + ATPase )و( H + ATPase )، اللتان تحملان الكالسيوم وأيونات الهيدروجين فقط على التوالي.

أهمية النقل النشط:

يلعب النقل النشط للمواد المذابة عبر الأغشية البيولوجية المدفوعة بالتدرجات الكهروكيميائية (أي النقل النشط الثانوي) دورًا مركزيًا في العمليات الخلوية الأساسية مثل امتصاص المغذيات وإفراز المركبات السامة ونقل الإشارات، حيث يعتبر النقل النشط من أكثر الطرق شيوعًا المستخدمة لامتصاص العناصر الغذائية مثل بعض السكريات ومعظم الأحماض الأمينية والأحماض العضوية والعديد من الأيونات غير العضوية بواسطة الكائنات وحيدة الخلية.

يشارك النقل النشط الثانوي في نقل مجموعة متنوعة من الجزيئات، مثل الأيونات والمغذيات والفيتامينات والأسموليت في الكائنات الحية الأعلى، إذ يسمح النقل النشط بالامتصاص الفعال للمواد الحيوية للوظيفة الخلوية (وبعض الأدوية التي تشبهها من الناحية الهيكلية) والقضاء الانتقائي على النفايات والمواد الكيميائية الأجنبية بما في ذلك العديد من الأدوية.