حركة الايونات عبر الغشاء

حركة الجزيئات عبر الغشاء:

قد يكون نقل الجزيئات عبر الغشاء نشطًا أو سلبيًا، إذ أن هناك عاملان يحددان ما إذا كان الجزيء سيعبر الغشاء: نفاذية الجزيء في طبقة ثنائية الدهون وتوفر مصدر للطاقة، تتطلب العديد من الجزيئات ناقلات البروتين لعبور الأغشية، حيث يمكن لبعض الجزيئات أن تمر عبر أغشية الخلايا، لأنها تذوب في طبقة ثنائية الدهون تسمى هذه الجزيئات جزيئات محبة للدهون، وتقدم هرمونات الستيرويد مثالًا فسيولوجيًا.

يمكن لأقارب الكوليسترول أن يمروا عبر غشاء في مسار حركتهم لكن ما الذي يحدد الاتجاه الذي سيتحركون فيه، سوف تمر هذه الجزيئات عبر غشاء يقع أسفل تدرج تركيزها في عملية تسمى الانتشار البسيط، ووفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية تنتقل الجزيئات تلقائيًا من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل، وهكذا في هذه الحالة تزيد الإنتروبيا نقل القوى عبر الغشاء.

تصبح الأمور أكثر تعقيدًا عندما يكون الجزيء شديد القطبية على سبيل المثال، توجد أيونات الصوديوم عند 143 ملي مولار خارج الخلية و14 ملي مولار داخل الخلية، ومع ذلك لا يدخل الصوديوم بحرية إلى الخلية؛ لأن الأيونات الموجبة الشحنة لا يمكنها المرور عبر الجزء الداخلي من الغشاء الطارد للماء.

في بعض الظروف كما يحدث أثناء النبض العصبي يجب أن تدخل أيونات الصوديوم إلى الخلية، إذ أن الايونات قادرون على القيام بذلك، إذ تمر أيونات الصوديوم عبر قنوات محددة في الحاجز المسعور المكون من بروتينات الغشاء، وتسمى هذه الوسيلة لعبور الغشاء بالانتشار الميسر؛ لأن القناة تسهل الانتشار عبر الغشاء ويسمى أيضًا النقل السلبي، لأن الطاقة التي تحرك حركة الأيونات تنشأ من التدرج الأيوني نفسه؛ دون أي مساهمة من قبل نظام النقل تعرض القنوات مثل الإنزيمات خصوصية الركيزة.

يتم إنشاء تدرج الصوديوم في المقام الأول في هذه الحالة، يجب أن يتحرك الصوديوم أو يضخ عكس تدرج التركيز، ونظرًا لأن نقل الأيون من تركيز منخفض إلى تركيز أعلى يؤدي إلى انخفاض في الانتروبيا، فإنه يتطلب مدخلاً من الطاقة الحرة، وناقلات البروتين الموجودة في الغشاء قادرة على استخدام مصدر طاقة لتحريك الجزيء لأعلى في تدرج التركيز، ونظرًا لأن إدخال الطاقة من مصدر آخر مطلوب، فإن وسيلة عبور الغشاء تسمى النقل النشط.

عملية الانتشار:

قياس الطاقة المجانية المخزنة في تدرجات التركيز في التوزيع غير المتكافئ للجزيئات هو حالة غنية بالطاقة؛ لأن الطاقة الحرة تقل عندما تكون جميع التركيزات متساوية، وبالتالي لتحقيق مثل هذا التوزيع غير المتكافئ للجزيئات الذي يسمى تدرج التركيز ويتطلب مدخلاً من الطاقة الحرة، وفي الواقع فإن إنشاء تدرج التركيز هو نتيجة النقل النشط.

تمثل العملية التي تميل بها المادة إلى الانتقال من منطقة ذات تركيز عالي إلى منطقة تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز عبر مساحة بعملية النقل السلبية الانتشار، بحيث أنه على سبيل المثال تنتشر المواد عبر الهواء فعند التفكير في شخص يفتح زجاجة من الأمونيا في غرفة مليئة بالناس يكون غاز الأمونيا عند أعلى تركيز له في الزجاجة وأدنى تركيز له عند أطراف الغرفة، ثم ينتشر بخار الأمونيا بعيدًا عن الزجاجة تدريجيا وبالتالي سوف يشم المزيد من الناس رائحة الأمونيا أثناء انتشارها.

يمكن للمواد داخل العصارة الخلوية ان تتحرك بالخلية عن طريق الانتشار، كما تتحرك مواد معينة عبر غشاء البلازما عن طريق الانتشار أيضا، إذ أن الانتشار لا يستهلك أي طاقة على العكس من ذلك، فإن تدرجات التركيز هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة، حيث تتبدد مع إزالة التدرج اللوني.

كل مادة منفصلة في وسط مثل السائل خارج الخلية لها تدرج تركيز خاص بها مستقل عن تدرجات تركيز المواد الأخرى، وبالإضافة إلى ذلك ستنتشر كل مادة وفقًا لهذا التدرج داخل النظام وستكون هناك معدلات مختلفة لانتشار المواد المختلفة في الوسط.

العوامل التي تؤثر على الانتشار:

تتحرك الجزيئات باستمرار بطريقة عشوائية بمعدل يعتمد على كتلتها وبيئتها وكمية الطاقة الحرارية التي تمتلكها، والتي بدورها هي دالة لدرجة الحرارة، وتفسر هذه الحركة انتشار الجزيئات عبر أي وسيط يتم توطينهم فيه، إذ تميل المادة إلى الانتقال إلى أي مساحة متاحة لها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاءها.

بعد أن تنتشر مادة ما تمامًا عبر فراغ يزيل تدرج تركيزها ستستمر الجزيئات في التحرك في الفراغ، ولكن لن يكون هناك حركة صافية لعدد الجزيئات من منطقة إلى أخرى، ويُعرف هذا النقص في تدرج التركيز الذي لا توجد فيه حركة صافية لمادة ما بالتوازن الديناميكي، بينما سيتقدم الانتشار في وجود تدرج تركيز لمادة ما وهناك عدة عوامل تؤثر على معدل الانتشار:

• مدى تدرج التركيز: كلما زاد الاختلاف في التركيز زادت سرعة الانتشار، كلما اقترب توزيع المادة من التوازن أصبح معدل الانتشار أبطأ.

• انتشار كتلة الجزيئات: تتحرك الجزيئات الأثقل ببطء لذلك فإنها تنتشر بشكل أبطأ والعكس صحيح بالنسبة للجزيئات الأخف.

• درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة الطاقة، وبالتالي حركة الجزيئات مما يزيد من معدل الانتشار وتقلل درجات الحرارة المنخفضة من طاقة الجزيئات، وبالتالي تقلل من معدل الانتشار.

• كثافة المذيب: مع زيادة كثافة المذيب ينخفض ​​معدل الانتشار، تتباطأ الجزيئات لأنها تواجه صعوبة أكبر في المرور عبر الوسط الأكثر كثافة، وإذا كان الوسط أقل كثافة يزداد الانتشار نظرًا لأن الخلايا تستخدم الانتشار لتحريك المواد داخل السيتوبلازم، فإن أي زيادة في كثافة السيتوبلازم ستثبط حركة المواد، ومثال على ذلك هو الشخص الذي يعاني من الجفاف وعندما تفقد خلايا الجسم الماء يقل معدل الانتشار في السيتوبلازم وتتدهور وظائف الخلايا، كما تميل الخلايا العصبية إلى أن تكون حساسة للغاية لهذا التأثير، ويؤدي الجفاف في كثير من الأحيان إلى فقدان الوعي وربما الغيبوبة بسبب انخفاض معدل الانتشار داخل الخلايا.

• الذوبان: تمر المواد غير القطبية أو القابلة للذوبان في الدهون عبر أغشية البلازما بسهولة أكبر من المواد القطبية مما يسمح بمعدل انتشار أسرع.

• مساحة سطح وسماكة غشاء البلازما: زيادة مساحة السطح تزيد من معدل الانتشار في حين أن الغشاء السميك يقلله.

• المسافة المقطوعة: كلما زادت المسافة التي يجب أن تقطعها المادة كان معدل الانتشار أبطأ، وهذا يضع قيودًا عليا على حجم الخلية وتموت الخلية الكروية الكبيرة؛ لأن العناصر الغذائية أو النفايات لا يمكنها الوصول إلى مركز الخلية أو مغادرته لذلك، يجب أن تكون الخلايا إما صغيرة الحجم كما هو الحال في العديد من بدائيات النوى أو أن تكون مسطحة، كما هو الحال مع العديد من حقيقيات النوى أحادية الخلية.