Клітинна мембранна Дифузія: Проста, Полегшена та Активний Транспорт

Випадкові ходи додають спрямованого потоку

Жодна окрема молекула в цій симуляції "не знає", як рухатися від переповненої кімнати до порожньої. Кожна з 450 частинок піддається Бруновому руху – безпам'ятному випадковому ходу, що зумовлений тепловими зіткненнями, і з такою ж ймовірністю рухатися до переповненої сторони, як і від неї. Не однакова ймовірність проявляється в результаті: при більшій кількості частинок на одній стороні, більше випадкових кроків виникає з цієї сторони, тому більше кроків переносять частинки через мембрану з високої до низької концентрації, ніж навпаки. Дифузія вниз за градієнтом – це статистична неминучість великої кількості, а не сила, яка тягне молекули будь-куди.

Закон Фауста та швидкість дифузії

Чистий потік, який це створює, описується першим законом Фауста: потік пропорційний градієнту концентрації та завжди спрямований від високої до низької концентрації.

J = -D * dC/dx J – потік, кількість, що проходить через одиницю площі за одиницю часу; D – коефіцієнт дифузії (залежить від розміру молекули, мембрани, температури); dC/dx – градієнт концентрації через мембрану. Для провідної мембрани між двома добре змішаними камерами це спрощується до швидкості, пропорційної різниці концентрацій, тому швидкість перетину в симуляції найшвидша відразу після початку, коли дисбаланс найбільший, і сповільнюється, коли дві камери наближаються до рівної концентрації – експоненційний підхід до рівноваги, ніколи не досягаючи ідеального розподілу 50/50 через постійні теплові рухи.

J = −D · dC/dx

J   flux, amount crossing unit area per unit time
D   diffusion coefficient (depends on molecule size, membrane, temperature)
dC/dx   concentration gradient across the membrane

Проста дифузія не потребує допомоги, і мембрана не може підняти її вгору.

Малі неполярні молекули (O₂ та CO₂) та до певної міри вода просто розчиняються у ліпідному біслою та дифундують крізь нього — режим, який ця симуляція називає «Проста дифузія». Це не потребує протеїну чи енергії і може рухати матеріал лише вниз за своїм градієнтом, ніколи не вгору, оскільки вона повністю живиться випадковим тепловим рухом, вже присутнім у системі.

Фасилітація дифузії: білкова дверіця, без затрат енергії

Іони та полярні молекули, такі як глюкоза, не можуть перетинати гідрофобний ядро бічної оболонки без допомоги. Фасилітація дифузії направляє їх через канальцеві або переносні білки – п’ять окремих каналів у цій симуляції – які забезпечують гідрофільний шлях через мембрану. Це все ще повністю пасивний процес: білок не витрачає енергії, він лише знижує енергетичний бар'єр для переходу, тому матеріал все ще рухається від високої до низької концентрації, але швидше, ніж проста дифузія, і лише у місцях розташування каналів, що візуально пояснює згущення частинок біля п’яти відкриттів в анімації.

Активний транспорт: витрата АТФ для протидії градієнту

Активний транспорт суттєво відрізняється: він використовує хімічну енергію гідролізу АТФ для перекачування іонів проти їх концентраційного градієнта, що неможливо досягти жодним чином через очікування або випадкове рух. Приклад із реального світу – натрій-калійний АТФаза, яка при кожному гідролізі АТФ виводить 3 іонів натрію та імпортує 2 іони калію проти обох градієнтів, підтримуючи постійний мембранний потенціал, на який покладається кожен нейрон і м’язовий клітин. Цей режим активного транспорту в симуляторі моделює той самий принцип: насос, який постійно перекачує іони в одному напрямку, незалежно від градієнту, з фікстованою енергетичною вартістю за іон, тому концентрації можуть стати нерівномірними через цей режим замість того, щоб рівномірно розподілитися.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cell Membrane Diffusion і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.