מנגנוני מעבר דרך ממברנות ביולוגיות

מעבר (טרנספורט) מבוקר של חומרים דרך ממברנת התא מהווה מנגנון בעל חשיבות עליונה לקיום חיים. התהליך מתבצע באמצעות מספר מנגנוני טרנספורט שונים. העברה פסיבית(אנ') היא מעבר של חומרים מאזור בו ריכוזם גבוה לאזור בו ריכוזם נמוך. והיא נקראת מעבר במפל ריכוזים. מעבר במפל ריכוזים הוא תהליך ספונטני, תהליך שאינו צורך אנרגיה. העברה שאינה צורכת אנרגיה נקראת העברה פסיבית. בדומה למפל ריכוזים קיים מפל מטען אלקטרוכימי. סוגים של העברה פסיבית דיפוזיה פשוטה (Simple Diffusion) היא תנועה ספונטנית ואקראית של חלקיקים בודדים של גז או מומס (מולקולה או יון) בסביבתו (גזית, או נוזלית) כתוצאה מהאנרגיה הקינטית שלהם. ההתנגשות האקראית בין החלקיקים מביאה להחלפת אנרגיה ביניהם ולשינוי בכיוון תנועתם; כיוון התנועה נטוי בהתאם למפל הריכוזים של החומר: מערכת שתמיד שואפת להגדלת האנטרופיה שלה (החוק השני של הטרמודינמיקה). לכן בדיפוזיה פשוטה חומרים עוברים במפל ריכוזים (מצב של אנטרופיה נמוכה) עד למצב של השואת ריכוזים (אנטרופיה גבוהה). דיפוזיה מסתייעת (אנ') (Facilitated Diffusion) היא העברה במפל ריכוזים אשר מסתייעת בנשאים. בממברנת התא אלה הם חלבונים המעבירים חומרים בהתאם למפל הריכוזים שלהם. שתי שיטות ההעברה העיקריות בדיפוזיה מסתייעת הן: תעלות נשאים תעלה היא פתח בקרום התא היוצר מעבר בין פנים התא לחוץ התא. התעלה לרוב צרה ואינה מאפשרת מעבר של מולקולות גדולות. התעלה מתפקדת בהתאם למפל הריכוזים: חומרים עוברים משני צדדי התעלה מריכוז גבוה אל ריכוז נמוך. התעלות ברובן הידרופיליות. בחלקן הפנימי והידרופוביות בחלקן החיצוני, וכך הן מאפשרות מעבר חומרים הידרופיליים קטנים (המתקשים לעבור דרך הממברנה ההידרופובית). כמו כן התעלות עוברות שינויי קונפורמציה לעיתים רחוקות יחסית, במהלכן הן נפתחות או נסגרות בהתאם לחומרים שיש להעביר. זאת בניגוד לנשאים (באנגלית, Carrier), העוברים שינוי קונפורמציה כאשר מולקולה מתקשרת איתם. קיימות גם תעלות יונים ותעלות של מולקולות קטנות חסרות מטען הנקראות תעלות מים (Aquaporins), שהן בעצם פתחים צרים והידרופילים; תעלות המים מתפקדות בהתאם לקשרי חלבון-ליגנד:ומחייבות זיהוי מוצלח בהתאמה מרחבית, אחרת התעלות מאבדות את הסלקטיביות שלהן. כל תעלת מים מתמחה בהעברת חומר אחד האופייני לה - תעלות גליצרול (גליצרופונים), תעלות פחמן דו-חמצני וכו'. נשאים (Carriers) הם חלבוני ממברנה המאפשרים למולקולות גדולות לעבור דרך ממברנת התא, על פי מפל הריכוזים שלהם בתוך/חוץ התא. הנשאים נפתחים ונסגרים לסירוגין עם כל מעבר של מולקולה, בניגוד לתעלות, על פי המנגנון הבא : הנשא מזהה את המולקולה המתאימה באחד מצידי הממברנה וקושר אותה בעקבות ההתקשרות הנשא עובר שינוי קונפורמציה (שינוי מבנה), נסגר בצד הממברנה הזה ונפתח בכיוון השני. לצדה של הממברנה. כאשר הנשא נפתח, המולקולה משתחררת ואז הנשא עובר שינוי מבנה נוסף בו הוא חוזר למבנהו המקורי. תהליך זה של העברת מולקולות אינו צורך אנרגיה. הובלה פעילה (Active Transport) היא הובלה של חומרים בניגוד למפל הריכוזים שלהם. היא אינה תהליך ספונטני. תהליך שצורך אנרגיה. ישנן שתי שיטות עיקריות בהובלה אקטיבית: משאבות קו-טרנספורטרים משאבות (Pumps) הם חלבונים המשתמשים באנרגיה הבאה מהמטבוליזם של התא (ATP) כדי לשאוב/לפלוט חומר בניגוד למפל הריכוזים שלו. המשאבות הנפוצות ביותר בתאים אאוקריוטים הן משאבת נתרן-אשלגן, הצורכת כשליש מאנרגיה הגוף, ומשאבת פרוטונים, המעבירה פרוטונים בצורה אקטיבית דרך הממברנה כנגד מפל הריכוזים שלהם. לעיתים משאבות משתמשות באנרגיית אור. קו-טרנספורטרים (Cotransports או העברה אקטיבית שניונית) הוא חלבון שמעביר חומרים דרך קרום התא אשר אינו משתמש באנרגיה שבאה מהמטבוליזם (ATP) אלא הוא מנצל את האנרגיה שהשתחררה כתוצאה ממפל הריכוזים שהמשאבות ייצרו. העברה עם מפל הריכוזים, דיפוזיה מסתייעת באמצעות נשא. מעבר ספונטני פסיבי. צימוד תהליך הדיפוזיה בהתאם למפל הריכוזים של חומר אחד עם תהליך העברת חומר אחר כנגד מפל הריכוזים. מעין "תפיסת טרמפ". בהעברת סימפורט שתי המולקולות עוברות באותו זמן ובכיוונים זהים. העברת שני חומרים בו זמנים לאותו הכיוון דרך קרום התא כמין נשא שהוא חלבון בעל שתי אזורי התקשרות אחד האתר הפעיל שהתקשרות אליו דורשת אנרגיה והשני אתר קרוב לאתר שדרש אנרגיה (האתר הפעיל) וחומר נוסף שכביכול היה צריך לדרוש אנרגיה עשה זאת ללא שום אנרגיה (תפס טרמפ} צימוד תהליך הכנסת חומר אחד לתא בהתאם למפל הריכוזים עם תהליך הוצאת חומר אחר מהתא כנגד מפל הריכוזים, ולהפך. העברת שתי מולקולות באותו זמן ובכיוונים שונים, על כל הוצאת מולקולה אחת הכנסת מולקולה אחרת. הובלה על ידי שלפוחיות (באנגלית, Vesicles) הוא תהליך שצורך אנרגיה ומוביל חומרים דרך התא באמצעות שלפוחיות, השלפוחיות האלה בעצם נוצרות בתהליך שנקרא אנדוציטוזה (באנגלית, Endocytosis). נשא (חלבון) הובלה ביולוגית, דף שער בספרייה הלאומית