Transport substancji między komórką a środowiskiem

Komórka otoczona jest na zewnątrz subtelną, rozciągliwą otoczką, będącą odrębną częścią komórki, noszącą nazwę błony komórkowej (plazmatycznej). Plazmalemma pełni funkcję nadzoru nad metabolizmem komórki, przenikają przez nią substancje pokarmowe do wnętrza komórki oraz wydzielnicze do otoczenia. Błona działa selektywnie dla niektórych związków, procesy te zachodzą w wodzie słodkiej lub słonej, sokach tkankowych, osoczu, w substancji międzykomórkowej. Błona komórkowa posiada miniaturowe pory dla przechodzenia substancji o różnych rozmiarach cząsteczek, ich przepływ zależy też od ładunku elektrycznego, zaadsorbowanych cząsteczek wody, rozpuszczalności w tłuszczach. Fałdy błony komórkowej docierają do kanałów w komórce, transportując substancje pokarmowe i odprowadzając zbędne produkty metabolizmu. Budowa błon plazmatycznych oparta jest na modelu dwuwarstwowej błony lipidowej.

Wewnętrzny obszar błony utworzony jest z podwójnej strefy fosfolipidów o cząsteczkach skierowanych częściami hydrofobowymi („ogonami”) do siebie, zaś polarnymi fragmentami do obrzeży („głowami”). Podwójna błona lipidowa składa się z różnych drobin fosfolipidów o konsystencji ciekłej, białek strukturalnych umieszczonych wewnątrz lub na powierzchni plazmalemmy, będące receptorami hormonów lub enzymami, posiadające zdolność wędrówki w poprzek błony (bez obrotów). Błona komórkowa zapewnia wybiórczy transport substancji w obu kierunkach, jest uczestniczącym aktywnie elementem strukturalnym, który dzięki enzymom kontroluje przepływ określonych cząsteczek do komórki i na zewnątrz, wbrew gradientowi stężeń. Błona może tworzyć mikrokosmki (np. w kanalikach nerkowych) w postaci trójwarstwowych, drobnych fałdek. W komórkach roślinnych błony plazmatyczne pokrywają celulozowe ściany komórkowe utworzone z martwej wydzieliny komórkowej, zaopatrzone w otworki, przez które kontaktują się protoplasty sąsiednich komórek wymieniając substancje. Cząsteczki cieczy i gazów mają naturalną dążność do równomiernego rozprzestrzeniania się we wszystkich kierunkach w określonej przestrzeni. Tendencja migracji drobin z większego stężenia do mniejszego, uzależnione przez energię kinetyczną nosi nazwę dyfuzji. Prędkość procesu dyfuzji uwarunkowane jest temperaturą i wymiarami cząsteczek. Wśród drobin zachodzi nieustanny ruch z różnym nasileniem, zależnym od stanu skupienia. W ciele stałym drobiny przylegają do siebie i przyciągają się przy zachodzeniu drgań. Cząsteczki cieczy umiejscowione są dalej od siebie, siły oddziaływania są słabsze, cząsteczki mogą się poruszać. W gazach oddziaływania między cząsteczkami są minimalne, ze względu na dużą odległość między nimi. Gdy mała cząstka np. cząstka węgla, pochodząca z atramentu, ciągle uderzana przez cząsteczki wody jest wprawiana w ruch, to ruch taki nosi nazwę ruchów Browna, ukazujący sposób dyfuzji cząsteczek (R. Brown-ruch ziaren pyłku w wodzie). Cząsteczka porusza się w linii prostej, w momencie zetknięcia się z drugą cząsteczką lub ścianką naczynia zmienia kierunek. Drobiny nieustannie się poruszają i są równoważnie rozproszone, dwie substancje w jednym roztworze dyfundują niezależnie.

Cząsteczki przemieszczają się z szybkością kilkuset metrów na sekundę, droga przed zderzeniem wynosi równą część nanometra jednak ruch jest niezbyt szybki, musi minąć wiele czasu nim grudka barwnika rozpuści się w cylindrze. W organizmie tylko niewielka ilość drobin przenika w procesie dyfuzji, która sprzyja stosunkowo niewielkim organizmom (mały dopływ cząsteczek na sekundę). Wielkie organizmy muszą się przenosić w różne miejsca lub wprawiać w ruch środowisko, by uzyskać potrzebne cząsteczki (rzeka, wybrzeże morskie). Rośliny dzięki systemowi korzeniowemu dostarczają komórkom substancji pokarmowych ze znacznego obszaru gleby. Umiejętność błony do transportu drobin uwarunkowane jest budową i rozmiarami porów. Błona przepuszczalna to taka, przez którą przechodzą wszystkie substancje, przez nieprzepuszczalną błonę nie przedostają się żadne substancje. Błona półprzepuszczalna ma zdolność selektywnego transportu niektórych cząsteczek pewnych substancji (o przepuszczalności decydują błony, nie substancje poddane dyfuzji). Błony pokrywające komórki, wakuole i jądra są półprzepuszczalne, proces dyfuzji rozpuszczonej substancji przez takie błony to dializa. Po uzyskaniu równych stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki, zachodzi zrównoważona dyfuzja w obu kierunkach (z taką samą prędkością). Gdy substancja nie może przenikać przez błony ze względu na niewielkie pory, wówczas dyfunduje woda lub inny rozpuszczalnik, zjawisko to nosi nazwę osmozy. W momencie maksymalnego wypełnienia wodą, osmoza zachodzi w dwóch kierunkach ze stałą szybkością.

Ciśnienie powodowane rozpuszczalnikiem jest ciśnieniem osmotycznym, dążącym do wyrównania stężeń, w wyniku tendencji cząsteczek substancji do parcia na zewnątrz (im większe stężenie substancji tym wyższe ciśnienie osmotyczne). Te dwa sposoby dyfuzji -dializa i osmoza oparte są więc na ruchu cząsteczek w kierunku wyższego stężenia do mniejszego, wywołanym ich energią kinetyczną. Dializa to dyfuzja cząsteczek substancji jak sole, cukry, osmoza-dyfuzja rozpuszczalnika przez błony wybiórcze. Komórka umieszczona w podobnym ciśnieniu osmotycznym substancji (izotonicznym) nie wykazuje pęcznienia ani się nie kurczy, przepływ pozornie nie zachodzi (osocze krwi, ciecze ciała). Ciecz hipertoniczna charakteryzuje się większym stężeniem substancji niż w komórce, woda dąży do przenikania na zewnątrz, komórka kurczy się. Ciśnienie hipotoniczne to ciśnienie niższe niż w komórce, woda napływa do komórki, która pęcznieje. Komórka może dostosować się do środowiska przez zmianę zawartości wody w wyniku pęcznienia lub kurczenia się, prowadzące do wyrównania stężeń. Istnieją mechanizmy aktywnego transportu substancji lub rozpuszczalnika w celu uzyskania ciśnienia osmotycznego różnego od otoczenia. Ameby, pantofelki i pierwotniaki, których środowiskiem życia jest woda słodka (hipotoniczna) zaopatrzone są w wodniczki tętniące, które transportują wodę do wnętrza i na zewnątrz. Komórki roślinne żyjące również w wodzie słodkiej przed pęcznieniem chroni ściana celulozowa. W wyniku przedostania się wody rośnie ciśnienie wewnętrzne tzw. turgor, które przeciwstawia się ciśnieniu osmotycznemu i uniemożliwia wnikanie wody do wnętrza komórki.