Hauptunterschied – Aktive vs. passive Diffusion

Die Membran der Zelle dient als semipermeable Barriere, die die Bewegung von Molekülen durch sie hindurch kontrolliert, um eine konstante zytosolische Umgebung aufrechtzuerhalten. Die Phospholipid-Doppelschicht ermöglicht es einigen Molekülen, die Zellmembran durch ihren Konzentrationsgradienten frei zu passieren, und einigen anderen Molekülen, spezielle Strukturen zu verwenden, um die Membran zu passieren. Diese Strukturen sind Transmembranproteine. Der Rest der Moleküle würde die Zellmembran unter Nutzung der Zellenergie passieren. Aktive und passive Diffusion sind zwei Methoden, die am Transport von Molekülen durch die Zellmembran beteiligt sind. Die Hauptunterschied zwischen aktiver und passiver Diffusion ist das aktive Diffusion pumpt Moleküle gegen den Konzentrationsgradienten unter Verwendung von ATP-Energie wohingegen passive Diffusion ermöglicht es den Molekülen, die Membran durch einen Konzentrationsgradienten zu passieren. Daher nutzt die passive Diffusion keine zelluläre Energie für den Transport von Molekülen.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was ist aktive Diffusion? – Definition, Molekülarten, Transportmechanismus 2. Was ist passive Diffusion? – Definition, Molekülarten, Transportmechanismus 3. Was sind die Ähnlichkeiten zwischen aktiver und passiver Diffusion? – Überblick über die gemeinsamen Funktionen 4. Was ist der Unterschied zwischen aktiver und passiver Diffusion? – Vergleich der wichtigsten Unterschiede

Schlüsselbegriffe: ATP, Zellmembran, elektrochemischer Gradient, erleichterte Diffusion, Osmose, primäre aktive Diffusion, sekundäre aktive Diffusion, einfache Diffusion

Was ist aktive Diffusion?

Aktive Diffusion bezieht sich auf die Bewegung von Molekülen oder Ionen von einem Bereich niedrigerer Konzentration zu einer höheren Konzentration mit Hilfe von Trägerproteinen in der Zellmembran unter Nutzung von Zellenergie. Zellen akkumulieren Glukose, Aminosäuren und Ionen durch aktive Diffusion. Primäre aktive Diffusion und sekundäre aktive Diffusion sind die zwei Arten von aktiven Diffusionsmechanismen, die von Zellen verwendet werden.

Primäre aktive Diffusion

Unter primärer aktiver Diffusion versteht man den Transport von Molekülen gegen den Konzentrationsgradienten unter Nutzung von Zellenergie in Form von ATP. Daher verwendet der primäre aktive Transport durch ATP angetriebene Trägerproteinmoleküle. Der primäre aktive Transport ist am deutlichsten in der Natrium/Kalium-Pumpe (Na+/K+ ATPase), die das Ruhepotential der Zelle aufrechterhält. Die bei der Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie wird genutzt, um drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle zu pumpen. Dabei werden Natriumionen von einer niedrigeren Konzentration von 10 mM zu einer höheren Konzentration von 145 mM transportiert. Kaliumionen werden von einer Konzentration von 140 mM innerhalb der Zelle zu einer Konzentration von 5 mM der extrazellulären Flüssigkeit transportiert. Die Wirkung der Natrium-/Kaliumpumpe ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Natrium-Kalium-Pumpe

Die Protonen-/Kaliumpumpe (H+/K+ ATPase) befindet sich in der Magenschleimhaut und sorgt für ein saures Milieu im Magen. Omeprazol ist ein Protonen-/Kaliumpumpenhemmer, der den Säurereflux im Magen reduziert. Sowohl die oxidative Phosphorylierung als auch die Photophosphorylierung der Elektronentransportkette verwenden den primären aktiven Transport, um ebenfalls eine Reduktionskraft zu erzeugen.

Sekundäre aktive Diffusion

Unter sekundärer aktiver Diffusion versteht man den Transport von Molekülen gegen den Konzentrationsgradienten durch die von einem elektrochemischen Gradienten freigesetzte Energie. Hier werden die Transmembranproteine ​​von Kanalproteinen (porenbildenden Proteinen) hergestellt. Beim sekundären Aktivtransport wird eine gleichzeitige Bewegung einer anderen Substanz gegen den Konzentrationsgradienten beobachtet. Daher können die an der sekundären aktiven Diffusion beteiligten Kanalproteine ​​als Cotransporter identifiziert werden. Die beiden Arten von Cotransportern sind Antiporter und Symporter. Die Wirkung der Cotransporter ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Cotransporter

Ein bestimmtes Ion und der gelöste Stoff werden durch Antiporter in entgegengesetzte Richtungen transportiert. Natrium/Calcium-Austauscher, der die Wiederherstellung der Calciumionenkonzentration im Kardiomyozyten nach dem Aktionspotential ermöglicht, ist das häufigste Beispiel für Antiporter. Ionen werden durch den Konzentrationsgradienten transportiert, während der gelöste Stoff von Symportern gegen den Konzentrationsgradienten transportiert wird. Dabei werden beide Moleküle in die gleiche Richtung über die Zellmembran transportiert. SGLT2 ist ein Symporter, der zusammen mit den Natriumionen Glukose in die Zelle transportiert.

Was ist passive Diffusion?

Passive Diffusion bezieht sich auf die Bewegung von Ionen oder Molekülen durch die Zellmembran durch einen Konzentrationsgradienten, ohne die Zellenergie zu nutzen. Daher nutzt die passive Diffusion die natürliche Entropie der Moleküle, um die Zellmembran zu passieren. Die Bewegung der Moleküle erfolgt, bis ihre Konzentration auf beiden Seiten gleich ist. Die vier Hauptarten der passiven Diffusion sind Osmose, einfache Diffusion, erleichterte Diffusion und Filtration.

Einfache Diffusion

Die einfache Bewegung von Molekülen durch eine durchlässige Membran wird als einfache Diffusion bezeichnet. Kleine, unpolare Moleküle verwenden einfache Diffusion. Die Diffusionsstrecke sollte geringer sein, um eine bessere Strömung aufrechtzuerhalten. Einfache Diffusion ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Einfache Diffusion

Erleichterte Diffusion

Polare Moleküle und große Moleküle passieren die Zellmembran durch erleichterte Diffusion. Die drei Arten von Transportproteinen, die an der erleichterten Diffusion beteiligt sind, sind Kanalproteine, Aquaporine und Trägerproteine. Kanalproteine ​​bilden hydrophobe Tunnel durch die Membran, wodurch die ausgewählten hydrophoben Moleküle die Membran passieren können. Einige Kanalproteine ​​sind ständig geöffnet, andere werden wie Ionenkanalproteine ​​gesteuert. Aquaporine lassen Wasser die Membran schnell passieren. Trägerproteine ​​ändern ihre Form und transportieren Zielmoleküle durch die Membran. Die erleichterte Diffusion ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Erleichterte Diffusion

Filtration

Filtration ist die Bewegung von gelösten Stoffen zusammen mit Wasser aufgrund des hydrostatischen Drucks, der vom Herz-Kreislauf-System erzeugt wird. Es kommt in der Bowman-Kapsel in der Niere vor. Die Filterung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Filtration

Osmose

Osmose ist die Bewegung von Wasser durch eine selektiv durchlässige Membran. Es tritt von einem hohen Wasserpotential zu einem niedrigen Wasserpotential auf. Die Wirkung des osmotischen Drucks auf die roten Blutkörperchen ist in Abbildung 6 dargestellt. Rote Blutkörperchen in einer hypertonischen Lösung können Wasser aus den Zellen verlieren. Hypertone Lösungen enthalten eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das Zytoplasma der roten Blutkörperchen. Isotonische Lösungen enthalten eine ähnliche Konzentration an gelösten Stoffen wie im Zytoplasma. Die Nettobewegung von Wasser in die und aus der Zelle ist also null. Hypotone Lösungen enthalten niedrigere Konzentrationen gelöster Stoffe als das Zytoplasma. Rote Blutkörperchen erhalten Wasser aus hypotonischen Lösungen.

Abbildung 6: Osmotischer Druck auf rote Blutkörperchen

Die fettlöslichen Moleküle passieren passiv die Phospholipid-Doppelschicht. Wasserlösliche Moleküle passieren die Zellmembran mittels Transmembranproteinen.

Ähnlichkeiten zwischen aktiver und passiver Diffusion

Unterschied zwischen aktiver und passiver Diffusion

Definition

Aktive Diffusion: Aktive Diffusion ist die Bewegung von Molekülen oder Ionen von einem Bereich niedrigerer Konzentration zu einer höheren Konzentration mit Hilfe von Trägerproteinen in der Zellmembran unter Nutzung von Zellenergie.

Passive Diffusion: Passive Diffusion ist die Bewegung von Ionen oder Molekülen durch die Zellmembran durch einen Konzentrationsgradienten, ohne die Zellenergie zu nutzen.

Zellularer Energieverbrauch

Aktive Diffusion: Aktive Diffusion nutzt zelluläre Energie, um Moleküle durch die Zellmembran zu transportieren.

Passive Diffusion: Passive Diffusion nutzt keine Zellenergie.

Art des Transports

Aktive Diffusion: Die primäre aktive Diffusion und die sekundäre aktive Diffusion sind die beiden Arten der aktiven Diffusion.

Passive Diffusion: Einfache Diffusion, erleichterte Diffusion, Filtration und Osmose sind die vier Arten der passiven Diffusion.

Moleküle transportieren

Aktive Diffusion: Ionen, große Proteine, komplexe Zucker sowie Zellen werden durch aktive Diffusion transportiert.

Passive Diffusion: Wasserlösliche Moleküle wie kleine Monosaccharide, Lipide, Sexualhormone, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasser werden durch passive Diffusion transportiert.

Rolle

Aktive Diffusion: Aktive Diffusion ermöglicht es Molekülen, die Zellmembran zu passieren, wodurch das durch die Diffusion hergestellte Gleichgewicht gestört wird.

Passive Diffusion: Ein dynamisches Gleichgewicht von Wasser, Nährstoffen, Gasen und Abfallstoffen wird durch passive Diffusion zwischen Zytosol und extrazellulärer Umgebung aufrechterhalten.

Bedeutung

Aktive Diffusion: Für den Eintritt großer, unlöslicher Moleküle in die Zelle ist ein aktiver Transport erforderlich.

Passive Diffusion: Passive Diffusion ermöglicht die Aufrechterhaltung einer empfindlichen Homöostase zwischen dem Zytosol und der extrazellulären Flüssigkeit.

Abschluss

Aktive Diffusion und passive Diffusion sind die zwei Arten von Membrantransportmechanismen, die von Zellen verwendet werden. Beide Prozesse laufen durch die Zellmembran ab. Die Zellmembran dient als selektiv durchlässige Barriere, die nur kleinen, ungeladenen Molekülen erlaubt, die Zellmembran frei zu passieren. Große Moleküle sowie geladene Ionen werden durch aktive Diffusion durch die Zellmembran geleitet. Kleine, ungeladene Moleküle passieren die passive Diffusion. Da die aktive Diffusion gegen den Konzentrationsgradienten erfolgt, wird zelluläre Energie in Form von ATP oder elektrochemischen Gradienten verwendet. Die passive Diffusion erfolgt jedoch über einen Konzentrationsgradienten und erfordert keine zelluläre Energie für den Transport von Molekülen. Der Hauptunterschied zwischen aktiver und passiver Diffusion besteht in der Art der passierenden Moleküle und der Nutzung der Zellenergie durch jeden Prozess.

Referenz:

1. Helmenstine, Anne Marie. „Vergleichen und kontrastieren Sie aktiven und passiven Transport.“ ThoughtCo, hier erhältlich.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „Blausen 0818 Natrium-Kalium-Pumpe“ Von Blausen.com-Mitarbeitern (2014). „Medizinische Galerie von Blausen Medical 2014“. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. – Eigene Arbeit (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia2. „Cotransporters“ Von Wikimedia-Benutzer: Lupask – Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 3. „Schema einfache Diffusion in Zellmembranen“ Von LadyofHats Mariana Ruiz Villarreal – Eigene Arbeit (Public Domain) über Commons Wikimedia4. „Blausen 0394 erleichterte Verbreitung“ von Blausen.com-Mitarbeitern (2014). „Medizinische Galerie von Blausen Medical 2014“. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. – Eigene Arbeit (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia5. „Filterdiagramm“ von LadyofHats Mariana Ruiz (Public Domain) über Commons Wikimedia6. "Osmotischer Druck auf Blutzellendiagramm" Von LadyofHats (Public Domain) über Commons Wikimedia