主な違い – 能動輸送と受動輸送
能動輸送と受動輸送は、細胞膜を越えて分子を輸送する2つの方法です。
細胞膜は、細胞に構造を与えるとともに、細胞質内の物質を細胞外環境から保護するマルチタスクユニットです。
細胞内外の分子の動きは、リン脂質二重膜によって決定され、細胞の繊細な恒常性を維持している。
リン脂質二重膜は半透膜であり、ある分子は濃度勾配を利用して自由に膜を通過し、ある分子は膜を通過するために特別な構造を利用し、またある分子は細胞のエネルギーを利用して膜を通過する。
能動輸送と受動輸送の主な違いは、能動輸送がATPエネルギーを使って濃度勾配に逆らって分子を送り出すのに対し、受動輸送は細胞エネルギーを必要とせず、分子が濃度勾配を通して膜を通過できることである。
この記事では
1. What is Active Transport
– Definition, Types, Function, How it works
2. What is Passive Transport
– Definition, Types, Function, How it works
3. What is the difference between Active and Passive Transport
アクティブ・トランスポートとは
能動輸送とは、酵素の働きと細胞エネルギーの利用により、濃度勾配に逆らって膜を越えて分子を移動させることである。
グルコース、アミノ酸、イオンなどの分子を細胞内に高濃度で蓄積させるために必要である。
活性輸送には、一次活性輸送と二次活性輸送の2種類があります。
一次有効輸送量
一次活性輸送では、細胞外液中に細胞が必要とする物質が存在することを、細胞膜上の特殊な膜貫通タンパク質が認識し、分子を輸送するポンプの役割を果たす。
これらの膜貫通型タンパク質は、ATPを動力源としている。
主な能動輸送は、細胞の静止電位を維持するナトリウム／カリウムポンプ（Na+/K+ ATPase）が最も顕著です。
ATPの加水分解によって放出されるエネルギーは、3つのナトリウムイオンを細胞外に、2つのカリウムイオンを細胞内に送り出すのに使われる。
ここで、ナトリウムイオンは低濃度の10mMから高濃度の145mMに輸送される。
カリウムイオンは細胞内の140mMの濃度から細胞外液の5mMの濃度に輸送される。
プロトン・カリウムポンプ（H+/K+ ATPase）は胃の粘膜に存在し、胃内を酸性に保っている。
オメプラゾールはプロトン／カリウムポンプ阻害剤であり、胃内の酸の逆流を抑えることができる。
電子輸送チェーンの酸化的リン酸化と光リン酸化の両方の間に、同様に還元力を作成するために一次活性輸送を使用します。
図1にナトリウム・カリウムポンプの働きを示す。
二次的なアクティブ輸送
電気化学的な勾配を動力源とする二次的な能動輸送。
孔を形成するタンパク質によってチャネルが形成される。
二次活性輸送では、濃度勾配に逆らって別の物質が同時に移動することが観察される。
したがって、二次的な活性輸送に関与するチャネルタンパク質は、共輸送体として同定することができる。
共輸送体には、アンチポーターとシムポーターの2種類があります。
特定のイオンと溶質が反対方向に輸送されるのが、アンチポーターです。
活動電位後の心筋細胞内のカルシウムイオン濃度を回復させるナトリウム／カルシウム交換体は、反輸送体の最も一般的な例です。
イオンは濃度勾配を通過して輸送されるが、溶質はシンポーターによって濃度勾配に逆らって輸送される。
ここでは、両分子は細胞膜を越えて同じ方向に輸送される。
SGLT2は、グルコースをナトリウムイオンとともに細胞内に輸送するシンポーターです。
図2にシンポーターとアンチポーターの機能を示す。
図2：シンポーターとアンチポーターの働き
パッシブ輸送とは
受動輸送とは、濃度勾配を通して膜を越えて分子が移動することであり、その移動に細胞エネルギーは使用されない。
自然のエントロピーを利用して、濃度が等しくなるまで、分子を高濃度から低濃度へ移動させる。
その後、平衡状態になると、分子の純移動はなくなる。
受動輸送には、浸透、単純拡散、促進拡散、ろ過の4つの主なタイプがあります。
透過性のある膜を越えて分子が単純に移動することを単純拡散という。
小さく、無極性の分子は単純拡散を利用する。
より良い流れを維持するためには、拡散距離を小さくする必要がある。
膜を通過する受動輸送を図3に示す。
図3：受動輸送
促進拡散では、極性分子や大きなイオンを移動させるために、特別な輸送タンパク質が使われる。
これらの輸送タンパク質は糖タンパク質であり、特定のタンパク質に特異的です。
GLUT4はグルコーストランスポーターで、血流中のグルコースを細胞内に輸送する。
主に脂肪と骨格筋に存在する。
促進拡散には、チャネルタンパク質、アクアポリン、キャリアタンパク質の3種類の輸送タンパク質が関与している。
チャネルタンパク質は、膜に疎水性のトンネルを作り、選択された疎水性分子が膜を通過することを可能にする。
チャネルタンパク質には、常時開口しているものと、イオンチャネルタンパク質のようにゲートがあるものとがあります。
アクアポリンは、水を素早く膜を通過させる。
キャリアータンパク質は、形を変えながら、目的の分子を膜越しに輸送する。
図4は、キャリアタンパク質による拡散を促進したものです。
図4: 拡散の促進
ろ過は、循環器系で発生する静水圧により、溶質が水と一緒に移動することである。
腎臓のボーマン嚢で発生する。
浸透は、選択的に透過する膜を越えて水が移動することである。
高水分ポテンシャルから低水分ポテンシャルへの移動が起こる。
アクティブ輸送とパッシブ輸送の違い
定義
能動輸送。
能動輸送は、濃度勾配に逆らって細胞膜を通過する分子を送り出す。
受動輸送。
受動輸送は、分子が濃度勾配を通過して細胞膜を通過することを可能にする。
携帯電話のエネルギー使用量
能動輸送。
能動輸送：細胞のエネルギーをATPの形で利用する。
受動輸送。
受動輸送は、細胞エネルギーを必要としない。
輸送の種類
能動輸送。
エンドサイトーシス、エキソサイトーシス、血中への物質分泌、ナトリウム・カリウムポンプなどがあります。
受動輸送。
受動輸送：拡散、促進拡散、浸透圧などがあります。
役割
能動輸送。
能動輸送は、拡散によって確立された均衡を崩しながら、分子が細胞膜を通過することを可能にする。
受動輸送。
水、栄養、ガス、老廃物の動的平衡は、細胞質と細胞外環境の間の受動輸送によって維持されている。
粒子の輸送
能動輸送。
イオン、大型タンパク質、複合糖質、細胞などが輸送される。
受動輸送。
小さな単糖類、脂質、性ホルモン、二酸化炭素、酸素、水などの水溶性分子は、受動輸送によって運ばれる。
重要性
能動輸送。
大きな不溶性分子を細胞内に取り込むには、能動輸送が必要である。
受動輸送。
細胞質と細胞外液の間の微妙なホメオスタシスを維持するための輸送。
結論
能動輸送と受動輸送は、細胞膜を越えて分子を輸送する2つの方法です。
能動輸送は、細胞のエネルギーを使って、濃度勾配に逆らって分子を送り出す。
一次能動輸送では、ATPがエネルギーとして使われる。
二次的能動輸送では、電気化学的勾配を利用して膜を越えて分子を移動させる。
栄養分は、能動輸送を利用して細胞内に濃縮される。
受動拡散は、小さな非極性分子が膜を横切って移動することを可能にする。
これは、濃度勾配によってのみ起こる。
したがって、このプロセスではエネルギーは利用されない。
浸透と濾過も受動拡散の一種です。
しかし、能動輸送と受動輸送の主な違いは、分子を膜を越えて輸送するメカニズムにある。
