Transport przez błony biologiczne

 

		TRANSPORT
PRZEZ BŁONĘ				PĘCHERZYKOWY (z fragmentami błon)
bez udziału nośników	z udziałem nośników			egzocytoza		endocytoza:
       dyfuzja prosta        dyfuzja złożona	dyfuzja ułatwiona		transport aktywny			       pinocytoza        fagocytoza
			       pierwotny        wtórny        translokacja grupowa			       endocytoza receptorowa

 

Transport bez udziału nośników:

Dyfuzja prosta - wypadkowe przemieszczanie się cząsteczek z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu, tak że ostatecznie rozkład cząstek staje się równomierny (dyfuzja jest zatem ruchem cząsteczek zgodnym ze spadkiem gradientu stężenia). Szybkość dyfuzji zależy od wielkości i kształtu cząsteczek, ich ładunku elektryczne go i temperatury otoczenia.

Dyfuzja złożona - przenikanie substancji zachodzi nie tylko pod wpływem gradient stężenia, ale i innych bodźców, jak np. gradientu potencjału elektrochemicznego czy gradientu ciśnienia

Osmoza - przemieszczanie się (dyfundowanie) wody z obszarów o wyższym jej stężeniu do obszarów o stężeniu niższym.

Transport z udziałem nośników - transport przez błony z uczestnictwem w przenoszeniu różnych, zlokalizowanych w błonie białek. W ten rodzaj transportu mogą być zaangażowane dwa mechanizmy: dyfuzji ułatwionej (wspomaganej) oraz aktywnego transportu.

W dyfuzji ułatwionej ruch cząsteczek odbywa się tylko w kierunku zgodnym ze spadkiem gradientu stężenia (od wyższego do niższego) - błona jest przepuszczalna dla przemieszczanej substancji, lecz obecność w błonie specyficznego nośnika, wiążącego czasowo transportowaną cząstkę przyspiesza jej przemieszczanie się przez błonę. Białko przenośnikowe nie ulega w tym procesie żadnym zmianom; po odłączeniu jednej cząsteczki może natychmiast wiązać się z drugą. Przykładem takiego nośnika jest białko transportujące glukozę przez błonę komórkową erytrocytów.

Transport aktywny - transport cząsteczek wbrew gradientowi stężeń, odbywający się kosztem energii metabolicznej. Energia do tego transportu pochodzi najczęściej z ATP, np. pompa sodowo-potasowa - zlokalizowana w błonach plazmatycznych grupa specyficznych białek, które wykorzystują energię pochodzącą z rozkładu ATP do wymiany jonów sodowych z wnętrza komórki na jony potasowe wnikające z zewnątrz. W tym wypadku wytwarzany gradient stężenia dotyczy cząstek obdarzonych ładunkiem, zatem w poprzek błony tworzy się nie tylko gradient stężenia, lecz i także gradient potencjału elektrycznego. Można wyróżnić trzy różne mechanizmy transportu aktywnego:

translokacja grupowa - gdy energia do transportu danej cząsteczki równa jest energii potrzebnej do wytworzenia nowych wiązań kowalencyjnych w transportowanej cząsteczce

transport aktywny pierwotny - gdy energia do transportu danej cząsteczki równa jest energii potrzebnej do wytworzenia nowych wiązań kowalencyjnych w nośniku

transport aktywny wtórny - gdzie aktywnie transportowana pierwsza substancja (np. Na⁺) tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, który warunkuje transport innej substancji, np. cukru, aminokwasu, zgodnie z tym gradientem.

Transport przez błonę można podzielić inaczej na bierny, czyli bez nakładu energii ze strony komórki ( osmoza, dyfuzja prosta, złożona i dyfuzja ułatwiona) oraz na transport aktywny, wymagający dostarczenia energii metabolicznej

 

Przepuszczalność błony komórkowej dla danej substancji zależy od rozmiaru i ładunku jej cząsteczek. Błona jest przepuszczalna, gdy cząsteczki swobodnie przez nią przenikają, i odwrotnie - jest nieprzepuszczalna, gdy cząsteczki nie są w stanie się przez nią przedostać. Błona selektywnie przepuszczalna (półprzepuszczalna) przepuszcza tylko niektóre rodzaje cząsteczek, podczas gdy inne zatrzymuje.

Niektóre cząsteczki przenikają przez podwójną warstwę lipidową dość łatwo (szczeliną powstałą na skutek odchylenia się łańcucha kwasu tłuszczowego) np. cząsteczki wody, tlen, dwutlenek węgla, azot, małe cząsteczki polarne (np.glicerol) i niektóre większe cząsteczki niepolarne (np. węglowodory). Cząsteczki większe, np. glukoza i jony różnej wielkości nie przedostają się przez podwójną warstwę lipidową z powodu zbyt dużych rozmiarów lub na skutek odpychania przez naładowaną powierzchniową warstwę błony.

Półprzepuszczalność błony wiąże się z występowaniem w błonach specyficznych białek transportujących zwanych nośnikami (dotyczy to wszystkich błon plazmatycznych - otaczających i budujących różne struktury). Błony są selektywnie przepuszczalne dla różnych rodzajów cząsteczek. Zestaw białek transportujących zawarty w błonie komórkowej czy w błonie organelli we­wnątrzkomórkowych ściśle określa, jakie substancje mogą wejść do ko­mórki lub organelli oraz z nich wyjść. Aby nadać impuls i zapewnić poprawny, złożony ruch drobnych cząsteczek, zarówno wchodzących do komórki, jak i z niej wychodzących oraz przemieszcza­nych pomiędzy cytozolem a różnymi organellami komórki, każda błona w komórce zawiera charakterystyczny dla siebie zestaw przenośników. Tak więc w błonie komórkowej znajdują się przenośniki importujące sub­stancje odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy; w wewnętrz­nej błonie mitochondrialnej znajdują się przenośniki do importu pirogronianu (w komórkach roślinnych także: jabłczanu i szczawiooctanu) i ADP oraz eksportu ATP itd. W odpowiedzi na zmianę warunków środowiska lub na aktualne zapotrzebowanie komórki błona komórkowa może stawać się barierą nie do przebycia dla cząstek danej substancji, w innych natomiast okolicznościach może je aktywnie transportować.

Nośniki są białkami błonowymi niezbędnymi do przenoszenia poprzez błony jonów oraz prawie wszystkich małych cząsteczek organicznych z wyjątkiem cząsteczek rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych oraz małych cząsteczek nienaładowanych, które mogą przechodzić przez błonę w drodze dyfuzji prostej. Każdy nośnik jest wysoce selektywny i często transportuje tylko jeden typ cząsteczek. Wyróżnia się dwa rodzaje nośników: ruchome (przenośniki, permeazy) i nieruchome czyli kanały. Przenośniki są białkami integralnymi, które wiążą rozpuszczoną substancję po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę poprzez zmianę konformacji przenośnika. Tą drogą mogą być transportowane zarówno małe cząsteczki organiczne, jak i nieorganiczne jony. Natomiast kanały tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje mogą przechodzić w drodze dyfuzji. Większość kanałów białkowych przepuszcza tylko jony nieorganicz­ne i dlatego określa się je jako kanały jonowe. Komórki mogą wprawdzie przenosić selektywnie przez swe błony także makrocząsteczki, takie jak białka, ale wymaga to znacznie bardziej skomplikowanego mechanizmu.

Łańcuchy polipeptydowe przebadanych szczegółowo białek prowadzących transport przez błonę — zarówno prze­nośników, jak i kanałów — wielokrotnie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową. Uważa się, że przechodząc wielokrotnie tam i z powrotem przez dwuwarstwę, łańcuch polipeptydowy tworzy wyścielone białkiem ciągłe przejście, pozwalające wybranym małym cząsteczkom hydrofilowym na przechodzenie poprzez błonę bez wejścia w bezpośredni kontakt z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej.

Zasadniczą różnicą między przenośnikiem a kanałem jest sposób, w ja­ki rozróżniają one rozpuszczone cząsteczki, transportując tylko pewne z nich, a inne nie. Kanały prowadzą to rozróżnienie na zasadzie ich wielkości i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, cząsteczki dosta­tecznie małe i niosące odpowiedni ładunek mogą się prześlizgnąć jak przez wąskie, otwarte drzwi zapadkowe. Przenośnik działa bardziej jak jednokierunkowe drzwi obrotowe: pozwala wejść tylko tej cząsteczce, któ­ra pasuje do miejsca wiążącego na białku przenośnika i przenosi te czą­steczki poprzez błonę tylko pojedynczo, za każdym razem zmieniając swą konformację. Przenośnik specyficznie wiąże przeno­szoną cząsteczkę w ten sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat i to właśnie wymóg specyficznego wiązania nadaje transportowi selektywność. Aby całkowicie zrozumieć sposób, w jaki przenośnik przeprowadza czą­steczkę poprzez błonę, musielibyśmy znać szczegóły jego trójwymiarowej struktury, ale taka informacja istnieje na razie tylko w stosunku do nie­licznych białek czynnych w transporcie przez błony. Jednym z nich jest bakteriorodopsyna, która działa jak aktywowana świa­tłem pompa protonowa

W zasadzie najprostszą drogą umożliwiającą małym, rozpuszczalnym w wodzie cząsteczkom przejście z jednej strony błony na drugą jest stwo­rzenie hydrofilowego kanału. Funkcję tę pełnią w błonach komórkowych białka kanałowe, tworzące wodne pory transbłonowe, umożliwiające bierny ruch małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, zarówno mię­dzy cytozolem i otoczeniem komórki, jak i między cytozolem i wnętrzem organelli.

Tylko nieliczne białka kanałowe tworzą względnie duże pory; przykła­dem są białka, które tworzą poleczenia komunikacyjne pomiędzy dwoma przylegającymi komórkami oraz poryny tworzące kana­ły w zewnętrznej błonie mitochondriów i pewnych bakterii. Jednak takie duże, działające bez ograniczeń kanały powodowałyby katastrofalne przecieki, gdyby bezpośrednio łączyły cytozol komórki z przestrzenią zewnątrzkomórkową. Dlatego też większość białek kanało­wych w błonie komórkowej komórek zwierząt i roślin jest całkowicie od­mienna i ma pory wąskie, o dużej selektywności. Prawie wszystkie te biał­ka są kanałami jonowymi, prowadzącymi wyłącznie transport jonów nieorganicznych, głównie Na⁺, K⁺, Cl^~, Ca²⁺.

Dwie ważne właściwości odróżniają kanały jonowe od prostych porów wodnych. Po pierwsze wykazują one selektywność jonową pozwalającą na przejście tylko niektórych jonów nieorganicznych. Selektywność jonowa zależy od średnicy i kształtu kanału jonowego oraz od rozmieszczenia w wyściółce kanału naładowanych reszt aminokwasowych. Kanał jest w pewnych miejscach dostatecznie wąski, aby zmusić jony do kontaktu ze ścianą kanału, przez co przechodzić mogą tylko te jony, które mają odpo­wiednią wielkość i ładunek. Na przykład wąskie kanały nie przepuszczą dużych jonów, a kanały wyścielone ładunkami ujemnymi uniemożliwią wejście jonów ujemnych ze względu na elektrostatyczne odpychanie ła­dunków jednoimiennych. Na tej zasadzie powstały kanały selektywne dla jednego tylko typu jonu, np. Na⁺ lub Cl^-. Każdy jon w roztworze wodnym jest otoczony cienkim płaszczem cząsteczek wody; uważa się, że dopiero zdjęcie większości towarzyszących cząsteczek wody umożliwia przejście jonów jednego po drugim przez najwęższą część kanału. Ten etap trans­portu jonu ogranicza maksymalną szybkość przewodzenia jonów przez kanał. Tak więc w miarę wzrostu stężenia jonów ich przepływ przez kanał początkowo wzrasta proporcjonalnie do stężenia, ale następnie ulegnie wysyceniu przy maksymalnej szybkości.

Drugą ważną cechą odróżniającą kanały jonowe od prostych porów wodnych jest to, że kanały jonowe nie są ustawiczne otwarte. Transport jonów nie miałby dla komórki żadnej wartości, gdyby nie było sposobu kontrolowania ich przepływu i gdyby wiele tysięcy kanałów jonowych w błonie komórkowej było przez cały czas otwarte. Jak omówimy to póź­niej, większość kanałów jonowych jest bramkowana; mogą one przełączać się ze stanu otwartego w zamknięty przez zmianę konformacji, a przejście takie jest regulowane warunkami panującymi w środku i na zewnątrz ko­mórki.

Kanały jonowe mają znaczną przewagę nad przenośnikami pod wzglę­dem ich maksymalnej szybkości transportu. Przez jeden kanał może w ciągu każdej sekundy przejść ponad milion jonów, co jest szybkością 1000 razy większą niż największa znana szybkość transportu dokonywane­go przez jakikolwiek przenośnik. Z drugiej strony, kanały nie mogą sprzę­gnąć przepływu jonów z żadnym źródłem energii, co umożliwiłoby im prowadzenie transportu aktywnego. Tak więc funkcją większości kanałów jonowych jest uczynienie błony przejściowo przepuszczalną dla wybra­nych jonów nieorganicznych, głównie Na⁺, K⁺, Ca²⁺ i Cl^~, pozwalając — w czasie otwarcia bramek kanałów — na szybkie dyfuzyjne przejście tych jonów poprzez błonę zgodnie z ich gradientami elektrochemicznymi.

W wyniku aktywnego transportu prowadzonego przez pompy i inne białka transportujące, większość stężeń jonowych po obu stronach błony jest daleko odsunięta od równowagi. Dlatego też po otwarciu kanału jony szybko przez niego przepływają. Takie szybkie wpływanie jonów wytwarza puls ładunku elektrycznego albo doprowadzonego do komórki (gdy jony wpływają), albo wyprowadzonego z komórki (gdy jony wypływają). Przepływ jonów zmienia napięcie istniejące w poprzek błony —potencjał bło­nowy — co zmienia siły elektrochemiczne stanowiące napęd do przemiesz­czania wszystkich innych jonów poprzez błonę. Zarazem, zmusza to inne kanały jonowe, specyficznie wrażliwe na zmiany potencjału błonowego, do otwarcia się lub zamknięcia w ciągu milisekund. Wynikająca stąd eksplo­zja aktywności elektrycznej może szybko przemieszczać się z jednego ob­szaru błony komórkowej do drugiego, przewodząc sygnały elektryczne. Ten typ sygnaliza­cji elektrycznej nie jest ograniczony do zwierząt, ale występuje też u pier­wotniaków i roślin; np. mięsożerna roślina, rosiczka, używa sygnalizacji elektrycznej do wyczuwania obecności i złapania owadów.

Potencjał błonowy stanowi podstawę każdej aktywności elektrycznej w komórce, zarówno roślin, zwierząt, jak i pierwotniaków.

Główną metodą stosowaną do badania ruchu jonów i zachowania się ka­nałów jonowych w żywych komórkach są pomiary elektryczne. Techniki zapisu elektrycznego zostały tak wspaniale udoskonalone, że można obecnie wykrywać i mierzyć prąd elektryczny płynący przez pojedynczy kanał. Procedura znana jako zapis metodą patch-clamp pozwoliła od­tworzyć zdumiewający obraz pracy indywidualnych kanałów jonowych.

W metodzie tej bardzo cienka rureczka szklana jest używana jako mikroelektroda do wytworzenia elektrycznego kontaktu z powierzchnią ko­mórki. Mikroelektrodę uzyskuje się przez rozgrzewanie rurki szklanej i jej rozciągnięcie, co pozwala otrzymać niezwykle delikatną końcówkę o śred­nicy rzędu kilku mikrometrów. Rurkę napełnia się wodnym roztworem przewodzącym prąd, a końcówką naciska się powierzchnię komórki. Przez delikatne zassanie wytwarza się szczelne złącze elektryczne pomię­dzy błoną komórkową a ujściem mikroelektrody. Jeśli chce­my odsłonić cytozolową stronę błony, łatkę błony przychwyconą mikro-elektrodą delikatnie oddzielamy od komórki. W drugi, otwarty koniec mikroelektrody wprowadza się cienki metalowy przewód. Prąd wchodzący do mikroelektrody przez kanały jonowe w małej łatce błony zakrywającej końcówkę elektrody przechodzi poprzez przewód do aparatów pomiarowych, a stąd do łaźni z płynem, w której jest umieszczo­na komórka lub oderwana z niej łatka. Pomiary metodą patch-clamp umożliwiają uzyskanie zapisu działania kanałów jonowych we wszystkich typach komórek — nie tylko w dużych komórkach nerwo­wych, znanych ze swej aktywności elektrycznej, ale również w komórkach takich jak drożdże, zbyt małych, aby zachodzące w nich zjawiska elek­tryczne wykryć jakąkolwiek inną metodą.

Zmieniając stężenie jonów środowiska po którejkolwiek stronie łatki błony można sprawdzić, jaki jon będzie przechodził przez kanał. Przy od­powiednim obwodzie elektronicznym można ustalić napięcie istniejące w poprzek łatki błony, czyli potencjał błonowy, i utrzymywać go na sta­łym, dowolnie wybranym poziomie. W ten sposób można sprawdzić, jak zmiany potencjału błonowego wpływają na otwieranie się i zamykanie ka­nałów w błonach.

Gdy obszar błony zamkniętej końcówką elektrody jest dostatecznie mały, można natrafić na sytuację, w której będzie obecny tylko pojedyn­czy kanał jonowy. Nowoczesna aparatura elektryczna jest dostatecznie czuła, aby wykryć przepływ jonów poprzez pojedynczy kanał wyrażony niezwykle małym prądem (rzędu 10~¹²A). Zachowanie się takich prądów jest zazwyczaj zaskakujące; nawet przy utrzymaniu stałych warunków prą­dy nagle pojawiają się i znikają, tak jakby ktoś przypadkowo bawił się wy­łącznikiem. Takie zachowanie sugeruje, że kanał ma ruchome części i przełącza się tam i z powrotem od jednej do drugiej konformacji. Ponieważ takie zachowanie pojawia się nawet przy doświadczalnym utrzymaniu stałości warunków, wskazuje, że prawdopo­dobnie białko kanału jest wybijane z jednej konformacji w drugą termicz­nymi ruchami cząsteczek w jego otoczeniu. Jest to jeden z nielicznych przypadków, w których można śledzić zmiany konformacyjne pojedynczej cząsteczki białka. Wyłaniający się obraz drgającej maszyny poddanej sta­łym poszturchiwaniom mógłby być z pewnością zastosowany do innych białek mających ruchome części.

Jeśli kanały w przypadkowy sposób przechodzą z konformacji otwartej do zamkniętej nawet wtedy, gdy warunki po każdej stronie błony są stałe, zastanawiające jest, w jaki sposób ich stan może być regulowany warun­kami panującymi na zewnątrz komórki i w jej wnętrzu? Odpowiedź jest taka, że przy zmianie odpowiednich warunków przypadkowość zachowa­nia zostaje zachowana, ale znacznie zmienia się prawdopodobieństwo. Je­śli na przykład zmienione warunki wykazują tendencję do otwierania ka­nału, to kanał będzie występował w konformacji otwartej znacznie czę­ściej, aczkolwiek nie pozostanie otwarty w sposób ciągły. Gdy kanał jonowy jest otwarty, to jest otwarty całkowicie, a kiedy jest zamknięty, to też całkowicie.

Odkryto dotąd ponad sto typów kanałów jonowych i ciągle znajduje się no­we. Różnią się one między sobą głównie pod względem 1) selektywności jo­nów — a więc typem jonów, których przepływ umożliwiają i 2) bramkowa­nia — a więc warunków wpływających na ich otwieranie i zamykanie.

W przypadku kanału bramkowanego napięciem prawdopodobień­stwo otwarcia jest kontrolowane przez potencjał błonowy. W przypadku kanału bramkowanego ligandem, np. receptora acetylocholiny stan otwarcia jest kontrolowany związaniem określonej cząsteczki (liganda) z białkiem kanału. Otwarcie kanału aktywowanego przez stres jest kontrolowa­ne siłą mechaniczną przyłożoną do kanału. Rzęsate komór­ki słuchowe w uchu są ważnym przykładem komórek, których działanie zależy od tego typu kanału. Drgania akustyczne otwierają kanały aktywo­wane przez stres powodując wpłynięcie jonów do komórek rzęsatych; powoduje to powstanie sygnału elektrycznego, który jest przenoszony z komórek włosowych do nerwu słuchowego przewodzącego sygnał do mózgu .

Kanały bramkowane napięciem odgrywają główną rolę w przewodze­niu sygnałów elektrycznych przez komórki nerwowe. Są one również obecne w wielu innych komórkach, takich jak komórki mięśniowe i jajo­we, pierwotniaki, a nawet komórki roślin, gdzie umożliwiają przenoszenie sygnałów elektrycznych z jednej części rośliny do drugiej, na przykład podczas reakcji zamykania liści u mimozy. Kanały jonowe bramkowane napięciem mają wyspecjalizowane naładowane elektrycznie domeny białkowe nazywane czujnikami napięcia, które są niezwykle wrażliwe na zmiany potencjału błonowego: zmiany przekraczające okre­śloną wartość progową wywierają na te domeny dostateczną siłę elek­tryczną, aby spowodować przełączenie się kanału z konformacji zamknię­tej w otwartą lub odwrotnie.

Stężenie jonów wewnątrz komórki jest bardzo różne od ich stężenia na zewnątrz

Transport jonów poprzez błony komórkowe ma w biologii zasadnicze zna­czenie. Komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w płynie otaczającym je, przy czym różnice te są klu­czowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. W otoczeniu komórki substancjami rozpuszczonymi występującymi w największych ilościach są jony Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^- i H⁺ (protony), a ich przechodzenie przez błonę komórkową stanowi istotną część wielu procesów komórkowych. Na przy­kład komórki zwierzęce pompują Na⁺ na zewnątrz, aby utrzymać małe stężenie Na⁺ w cytoplazmie. Pompowanie to pomaga w utrzymaniu rów­nowagi ciśnień osmotycznych po obu stronach błony: jeśli ono zawiedzie, woda wpływa w drodze osmozy do komórki powodując jej pęcznienie i pęknięcie. Przemieszczanie jonów poprzez błony komórki pełni też za­sadniczą rolę w działaniu komórki nerwowej.

Na⁺ jest najliczniejszym dodatnio naładowa­nym jonem (kationem) obecnym na zewnątrz komórki, natomiast K⁺ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu. Jeśli komórka ma nie być rozerwana przez siły elektryczne, ilość ładunków dodatnich wewnątrz ko­mórki musi być zrównoważona przez prawie równą ilość ładunków ujem­nych, przy czym to samo dotyczy ładunków w płynie otaczającym komór­kę. Mały nadmiar dodatnich lub ujemnych ładunków, zagęszczonych w sąsiedztwie błony komórkowej jest dopuszczalny i pełni ważne funkcje elektryczne.

Duże stężenie Na⁺ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl^-. Duże stężenie K⁺ wewnątrz komór­ki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych jonów (anionów) wewnątrzkomórkowych. Istotnie, większość związków wewnątrzkomórkowych ma ładunek ujemny: poza Cl^-, komórki zawierają jony nieorganiczne, takie jak kwaśne węglany (HCO₃^-), fosforany (PO₄ ^3-), metabolity organiczne — zawierające ujemnie naładowane gru­py fosforanowe i karboksylowe (COO^-) — oraz makrocząsteczki, takie jak białka i kwasy nukleinowe, również zawierające liczne grupy fosfora­nowe i karboksylowe. Organiczne cząsteczki naładowane ujemnie są cza­sem nazywane „utrwalonymi anionami" („fixed anions"), ponieważ nie mogą uciec z komórki przekraczając błonę komórkową.

Cząsteczki i jony przechodzą poprzez błonę w drodze transportu biernego lub aktywnego

Przy rozważaniu transportu ważnym pytaniem jest powód, dla którego za­chodzi on w danym, a nie w innym kierunku. Jeśli tylko istnieje odpowied­nia droga, przechodzenie cząsteczek z rejonów o ich dużym stężeniu do rejonów o małym stężeniu jest korzystne energetycznie, a więc przebiega spontanicznie. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły napędowej. Jeśli na przykład rozpuszczona substancja występuje poza komórką w stężeniu większym niż w komórce i gdy w bło­nie komórkowej jest obecny odpowiedni kanał lub przenośnik, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki w drodze transportu biernego (nazywanego też dyfuzją ułatwioną), bez wydatku energii ze strony transportującego białka.

Jednakże, aby przesunąć cząsteczkę lub jon wbrew gradientowi stężeń, transportujące białko musi wykonać pracę. Musi ono pokonać różnicę stężeń przez sprzężenie przenoszenia danych cząsteczek lub jonów z inny­mi procesami, które dostarczą energii. Prowadzone tą drogą przemiesz­czanie poprzez błonę określa się jako transport aktywny; jest on doko­nywany tylko przez specjalne typy przenośników, które mogą do procesu transportu zaprząc określone źródła energii.

 

Napędem transportu biernego mogą być zarówno siły elektryczne, jak i gradienty stężeń

 

Prostym przykładem przenośnika pośredniczącego w transporcie biernym jest przenośnik glukozy obecny w błonie komórkowej komórek wątroby ssaków, a także wielu innych typów komórek. Buduje go łańcuch białko­wy o 12 helisach transbłonowych. Uważa się, że białko to może przyjmo­wać przynajmniej dwie konformacje, miedzy którymi oscyluje odwracal­nie i przypadkowo. W jednej konformacji przenośnik eksponuje miejsca wiążące glukozę na zewnątrz komórki, a w drugiej eksponuje je do wnę­trza komórki.

Gdy na zewnątrz komórki wątroby jest dużo glukozy (np. po posiłku), jej cząsteczki wiążą się do wystawionych na zewnątrz miejsc wiążących; gdy białko zmienia swą konformację, wprowadza te cząsteczki do wnętrza i uwalania je do cytozolu, gdzie stężenie glukozy jest małe. Odwrotnie, gdy poziom cukru we krwi jest niski (gdy jest się głodnym), hormon glukagon stymuluje komórkę wątroby do wytwarzania dużej ilości glukozy w drodze rozkładu glikogenu. W konsekwencji stężenie glukozy w komór­ce staje się większe niż na zewnątrz, a glukoza wiąże się do tych miejsc na przenośniku, które są eksponowane do wnętrza komórki; gdy białko zmieni swą konformację na przeciwną, glukoza zostaje wyprowadzona z komórki. Przepływ glukozy może następować w którymkolwiek kierun­ku, ale zgodnie z gradientem stężenia glukozy istniejącym poprzez błonę — do środka, jeśli więcej glukozy jest na zewnątrz komórki i na zewnątrz, jeśli sytuacja jest odwrotna. To właśnie tego typu białka transportujące, które umożliwiają przepływ substancji, ale nie biorą udziału w określeniu jego kierunku, prowadzą transport bierny. Chociaż bierny, transport ten jest jednak bardzo selektywny. Miejsca wiążące na przenośniku glukozy wiążą tylko D-glukozę, lecz nie, na przykład, jej zwierciadlane odbicie - L-glukozę, której komórki nie mogą używać do glikolizy. O kierunku bier­nego transportu glukozy, która jest cząsteczką nie naładowaną, decyduje po prostu gradient jej stężenia. W przypadku cząsteczek naładowanych elektrycznie, zarówno małych jonów organicznych, jak i nieorganicznych, w grę wchodzi dodatkowa siła. W poprzek większości błon komórkowych występuje różnica potencjałów, określana jako potencjał transblonowy wynikający z różnej koncentracji ładunków elektrycznych po dwóch stronach błony. Działa on z określoną siłą na każ­dą cząsteczkę, która niesie ładunek elektryczny. Cytoplazmatyczna po­wierzchnia błony komórkowej ma zazwyczaj potencjał ujemny ( więcej ładunków ujemnych) względem otoczenia komórki, a to powoduje tendencję do wprowadzania dodatnio naładowanych jonów lub cząsteczek do komórki, a wyprowadzania z niej jonów lub cząsteczek naładowanych ujemnie. Równocześnie jednak czą­steczki te będą miały tendencję do przemieszczania się w dół ich gradien­tu stężenia. Taki gradient jest też formą magazynowania energii, podobnie jak zgromadzona przed zaporą woda, która może zostać wykorzystana do napędzania innego układu transportującego.

Wypadkowa siła kierująca poprzez błonę jony lub naładowane cząsteczki składa się więc z dwóch sił składowych, z których jedna wynika z gra­dientu stężenia, a druga z napięcia istniejącego poprzez błonę. Tę wypad­kową siłę określa się jako gradient elektrochemiczny dla danej przeno­szonej jednostki. Ten właśnie gradient determinuje kierunek biernego transportu przez błonę. Dla pewnych jonów napięcie i gradient stężenia działają w tym samym kierunku, tworząc względnie stromy gradient elek­trochemiczny. Tak jest na przykład w przypadku Na⁺, który jest naładowany dodatnio i którego stężenie jest większe na zewnątrz ko­mórki niż w jej wnętrzu. Dlatego też, gdy tylko Na⁺ ma takie możliwości, będzie dążył do wejścia do komórki. Gdy napięcie i gradienty stężeń mają efekt przeciwstawny, wypadkowy gradient elektrochemiczny może być mały. Przykładem jest tu K⁺, jon naładowany dodatnio, którego stężenie wewnątrz komórki jest znacznie większe niż na zewnątrz. Właśnie z powodu przeciwstawnych efektów K⁺ ma mały gradient elektrochemicz­ny poprzez błonę, mimo jego dużego gradientu stężenia i dlatego wypad­kowe przemieszczanie K⁺ przez błonę jest niewielkie.

 

Transport aktywny przemieszcza jony i cząsteczki wbrew ich gradientom elektrochemicznym

Komórki nie mogą polegać jedynie na transporcie biernym. Do zachowa­nia wewnątrzkomórkowego składu jonowego komórek i do wprowadza­nia cząsteczek, których stężenie na zewnątrz jest mniejsze niż w komórce, niezbędny jest aktywny transport cząsteczek i jonów wbrew ich gradiento­wi elektrochemicznemu. Istnieją trzy główne drogi, którymi komórki pro­wadzą transport aktywny: 1) przenośniki sprzężone sprzęgają transport przez błonę jednej cząsteczki, zachodzący wbrew gradientowi, z transportem innej, zgodnym z gradientem; 2) pompy napędzane przez ATP sprzęgają transport wbrew gradientowi z hydrolizą ATP; 3) pompy napędzane światłem, znajdowane głównie w komórkach bakteryjnych (bakteriorodopsyna), sprzęgają transport wbrew gradientowi z wprowadzeniem energii ze świa­tła.

Ponieważ substancja, która ma się przemieszczać zgodnie z gradientem, musi być uprzednio przetransportowana wbrew gradientowi, niezbędne jest powiązanie różnych form aktywnego transportu. Tak więc, w błonie komórkowej komórek zwierząt pompy napędzane przez ATP wyprowa­dzają z komórki Na⁺ wbrew jego gradientowi elektrochemicznemu, a na­stępnie Na⁺ wpływa do komórek z powrotem już zgodnie z tym gradien­tem. Ponieważ Na⁺ wpływa do cytozolu poprzez przenośniki sprzężone z Na⁺, jego napływ stanowi napęd do aktywnego przemieszczenia wielu in­nych substancji do komórki wbrew ich gradientom elektrochemicznym. Gdyby pompa Na⁺ przestała działać, gradient Na⁺ prędko by się wyrów­nał, a transport poprzez przenośniki sprzężone z Na⁺ uległby zatrzymaniu. Dlatego też napędzana przez ATP pompa Na⁺ odgrywa centralną rolę w transporcie poprzez błony w komórkach zwierząt. W komórkach roślin, grzybów i wielu bakterii podobną rolę odgrywają napędzane przez ATP pompy, które wytwarzają protonowy gradient elektrochemiczny przez wy­pompowywanie H⁺ z komórki.

 

---