Transport przez błony

Substancje takie jak: cukry, aminokwasy muszą

być importowane, a produkty zbędne takie jak
CO2, ,musza być usuwane, a
wewnątrzkomórkowe stężenie jonów takich jak:
Na+, K+, Cl~, Ca2+ ,musi być utrzymywane
na stałym poziomie. Niektóre z tych substancji
takich jak CO2 i , mogą przenikać przez
dwuwarstwę lipidową w drodze dyfuzji prostej,
ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak
więc ich przenoszenie uzależnione jest od
transportu błonowego, który przeprowadzany
jest przez specyficzne białka transportowe
stanowiące przejścia dla poszczególnych
substancji.

Transport

Bez nakładu

energii

Z nakładem

energii

Dyfuzja:

prosta

Złożona

Ułatwiona

Transport aktywny

Osmoza

Transport bez nakładu energii:

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 ułatwiona zachodzi przy udziale białek oraz

kanałów jonowych. Możliwe są następujące przypadki

transportu:



uniport

- transport przez błonę tylko jednego rodzaju

cząsteczek



symport

-transport aktywny, w trakcie którego

przenoszona jest cząsteczka i jon, przemieszczające się

w jednym kierunku



antiport

- to sprzężony transport cząsteczki i jonu przez

błonę, przemieszczające się w przeciwnych kierunkach



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 z nakładem energii:



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.

Przepuszczalność błony komórkowej dla danej

substancji zależy od rozmiaru i ładunku jej cząsteczek.



Błona jest przepuszczalna

, gdy cząsteczki

swobodnie przez nią przenikają



nieprzepuszczalna

, gdy cząsteczki nie są w

stanie się przez nią przedostać



selektywnie przepuszczalna

(półprzepuszczalna) przepuszcza tylko
niektóre rodzaje cząsteczek, podczas gdy inne
zatrzymuje.



Półprzepuszczalność

błony wiąże się z występowaniem w

błonach specyficznych białek transportujących zwanych

nośnikami

. 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-

przenośnik

Nieruchome-

kanały



kanały

tworzą w błonie

małe hydrofilowe pory,
przez które substancje
mogą przechodzić w
drodze dyfuzji prostej.
Większość kanałów
białkowych przepuszcza
tylko jony nieorganiczne i
dlatego określa się je jako
kanały jonowe.



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.

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

Kanały



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.

Kanały



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 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.



Po drugie, 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. 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.



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.



Odkryto dotąd ponad sto typów
kanałów jonowych i ciągle znajduje się
nowe. Różnią się one między sobą
głównie pod względem



selektywności jonów

— a więc typem

jonów, których przepływ umożliwiają



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 zależne od napięcia



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.

Transport aktywny przemieszcza jony i cząsteczki
wbrew ich gradientom elektrochemicznym



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:

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.



Pompa sodowo-potasowa
składa się z dwóch rodzajów
podjednostek: α (112 kDa) i β
(35 kDa) tworzących w błonie
komórkowej heterotetramer α
2β 2. Miejsce wiązania ATP
znajduje się na podjednostce α.
Na tej podjednostce, na
powierzchni skierowanej do
środowiska
zewnątrzkomórkowego,
znajdują się również miejsca
wiązania dla steroidów
kardiotonicznych (np.:
digitoksygenina), które hamują
aktywność pompy przez
blokowanie defosforylacji.



Hydroliza

ATP

jest siłą napędową tego enzymu, potrzebną do pompowania jonów sodu i

potasu:

ATP-aza jest fosforylowana przez ATP w obecności jonów sodu i magnezu. Do podjednostki α,

która jest związana z ATP wiązane są trzy jony sodu. Następnie ATP ulega hydrolizie, a

zmiana konformacji białka pozwala na przetransportowanie jonów sodu na zewnątrz komórki,

gdzie jony zostają uwolnione z kompleksu. Następuje tu związanie dwóch jonów potasu, a

następnie defosforylacja - wywołująca ponowną zmianę konformacji, pozwalającą na

przeniesienie jonów potasu do wnętrza komórki. Tu uwolnienie jonów następuje po

przyłączeniu cząsteczki ATP.



Fosforylacja zależna od Na+ i defosforylacja zależna od K+ są krytycznymi reakcjami

enzymu. Cykl enzymatyczny trwa 10 ms. Pojedyncza ATP-aza kosztem hydrolizy jednej

cząsteczki ATP transportuje, przy maksymalnej prędkości 100 obrotów na s, w ciągu sekundy

300 jonów Na+ i 200 jonów K+. Gradient sodowo-potasowy wytwarzany dzięki

enzymatycznej aktywności Na+/K+-ATP-azy:



kontroluje objętość komórki;



jest niezbędny dla pobudzenia nerwów i mięśni;



jest siłą napędową transportu aktywnego cukrów oraz aminokwasów

Zatrzymanie pompy prowadzi do:



zmian składu płynu wewnątrzkomórkowego



zmian składu płynu zewnątrzkomórkowego,
w którym stężenie jonów Na+ zmniejsza się
i zwiększa stężenie jonów K+



utraty przez komórki własnych właściwości



braku reakcji komórek na bodźce i do ich
niepobudliwości.

Impulsy odbierane przez
dendryty i przekazywane do
ciała komórki nerwowej; stąd
wędrują wzdłuż błony
komórkowej do zakończeń
aksonu tworzących z innymi
komórkami, a dokładniej
błonami komórkowymi
neuronów następnych lub z
błonami komórek narządów
wykonawczych takich jak
mięśnie czy gruczoły,
połączenia zwane synapsami.
Tu następuje przekazanie
impulsów między neuronami
lub między włóknami
nerwowymi a narządami

wykonawczymi.



W synapsie wyróżniamy:



Część presynaptyczną (3) (przedsynaptyczną) –

bezmielinowe zakończenie aksonu doprowadzające

impulsy, mające kształt kolbki pokrytej tzw. błona

presynaptyczną. W kolbce są mitochondria (10) i

drobne pęcherzyki synaptyczne (2) ze

zmagazynowanymi substancjami chemicznymi – (1)

mediator synaptyczny/ przekaźnik transmiter/

neuromediator



Szczelina synaptyczna (9)– oddziela część

presynaptyczną od postsynaptycznej, komunikuje się z

przestrzenią zewnątrzkomórkową, wypełniona jest

materiałem śródsynaptycznym, znajdują się tu wolne

jony Ca2+ oraz różne enzymy.



Część postsynaptyczna (zasynaptyczna). Błoną

postsynaptyczną (6) nazywamy błonę komórki

odbiorczej czy to nerwowej, mięśniowej czy

gruczołowej. Część tej błony, znajdująca się

naprzeciwko presynaptycznego zakończenia aksonu

jest nazywana błoną subsynaptyczną. Tu znajdują się

kanały jonowe (5) oraz swoiste, chemiczne struktury

białkowe tzw. błonowe receptory molekularne (8).



Impuls nerwowy osiąga zakończenie presynaptyczne i powoduje

otwarcie kanałów wapniowych znajdujących się w błonie kolbki

presynaptycznej. Jony wapnia przenikają do zakończeń

presynaptycznych podczas depolaryzacji błony (sprzężenie

elektro-wydzielnicze). Powoduje to uwalnianie (w obrębie tzw.

obszaru uwalniania) z pęcherzyków cząsteczek mediatora

chemicznego. Cząsteczki te, przez otworki w błonie

presynaptycznej, dostają się do szczeliny synaptycznej i reagują z

receptorami błony subsynaptycznej ). Wywołują w niej zmiany

przepuszczalności jonowej oraz zmiany jej potencjału

spoczynkowego. Zmiany potencjału spoczynkowego błony

subsynaptycznej, występujące przy łączeniu się cząstek

mediatora z molekularnymi receptorami prowadzą do powstania

tzw. potencjałów postsynaptycznych wskutek otwierania się

furtek odpowiednich kanałów jonowych błony. Furtki nie

wykazują pobudliwości elektrycznej. Wrażliwe są jedynie na

działanie mediatorów chemicznych. Następnie wyzwalany jest

potencjał czynnościowy komórki postsynaptycznej. Uwolnione

mediatory po wykonaniu zadania ulegają unieczynnieniu

ponieważ ciągła ich obecność w szczelinie synaptycznej

powodowałaby ciągłe pobudzenie błony postsynaptycznej.



W przekazywaniu informacji innym
komórkom poprzez synapsy następuje
zmiana nośnika informacji:



W części presynaptycznej nośnikiem są
potencjały czynnościowe, czyli jest to
nośnik elektryczny



W obrębie synapsy – nośnik chemiczny
(mediator)



W błonie postsynaptycznej – nośnik
elektryczny

Bibliografia



B. Alberts, Podstawy biologii
komórki, Wydawnictwo Naukowe
PWN 2009



J. Kawiak, Podstawy cytofizjologii,
Wydawnictwo Naukowe PWN
,Warszawa 1998

Document Outline