Budowa i fizjologia błon komórkowych

1. BUDOWA BŁON KOMÓRKOWYCH:
Prosta konstrukcja błony komórkowej jest oparta na podwójnej warstwie lipidów, a jej grubość wynosi około 5 nm., co
odpowiada nawarstwieniu około 50 atomów. Niezależnie od lokalizacji wszystkie błony w komórce są zbudowane z
lipidów oraz białek i mają wspólny plan budowy.
Składnik lipidowy obejmuje miliony cząsteczek lipidów ułożonych w dwie ściśle do siebie przylegające, przeciwstawnie
zorientowane warstwy tworzące dwuwarstwę lipidową. Dwuwarstwę lipidowa stanowi istotę struktury błony i pełni
funkcję bariery przepuszczalności. Cząsteczki białka umożliwiają pozostałe funkcje błony i nadają różnym błonom ich
indywidualne właściwości.
1.1.

DWUWARSTWA LIPIDOWA

Lipidy błonowe łączą w jednej cząsteczce dwie właściwości: mają hydrofilową (lubiącą wodę) głowę i jeden lub dwa
hydrofobowe ogony węglowodorowe. Najliczniej występującymi lipidami błonowymi są fosfolipidy, w których
hydrofilowa głowa związana jest z resztą cząsteczki przez grupę fosforanową. Fosfolipidem najczęściej występującym w
większości błon komórkowych jest fosfatydylocholina, w której hydrofilową głową jest mała cząsteczka choliny
złączona z fosforanem, a ogonami hydrofobowymi – dwa długie łańcuchy węglowodorowe.
Cząsteczki o właściwościach zarówno hydrofilowych jak i hydrofobowych określa się, jako amfipatyczne. Tę cechę
mają również inne typy lipidów błonowych - sterole (takie jak cholesterol w błonach zwierzęcych) i glikolipidy, których
hydrofilową głowę stanowią cukry. Amfipatyczność odgrywa kluczową rolę przy organizowaniu cząsteczek lipidów w
dwuwarstwę.
Cząsteczki hydrofilowe rozpuszczają się łatwo w wodzie, ponieważ zawierają spolaryzowane atomy lub grupy polarne
(to jest grupy o nierówno rozmieszczonych ładunkach dodatnich i ujemnych), mogące tworzyć wiązania elektrostatyczne
lub wiązania wodorowe z cząsteczkami wody, które same są cząsteczkami polarnymi. Natomiast cząsteczki hydrofobowe
są w wodzie nierozpuszczalne, nie zawierają spolaryzowanych atomów i grup polarnych i nie mogą tworzyć wiązań z
cząsteczkami wody. Zamiast tego zawarte w tych cząsteczkach atomy zmuszają przylegające cząsteczki wody do
zreorganizowania się wokół cząsteczki hydrofobowej w strukturę podobną do klatki. Ponieważ ta struktura jest bardziej
uporządkowana niż struktura wody otaczającej cząsteczkę hydrofilową jej powstanie wymaga dostarczenia energii.
Niezbędny wydatek energetyczny jest jednak minimalny, jeżeli cząsteczki hydrofobowe zgrupują się razem, przez co
wymuszonej strukturze podporządkowuje się najmniejsza możliwa ilość cząsteczek wody. Dlatego też cząsteczki
całkowicie hydrofobowe, takie jak tłuszcze w tłuszczowych komórkach zwierząt i oleje w nasionach roślin, wkrótce po
rozproszeniu w wodzie skupiają się w pojedynczą, wielką kroplę.
Natomiast cząsteczce amfipatyczne, np. fosfolipidy, podlegają dwóm sprzecznie działającym siłom: hydrofilowa głowa
przyciągana jest przez wodę, podczas gdy hydrofobowe ogony unikają wody i dążą do agregacji z innymi cząsteczkami
hydrofobowymi.
Te same siły, które powodują formowanie dwuwarstwy przez cząsteczki amfipatyczne, nadają tej dwuwarstwie zdolność
zasklepiania się. Jakiekolwiek rozdarcie dwuwarstwy prowadzi do powstania wolnej krawędzi mającej kontakt z wodą,
ponieważ jest to energetycznie wysoko niekorzystne, cząsteczki dwuwarstwy przegrupowują się spontanicznie tak, aby tę
krawędź wyeliminować. Jeśli rozdarcie jest małe to spontaniczna reorganizacja doprowadzi do naprawy dwuwarstwy,
przywracając jej ciągłość, jeśli rozdarcie jest duże warstwa może rozpaść się na duże pęcherzyki.
1.2.

DWUWARSTWA LIPIDOWA JEST DWUWYMIAROWYM PŁYNEM

Wodne środowisko istniejące na zewnątrz komórki i w jej wnętrzu uniemożliwia ucieczkę lipidów błonowych z
dwuwarstwy, ale nic nie uniemożliwia tym cząsteczkom przemieszczania się i wymieniania miejscami w obrębie
płaszczyzny dwuwarstwy. Poszczególne cząsteczki fosfolipidów w obrębie jednej monowarstwy dwuwarstwy lipidowej
nie dokonują spontanicznej przemieszczenia typu „filp-flop”
1.3.

PŁYNNOŚĆ DWUWARSTWY LIPIDOWEJ ZALEŻY OD JEJ SKŁADU MOLELKULARNEGO.

Stopień płynności błony- a więc łatwość, z jaką cząsteczki lipidów przemieszczają się w obrębie płaszczyzny
dwuwarstwy- jest czynnikiem istotnym dla funkcji błony i musi być utrzymywany w określonych granicach. Płynność
dwuwarstwy lipidowej w danej temp. zależy od rodzaju fosfolipidów budujących błonę, a szczególnie od charakteru ich
ogonów węglowodorowych: im ściślejsze i bardziej regularne jest upakowanie ogonów, tym bardziej lepka i mniej
płynna będzie, dwuwarstwa. Na upakowanie ogonów węglowodorowych w dwuwarstwie mają wpływ ich dwie główne
właściwości - długość oraz stopień nasycenia (liczba obecnych w nich wiązań podwójnych). Krótsze łańcuchy
zmniejszają skłonność węglowodorowych ogonów do oddziaływania ze sobą i przez to zwiększają płynność dwuwarstwy
(długość ogonów węglowodorowych w cząsteczkach fosfolipidów ma od 18-24 atomów węgla).
Zwykle tylko jeden z dwóch węglowodorowych ogonów cząsteczki fosfolipidy zawiera jedno lub więcej wiązań
podwójnych między przylegającymi do siebie atomami węgla. Łańcuch zawierający wiązania podwójne nie zawiera wiec
maksymalnej liczby atomów wodoru, które mogłyby w zasadzie być przyłączone do jego szkieletu węglowego, i dlatego
nazywany jest nienasyconym w odniesieniu do wodorów. Drugi ogon kwasu tłuszczowego zazwyczaj nie ma wiązań
podwójnych, a więc ma pełen skład atomów wodoru i nazywany jest nasyconym. Każde podwójne wiązanie w
nienasyconym węglowodorze wytwarza małe zgięcie hydrofobowego ogona, które utrudnia upakowanie tego ogona
względem innych. Z tego powodu dwuwarstwy lipidowe są tym bardziej płynne, im więcej zawierają nienasyconych
łańcuchów węglowodorowych, dlatego tłuszcze roślinne w zasadzie nienasycone są płynne w temp. Pokojowej,
odmiennie niż tłuszcze zwierzęce.
W komórkach zwierząt płynność błony jest modulowana przez obecność steroidu-cholesterolu, jego krótkie, sztywne
cząsteczki występują w szczególnie dużych ilościach w błonie komórkowej, gdzie wypełniają przestrzenie między
sąsiadującymi cząsteczkami fosfolipidów, powstałe w wyniku obecności zgięć w ich nienasyconych ogonach
węglowodorowych. W ten sposób cholesterol usztywnia dwuwarstwę, zmniejszając jej płynność i przepuszczalność.
Płynność błony jest ważna dla wszystkich komórek. Umożliwia szybką dyfuzję białek błonowych w płaszczyźnie
dwuwarstwy i ich wzajemne oddziaływanie, tak istotne np. w sygnalizacji komórkowej.

Właśnie dzięki płynności możliwe jest dyfuzyjne rozprowadzanie lipidów i białek błonowych z miejsc, w których są one
po swojej syntezie wbudowywane w dwuwarstwe, do innych obszarów komórki. Płynność błon umożliwia fuzję błon ze
sobą i wymieszanie ich cząsteczek, co przy podziale komórki zabezpiecza równomierne rozdzielenie cząsteczek
tworzących błonę między komórki potomne.
1.4.

DWUWARSTWA LIPIDOWA JEST ASYMETRYCZNA

Błony są z zasady asymetryczne i eksponują na zewnątrz komórki lub organelli powierzchnię zupełnie różnią od tej
skierowanej ku ich wnętrzu. Dwie monowarstwy dwuwarstwy często zawierają różny zbiór fosfolipidów i glikolipidów.
Białka osadzone w dwuwarstwie wykazują specyficzną orientację, krytyczną dla ich funkcji.
Asymetria lipidów ma początek w miejscu ich powstania. Nowe cząsteczki fosfolipidów są syntetyzowane w komórce
eukariotycznej przez enzymy błonowe związane z cytozolową monowarstwą dwuwarstwy ER, tj. monowarstwą błony ER
skierowaną do cytozolu. Substratami dla tych enzymów są kwasy tłuszczowe dostępne w cytozolowej monowarstwie
błony ER. Synteza fosfolipidów powiększa monowarstwe od strony cytozolowej. Flipaza katalizuje przeniesienie
cząsteczek fosfolipidów, dzięki czemu następuję symetryczny wzrost obydwu monowarstw dwuwarstwy.
1.5.

ASYMETRIA LIPIDÓW POWSTAJE WEWNĄTRZ KOMÓRKI

W komórkach eukariotycznych synteza prawie wszystkich nowych błon zachodzi w jednym przedziale
wewnątrzkomórkowych –ER. Powstająca, a właściwie rosnąca tam nowa błona jest eksportowana do innych błon
komórki przez cykliczne odrywanie się pęcherzyków, które zostają następnie wbudowane w inną w procesie dyfuzji.
Ponieważ podczas tego transportu pęcherzykowego orientacja dwuwarstwy względem cytozolu jest zachowana,
wszystkie błony w komórce –zarówno zewnętrzna błona komórkowa, jak i błony wewnątrzkomórkowe osłaniające
organelle - mają dwie wyraźnie różniące się powierzchnie: „wewnętrzną” i „zewnętrzną”; strona cytozolową
wyeksponowana jest zawsze do cytozolu, a strona niecytozolowa eksponowana jest albo do otocznia komórki albo do
wewnętrznej przestrzeni organelli.
Glikolipidy występują głównie w błonie komórkowej i to tylko w pozacytozolowej monowarstwie dwuwarstwy. Dlatego
też ich grupy cukrowe są eksponowane na zewnątrz komórki, gdzie wchodzą w skład ochronnego płaszcza z
węglowodanów, który otacza większość komórek zwierzęcych. Cząsteczki glikolipidów uzyskują swoje grupy cukrowe
w aparacie Golgiego. Enzymy dodające grupy cukrowe występują wyłącznie we wnętrzu aparatu Golgiego.. Zatem,
cukry są dołączane do cząsteczek lipidów znajdujących się w pozacytozolowej monowarstwie dwuwarstwy lipidowej.
Powstała w ten sposób cząsteczka glikolipidu pozostaje już na zawsze w tej, monowarstwie, ponieważ nie istnieją żadne
flipazy, które mogłyby taką cząsteczkę przenieść do mono warstwy cytozolowej. Tak, więc, gdy cząsteczka glikolipidu
zostaje w końcu dostarczona do błony komórkowej, jest odizolowana od cytozolu i wystawia swą grupę cukrową na
zewnątrz komórki.
Inne cząsteczki lipidów wykazują odmienne typy asymetrycznego rozmieszczenia, związane z innymi funkcjami. Na
przykład fosfolipidy inozytolowe są mało licznymi składnikami błony komórkowej, ale odgrywają specjalną rolę w
przekazywaniu sygnałów z powierzchni komórki do składników wewnątrzkomórkowych, które na ten sygnał
odpowiedzą. Działają one tylko wtedy, gdy sygnał zostanie już przeniesiony poprzez błonę komórkową, dlatego są
skupione w cytozolowej monowarstwie tej błony.

2. BIAŁKA BŁONOWE
Chociaż dwuwarstwa lipidową stanowi podstawę struktury wszystkich błon w komórce i działa, jako bariera
przepuszczalności dla cząsteczek po obu jej stronach, to większość funkcji błon jest realizowana przez białka błonowe. U
zwierząt białka stanowią około 50% masy większości błon, a reszta przypada na lipidy i względnie matą ilość cukrowców.
Ponieważ jednak cząsteczki lipidów są znacznie mniejsze od cząsteczek białek, z reguły w błonach jest 50 razy więcej
cząsteczek lipidów niż cząsteczek białek.
Poza transportowaniem określonych substancji odżywczych, metabolitów i jonów przez dwuwarstwę lipidową, białka pełnią
w błonach wiele innych funkcji. Niektóre z nich łączą błonę z makrocząsteczkami po jednej lub drugiej stronie błony. Inne
działają, jako receptory wykrywające w otoczeniu komórki sygnały chemiczne i przekazujące niesioną przez nie informację
do wnętrza komórki, a jeszcze inne działają, jako enzymy katalizujące określone reakcje. Każdy typ błon w komórce zawiera
odmienny zestaw białek, stanowiący odbicie szczególnych funkcji tych typów błon. W tym podrozdziale omówimy budowę
białek błonowych i różne sposoby ich wiązania z dwuwarstwa lipidową.
2.1.

BIAŁKA BŁONOWE SĄ W RÓŻNY SPOSÓB ZWIĄZANE Z DWUWARSTWĄ LIPIDOWĄ.

Istnieją różne sposoby związania białek z lipidową dwuwarstwą błon komórki

Wiele białek błonowych przechodzi poprzez dwuwarstwę, tak, że po obu jej stronach wystają fragmenty tych białek.

Te białka transbłonowe, podobnie jak sąsiadujące z nimi lipidy, mają rejony (domeny) zarówno hydrofobowe, jak i
hydrofilowe. Ich regiony hydrofobowa leżą we wnętrzu dwuwarstwy, gdzie kontaktują się z hydrofobowymi ogonami
cząsteczek lipidów, podczas gdy regiony hydrofilowe są eksponowane do środowiska wodnego, po obu stronach błony.

Niektóre białka błonowe, których przeważająca część jest umiejscowiona w cytozolu, są związane z wewnętrzną

(cytozolową) monowarstwą dwuwarstwy lipidowej poprzez amfipatyczną helisę a znajdującą się na powierzchni tych
białek..

Inne białka błonowe znajdują się całkowicie poza obrębem, dwuwarstwy, ale są w niej zakotwiczone poprzez jedną

lub więcej grup lipidowych, połączonych kowalencyjnie z białkiem.

Jeszcze inne białka są pośrednio związane z błoną po jednej lub drugiej stronie w wyniku oddziaływań z innymi

białkami błonowymi.

Białka związane bezpośrednio z błoną — a więc transbłonowe, związane z jedną monowarstwą błony lub zakotwiczone
poprzez lipidy — mogą być uwolnione z błon tylko w drodze rozpuszczenia dwuwarstwy lipidowej przez detergenty, o
czym będzie mowa dalej. Takie białka określa się, jako integralne białka błonowe. Pozostałe białka błonowe to
peryferyczne białka błono-we; można je uwolnić z błony stosując łagodne procedury ekstrakcji, które zrywają
oddziaływania białko-białko, nie naruszając dwuwarstwy lipidowej.
2.2.

ŁAŃCUCH POLPIEPTYDOWY ZAZWYCZAJ PRZECHODZI POPRZEZ DWUWARSTWĘ, JAKO

HELISA α

Wszystkie białka błonowe wykazują unikatową orientację w dwuwarstwie lipidowej. Na przykład, transbłonowe białko
receptorowe zawsze eksponuje tę samą domenę do cytozolu. Orientacja białka w błonie jest konsekwencją sposobu jego
syntezy. Części białka transbłonowego, które wystają na zewnątrz dwuwarstwy lipidowej, łączą wyspecjalizowane
transbłonowe segmenty łańcucha polipeptydowego Segmenty te, przechodzące przez środowisko hydrofobowe wnętrza
dwuwarstwy lipidowej, są zbudowane głównie z aminokwasów o hydrofobowych łańcuchach bocznych- Ponieważ te
łańcuchy boczne nie mogą korzystnie oddziaływać z cząsteczkami wody, preferują otoczenie lipidowe, w którym wody
nie ma.
Jednakże, w odróżnieniu od hydrofobowych łańcuchów bocznych, wiązania peptydowe. które łączą kolejne aminokwasy
w białku, są polarne i sprawiają, iż szkielet polipeptydowy ma charakter hydrofilowy. Ponieważ w dwuwarstwie nie ma
wody, atomy tworzące szkielet ulegają presji tworzenia między sobą wiązań wodorowych, których najwięcej może
powstać wtedy, gdy łańcuch polipeptydowy tworzy regularną helisę cc dlatego też ogromna większość transbłonowych
segmentów łańcuchów polipeptydowych przechodzi poprzez dwuwarstwę jako helisy a W tych, „spinających" obie
powierzchnie błony, helisach a hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów są eksponowane na zewnątrz helisy, gdzie
kontaktują się z hydrofobowymi ogonami lipidów, podczas gdy atomy szkieletu polipeptydowego tworzą między sobą
wiązania wodorowe wewnątrz helisy alfa.
W wielu białkach transbłonowych łańcuch polipeptydowy przechodzi przez błonę tylko raz. Wiele z tych białek jest
receptorami sygnałów zewnątrzkomórkowych: ich zewnątrzkomórkowa domena wiąże cząsteczkę sygnałową, podczas
gdy ich domena cytoplazmatyczna przekazuje sygnał do wnętrza komórki .
Inne białka transbłonowe tworzą pory wodne umożliwiające przejście poprzez błonę cząsteczek rozpuszczalnych w
wodzie. Pory takie nie mogą być utworzone przez białka z pojedynczą, jednolicie hydrofobową trans--błonową helisą α.
Potrzebne są do tego bardziej skomplikowane białka transbłonowe, w których łańcuch polipeptydowy przechodzi przez
dwuwarstwę kilka razy jako helisa alfa. W wielu z tych białek jeden lub więcej rejonów transbłonowych tworzą helisy α,
które zawierają zarówno hydrofobowe, jak i hydrofilowe łańcuchy boczne aminokwasów Hydrofobowe łańcuchy boczne
leżą po tej stronie helisy alfa, która skierowana jest do lipidów błony. Hydrofilowe łańcuchy boczne są skupione po stronie
przeciwnej, gdzie wyściełają wnętrze hydrofilowego poru, utworzonego przez kilka helis a, zestawionych w pierścień
umiejscowiony w obrębie hydrofobowego wnętrza dwuwarstwy lipidowej.
Chociaż helisa alfa jest zdecydowanie najczęstszą formą, w jakiej łańcuch polipeptydowy przechodzi przez dwuwarstwę
lipidową, to jednak łańcuchy polipeptydowe pewnych białek transbłonowych przyjmują w dwuwarstwie lipidowej
strukturę harmonijki β. Jest to struktura układająca się w kształt cylindra, tworzącego rodzaj beczułki otwartej z obu
stron, nazywanej beczułką beta Jak należało oczekiwać, łańcuchy boczne aminokwasów zwrócone do wnętrza beczułki — i
dlatego wyścielające kanał wypełniony wodą — są przeważnie hydrofilowe, natomiast łańcuchy boczne aminokwasów
wystawione na zewnątrz beczułki i kontaktujące się 2 hydrofobowym rdzeniem dwuwarstwy lipidowej są wyłącznie hydrofobowe.
Najbardziej uderzającym przykładem struktury beczułki beta białka poryn, które tworzą duże wypełnione wodą pory w
zewnętrznych błonach mitochondriów i niektórych bakterii. Mitochondria i pewne bakterie są otoczone dwiema błonami, a
poryny umożliwiają przechodzenie przez ich zewnętrzną błonę małych jonów i substancji odżywczych zapobiegając równocześnie
przejściu dużych cząsteczek, takich jak antybiotyki i toksyny. W odróżnieniu od helis alfa, beczułki beta mogą tworzyć tylko
szerokie kanały, ponieważ istnieją ograniczenia w zestawianiu harmonijek p w beczułkę. Pod tym względem beczułka beta jest
mniej wszechstronna niż grupa helis α.

2.3.

BIAŁKA BŁONOWE MOŻNA PRZEPROWADZIĆ W FORMĘ ROZPUSZCZALNĄ W

DETERGENTACH I OCZYSZCZAĆ

Aby w pełni zrozumieć dane białko, należy znać szczegóły jego budowy, co w przypadku białek błonowych stwarza wyjątkowe
problemy. Większość procedur biochemicznych została ustalona dla cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie lub w prostych
rozpuszczalnikach. Jednak białka błonowe są przeznaczone do działania w otoczeniu, które jest częściowo wodne, a częściowe
tłuszczowe i „wyjęcie" ich z tego środowiska oraz oczyszczenie, z zachowaniem podstawowej struktury, nie jest łatwym zadaniem.
Szczegółowe badanie danego białka wymaga oddzielenia go od wszystkich innych białek komórkowych. W przypadku
większości białek błonowych pierwszym etapem takiego oddzielenia jest solubilizacja (rozpuszczenie) błony czynnikami
niszczącymi dwuwarstwę lipidową w wyniku usunięcia oddziaływań hydrofobowych. Najbardziej użytecznymi czynnikami są pod
tym względem detergenty — małe, amfipatyczne, podobne do lipidów cząsteczki, posiadające rejony zarówno hydrofobowe, jak i
hydrofilowe. Detergenty różnią się od fosfolipidów błonowych tym, że mają tylko pojedynczy ogon hydrofobowy i dlatego
zachowują się znacząco odmiennie. Z powodu pojedynczego ogona hydrofobowego cząsteczki detergentu mają kształt bardziej
stożkowy niż cylindryczny i w wodzie wyka2ują tendencję do agregowania w małe skupienia o nazwie micele, a nie tworzą
dwuwarstw jak to robią fosfolipidy, które mają bardziej cylindryczny kształt.
Po zmieszaniu dużego nadmiaru detergentu z błonami, hydrofobowe końce cząsteczek detergentu wiążą się zarówno z
transbłonowymi hydrofobowymi domenami białek błonowych, jak i z hydrofobowymi ogonami cząsteczek fosfolipidów,
rozdzielając przez to białka od fosfolipidów. Ponieważ drugi koniec cząsteczki detergentu jest hydrofilowy, takie wiązanie powoduje
przeprowadzenie białek błonowych do roztworu (solubilizację) w postaci kompleksów z detergentem. W tym samym czasie detergent
powoduje solubilizację fosfolipidów. Kompleksy białek z detergentem można rozdzielić i oddzielić od kompleksów lipidów z deter-

gentem, stosując technikę taką jak elektroforeza w żelu poliakrylamidowym w obecności SDS. SDS i Triton X-100 są
powszechnie stosowanymi detergentami. Dodecylosiarczan sodu (SDS) Jest silnym detergentem Jonowym (tj.
zawierającym zjonizowaną grupę przy swym hydrofilowym końcu), a Triton X-100 Jest łagodnym detergentem
niejonowym (tj. zawierającym przy swym hydrofilowym końcu ugrupowanie polarne, ale niezjonizowane). Silne
detergenty jonowe takie Jak SDS nie tylko oddzielają cząsteczki lipidów od białek, ale również rozfałdowują białka.
2.4.

CAŁKOWITA STRUKTURA ZNANA JEST TYLKO W PRZYPADKU BARDZO NIEWIELU BIAŁEK

BŁONOWYCH.

Znaczną część wiedzy o strukturze białek błonowych zdobyto pośrednio. Standardową bezpośrednią metodą określenia
struktury białka jest krystalografia rentgenowska (omówiona w rozdz. 4); wymaga ona jednak uporządkowanego
krystalicznego układu badanej cząsteczki, a krystalizacja białek błonowych okazała się trudniejsza niż krystalizacja białek
rozpuszczalnych znajdujących się w cytozolu. Do białek błonowych, których struktura została poznana z dużą
rozdzielczością, zaliczamy bakteriorodopsynę i fotosyntetyczne centrum reakcji. Są to bakteryjne białka błonowe, pełniące
ważną rolę w wychwytywaniu i użytkowaniu energii światła słonecznego. Poznanie struktury tych dwóch białek pozwoliło
zrozumieć, jak helisy a przebiegają przez dwuwarstwę lipidową, a także, jak z różnych cząsteczek białkowych mogą zostać
w błonie zmontowane funkcjonalne kompleksy.
To małe białko (ok. 250 aminokwasów) występuje w dużych ilościach w błonie komórkowej archeona Halobacterium
halobium, żyjącego w naturalnych słonych zbiornikach. Bakteriorodopsyna jest transbłonowym białkiem
transportującym, pompującym H

(protony) na zewnątrz bakterii. Pompowanie to wymaga energii, którą bakteriorodopsyna

uzyskuje bezpośrednio ze światła słonecznego. Każda cząsteczka bakteriorodopsyny zawiera pojedynczą, absorbującą
światło niebiałkową cząsteczkę o nazwie retinal - która nadaje białku (a także bakterii) kolor ciemnofioletowy.
Ta mała hydrofobowa cząsteczka jest połączona kowalencyjnie z jedną z siedmiu transbłonowych helis a bakteriorodopsyny i jest
zlokalizowana w płaszczyźnie dwuwarstwy lipidowej, gdzie otacza ją całkowicie siedem helis alfa. Gdy retinal absorbuje foton
światła, zmienia swój kształt, co powoduje serię małych zmian konformacyjnych białka zanurzonego w dwuwarstwie lipidowej.
Wynikiem tych zmian jest przeniesienie jednego H

z retinalu na zewnątrz bakterii: H

przemieszcza się w poprzek dwuwarstwy

wzdłuż szlaku strategicznie umieszczonych, polarnych łańcuchów bocznych aminokwasów (patrz rys. 11-28). Retinal regeneruje
się następnie przez pobranie H

z cytozolu, co przywraca białku jego wyjściową konformację, tak iż może ono powtórzyć cykl.

Wynikiem jednego cyklu jest wyprowadzenie jednego H

z bakterii na zewnątrz, co zmniejsza stężenie H

wewnątrz komórki.

W obecności światła słonecznego tysiące cząsteczek bakteriorodopsyny wypompowują H

z komórki, tworząc w poprzek błony

bakteryjnej gradient stężenia H

który służy jako magazyn energii, porównywany z tamą wodną. Podobnie jak spiętrzoną wodę

można użyć do wytwarzania elektryczności, jeśli płynie w dół przez turbinę, gradient H

może być użyty do wytwarzania ATP,

gdy H

wpływają z powrotem do bakterii przez inne białko błonowe — syntazę ATP. Ten sam typ syntazy ATP wytwarza

większość ATP w komórkach roślin i zwierząt.
Struktura bakteryjnego centrum reakcji fotosyntetyczne jest to wielki kompleks złożony z czterech cząsteczek białka, z których
trzy są białkami transbłonowymi; dwa z nich (M i L) przechodzą przez dwuwarstwe lipidową za pomocą licznych helis alfa,
pod-czas gdy białko H - tylko jednej. Czwarte białko (cytochrom) jest związana poprzez białka transbłonowe z zewnętrzną
powierzchnią błony. Cały kompleks białkowy działa jak maszyna molekularna, pochłaniająca energię światła zaabsorbowanego
przez cząsteczki chlorofilu i generująca elektrony o wysokiej

energii potrzebne do reakcji fotosyntetycznych. Wiele białek

bonowych jest ułożonych w duże kompleksy, a struktura centrum reakcji fotosyntetycznej jest najlepszym modelem dla
tysięcy innych białek błonowych, których struktur Jeszcze nie znamy.
2.5.

BŁONA KOMÓRKOWA JEST WZMACNIANA PRZEZ KORĘ KOMÓRKI

Błona komórkowa sama w sobie jest niezwykle cienka i delikatna. Trzeba by nałożyć na siebie 10000 takich błon, aby
otrzymać grubość strony tej książki. Dlatego też większość błon komórkowych jest wzmocniona i pod parta
rusztowaniem białek przyczepionych do błony poprzez białka trans błonowe. Szczególnie kształt komórki i mechaniczne
właściwości błony komórkowej są zdeterminowane przez sieć włóknistych białek, nazywaną korą komórki (a stanowiącą
przybłonową część cytoszkieletu), przyczepioną do cytozolowej powierzchni błony.
Przybłonową część cytoszkieletu erytrocytów człowieka ma względnie prostą i regularną strukturę i jest także najlepiej
poznanym przykładem kory komórki. Komórki erytrocytów są małe i mają wyróżniający jej kształt wklęśniętych
krążków (rys. 11-30). Głównym składnikiem ich kory jest białko Spektryna mające kształt wydłużonych, cienkich i
giętkich pręcików o długości około 100 µn. Spektryna tworzy sieć stanowiącą podporę dla błony komórkowej i
utrzymującą kształt komórki Sieć spektrynowa jest połączona z błoną poprzez wewnątrzkomórkowe białka łączące, które
łącza spektyrynę z określonymi białkami transbłonowymi. Znaczenie tej sieci jest wyraźnie widoczne u tych myszy i
ludzi, u których występują genetyczne anomalie dotyczące budowy spektryny. Osobniki takie cierpią na anemię, mają
mniej erytrocytów niż osobniki bez niedokrwistości, a same erytrocyty zamiast być spłaszczone, są kuliste i niezwykle
delikatne.

Białka podobne do spektryny i do białek łączących ją z błoną występują również przy cytozolowej powierzchni błon
komórkowych większości naszych komórek, ale tworzone przez nie struktury cytoszkieletu są o wiele bardziej
skomplikowane niż w erytrocytach. O ile erytrocyty potrzebują
swojej kory głównie do zapewnienia wytrzymałości mechanicznej w czasie przeciskania się przez wąskie naczynia
krwionośne, o tyle inne komórki potrzebują jej również do aktywnej zmiany kształtu i do poruszania się.
2.6.

POWIERZCHNIA KÓMÓRKI JEST POKRYTA WĘGLOWODANAMI

Powiedzieliśmy się wcześniej, że w komórkach eukariotycznych wiele lipidów wchodzących w skład zewnętrznej monowarstwy błony
komórkowej łączy się kowalencyjnie z cukrami. To samo dotyczy większości białek zawartych w błonie komórkowej. Do większości tych
białek, nazywanych glikoproteinami, są przyłączone krótkie łańcuchy cukrowe, czyli oligosacharydy. Inne białka błonowe, połączone z,
jednym lub więcej, długim łańcuchem polisacharydowym, to proteoglikany. Wszystkie węglowodany wchodzące w skład

glikoprotein, proteoglikanów i glikolipidów są umieszczone tylko po jednej, pozacytozolowej (zewnątrzkomórkowej) stronie błony i tworzą na
powierzchni komórki płaszcz węglowodanowy o nazwie glikokaliks .
Glikokaliks, stanowiąc dodatkową warstwę na powierzchni komórki, jest istotnym elementem jej ochrony przed uszkodzeniem
mechanicznym i chemicznym. Ponieważ oligosacharydy i polisacharydy wchłaniają wodę, powierzchnia komórki jest śliska. Pozwala
to komórkom ruchliwym, takim jak leukocyty, przeciskać się przez wąskie przestrzenie i zapobiega przylepianiu się krwinek do siebie
lub do ścian naczyń krwionośnych.
Jednakże węglowodany na powierzchni komórki mają więcej funkcji niż tylko ochrona i zapewnienie śliskości. Odgrywają one ważną
rolę we wzajemnym rozpoznawaniu się komórek i ich przyleganiu (adhezji). Tak jak wiele białek może rozpoznawać i wiązać szczególne
miejsce innego białka, tak pewne białka (o nazwie lektyny) są wyspecjalizowane w rozpoznawaniu poszczególnych oligosacharydowych
łańcuchów bocznych i ich wiązaniu.
Chociaż oligosacharydowe łańcuchy boczne glikoprotein i glikolipidów są krótkie (zawierając zazwyczaj mniej niż 15
jednostek cukrowych), to jednak wykazują ogromną różnorodność. W odróżnieniu od łańcuchów polipeptydowych
(białek), w których wszystkie aminokwasy połączone są ze sobą liniowo przez identyczne wiązania peptydowe, cukry
mogą się łączyć ze sobą różnymi typami wiązań i w różnych sekwencjach, często tworząc rozgałęzione łańcuchy
oligosacharydowe. Na przykład już trzy grupy cukrowe mogą być łączone ze sobą w tak różnych kombinacjach wiązań
kowalencyjnych, że utworzą setki różnych trisacharydów.
W organizmie wielokomórkowym glikokaliks może więc służyć jako rodzaj wyróżniającego okrycia (podobnie jak jest
nim mundur policjanta), charakterystycznego dla komórek wyspecjalizowanych w określonej funkcji i rozpoznawanego
przez inne komórki, z którymi muszą one oddziaływać. Na przykład specyficzne oligosacharydy zawarte w glikokaliksie,
biorą udział w rozpoznawaniu komórki jajowej przez plemnik. Pełnią one również istotną rolę w odpowiedzi na odczyn
zapalny. Na przykład we wczesnych stadiach infekcji bakteryjnej węglowodan na po wierzchni leukocytów nazywanych
neutrofilami jest rozpoznawany przez lektynę znajdującą się na powierzchni komórek wyścielających naczynia
krwionośne w miejscu infekcji. Ten proces rozpoznawania powoduje, że neutrofile przywierają do ścian naczyń, a
następnie migrują z krwiobiegu do zakażonych tkanek, gdzie pomagają w usuwaniu bakterii.
2.7.

KOMÓRKI MOGĄ OGRANICZYĆ PRZEMIESZCZANIE SIĘ BIAŁEK BŁONOWYCH

Ponieważ błona jest dwuwymiarowym płynem, wiele jej białek, podobnie jak i lipidów, może swobodnie poruszać się w
obrębie płaszczyzny dwuwarstwy lipidowej. Dyfuzję tę można wykazać przekonująco, doprowadzając do fuzji komórki
myszy z komórką ludzką, co prowadzi do powstania komórki hybrydowej podwójnej wielkości, i następnie śledząc
rozmieszczenie ludzkich i mysich białek błony komórkowej. Chociaż na początku białka te pozostają w obrębie
odpowiednich połówek nowo powstałej komórki hybrydowej, to już po niecałej godzinie oba zestawy białek mieszają się ze
sobą równomiernie na całej powierzchni komórki hybrydowej.
Jednakże przedstawianie błony jako morza lipidów, w którym swobodnie pływają wszystkie białka, jest zbytnim uproszczeniem.
Komórki mają swoje sposoby na ograniczenie występowania poszczególnych białek błony komórkowej do określonych
obszarów dwuwarstwy, co prowadzi do powstania na powierzchni komórki wyspecjalizowanych funkcjonalnie obszarów, czyli
domen błonowych.
Białka mogą być połączone z trwałymi strukturami na zewnątrz komórki, na przykład z cząsteczkami matriks
zewnątrzkomórkowej . Białka błonowe mogą być także zakotwiczone do względnie nieruchomych struktur wewnątrz
komórki, zwłaszcza do rozwiniętej pod powierzchnią błony komórkowej części cytoszkieletu, czyli komórki. Wreszcie,
komórki mogą wytwarzać bariery ograniczające obecność poszczególnych składników błony do jednej domeny błonowej.
3. POMIAR PŁYNNOŚCI BŁON
Istotną cechą dwuwarstwy lipidowej jest jej płynność. Tak ważna ruchliwość cząsteczek błonowych nadaje błonom biologicznym
zarówno elastyczność, jak i spójność. Pozwala poruszać się w dwuwarstwie białkom błonowym, które łącząc się i rozłączając
uczestniczą w oddziaływaniach molekularnych stanowiących istotę życia komórki. Dynamiczny charakter błon w komórce jest
zatem podstawą ich właściwego funkcjonowania. Stąd model płynnej mozaiki jest najczęściej używanym określeniem
opisującym strukturę błon.
Ze względu na znaczenie płynności błon komórkowych dla ich budowy i funkcjonowania, powinniśmy poznać metody badania
płynności błon komórkowych. Najprostsze są metody wizualne. Znakujemy określone cząsteczki dwuwarstwy i obserwujemy ich
przemieszczanie się. Metodę tę wykorzystano dla zademonstrowania po raz pierwszy dyfuzji białek błonowych, połączonych ze
znakowanymi przeciwciałami (patrz rys. 11-34). Jednak doświadczenie to doprowadziło badaczy do wniosku, że białka błonowe
mogą swobodnie, bez ograniczeń dryfować w otwartym morzu lipidów. Obecnie wiemy, że taka interpretacja nie jest
poprawna. Aby dokładniej badać dynamikę błon, badacze musieli wynaleźć bardziej precyzyjne metody śledzenia ruchu
białek wewnątrz błony, takiej jak błona komórkowa żywej komórki.

Laserowy atak FRAP
Jedną z takich technik jest odzyskiwanie fluorescencji wygaszonej pulsem światła, FRAP (ang. fluorescence recovery
after photobleaching). Technika ta polega na jednolitym wyznakowaniu (znacznikiem fluorescencyjnym) białek na
powierzchni komórki, wygaszeniu fluorescencji w małym wycinku błony i następnie na obserwowaniu szybkości
napływania do tego wygaszonego wycinka sąsiadujących z nim cząsteczek białek zdolnych do fluorescencji. Znakowanie
białek błonowych polega bądź na przyłączaniu znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał, bądź na fuzji z białkiem
zdolnym do fluorescencji, takim jak GFP (białko zielono fluoryzujące) przy zastosowaniu techniki rekombinacji DNA.
Po wyznakowaniu powierzchni komórki umieszcza się ją pod mikroskopem. Mały obszar błony (zwykle o powierzchni 1
µm

) naświetla się stosując intensywny puls światła lasera, co powoduje nieodwracalne wygaszenie fluorescencji w tym

obszarze! błony. Następnie mierzy się czas potrzebny zdolnym do fluorescencji białkom błonowym na przemieszczenia
się z sąsiedniego obszaru do obszaru wygaszonego. Szybkość „odzyskiwania fluorescencji" jest miarą szybkości, z którą

cząsteczki białka sąsiadujące z wygaszonym obszarem błony mogą dyfundować w błonie. Eksperymenty tego typu
wykazują] błona komórkowa jest równie lepka jak oliwa z oliwek.
Badanie poszczególnych białek
Niedogodnością metody FRAP jest to, że technika ta monitoruje ruch dosyć dużych populacji białek (setek czy tysięcy) w
obrębie stosunkowo dużego obszaru błony. Technika ta nie, pozwala więc na obserwowanie losów poszczególnych
cząsteczek białek. Na przykład trudno jest rozstrzygnąć, czy brak migracji białka w czasie badania metodą FRAP do
wygaszonego obszaru wynika z jego unieruchomienia w danym punkcie błony, czy Z ograniczenia ruchu tego białka do
małego rejonu wydzielonego przez białka cytoszkieletu. W tym ostatnim przypadku badane białko jest mobilne, choć na
ograniczonym obszarze.
Aby poradzić sobie z tym problemem, badacze rozwinęli, techniki znakowania i śledzenia pojedynczych cząsteczek lub
Ich małych skupisk. Jedną z tych technik jest mikroskopia siedzenia pojedynczej cząstki (SPT, ang. single-particle
tracking microscopy) polegająca na znakowaniu cząsteczki białka przeciwciałem Pokrytym cząstkami złota, które są
widoczne pod mikroskopem, jako małe czarne kropki. W ten sposób za pomocą mikroskopu Połączonego z kamerą
wideo śledzi się ruch znakowanych cząsteczek białka.
Z dotychczasowych badań wynika, że białka błonowe mogą wykonywać różne rodzaje ruchów, od przypadkowej dyfuzji
do całkowitego unieruchomienia. Niektóre białka wykazu-ja kombinację tych różnych rodzajów ruchu.
Poza komórką
Badacze często chcą badać zachowanie danego białka wyizolowanego z otoczenia, przy braku cząsteczek, które mogłyby ogra-
niczać jego ruch czy aktywność. W takich badaniach białka błonowe z komórek poddaje rekonstytucji w sztuczne
pęcherzyki fosfolipidowe. Dzięki obecności lipidów wyizolowane białka zachowują właściwą strukturę a to umożliwia
szczegółowe badania aktywności i zachowania oczyszczonych białek błonowych.

Z badań tych wynika, że w sztucznych dwuwarstwach lipidowych białka błonowe dyfundują łatwiej i szybciej w
porównaniu z błonami w komórce. Ograniczona ruchliwość białek, w błonach komórki wynika z dużej Ilości białek i
większej różnorodności lipidów w porównaniu ze sztuczną dwuwarstwą lipidową. Ponadto, wiele białek błonowych jest
połączonych z białkami matriks zewnątrzkomórkowej lub/i zakotwiczonych do elementów cytoszkieletu znajdujących się
tuż pod błoną komórkową).
Podsumowując, wszystkie omówione badania dotyczące ruchu cząsteczek w dwuwarstwie lipidowej dostarczają informacji
o architekturze i organizacji błon komórki, pozwalając nam na bardziej szczegółowe kreślenie obrazu błony, jako
dynamicznej płynnej mozaiki.

4. TRANSPORT PRZEZ BŁONY
Komórki żyją i rosną dzięki wymianie cząsteczek z otoczeniem. Błona komórkowa (błona plazmatyczna) działa, jako
bariera kontrolująca przechodzenie cząsteczek do i na zewnątrz komórki. Ponieważ wnętrze dwuwarstwy lipidowej jest
hydrofobowe, błona komórkowa blokuje przejście prawie wszystkich cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie. Jednak
różne cząsteczki rozpuszczalne w wodzie muszą przechodzić przez błonę komórkową: substancje odżywcze, takie jak
cukru aminokwasy, muszą być importowane, produkty zbędne, takie jak CO

, muszą być usuwane, a

wewnątrzkomórkowe stężenie różnych jonów nieorganicznych musi być utrzymywane na określonym poziomie.
Niektóre z tych rozpuszczalnych substancji, takie jak CO

i O

, mogą przenikać przez dwuwarstwę Lipidową w drodze

prostej dyfuzji, ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak, więc ich przenoszenie jest uzależnione od błonowych
białek transportujących, które przechodząc przez całą szerokość dwuwarstwy są indywidualnymi przejściami dla
określonych substancji. Komórki potrafią także selektywnie przenosić makrocząsteczki (np. białka) przez błony, ale
transport ten wymaga skomplikowanej maszynerii. Nośniki i pompy, mające ruchome części, potrafią przenieść małe
cząsteczki z jednej strony błony na drugą poprzez zmianę swojej konformacji. W ten sposób mogą być transportowane
zarówno małe cząsteczki organiczne, jak i jony nieorganiczne. Natomiast kanały tworzą w błonie małe hydrofilowe pory,
przez które substancje rozpuszczalne mogą przechodzić w drodze dyfuzji. Większość kanałów przepuszcza tylko jony
nieorganiczne, dlatego określa się je jako kanały jonowe. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny, ich przemieszczanie
może wytworzyć znaczne siły elektryczne w poprzek błon. Siły te umożliwiają komórkom nerwowym komunikowanie
się, dzięki czemu możliwy jest zadziwiająco olbrzymi zakres zachowań,
Do których zdolny jest mózg ludzki.
4.1.

ZASADY TRANSPORTU BŁONOWEGO

4.1.1.

STĘŻENIE JONÓW WEWNĄTRZ KOMÓRKI RÓŻNI SIĘ BARDZO OD STĘŻENIA JONÓW NA

ZEWNĄTRZ
Komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego jaki istnieje w płynie otaczającym je, przy czym różnice te są
kluczowe do przeżycia i funkcjonowania komórek. Substancjami rozpuszczalnymi występującymi w największych ilościach w
otoczeniu komórki są jony N

,Ca

, Cl

i H

(protony), a ich przechodzenie przez błony komórkę stanowi istotną część wielu

procesów komórkowych, włączając w to działanie komórek nerwowych, oraz produkcję ATP przez wszystkie komórki. Na

jest

najliczniejszym dodatnio naładowanym jonem (kationie obecnym na zewnątrz komórki, podczas gdy K

jest jonem najliczniej

występującym w jej wnętrzu. Jeśli komórka nie ma zostać rozerwana przez siły elektryczne, ilość ładunków dodatnich wewnątrz
komórki musi być zrównoważona przez prawie równą ilość ładunków ujemny przy czym to samo dotyczy ładunków w płynie
otaczającym komórkę. Jednak mały nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych, zagęszczonych w sąsiedztwie błony komórkowej, jest
dopuszczalny i pełni ważne funkcje elektryczne. Duże stężenie Na

na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez

zewnątrzkomórkowe jony Duże stężenie K

wewnątrz komórki jest zrównoważone przez cały zespół ujemnie naładowanych jonów

(anionów) wewnątrzkomórkowych. Różne rozmieszczenie jonów wewnątrz i na zewnątrz komórki jest częściowo kontrolowane
przez działanie błonowych białek transportujących oraz częściowo przez charakterystyczną przepuszczalność samej
dwuwarstwy lipidowej.

4.1.2.

DWUWARSTWY

LIPIDOWE

SĄ

NIEPEPRZEPUSZCZALNE

DLA

SUBSTANCJI

ROZPUSZCZALNYCH W WODZIE, W TYM JONÓW
Hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy lipidowej tworzy barierę zapobiegającą przejściu większości cząsteczek
hydrofilowych, w tym jonów. Cząsteczki te równie niechętnie wchodzą do środowiska tłuszczowego, jak cząsteczki
hydrofobowe do wody. Jednak, jeżeli odczeka się dostatecznie długo, przez taką dwuwarstwę przejdzie w końcu każda
cząsteczka. Szybkość takiej dyfuzji jest jednak bardzo różna, w zależności od wielkości cząsteczki i cech jej
rozpuszczalności. Ogólnie biorąc, dyfuzja poprzez dwuwarstwę będzie tym szybsza, im cząsteczka jest mniejsza i im
łatwiej rozpuszcza się w tłuszczach (tj. im bardziej jest hydrofobowa, czyli niepolarna). Tak więc:

małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen cząsteczkowy (O

, masa cząsteczkowa 32 daltony) i dwutlenek węgla (44

daltony), łatwo rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują; przepuszczalność dla
gazów jest dla komórki bardzo istotna, ponieważ umożliwia ona procesy oddechowe.

Nienaładowane cząsteczki polarne (cząsteczki o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku elektrycznym) również

dyfundują szybko poprzez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe. Na przykład woda (18 daltonów) i etanol (46
daltonów) przechodzą dość szybko; glicerol (92 daltony) dyfunduje wolniej, a glukoza (180 daltonów) nie dyfunduje
prawie wcale.

Dwuwarstwy lipidowe są natomiast wysoce nieprzepuszczalne dla wszystkich jonów i cząsteczek naładowanych,

nawet bardzo małych. Ładunek cząsteczek i ich silne przyciąganie elektryczne do cząsteczek wody uniemożliwiają
naładowanym cząsteczkom wejście do węglowodorowego rdzenia dwuwarstwy. Tak więc, sztuczne dwuwarstwy są
miliard (10

) razy bardziej przepuszczalne dla wody, niż nawet dla tak małych jonów jak Na

lub K

Woda i małe cząsteczki niepolarne mogą przenikać przez błony w komórce w drodze prostej dyfuzji. Aby jednak
komórki mogły pobierać substancje odżywcze i usuwać zbędne produkty, ich błony muszą umożliwiać przechodzenie
wielu innych cząsteczek, takich jak jony, cukry, aminokwasy, nukleotydy i liczne metabolity komórkowe. Ponieważ w
drodze prostej dyfuzji cząsteczki te przechodziłyby przez dwuwarstwę lipidową o wiele ta wolno, do ich efektywnego
przenoszenia przez błony w komórce niezbędna jest obecność wyspecjalizowanych białek transportujących.
4.1.3.

BIAŁKA BŁONOWE TRANSPORTUJĄCE DZIELIMY NA TRZY KLASY: NOŚNIKI, POMPY I

KANAŁY
Błonowe białka transportujące występują w wielu formach i we wszystkich typach błon biologicznych. Każde z tych białek
tworzy przejście na drugą stronę błony dla danej klasy cząsteczek - na przykładzie jonów, cukrów czy aminokwasów.
Większość białek transportujących jest jednak jeszcze bardziej wyspecjalizowana przepuszczając tylko określonych
przedstawicieli danej klasy cząsteczek: na przykład niektóre z białek transportują Na

, ale nie K

, inne - odwrotnie.

Zestaw białek transportujących w błonie komórkowej czy w błonie organelli wewnątrzkomórkowych ściśle decyduje o tym,
które substancje rozpuszczalne w wodzie mogą przechodzić do i na zewnątrz komórki lub organelli. A zatem, każdy typ błony
posiada swój charakterystyczny zestaw białek transportujących. Łańcuchy polipeptydowe przebadanych szczegółowo białek
prowadzących transport przez błonę wielokrotnie przechodzą przez błonę dwuwarstwową lipidową. Są to więc białka
transbłonowe o kilku domenach transbłonowych. Uważa się, że przechodząc wielokrotnie tam i z powrotem przez
dwuwarstwę, łańcuch peptydowy tworzy wyścielone białkiem ciągłe przejście, pozwalając branym małym cząsteczkom
hydrofilowym na przechodzenie przez błonę bez wejścia w bezpośredni kontakt z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy
lipidowej. Błonowe białka transportujące dzielimy na trzy główne klasy: nośniki, pompy i kanały. Zasadnicza różnica
między nośnikiem a kanałem polega na sposobie, w jaki rozróżniają one rozpuszczalne cząsteczki, transportując tylko
pewne z nich, a inne nie. Kanały rozróżniają transportowane cząsteczki na podstawie 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. Nośnik działa bardziej jak jednokierunkowe drzwi obrotowe: pozwala wejść
tylko tej cząsteczce, która pasuje do miejsca wiążącego na białku nośnika; następnie pojedynczo przenosi cząsteczki
przez błonę, za każdym razem zmieniając swą konformację. Nośnik wiążą przenoszone cząsteczki z dużą swoistością, w
ten sam sposób, w jakim enzym wiąże swój substrat. To właśnie wymóg swoistego wiązania nadaje transportowi
selektywność.
4.1.4.

TRANSPORT BIERNY I AKTYWNY UMOZLIWIA PRZEJSCIE PRZEZ BŁONE CZASTECZEK

Białka transportujące pozwalają małym cząsteczkom na przechodzenie przez błony komórki. Pojawia się jednak pytanie,
co kontroluje kierunek przechodzenia cząsteczek rozpuszczalnych do lub na zewnątrz komórki. Kierunek transportu
zależy w dużym stopniu od stężenia transportowanych cząsteczek. Jeśli tylko istnieje odpowiednia droga,
przechodzących cząsteczek z rejonów o ich dużym stężeniu do rejonów o stężeniu n małym co jest korzystne
energetycznie, a więc przebiega spontanicznie. Taki określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły
napędowej. Jeśli na przykład substancja rozpuszczalna występuje poza komórką w stężeniu większym niż w komórce i
gdy w błonie komórkowej obecny jest odpowiedni kanał lub nośnik, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez
błonę do komórki dzięki transportowi biernemu (nazywanemu też dyfuzją ułatwioną), bez wydatku energii ze strony
transportującego białka. Środkiem transportu biernego cząsteczek rozpuszczalna wszystkie kanały i wiele nośników.
Jednakże, aby przenieść cząsteczkę rozpuszczalną w wodzie, w tym jon wbrew gradientowi stężeń, białko transportujące
musi wykonać pracę. Musi ono pokonać różnicę stężeń przez sprzężenie przenoszeń danych cząsteczek, w tym jonów z
innymi procesami, które dostarczą energię, w przypadku reakcji enzymatycznych. Ten sposób przemieszczania
cząsteczek przez błonę nazywamy transportem aktywnym. Prowadzony jest on tylko przez określone typy nośników,
które mogą do procesu transportu zaprząc określone źródła energii.
4.1.5.

NOŚNIKI, POMPY I ICH FUNKCJE

Nośniki są białkami błonowymi niezbędnymi do przenoszenia przez błony prawie wszystkich małych cząsteczek organicznych,
z wyjątkiem cząsteczek rozpuszczalnych w tłuszczach oraz małych cząsteczek nienaładowanych, które mogą przechodzić
przez dwuwarstwę lipidową dzięki dyfuzji prostej. Każdy nośnik jest wysoce selektywny i często transportuje tylko jeden typ
cząsteczek. Aby kierować transportem i napędzać złożony ruch małych cząsteczek zarówno wchodzących do komórki, jak i z
niej wychodzących oraz przemieszczanych pomiędzy cytozolem a różnymi organellami, każda błona w komórce zawiera
charakterystyczny dla siebie zestaw nośników. Zatem, w błonie komórkowej znajdują się nośniki importujące substancje
odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy; w wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajdują się nośniki do
importu pirogronianu i ADP oraz eksportu ATP.
Aby całkowicie zrozumieć sposób, w jaki nośnik przeprowadza cząsteczkę przez błonę, musielibyśmy znać szczegóły jego
struktury przestrzennej, ale taka informacja na razie jest dostępna w przypadku nielicznych błonowych białek
transportujących. Jednym z nich jest bakterio rodopsyna, która działa jako aktywowana światłem pompa protonowa.
Innym przykładem jest pompa aktywnie transportująca jony Ca

z cytozolu do retikulum sarkoplazmatycznego, tj.

wyspecjalizowanej formy retikulum endoplazmatycznego, obecnej w komórkach mięśni szkieletowych. Chociaż jak dotąd
tylko w przypadku kilku pomp poznano dokładne molekularne mechanizmy leżące u podstaw procesu transportu, to ogólne
zasady działania tych białek rozumiemy już dobrze.
4.1.6.

SIŁY ELEKTRYCZNE GRADIENTY STĘŻĘŃ NAPĘDZAJĄ TRANSPORT

Cząsteczki rozpuszczalne w wodzie mogą przechodzić przez błonę zarówno w wyniku transportu biernego, jak i aktywnego.
Białka nośnikowe są zdolne do przeprowadzania obu typów transportu. Prostym przykładem nośnika pośredniczącego w
transporcie biernym jest nośnik glukozy obecny w błonie komórkowej komórek wątroby ssaków, a także wielu innych
typów komórek. Buduje go łańcuch białkowy tworzący co najmniej 12 transbłonowych helis. Uważa się, że białko to
może przyjmować przynajmniej dwie konformacje, pomiędzy którymi oscyluje odwracalnie i przypadkowo. W jednej
konformacji nośnik 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. Gdy poziom cukru we krwi jest niski
(w stanie głodu), hormon glukagon stymuluje komórkę wątroby do wytwarzania dużej ilości glukozy w wyniku rozkładu
kolagenu. W konsekwencji stężenie glukozy w komórce staje się większe na zewnątrz, a glukoza wiąże się do tych
miejsc nośnika, które są eksportowane do wnętrza komórki; gdy białko zmieni swą konformację, glukoza zostaje
wyprowadzona z komórki. Przepływ glukozy może następować w dowolnym kierunku, ale zgodnie z gradientem
stężenia glukozy istniejącym w poprzek błony - 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 transport ten jest jednak bardzo selektywny. Miejsca nośnika wiążącego glukozę 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 i ładowaną, decyduje jedynie gradient jej stężenia. W przypadku cząsteczek

naładowanych elektrycznie, zarówno małych jonów organicznych, jak i jonów nieorganicznych, w grę wchodzi
dodatkowa siłą.. W poprzek większości błon w komórce występuje różnica potencjałów, którą określa się jako
potencjał błonowy. Działa on z określoną siłą na każdą cząsteczkę, która niesie ładunek elektryczny.
Cytoplazmatyczna powierzchnia błony komórkowej ma zazwyczaj potencjał ujemny względem otoczenia komórki, a
to ułatwia wprowadzanie dodatnio naładowanych cząsteczek do komórki i wyprowadzanie z niej cząsteczek
naładowanych ujemnie. Równocześnie cząsteczki te przemieszczają się w kierunku ich mniejszego stężenia.
Wypadkowa siła kierująca przemieszczaniem się naładowanych cząsteczek przez błonę składa się więc z dwóch sił
składowych, z których jedna wynika z gradientu stężenia, a druga z napięcia istniejącego w poprzek błony: 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 działa 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 pojawi się taka możliwość, Na

będzie dążył do wejścia do komórki. Gdy gradient napięcia i gradient stężenia

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 w poprzek błony, pomimo

dużego gradientu jego stężenia i dlatego wypadkowe przemieszczanie K

przez błonę jest niewielkie.

4.1.7. TRANSPORT AKTYWNY PRZEMIESZCZA JONY I CZĄSTECZKI WBREW ICH GRADIENTOM

ELEKTROCHEMICZNYM
Komórki nie mogą polegać jedynie na transporcie biernym. Zachowanie wewnątrzkomórkowego składu
jonowego komórek i wprowadzanie cząsteczek, których stężenie na zewnątrz jest mniejsze niż w komórce,
wymaga transportu cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie, w tym jonów wbrew ich gradientowi
elektrochemicznemu. Istnieją trzy główne drogi, którymi komórki prowadzą transport aktywny :

nośniki sprężone- sprzęgają transport przez błonę jednej cząsteczki, zachodzący wbrew gradientowi,
z transportem innej, zgodnym z gradientem;

pompy napędzane przez ATP sprzęgają transport wbrew gradientowi z hydrolizą ATP;

pompy napędzane światłem, obecne głównie bakteryjnych, sprzęgają transport wbrew gradientowi z
wykorzystaniem energii światła.
W przypadku bakteriorodopsyny substancja, która ma się przemieszczać zgodnie z gradientem musi być
przetransportowana wbrew gradientowi, niezbędne jest powiązanie różnych form aktywnego transportu. Zatem,
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 dzięki nośnikom sprzężonym z Na+, jego wpływ stanowi

napęd dla aktywnego przemieszczenia do komórki wielu substancji wbrew ich gradientom
elektrochemicznym. Gdyby pompa Na

przestała działać, gradient Na

prędko by się wyrównał, a transport

prowadzony przez nośniki sprzężone z Na

uległby zatrzymaniu. Dlatego też napędzana przez ATP pompa

odgrywa centralną rolę w trakcie przez błony w komórkach zwierząt W komórkach roślin, grzybów i

wielu bakterii podobną rolę odgrywają pompy napędzane przez ATP, które wytwarzają protonowy gradient
elektrochemiczny przez wypompowywanie H

(protonów) z komórki, o czym będzie mowa później.

4.1.8. DO WYPOMPOWYWANIA Na

KOMÓRKI ZWIERZĄT UŻYWAJĄ ENERGIĘ HYDROLIZY ATP

Energię potrzebną do wypompowania Na

z komórki pompa Na

w komórkach zwierząt czerpie z hydrolizy ATP

do ADP, przez co jest nie tylko białkiem transportującym, ale również enzymem - ATPazą. Równocześnie
sprzęga ona wyprowadzanie Na

z komórki, z wprowadzaniem do niej K

. Dlatego też pompa ta jest nazywana

ATPazą Na

- K

lub pompą Na

- K

. Pompa ta zajmuje centralną pozycję w ekonomii energetycznej

komórek zwierząt, zużywając 30% lub więcej ich całkowitego ATP. Działa ona bez przerwy, tak jak stale
pracująca pompa wybierająca wodę z przeciekającego okrętu, wyrzucając Na

, który ustawicznie wnika

dzięki nośnikom i kanałom jonowym. W ten sposób utrzymuje w cytozolu stężenie około 10-30 razy
mniejsze, a stężenie K

około 10-30 razy większe niż w płynie zewnątrzkomórkowym. W prawidłowych

warunkach wnętrze większości komórek ma potencjał elektryczny ujemny względem otoczenia, tak iż
jony dodatnie wykazują tendencję do wnikania do komórki; dzięki temu skierowana ku wnętrzu komórki
elektrochemiczna siła napędowa umożliwiająca wejście Na

jest duża.

Stanowi ona sumę siły wywołanej gradientem stężenia i skierowanej w tym samym kierunku siły wywołanej
gradientem napięcia. Jony Na

na zewnątrz komórki, po wyższej stronie swego gradientu elektrochemicznego,

przypominają ogromną objętość wody zatrzymaną przez wysoką tamę, co stanowi bardzo duży magazyn energii.
nawet gdyby zatrzymano działanie pompy Na

-K

stosując toksynę, taką jak glikozyd roślinny strofantyna która

łączy się z pompą i zapobiega wiązaniu K

, zapas energii jest dostatecznie duży aby przez wiele minut

podtrzymać inne procesy transportowe napędzane przez wpływanie Na

zgodnie z gradientem.

Dla K

sytuacja jest odmienna. Siła elektryczna jest ta sama jak ta, Która działa na Na

, ponieważ zależy ona

tylko od ładunku niesionego przez jon. Jednakże gradient stężenia działa w kierunku przeciwnym. Stąd. w
prawidłowych warunkach wypadkowa siła napędzająca prze-mieszczanie K

przez błonę jest bliska zeru,

ponieważ siła elektryczna wpychająca K

do komórki jest prawie całkowicie zrównoważona przez gradient

stężenia zasilający wyprowadzenie tego jonu z komórki.

4.1.9. SIŁĘ NAPĘDOWĄ POMPY Na

-K

STANOWI PRZEJŚCIOWE DOŁĄCZENIE GRUPY

FOSFORANOWEJ
Pompa Na

-K

stanowi doskonałą ilustrację tego, jak białko sprzęga jedną reakcję z drugą. Pompa pracuje

cyklicznie. Na

wiąże się z pompą w miejscach eksponowanych do cytozolu (etap 1), uruchamiając aktywność

ATPazową. ATP ulega rozszczepieniu, z uwolnieniem ADP, a grupa fosforanowa zostaje przyłączona wiązaniem o
wysokiej energii do białka pompy — czyli pompa sama się fosforyluje (etap2). Ufosforylowanie wymusza zmianę
konformacji pompy na taką, która umożliwia uwolnienie Na

na zewnętrznej powierzchni komórki i równocześnie

eksponowanie przy tej samej powierzchni miejsca wiążącego dla K

(etap 3). Związanie zewnątrzkomórkowego K

uruchamia usunięcie grupy fosforanowej (defosforylację) (etapy 4 i 5), powodując powrót pompy do jej
wyjściowej konformacji, umożliwiającej uwolnienie K

do wnętrza komórki (etap 6). Następnie cały cykl, trwający

około 10 ms, może się powtórzyć. Każdy etap cyklu jest konsekwencją etapu poprzedniego, tak iż przy
zahamowaniu jakiegokolwiek pojedynczego etapu wszystkie funkcje pompy są zablokowane. To ścisłe sprzężenie
zapewnia, że pompa działa tylko wtedy, gdy dostępne są jony, które mają być transportowane, przez co nie
dochodzi do bezużytecznej hydrolizy ATP.

4.1.10. KOMÓRKI ZWIERZĄT UŻYWAJĄ GRADIENTU Na

DO AKTYWNEGO POBIERANIA

SUBSANCJI ODŻYWCZYCH
Rozdzielony błoną gradient jakiejkolwiek substancji, np. wytworzony działaniem pompy Na

-K

gradient jonów

, może być użyty jako napęd aktywnego transportu innej cząsteczki. Zgodne z gradientem przemieszczanie

cząsteczki pierwszego rodzaju dostarcza energii zasilającej transport cząsteczki drugiego rodzaju wbrew jej
gradientowi. Białka, które taki transport prowadzą, to nośniki sprzężone. Mogą one

sprzęgać ruch jednego jonu

nieorganicznego z przemieszczaniem innego, ruch jonu nieorganicznego z przemieszczaniem cząsteczki
organicznej lub przemieszczanie się dwóch cząsteczek organicznych. Jeśli nośnik przemieszcza przez błonę obie
substancje w tym samym kierunku, mówimy o imporcie. Jeśli przemieszcza je w kierunkach przeciwnych,
mówimy o antyporcie. Natomiast transport przez błonę tylko jednego typu substancji przez nośnik podobny do
omawianego poprzednio nośnika glukozy prowadzącego transport bierny (a więc nie przez nośnik sprzężony) -
nazywamy uniportem. Chociaż nie znamy jeszcze szczegółów struktury przestrzennej żadnego z nośników
sprzężonych, można wyobrazić sobie sposób działania molekularnego mechanizmu transportu
sprzężonego. W komórkach zwierząt szczególnie ważną rolę odgrywają te rodzaje symportu, które
wykorzystują wpływanie Na

do komórki, zgodnie z jej stromym gradientem elektrochemicznym, do

napędzania importu innych substancji do komórki. Na przykład komórki nabłonka wyścielającego jelito
przenoszą glukozę ze światła jelita przez nabłonek. Gdyby komórki miały tylko bierne nośniki glukozy
(opisane wcześniej),musiałyby uwalniać glukozę do jelita po posiłku bezcukrowym równie swobodnie, jak
pobierają glukozę z jelita po posiłku bogatym w cukier. Na szczęście ma również system symportu glukozy z
Na

, dzięki któremu mogą pobierać glukozę aktywnie ze światła jelita nawet wtedy, gdy stężenie glukozy w

komórce jest większe niż w jelicie. Gdyby jednak komórki nabłonka jelita dysponowały tylko tym
symportem, nigdy nie mogłyby oddać glukozy i komórkom ciała. Dlatego też komórki te mają dwa typy
nośników glukozy. Szczytowa część błony komórkowej kontaktującą się ze światłem jelita zawiera
sprzężone nośniki symportowe glukozy i Na

, które pobierają glukozę aktywnie, budując jej większe stężenie

w cytozolu. W częściach bocznych i części podstawnej błona komórkowa tych komórek zawiera uniportowe
nośniki glukozy, które wyprowadzają glukozę do innych tkanek, z gradientem stężenia. Oba typy nośników
glukozy znajdują się w odrębnych domenach błony komórkowej oddzielonych od siebie; dzięki barierze
dyfuzyjnej utworzonej wokół wierzchołka komórki przez połączenia zamykające (złącza ścisłe), które
zapobiegają mieszaniu się składników pomiędzy częścią szczytową oraz częścią boczną i podstawną błony
komórkowej. Komórki wyścielające jelito i wiele innych narządów, np. nerki, zawierają w swoich błonach
komórkowych wiele rodzajów nośników symportowych także napędzanych elektrochemicznym gradientem Na

Każdy taki nośnik specyficznie importuje do komórki małą grupę pokrewnych cukrów lub aminokwasów. Równie
ważne są nośniki antyportowe napędzane Ni

. Przykładem jest wymiennik Na

-H

w błonie komórkowej wielu

komórek zwierzęcych, który wykorzystuje zgodny z gradientem wpływ Na

do komórki do wyprowadzenia z

niej jonów H

. Nośnik ten jest jednym z głównych urządzeń używanych przez komórki zwierzęce

powyrównywania poziomu pH w ich cytozolu.

4.1.11. POMPA Na

-K

POMAGA W UTRZYMANIU RÓWNOWAGI OSMOTYCZNEJ KOMÓREK

ZWIERZĘCYCH
Błona komórkowa jest przepuszczalna dla wody i jeśli całkowite stężenie roztworów jest małe po jednej
stroni błony, a duże po drugiej, woda będzie się przemieszczać przez błonę, dążąc do wyrównania stężenia
roztworów. Taki ruch wody z przedziału o małym stężeniu roztworu (duże stężenie wody) do przedziału o
dużym stężeniu roztworu (małe stężenie wody) nosi nazwę osmozy. Siła uruchamiająca ruch wody jest równa
różnicy ciśnienia wody i jest określana jako ciśnienie osmotyczne. Przy braku jakiegokolwiek ciśnienia
przeciwdziałającego, osmotyczny ruch wody do komórki powoduje jej pęcznienie. Stwarza to poważne

problemy dla komórek zwierzęcych, które nie mają sztywnej zewnętrznej ściany zapobiegającej pęcznieniu
komórek. Komórki takie, umieszczane w czystej wodzie, będą w zasadzie pęczniały aż do pęknięcia. W
tkankach ciała zwierząt komórki są zanurzone w płynie bogatym w substancje rozpuszczalne, zwłaszcza Na

. To równoważy stężenie substancji organicznych i nieorganicznych zawartych w komórce i przeciwdziała

katastrofie osmotycznej. Jednak niebezpieczeństwo zachwiania równowagi osmotycznej jest ciągle obecne,
ponieważ pozakomórkowe substancje rozpuszczalne ustawicznie wnikają do komórki, zgodnie z ich gradientami
elektrochemicznymi. Aby utrzymać równowagę osmotyczną komórka musi więc stale wypompowywać
niepożądane substancji przepuszczalne.
Funkcję tę pełni głównie pompa Na

-K

wypompowuje wnikające jony Na

. W tym samym czasie, pomaga w

utrzymaniu potencjału błonowego, pompa K

zapobiega wejściu jonów Cl

, które są naładowane ujemnie. Jeśli

pompę zahamuje się inhibitorem, np. strofantyną, lub gdy komórce po prostu zabraknie ATP będącego paliwem
dla pompy, jony Na

i Cl

zostaną wprowadzone przez nośniki i otwarte kanały jonowe, niszcząc równowagę

osmotyczną, przez co komórki spęcznieją i w końcu popękają.
Inne komórki rozwiązują swoje problemy osmotyczne innymi sposobami. Komórki roślinne są chronione przed
pęcznieniem i pękaniem przez sztywne ściany komórkowe, dlatego mogą tolerować duże różnice osmotyczne po
obu stronach ich błony komórkowej.
Ściana komórkowa wywiera przeciwdziałający nacisk, który zdolny jest zrównoważyć ciśnienie osmotyczne
wytworzone przez roztwory w
komórce i przez to ogranicza wpływanie wody do komórki. Osmoza, łącznie z aktywnym transportem jonów do
komórki, powoduje ciśnienie turgorowi, które utrzymuje komórki roślinne w stanie rozciągniętym przez wodę, a
ich ściany komórkowe napięte. Zatem, komórka roślinna jest jak powłoka jest utrzymywana w napięciu przez
ciśnienie napompowanej wewnętrznej dętki; ściana komórkowa działa jak zewnętrzna
powłoka piłki, a błona komórkowa jak gumowa dętka. Ciśnienie turgorowe służy wielu funkcjom. Utrzymuje
sztywność łodygi roślin i rozwiniętą postać liści. Odgrywa rolę w regulowaniu wymiany gazowej przez szparki -
mikroskopijne „usta" na powierzchni liścia; komórki szparek regulują swoje ciśnienie turgorowe (poprzez
kontrolowanie ruchów K

w poprzek błony komórkowej) w celu otwierania i zamykania szparek.

U pewnych pierwotniaków żyjących w wodzie słodkiej, np. ameb, nadmiar wody, która ustawicznie wpływa do
komórki, jest gromadzony w wakuolach kurczliwych, okresowo wyładowujących swą zawartość na zewnątrz.
Komórka najpierw dopuszcza do wypełnienia wakuoli roztworem bogatym w związki rozpuszczalne, co pociąga
za sobą wpływanie wody w drodze osmozy. Następnie komórka odzyskuje substancje rozpuszczalne przez
aktywne przepompowanie ich do cytozolu, zanim wakuola zostanie opróżniona na zewnątrz. Jednak w
większości komórek zwierzęcych w zachowaniu równowagi osmotycznej kluczową rolę odgrywa pompa Na

4.1.12. WEWNĄTRZKOMÓRKOWE STĘŻĘNIE Ca

JEST UTRZYMYWANE NA NISKIM POZIOMIE

PRZEZ POMPY Ca

Stężenie Ca

, podobnie jak Na

, utrzymywane jest w cytozolu na niskim poziomie w porównaniu z jego stężeniem w

płynie zewnątrzkomórkowym, ale po obu stronach błony komórkowej jonów Ca

jest znacznie mniej niż jonów

. Jednakże transport Ca

w poprzek błony komórkowej ma ogromne znaczenie, ponieważ Ca

może

bardzo ściśle wiązać się z wieloma innymi cząsteczkami w komórce, zmieniając ich właściwości. Na przykład
wypłynięcie Ca

do cytozolu przez kanały Ca

pełni często funkcję sygnału inicjującego wiele procesów

komórkowych, takich jak sekrecja cząsteczek sygnałowych i skurcz komórek mięśniowych. Im mniejsze
wyjściowe stężenie wolnego Ca

w cytozolu, tym większa jest wrażliwość komórki na wzrost tego stężenia. Zatem,

komórki eukariotyczne utrzymują w zasadzie bardzo małe stężenie wolnego Ca

w cytozolu (ok. 10

-4

( mM),

natomiast zewnątrzkomórkowe stężenie Ca

dużo większe (zwykle 1-2 mM). Różnica ta jest utrzymana

głównie dzięki działaniu napędzanych przez ATP pomp Ca

występujących zarówno w błonie komórkowej,

jak i w błonie retikulum endoplazmatycznego. Pompy te aktywnie usuwają Ca

z cytozolu. Podobnie jak pompa

-K

, pompa Ca

jest ATPazą, która w

czasie cyklu swego działania ulega ufosforylowaniu i defosforylacji
Pracuje najprawdopodobniej w taki sam sposób jak pomp Na

-K

, z tym tylko, że powraca do swej wyjściowej

konformacji bez wiązania i transportowania drugiego jonu. Te dwie pompy pędzane przez ATP mają podobną
sekwencję aminokwasów i podobną budowę, którą charakteryzuje obecność w każdej podjednostce wokoło
transbłonowych helis; mają one najwyraźniej wspólne pochodzenie ewolucyjne.

4.1.13. DO ZASILANIA TRANSPORTU BŁONOWEGO GRZYBY, ROSLINY I BAKTERIE UŻYWAJĄ

GRADIENTÓW H

Komórki roślin, grzybów (w tym drożdży) i bakterii nie mają w swych błonach komórkowych pompy Na

-K

. W

miejsce elektrochemicznego gradientu Na

, do zasilania transportu substancji rozpuszczalnych do komórki używają

one głównie elektrochemicznego gradientu H

. Gradient ten jest tworzony przez pompy H

w błonie komórkowej,

które wypompowują H

komórki, wytwarzając elektrochemiczny gradient protonowy o stężeniu większym na

zewnątrz niż w środku komórki. Zatem, w procesie tym pomp H

zakwasza również środowisko otaczające komórkę.

Pobieranie wielocukrów i aminokwasów do komórek bakteryjnych zachodzi następnie w wyniku symportu z H

, w

procesie napędzanym przez elektrochemiczny gradient istniejący w poprzek błony komórkowej, w sposób w
zasadzie identycznej z tym, w jaki komórki zwierzęce używają elektrochemicznego gradientu Na

. U pewnych

bakterii fotosyntezujących gradient H

jest budowany w wyniku działania pomp H

zasilanych światłem,

takich jak bakteriorodopsyna. U innych bakterii gradient jest wytwarzany w wyniku działania białek błony
komórkowej prowadzących końcowe etapy oddychania komórkowego związanego z syntezą ATP. Natomiast
rośliny, grzyby i jeszcze inne bakterie budują swój gradient w wyniku działania zawartych w ich błonach
komórkowych ATPaz, które wykorzystują energię hydrolizy ATP do wypompowywania H

z komórki

przypominają one pompy Na

-K

i pompy Ca

w komórkach ssaków. Odmienny typ ATPazy H

występuje w

błonach niektórych organelli komórkowych, takich jak lizosomy komórek zwierząt i centralna wakuola komórek
roślin i grzybów. Ich funkcją jest pompowanie H

z cytozolu organelli, co umożliwia utrzymanie neutralnego pH

w cytozolu, a zwłaszcza zakwaszenie wnętrza organelli. Kwaśne środowisko wnętrza wielu organelli istotne jest
dla ich funkcji.

4.1.14. KANAŁY JONOWE I POTENCJAŁ BŁONOWY

W zasadzie najprostszym sposobem umożliwiającym 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 pory transbłonowe o hydrofilowym wnętrzu, umożliwiające bierny ruch małych,
rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, zarówno między cytozolem i otoczeniem komórki, jak i między cytozolem
i wnętrzem organelli. Nieliczne białka kanałowe tworzą względnie duże pory; przykładem są białka, które tworzą
połączenia komunikacyjne pomiędzy dwoma przylegającymi komórkami i poryny tworzące kanały w zewnętrznej błonie
mitochondriów i pewnych bakterii. Jednak takie duże kanały o malej selektywności powodowałyby katastrofalne
przecieki, gdyby bezpośrednio łączyły cytozol komórki z przestrzenią zewnątrzkomórkową. Dlatego też większość białek
kanałowych w błonie komórkowej komórek zwierząt i roślin jest całkiem odmienna i tworzy pory wąskie, o wysokiej
selektywności. Prawie wszystkie te białka są kanałami jonowymi, prowadzącymi wyłącznie transport jonów
nieorganicznych, głównie Na

, K

, Cl

4.1.15. KANAŁY JONOWE SĄ JONOWO SELEKTYWNE I BRAMKOWANE

Dwie ważne właściwości odróżniają kanały jonowe od prostych porów dyfuzyjnychych. 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 naładowanych reszt
aminokwasowych we wnętrzu kanału. W pewnych miejsach kanał jest dostatecznie wąski, aby zmusić jony do
kontaktu za jego ścianą, dzięki czemu mogą przechodzić tylko te jony, które mają odpowiednią wielkość i ładunek.
Na przykład wąskie kanały nie przepuszczą dużych jonów, a kanały „wyścielone" ładunkami ujemnymi
przepuszczą jonów ujemnych ze względu na elektrostatyczne odpychanie ładunków jednoimiennych. Na tej
zasadzie powstały kanały selektywne jednego tylko typu jonu, np. O- lub K

. W roztworze wodnym każdy, jest

otoczony cienkim płaszczem cząsteczek wody i dopiero usunięcie większości towarzyszących mu cząsteczek
wody umożliwia jego przejście przez selekcjonujący filtr w najwęższej części kanału. W obrębie filtra dochodzi do
krótkiego, ale bardzo ważnego kontaktu transportowanych jonów z atomami reszt aminokwasowych tego filtra.
Precyzyjnie umiejscowione atomy filtra rozróżniają jony różniące się wielkością nawet w niewielkim stopniu. Ten
etap transportu ogranicza także maksymalną szybkość przechodzenia jonów przez kanał. Zatem, w miarę wzrostu
stężenia jonów ich przepływ przez kanał początkowo wzrasta proporcjonalnie do stężenia, do momentu osiągnięcia
szybkości maksymalnej.
Drugą ważną cechą odróżniającą kanały jonowe od prostych porów dyfuzyjnych 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 błnie komórkowej było przez cały czas otwarte. Dlatego też,
kanały jonowe otwierają się na krótko, po czym ponownie się zamykają. Większość kanałów jonowych jest
bramkowana. W wyniku zmiany konformacji kanały mogą się przełączać między stanem otwartym i zamkniętym,
a zmiana taka jest wyzwalana przez specyficzny czynnik. Kanały jonowe mają znaczną przewagę nad nośnikami
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 nośnik. Z drugiej strony, kanały nie mogą sprzęgnąć przepływu jonów z
żadnym źródłem energii, umożliwiającym im prowadzenie transportu aktywnego. Tak więc funkcją większości
kanałów jonowych jest przejściowe zwiększenie przepuszczalności błony dla wybranych jonów
nieorganicznych, głównie Na

, K

i Cl

. Otwarcie kanałów pozwala na szybkie dyfuzyjne przejście jonów

poprzez błonę zgodnie z ich gradientami elektrochemicznymi.
Potencjał błonowy stanowi podstawę każdej aktywności elektrycznej w komórce, zarówno roślin, zwierząt, jak i
jednokomórkowych organizmów eukariotycznych. W wyniku aktywnego transportu prowadzonego przez
pompy i inne białka transportującego większość stężeń jonów po obu stronach błony jest
daleko odsunięta od równowagi. Dlatego też po otwarciu kanału jony szyb-ko przez niego przepływają.
Taki szybki ruch jonów wytwarza puls ładunku elektrycznego albo doprowadzonego do komórki (gdy jony
wpływają) lub wyprowadzonego z komórki (gdy jony wypływają). Przepływ jonów zmienia napięcie
istniejące w poprzek błony — potencjał błonowy — co zmienia siły elektrochemiczne stanowiące napęd

dla przemieszczania wszystkich innych jonów poprzez błonę. Zarazem, zmusza to inne kanały jo-nowe,
specyficznie wrażliwe na zmiany potencjału błonowego, do otwarcia się lub zaniknięcia w ciągu
milisekund. Wynikająca stąd eksplozja aktywności elektrycznej może szybko przemieszczać się z jednego
obszaru błony komórkowej do drugiego, umożliwiając przewodzenie sygnałów elektrycznych, co
omówimy później w związku z komórkami nerwowymi. Ten typ sygnalizacji elektrycznej nie jest
ograniczony do zwierząt, ale występuje też u innych wielokomórkowych organizmów eukariotycznych, w
tym roślin. Na przykład mięsożerna roślina, muchołówka, używa sygnalizacji elektrycznej do wyczuwania
obecności i łapania owadów.

4.1.16. KANAŁY JONOWE PRZEŁĄCZAJĄ SIĘ MIĘDZY STANEM OTWARTYM I ZAMKNIĘTYM W

SPOSÓB PRZYPADKOWY
Główną metodą stosowaną do badania ruchu jonów i zachowania się kanałów jonowych w żywych komórkach są
pomiary zmian w przepływie prądu jonowego. Techniki zapisu elektrycznego zostały tak wspaniałe udoskonalone, że
można obecnie wykrywać i mierzyć prąd jonowy płynący przez pojedynczy kanał. Procedura znana jako metoda
patch-clamp pozwoliła uzyskać zdumiewający obraz pracy poszczególnych kanałów jonowych.
W metodzie tej bardzo cienka rurka szklana używana jest jako mikroelektroda umożliwiająca wytworzenie
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 roztworem odpowiednich jonów, a końcówkę przyciska się do powierzchni komórki Przez delikatne
zassanie wytwarza się szczelne złącze elektryczne między błoną komórkową a ujściem mikroelektrody. Jeśli chcemy
odsłonić cytozolową stronę błony, łatkę błony przytrzymywaną przez mikroelektrodę 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 umieszczona jest komórka lub oderwana z niej łatka. Pomiary
metodą patch-clamp umożliwiają uzyska-nie 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 za-chodzące w nich zjawiska elektryczne wykryć jakąkolwiek inną metodą.
Zmieniając stężenie jonów w roztworach po którejkolwiek stronie łatki błony można sprawdzić, jaki jon będzie
przechodził przez kanały znajdujące się w łatce. Dysponując odpowiednim obwodem elektronicznym można
ustawić napięcie istniejące w poprzek łatki błony, czyli potencjał błonowy, i utrzymać go („zacisnąć") na stałym,
dowolnie wybranym poziomie (stąd nazwa „patch-clamp", ang. patch — łatka, ang. clamp — zacisk).
Jeśli kanały w przypadkowy sposób przełączają się między konformacją stanu otwartego i konformacją
stanu zamkniętego, nawet wtedy, gdy warunki po każdej stronie błony są stałe, to w jaki sposób ich stan
może być regulowany przez warunki panujące na zewnątrz komórki i w jej wnętrzu? Odpowiedź jest
następująca: zmiana warunków nie zmienia przypadkowego charakteru zachowania, ale znacznie zmienia
się prawdopodobieństwo. Jeśli, na przykład, zmienione warunki działają w kierunku otwierania kanału, to
kanał będzie wy-stępował w konformacji stanu otwartego znacznie częściej, aczkolwiek nie będzie otwarty
w sposób ciągły. Gdy kanał jonowy jest otwarty to jest otwarty całkowicie, a kiedy jest zamknięty, to też
całkowicie.

4.1.17. RÓŻNE TYPY BODŹCÓW WPLYWAJĄ NA TWIERANIE I ZAMYKANIE KANAŁÓW

Jak dotąd, odkryto ponad sto typów kanałów janowych i nawet proste organizmy mogą posiadać bardzo wiele różnych
kanałów. Kanały różnią się między sobą głównie pod względem:

selektywności jonów, a więc typem jonów, których przepływ umożliwiają,

bramkowania, a więc warunkami wpływającymi na ich otwieranie i zamykanie.
W przypadku kanału bramkowanego napięciem prawdopodobieństwo otwarcia zależy od potencjału błonowego. W
przypadku kanału bramkowanego ligandem stan otwarcia zależy od związania określonej cząsteczki (liganda) t białkiem
kanału. Otwarcie kanału aktywowanego naprężeniem (mechaniczną stymulacją) jest wywołane 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 stresem, powodując wpłynięcie jonów do
komórek rzęsatych; powoduje to powstanie sygnału elektrycznego, który jest przenoszony z komórek rzęsatych do
nerwu słuchowego przewodzącego sygnał do mózgu.

4.1.18. KANAŁY JONOWE BRAMKOWANE NAPIĘCIEM REAGUJĄ NA POTENCJAŁ BŁONOWY

pompy 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 drugie.

Kanały jonowe bramkowane napięciem zawierają wyspecjalizowane obdarzone ładunkiem, domeny

białkowe nazywane czujnikami napięcia które są niezwykle wrażliwe na zmiany potencjału błonowego: zmiany
przekraczające określoną wartość progową działają na te domeny z dostateczną siłą elektryczną, aby spowodować
przełączenie się kanału z informacji stanu zamkniętego w konformację stanu otwartego lub odwrotnie. Zmiana
napięcia nie ma wpływu na szerokość otwarcia kanału, zmienia prawdopodobieństwo wystąpienia tego kanału w

stanie otwartym. Zatem, w dużej łatce błony, zawierającej wiele cząsteczek białka kanałowego, przy danej
wartości potencjału można znaleźć 10% kanałów w nie otwartym, a przy innej wartości potencjału — 90%.

Aby zrozumieć funkcję kanałów jonowych bramkowanych napięcia w żywej komórce, musimy wyjaśnić, co

jest czynnikiem kontrolującym potencjał błonowy. Najprościej rzecz ujmując, kanały jonowe kontrolują się
same, a zmiana potencjału błonowego jest wynikiem zamykania i otwierania tych kanałów. Taka pętla
kontrolna, kanały jonowe -» potencjał błonowy -> kanały jonowe, ma podstawowe znaczenie dla wszelkiej
sygnalizacji elektrycznej w komórkach.

4.1.19. POTENCJAŁEM

BŁONOWYM

RZĄDZI

PRZEPUSZCZALNOŚĆ

BŁONY

DLA

OKREŚLONYCH JONÓW
Różnica potencjału elektrycznego, czyli potencjał błonowy, występuje w poprzek błony komórkowej
wszystkich komórek. W zrozumieniu powstawania pomoże nam przypomnienie pewnych podstawowych zasad
zjawiska elektryczności. Elektryczność w metalach jest przenoszona przez elektrony, natomiast elektryczność
w roztworach wodnych przenoszona jest przez jony naładowane dodatnio (kationy) lub ujemnie (aniony).
Aby zrozumieć, jak potencjał błonowy jest budowany i podtrzymywany rozważmy ruchy jonów do i na zewnątrz
typowej komórki zwierzęcej zachodzące w stanie "spoczynkowym", czyli przy braku stymulacji. Ujemne
ładunki w cząsteczkach organicznych zawartych w obrębie| komórki są w dużym stopniu równoważone przez
K

, dominujący w komórce jon dodatni. Duże wewnątrzkomórkowe stężenie K

jest częściowo efektem działania

pompy Na

-K

która aktywnie pompuje K

do komórki Prowadzi to do dużych różnic stężenia K

po obu stronach

błony komórkowej, przy czym stężenie K

w komórce jest znacznie większe niż poza nią. Jednakże błona komórkowa

zawiera także specyficzne kanały K

nazywane spoczynkowymi (przeciekowymi) kanałami K

. Kanały te w sposób

przypadkowy ustawicznie oscylują pomiędzy stanem otwartym i zamkniętym bez względu na warunki panujące w
środku i na zewnątrz komórki, a gdy są otwarte, umożliwiają swobodne przechodzenie K

. W komórce znajdującej się

w stanie spoczynkowym kanały te są otwarte, dzięki czemu błona komórkowa jest znacznie bardziej przepuszczalna
dla K

niż dla innych jonów. K

dąży do wypływania przez te kanały z komórki zgodnie ze swoim stromym

gradientem stężeń. Jednakże jakiekolwiek przeniesienie dodatniego ładunku na zewnątrz pozostawi wewnątrz komórki
niezrównoważony ładunek ujemny i wytworzy przez to pole elektryczne, czyli potencjał błonowy, który będzie
przeciwdziałał dalszemu wychodzeniu K

z komórki. W ciągu mniej więcej milisekundy ustalą się warunki równowagi,

w których potencjał błonowy jest dostatecznie silny, .aby przeciwdziałać dążeniu K

do przemieszczania się zgodnie z

jego gradientem stężeń — to jest elektrochemiczny gradient K

jest równy zeru, nawet jeżeli stężenie K

jest nadal

znacznie większe wewnątrz komórki niż poza nią. Spoczynkowy potencjał błonowy jest potencjałem błonowym w
warunkach ustabilizowanych, w których przepływ kationów i anionów przez błonę komórkową jest precyzyjnie
równoważony, tak iż nie dochodzi do akumulacji różnic ładunku w poprzek błony. Miarą potencjału błonowego jest różnica
napięcia istniejąca w poprzek błony. W komórkach zwierzęcych wartość spoczynkowego potencjału błonowego mieści się
między -20 a -2001 miliwolt (mV), zależnie od typu organizmu i komórki. Wyrazi jest jako wartość ujemna,
ponieważ wewnątrz komórki ładunków ujemnych jest nieco więcej niż ładunków dodatnich.
Wartość spoczynkowego potencjału błonowego w komórkach zwierających jest głównie odbiciem gradientu
stężeń K

w poprzek błony komórkowej, ponieważ w stanie spoczynkowym błona ta jest głównie

przepuszczalna dla K

, który jest zarazem głównym kationem wewnątrz komórki Równowagę można wyrazić

ilościowo za pomocą równania nazywanego równaniem Nernsta, które pozwala na obliczenie teoretyczne-go
spoczynkowego potencjału błonowego, jeśli znany jest stosunek stężenia jonów wewnątrz i na zewnątrz
komórki.
Załóżmy, że w błonie komórkowej komórki znajdującej się w stanie spoczynkowym otwierają się nagle
kanały przepuszczalne dla i danego jonu, np. Na

. Ponieważ stężenie Na

na zewnątrz komórki jest większe niż

w jej wnętrzu, Na

będzie przez te kanały wnikają do komórki wskutek czego potencjał błonowy stanie się

mniej ujemny, a nawet zmieni znak na przeciwny (tak iż wnętrze komórki będzie dodatnie w stosunku do jej
otoczenia). Potencjał błonowy zmieni wartość, a wartość ta będzie kompromisem między wartością
ujemną, jaka odpowiadałaby równowadze dla K

, a wartością dodatnią, która odpowiadałaby równowadze

. Jakakolwiek zmiana w przepuszczalności błony dla określonych jonów — to jest zmiana liczby

otwartych kanałów jonowych różnych rodzajów - spowoduje więc zmianę potencjału błonowego. Dlatego
ten potencjał błonowy określony jest zarówno przez stan kanałów jonowych, i przez stężenia jonów w
cytozolu i środowisku pozakomórkowym. Ponieważ jednak procesy elektryczne na błonie komórkowej
zachodzą bardzo szybko w porównaniu ze zmianami stężeń jonów w całej masie płynu w milisekundach w
porównaniu z sekundami lub minutami - to kanały jonowe są najważniejsze w kontrolowaniu potencjału
błonowego.

4.1.20. KANAŁY JONOWE I SYGNALIZACJA W KOMÓRKACH NERWOWYCH

podstawowym zadaniem komórki nerwowej, czyli neuronu, jest przyjmowanie, przewodzenie i przekazywanie sygnałów.
Neurony przewodzą sygnały dośrodkowo z narządów zmysłów do ośrodkowego układu nerwowe-go który składa się z
mózgu i rdzenia kręgowego. W układzie tym sygnały przechodzą z jednego neuronu do drugiego, tworząc niezwykle
skomplikowane sieci informacyjne, umożliwiające analizę i interpretowanie sygnałów dochodzących z narządów
zmysłów oraz odpowiadanie na te sygnały Poza ośrodkowym układem nerwowym znajdują się długie wypust-ki

neuronów wchodzących w skład tego układu, dzięki którym przesyłają one sygnały regulujące działanie mięśni i
gruczołów. Pełnienie tych funkcji wymaga często niezwykłego wydłużenia neuronów: na przykład, neurony
motoryczne człowieka przewodzące sygnały z rdzenia kręgowego do mięśni stopy mogą sięgać jednego metra
długości.

Każdy neuron składa się z ciała komórki — perykarionu (zawierającego jądro), z którego promieniście rozchodzą

się długie i cienkie wypust-ki Zwykle neuron posiada jeden długi akson przewodzący sygnały od-środkowo od
perykarionu do odległych komórek docelowych, a liczne krótkie, rozgałęzione dendryty wystają z perykarionu jak
anteny i tworzą powiększoną powierzchnię do przyjmowania sygnałów z aksonów innych neuronów. Zazwyczaj na końcu
aksonu znajdują się liczne Rozgałęzienia, z których każde kończy się zakończeniem nerwu, przez co wiadomość może
zostać równocześnie przekazana z danego neuronu do wielu komórek docelowych, którymi są inne neurony, komórki
mięśni i gruczołów. Rozgałęzienia dendrytów mogą być również bardzo rozległe i w pewnych przypadkach umożliwiają
przyjęcie przez pojedynczy neuron aż do 100 000 wejść informacyjnych.

Niezależnie od tego, jakie jest znaczenie sygnału przekazywanego przez neuron - czy będzie to informacja

wzrokowa z oka, czy polecenie motoryczne do mięśnia, czy etap analizy sygnału w mózgu - forma sygnału jest zawsze
taka sama: składają się na nią zmiany potencjału elektrycznego w poprzek błony komórkowej neuronu.

4.1.21. POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE UMOŻLIWIAJĄ SZYBKIE KOMUNIKOWANIE SIĘ NA DUŻE

ODLEGŁOŚCI
Neuron jest stymulowany przez sygnał - zazwyczaj z innego neuronu - doprowadzony do określonego miejsca na
powierzchni komórki. Sygnał ten wywołuje w tym miejscu zmianę potencjału błonowego. Jednak aby sygnał mógł być
przenoszony dalej, zmiana potencjału błonowego musi się z tego miejsca - które znajduje się zwykle na dendrycie lub
perykarionie — rozszerzyć tak, aby dotrzeć do zakończeń aksonu, które przekazują sygnał do następnych komórek
danej drogi nerwowej. Chociaż lokalna zmiana potencjału błonowego może rozszerzać się biernie wzdłuż aksonu lub
dendrytu na przylegające obszary błony komórkowej, to jednak słabnie ona w miarę oddalania się od źródła.
Osłabienie to nie ma znaczenia przy krótkich odległościach, ale przy przesyłaniu informacji duże odległości
takie bierne roprowadzanie jest niewystarczające. Ten sam sposób sygnał telefoniczny może być
przeniesiony bez wzmocnienia na krótkie odległości przez przewody w obrębie miasta, ale przekazanie go
przez ocean podwodnym kablem wymaga odcinkowego wzmacniania. Neurony rozwiązały problem
komunikowania się na duże odległości przez zastosowanie mechanizmu sygnalizacji aktywnej: lokalny
bodziec elektryczny o dostatecznej sile wyzwala w błonie komórkowej eksplozję aktywności elektrycznej, która
jest bardzo szybko rozprowadzana wzdłuż błon aksonu i podtrzymywana wzdłuż całej drogi przez
automatyczne odnawianie. Ta wędrująca fala pobudzenia elektrycznego, znana jako potencjał czynnościowy
lub impuls nerwowy, może przenosić informację bez osłabiania sygnału z jednego końca neuronu na drugi z
szybkością do 100 metrów na sekundę.

4.1.22. POTENCJAŁY CZYNNOŚCIOWE SĄ Z REGUŁY WYNIKIEM DZIAŁANIA KANAŁÓW Na

BRAMKOWANYCH NAPIĘCIEM
Bodźcem wyzwalającym potencjał czynnościowy w neuronie jest z reguły gwałtowna miejscowa
depolaryzacja błony komórkowej - to jest przesunięcie potencjału błonowego do wartości mniej ujemnej
wewnątrz komórki. Bodziec, który w danym miejscu wywołuje depolaryzację dostatecznie silną, aby
przekroczyła odpowiednią wartość powoduje natychmiastowe otwarcie na krótki czas kanałów Na+.
bramkowanych napięciem, co umożliwia wniknięcie do komórki
małej ilości zgodnie z gradientem elektrochemicznym tego jonu. Wejście ładunku dodatniego pociąga za
sobą dalszą depolaryzację błony (to znaczy, że potencjał błonowy staje się jeszcze mniej ujemny), co z
kolei powoduje otwarcie dalszych kanałów Na

bramkowanych napięciem, a to wprowadza do komórki

następne jony Na

i wywołuje dalszą depolaryzację. Proces ten postępuje w sposób samowzmacniający się

aż - w czasie około milisekundy -charakterystyczna dla stanu spoczynkowego wartość potencjału błon (-60
mV) na niewielkim obszarze błony nie zostanie zmieniona
do wartości około +40 mV Ta ostatnia wartość jest bliska potenciału błonowemu, przy którym siła
elektrochemiczna
napędzająca ruch Na

przez błonę jest równa zero - a więc, przy której efekty potencjału błonowego i gradientu

stężeń Na

są sobie równe i przeciwstawne, co uniemożliwia Na

opuszczanie komórki łub wejście do niej. Gdyby

kanały Na

bez końca reagowały w ten sam sposób na zmieniony potencjał błonowy, w którymś momencie

komórka zostałaby unieruchomiona, ponieważ wszystkie kanały Na

bramkowane napięciem pozostawałyby

głównie w stanie otwartym.

Komórka jest jednak chroniona przed taką sytuacją, ponieważ kanały Na

mają automatyczny mechanizm

inaktywujący, który narzuca im bardzo szybko (po około milisekundzie) przyjęcie specjalnej konformacji nieaktywnej,
w której kanał nie jest zdolny do powtórnego otwarcia: nawet jeśli błona jest nadal zdepolaryzowana, kanały Na

pozostaną w tym stanie zinaktywawanym i będą w nim trwały jeszcze kilka milisekund po powrocie potencjału
błonowego do jego wyjściowej ujemnej wartości. Zależności między tymi trzema odrębnymi stanami kanału Na

bramkowanego napięciem
- zamkniętym, otwartym i zinaktywowanym .

W powrocie potencjału do wartości spoczynkowej pomaga również otwarcie się kanałów K

bramkowanych

napięciem. One także otwierają się w odpowiedzi na depolaryzację błony, ale robią to wolniej niż kanały Na

następnie pozostają otwarte tak długo, jak długo błona jest zdepolaryzowana. Dlatego też w momencie, gdy
potencjał czynnościowy osiąga swą kulminację, rozpoczyna się, przez te właśnie kanały K

, wypływanie.

4.1.23. KANAŁY Ca

BRAMKOWANE NAPIĘCIEM ZAMIENIAJĄ W ZAKOŃCZENIACH NERWOWYCH

SYGNAŁY ELEKTRYCZNE NA SYGNAŁY CHEMICZNE
Gdy potencjał czynnościowy dotrze do końca aksonu - zakończeń nerwowych - sygnał musi zostać w jakiś
sposób przekazany do komórek docelowych, zazwyczaj

komórek nerwowych lub mięśniowych,

kontaktujących się z tymi zakończeniami nerwowymi. Sygnały są przekazywane w wyspecjalizowanych
miejscach kontaktu nazywanych synapsami. W większości synapsy komórkowe komórek przekazujących i
odbierających sygnał —a więc odpowiednio, komórek presynaptycznych i postsynaptycznych — są
oddzielone od siebie wąską szczeliną synaptyczną (zazwyczaj o szerokości 30 mm, której sygnały
elektryczne nie mogą przekroczyć. Aby mogła zostać przekazana z jednego neuronu do drugiego, sygnał jest
zamieniany w sygnał chemiczny w postaci małej cząsteczki sygnalizacyjnej o nazwie przekaźnik nerwowy
(neuroprzekaźnik). Neuroprzekaźniki są magazynowane w stanie gotowym do użycia w zakłóceniach
nerwowych, zagęszczane w błonowych pęcherzykach synapsy. Zostają one wydzielone z zakończeń
nerwowych na drodze egzocytozy, gdy tylko potencjał czynnościowy dotrze do tych zakończeń. Sprzężenie
między potencjałem czynnościowym a egzocytozą wymaga jeszcze jednego ogniwa, którym jest inny typ
kanału kationowego bramkowanego napięciem. Depolaryzacji komórkowej w zakończeniach nerwowych,
wywołana dotarciem potencjału czynnościowego, otwiera na krótko bramkowane napięcie zagęszczone w
błonie presynaptycznej zakończeń nerwowych fponieważ stężenie Ca

na zewnątrz komórki jest ponad

1000 razy większe niż stężenie wolnego Ca

w cytozolu, jon ten pospiesznie wnika przez otwarte kanały.

Wynikający stąd wzrost stężenia Ca

w cytozolu zakończenia nerwowego uruchamia fuzję pęcherzyków

synaptycznych a błoną komórkową, co uwalnia neuroprzekaźnik do szczeliny synaptycznej. tak więc dzięki
bramkowanym napięciem kanałom Ca

sygnał elektryczny zostaje zamieniony na sygnał chemiczny.

4.1.24. KANAŁY BRAMKOWANE NEUROPRZEKAŹNIKAMI ZAMIENIAJĄ DOCELOWEJ SYGNAŁY

CHEMICZNE Z POWROTEM NA SYGNAŁY ELEKTRYCZNE
Uwolniony nauroprzekaźnik szybko dyfunduje w szczelinie synaptycznej i wiąże się z receptorami
neuroprzekaźników, zagęszczonymi w postsynaptycznej błonie komórki docelowej. Związanie
neuroprzekaźnika z jego reagentami powoduje zmianę potencjału błonowego komórki docelowej, która może
komórce uruchomić potencjał czynnościowy. Neuroprzekaźnik jest szybko usuwany ze szczeliny
synaptycznej, albo przez rozkładające go enzymy, albo przez transport zwrotny, do zakończenia nerwowego, z
którego zostaje uwolniony lub do komórek sąsiednich. Szybkie usuwanie neuroprzekaźnika zapewnia
wygaszenie aktywności komórki postsynaptycznej powrocie komórki presynaptycznej do stanu
spoczynkowego. Istnieją różnego typu receptory neuroprzekaźników; niektóre z nich pośredniczą w powolnych
efektach w komórce docelowej, a inne umożliwiają ich bardzo szybką odpowiedź. Odpowiedzi szybkie - w skali
milisekund -możliwe dzięki receptorom, które są kanałami jonowymi bramkowana przez neuroprzekaźnik.. Są
one podrodziną kanałów jonowych bramkowanych ligandem, a ich funkcją jest zamiana sygnału chemicznego
w postaci neuroprzekaźnika, z powrotem na sygnał elektryczny. Kanały otwierają się na krótko w odpowiedzi na
związanie neuroprzekaźniki powodując zmianę przepuszczalności błony postsynaptycznej dla jonów z kolei
powoduje zmianę wartości potencjału błonowego; jeśli zmiana ta jest dostatecznie duża, może wywołać w
komórce postsynaptyczne powstanie potencjału czynnościowego. Dobrze poznanymi przykładami kanałów
jonowych bramkowanych przez neuroprzekaźniki są te, które występują w złączu nerwowo-mięśniowym (płytce
motorycznej), wyspecjalizowanym typie synapsy powstałej między neuronem a komórką mięśniową. U
kręgowców neuroprzekaźnikiem jest tu acetylocholina, a kanałem jonowym bramkowanym przez przenośnik jest
receptor acetylocholinowy.

4.1.25. IMPULSY DOCIERAJĄCE DO NEURONÓW DZIAŁAJĄ POBUDZAJĄCO LUB HAMUJĄCO

Odpowiedź wywołana w synapsie przez neuroprzekaźnik może mieć charakter pobudzający lub hamujący.
Pewne neuroprzekaźniki (wydzielane przez zakończenia aksonu neuronów pobudzających) powodują w
komórce postsynaptycznej powstanie potencjału czynnościowego, podczas gdy inne (wydzielane przez
zakończenia aksonu neuronów hamujących) zapobiegają po-wstaniu tego potencjału w komórce
postsynaptycznej. Kurara, środek farmakologiczny, którego pochodne są używane przez chirurgów do
zmniejszenia napięcia mięśniowego podczas operacji, wywołuje paraliż przez zablokowane dotarcia
pobudzających sygnałów do postsynaptycznej błony płytki nerwowo-mięśniowej. Natomiast trucizna
strychnina wywołuje skurcze mięśniowe i śmierć, ponieważ blokuje docieranie sygnałów hamujących.
Neuroprzekaźniki pobudzające i hamujące wiążą się z odmiennymi receptorami, I to właśnie charakter receptora
decyduje, czy odpowiedzią będzie po-budzenie, czy zahamowanie. Podstawowymi receptorami dla
neuroprzekaźników pobudzających, głównie acetylocholiny i glutaminianu, są kanały jonowe umożliwiające
przepływ, odpowiednio, Na

i Ca

. Po związaniu neuroprzekaźnika kanały otwierają się, umożliwiając

wpływanie głównie Na

, który de-polaryzuje błonę komórkową w kierunku progowej wartości potencjału

wymaganej do powstania potencjału czynnościowego. Tak więc stymulacja tych receptorów prowadzi do
aktywacji komórki postsynaptycznej. Natomiast receptory dla neuroprzekaźników hamujących, głównie kwasu
Y-aminomasło-(GABA) i glicyny, są zazwyczaj kanałami dla Cl". Po związaniu przekaźnika kanały otwierają
się, umożliwiając wprowadzenie do komórki tylko nie-niewielkiej ilości jonów Cl", ponieważ przy wartości
potencjału błonowego stanu spoczynkowego siła napędowa dla przemieszczania Cl" przez błonę jest bliska zeru.

Jednakże, gdy równocześnie są otwarte kanały Na

, jony Na

wchodzą szybko do komórki, powodując

odsunięcie potencjału błonowego od wartości stanu spoczynkowego. Przesunięcie to powoduje ruch Cl

wnętrza komórki. neutralizujący efekt wpłynięcia Na

W ten sposób hamujące przekaźniki nerwowe tłumią

powstawanie potencjału czynnościowego, dzięki czemu błona komórki docelowej jest bardziej odporna na
depolaryzację.

4.1.26. KANAŁY BRAMKOWE NEUROPRZEKAŹNIKAMI SĄ GŁÓWNYM CELEM DZIAŁANIA

LEKÓW PSYCHOAKTYWNYCH
Miejscem działania wielu leków stosowanych w terapii bezsenności, lęku, depresji i schizofrenii są synapsy
mózgu. Istnieje bardzo dużo różnych typów receptorów neuroprzekaźników chociaż należą one do niewielkiej
liczby rodzin. Na przykład wyróżnia się wiele podtypów receptorów acetylocholiny, glutaminianu, GABA,
glicyna i serotoniny; są one zazwyczaj rozmieszczone w różnych neuronach, a właściwości często różnią się
tylko nieznacznie. Przy tak ogromnej różnorodności receptorów istnieje możliwość zaprogramowania nowej
generacji leków psychoaktywnych, które działałyby bardziej selektywnie na określone układy neuronów, aby
złagodzić przebieg chorób psychicznych, rujnujących życie wielu ludzi. Na przykład na schizofrenię, podobnie
jak na depresję maniakalną, choruje jeden procent populacji ludzkiej.

4.1.27. POŁĄCZENIA SYNAPTYCZNE UMOŻLIWIAJĄ NAM MYSLENIE, DZIAŁANIE I PAMIĘTANIE

W synapsie chemicznej zakończenie nerwowe komórki presynaptycznej zamienia sygnał elektryczny na
chemiczny, a komórka postsynaptyczna przekształca sygnał chemiczny z powrotem w elektryczny. Możliwość
modyfikowania tych procesów ma istotne znaczenie w praktyce. Aby pełnić te funkcje, neurony muszą nie tylko
wytwarzać i przewodzić sygnały, ale także łączyć je, interpretować i zapisywać.
Czynności te możliwe dzięki synapsom chemicznym. Na przykład komórka motoryczna w rdzeniu kręgowym
otrzymuje informacje ze strony setek lub tysięcy innych neuronów, z którymi tworzy synapsy. Pewne z tych
sygnałów będą działały na neuron stymulująco, a inne hamują. Komórka motoryczna musi scalić wszystkie
otrzymywane informacje albo zbudować potencjał czynnościowy wzdłuż aksonu w celu pobudzenia mięśnia,
albo pozostać w stanie spoczynku. To zadanie scalenia ogromu dochodzącej informacji i podjęcia decyzji o
informacji wyjściowej jest możliwe dzięki skomplikowanemu współdziałaniu różnych typów kanałów jonowych w
błonie komórkowej neuronu. Każdy z setek typów neuronów naszego mózgu ma charakterystyczny dla siebie
zestaw receptorów i kanałów jonowych, dzięki którym komórka odpowiada w określony sposób na pewien zestaw
docierających sygnałów i w ten sposób wykonuje specjalizowane zadanie. Co więcej, kanały jonowe i inne
molekularne składniki synapsy mogą ulegać długotrwałym modyfikacjom zależnym od tego, jak byty używane, i
przez to zachowywać ślady przeszłych wydarzeń o

tym właśnie polega pamięć. Dlatego też kanały jonowe są

centralnymi elementami maszynerii, która umożliwia nam działanie, myślenie, odczuwanie , mówienie i co
najważniejsze — czytanie i zapamiętanie.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
fizjologia-2kolos, Funkcje błon komórkowych:
Ogólna budowa i fizjologia komórki
Budowa i fizjologia układu oddechowego człowieka, Fizjoterapia, Fizjologia
Budowa i fizjologia układu nerwowego człowieka, Fizjo, Fizjoterapia, Fizjologia
FIZJOLOGIA Pobudliwość komórki Mieśnie przykładowe pytania i odpowiedzi Gumed
budowa i fizjologia narzadu ruchu, MEDYCYNA, Fizjologia, Fizjologia
Związek między budową a funkcją organelli komórkowych, podręczniki szkoła średnia liceum technikum k
BUDOWA I FIZJOLOGIA SKORY
Rozwój, budowa, fizjologia, i wady wrodzone narządów płciowych kobiety
Budowa i fizjologia żeńskich narządów płciowych wykład
budowa na poziomie komorkowym i Nieznany
wlasciwosci blon komorkowych, INNE KIERUNKI, biologia
wlasciwosci blon komorkowych, INNE KIERUNKI, biologia
Budowa i fizjologia włosów
Budowa i fizjologia narządu ruchu, Medycyna, Anatomia
39 BUDOWA I FIZJOLOGIA MIĘŚNI SZKIELETOWYCH
308 zwierz ta budowa i fizjologia ptakow
materiały dla studentów-fizjologia, biologia- studia, budowa i fizjologia zwierząt, ogólne
budowa i fizjologia narzadu ruchu, weterynaria, Anatomia

więcej podobnych podstron