background image

 

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. 

background image

 

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. 

background image

 

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-

background image

 

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 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 

background image

 

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

2

) 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 

background image

 

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

2

,  muszą  być  usuwane,  a 

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

2

 i O

2

, 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

+

,K

+

,Ca

2+

,  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. 

background image

 

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 tłuszczach (tj. im bardziej jest hydrofobowa, czyli niepolarna). Tak więc: 

 

małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen cząsteczkowy (O

2

, 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

9

) 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 

background image

 

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

2+

  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

background image

 

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 

Na

+

  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, 

background image

10 

 

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 

Na

+

, 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 

background image

11 

 

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

+

 i 

Cl

-

. 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

+

-

K

+

4.1.12.  WEWNĄTRZKOMÓRKOWE  STĘŻĘNIE  Ca

2+   

JEST  UTRZYMYWANE  NA  NISKIM  POZIOMIE 

PRZEZ POMPY Ca

2+  

 

Stężenie  Ca

2+

, 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

2+

  jest  znacznie  mniej  niż  jonów 

Na

+

.  Jednakże  transport  Ca

2+

  w  poprzek  błony  komórkowej  ma  ogromne  znaczenie,  ponieważ  Ca

2+

  może 

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

2+

  do  cytozolu  przez  kanały  Ca

2+

  pełni  często  funkcję  sygnału    inicjującego  wiele  procesów 

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

2+

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

komórki eukariotyczne  utrzymują w zasadzie bardzo małe stężenie wolnego Ca

2+ 

w cytozolu (ok. 10

-4

( mM), 

natomiast  zewnątrzkomórkowe  stężenie  Ca

2+ 

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

głównie dzięki działaniu napędzanych przez ATP pomp Ca

2+

 występujących zarówno w błonie  komórkowej, 

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

2+

 z cytozolu. Podobnie jak pompa 

Na

+

-K

+

, pompa Ca

2+

 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 

background image

12 

 

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

2+

 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

-, 

Ca

2+

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 ścianądzięki 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

+

  Ca

2+

  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 

background image

13 

 

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) 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 

background image

14 

 

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 

Na

+

.  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 

background image

15 

 

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 .  

background image

16 

 

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

2+

 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

2+

  na  zewnątrz  komórki  jest  ponad 

1000 razy większe niż stężenie wolnego Ca

2+

 w cytozolu, jon ten pospiesznie  wnika przez otwarte kanały. 

Wynikający stąd  wzrost stężenia  Ca

2+

  w  cytozolu  zakończenia  nerwowego  uruchamia  fuzję  pęcherzyków 

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

2+

 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

2+

.  Po  związaniu  neuroprzekaźnika  kanały  otwierają  się,  umożliwiając 

wpływanie  głównie  Na

+

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

background image

17 

 

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)  
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

-

  do 

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.