65.Transport przez błony

Komórki żyją i rosną dzięki ustawicznej wymianie cząsteczek ze swoim otoczeniem

tak, iż różne cząsteczki rozpuszczalne w wodzie muszą przechodzić przez błonę komórkową: substancje odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy,muszą być importowane, produkty zbędne, takie jak CO2 ,muszą być usuwane, a wewnątrzkomórkowe stężenie jonów, takich jak H+, Na+, K+, Ca: + , musi być utrzymywane na określonym poziomie. Niektóre

z tych substancji rozpuszczalnych, takie jak CO2 i O2, mogą przenikać przez dwuwarstwę lipidową w drodze prostej dyfuzji, ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak więc ich przenoszenie jest uzależnione od transportu błonowego, który jest prowadzony przez białka transbłonowe stanowiące specyficzne przejścia dla poszczególnych substancji). Na przykład pewne przejścia są otwarte dla Na+, ale nie dla K+, inne są otwarte dla K+, ale nie dla Na+, natomiast jeszcze inne są otwarte dla glukozy, ale nie dla aminokwasów. Zestaw białek transportujących zawarty w błonie komórkowej czy w błonie organelli wewnątrzkomórkowych ściśle określa, jakie substancje mogą wejść do komórki

lub organelli oraz z nich wyjść. Dlatego też każdy typ błony ma swój własny charakterystyczny zestaw białek transportujących.Można rozróżnić dwie główne kłasy błonowych białek transportujących.Przenośniki wiążą rozpuszczoną substancję po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę poprzez zmianę konformacji przenośnika.

Tą drogą mogą być transportowane zarówno małe cząsteczki organiczne,jak i nieorganiczne jony. Natomiast kanały tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje mogą przechodzić w drodze dyfuzji. Większość kanałów białkowych przepuszcza tylko jony nieorganicznei dlatego określa się je jako kanały jonowe. Komórki mogą wprawdzie przenosić selektywnie przez swe błony także makrocząsteczki, takie jak białka, ale wymaga to znacznie bardziej skomplikowanego mechanizmu. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny,ich przemieszczanie może wytworzyć znaczne siły elektryczne w poprzek błon. Siły te umożliwiają komórkom nerwowym przewodzenie sygnałów elektrycznych,. Stężenie jonów wewnątrz komórki jest bardzo różne od ich stężenia na zewnątrz. Transport jonów poprzez błony komórkowe ma w biologii zasadnicze znaczenie. Komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w płynie otaczającym je, przy czym różnice te są kluczowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. W otoczeniu komórki substancjami rozpuszczonymi występującymi w największych ilościach są jony Na+, K+, Ca2+, Cl~ i H+ (protony), a ich przechodzenie przez błonę komórkową stanowi istotną część wielu procesów komórkowych. Na przykład komórki zwierzęce pompują Na+ na zewnątrz, aby utrzymać małe stężenie Na+ w cytoplazmie. Pompowanie to pomaga w utrzymaniu równowagi ciśnień osmotycznych po obu stronach błony: jeśli ono zawiedzie, woda wpływa w drodze osmozy do komórki powodując jej pęcznienie 1 pęknięcie. Przemieszczanie jonów poprzez błony komórki pełni też zasadniczą rolę w działaniu komórki nerwowej, o czym będziemy mówić później, oraz w wytwarzaniu ATP przez wszystkie komórki.Na+ jest najliczniejszym dodatnio naładowanym jonem (kationem) obecnym na zewnątrz komórki, natomiast K+ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu. Jeśli komórka ma nie być rozerwana przez siły elektryczne, ilość ładunków dodatnich wewnątrz komórkimusi być zrównoważona przez prawie równą ilość ładunków ujemnych,przy czym to samo dotyczy ładunków w płynie otaczającym komórkę. Duże stężenie Na+ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl". Duże stężenie K+ wewnątrz komórki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych jonów (anionów) wewnątrzkomórkowych. Istotnie, większość związków wewnątrzkomórkowych ma ładunek ujemny: poza Cl", komórki zawierają jony nieorganiczne, takie jak kwaśne węglany (HCO3"), fosforany (PO/"), metabolity organiczne — zawierające ujemnie naładowane grupy fosforanowe i karboksylowe (COCT) — oraz makrocząsteczki, takie jak białka i kwasy nukleinowe, również zawierające liczne grupy fosforanowe i karboksylowe. Organiczne cząsteczki naładowane ujemnie są czasem nazywane „utrwalonymi anionami" („fixed anions"), ponieważ nie mogą uciec z komórki przekraczając błonę komórkową.

Przenośniki i ich funkcje

Przenośniki są białkami błonowymi niezbędnymi do przenoszenia poprzez błony prawie wszystkich małych cząsteczek organicznych z wyjątkiem cząsteczek rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych oraz małych cząsteczek nie naładowanych, które mogą przechodzić przez dwuwarstwę lipidową w drodze dyfuzji prostej. Każdy przenośnik jest wysoce selektywny i często transportuje tylko jeden typ cząsteczek. Aby nadać impuls i zapewnić poprawny, złożony ruch drobnych cząsteczek, zarówno wchodzących do komórki, jak i z niej wychodzących oraz przemieszczanych pomiędzy cytozolem a różnymi organellami komórki, każda błona w komórce zawiera charakterystyczny dla siebie zestaw przenośników.

Tak więc w błonie komórkowej znajdują się przenośniki importujące substancje odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy; w wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajdują się przenośniki do importu pirogronianu (w komórkach roślinnych także: jablczanu i szczawiooctanu —.) i ADP oraz eksportu ATP . kontakt z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej .Zasadniczą różnicą między przenośnikiem a kanałem jest sposób, w jaki rozróżniają one rozpuszczone cząsteczki, transportując tylko pewne

z nich, a nie inne. Kanały prowadzą to rozróżnienie na zasadzie ich wiel-kości i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, cząsteczki dostatecznie matę i niosące odpowiedni ładunek mogą się prześlizgnąć jak przez wąskie, otwarte drzwi zapadkowe. Przenośnik działa bardziej jak jednokierunkowe drzwi obrotowe: pozwala wejść tylko tej cząsteczce, która pasuje do miejsca wiążącego na białku przenośnika i przenosi te cząsteczki poprzez błonę tylko pojedynczo, za każdym razem zmieniając swą konformację. Przenośnik specyficznie wiąże przenoszoną cząsteczkę w ten sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat i to właśnie wymóg specyficznego wiązania nadaje transportowi selektywność. Cząsteczki i jony przechodzą poprzez błonę w drodze transportu biernego lub aktywnego.

Przy rozważaniu transportu ważnym pytaniem jest powód, dla którego zachodzi on w danym, a nie w innym kierunku. Jeśli tylko istnieje odpowiednia droga, przechodzenie cząsteczek z rejonów o ich dużym stężeniu do rejonów o małym stężeniu jest korzystne energetycznie, a więc przebiega spontanicznie. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siiy napędowej. Jeśli na przykład rozpuszczona substancja występuje poza komórką w stężeniu większym niż w komórce i gdy w błonie komórkowej jest obecny odpowiedni kanał lub przenośnik, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki w drodze transportu biernego (nazywanego też dyfuzją ułatwioną), bez wydatku energii ze strony transportującego białka.Jednakże, aby przesunąć cząsteczkę lub jon wbrew gradientowi stężeń,transportujące białko musi wykonać pracę. Musi ono pokonać różnicęstężeń przez sprzężenie przenoszenia danych cząsteczek lub jonów z innymiprocesami, które dostarczą energii ,. Prowadzone tą drogą przemieszczanie poprzez błonę określa się jako transport aktywny; jest on dokonywany tylko przez specjalne typy przenośników, które mogą do procesu transportu zaprząc określone źródła energii .

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

Prostym przykładem przenośnika pośredniczącego w transporcie biernym jest przenośnik glukozy obecny w błonie komórkowej komórek wątroby ssaków, a także wielu innych typów komórek. Buduje go łańcuch białkowyo 12 helisach transbłonowych. Uważa się, że białko to może przyjmować przynajmniej dwie konformacje, między którymi oscyluje odwracalnie i przypadkowo. W jednej konformacji przenośnik eksponuje miejsca wiążące glukozę na zewnątrz komórki, a w drugiej eksponuje je do wnętrza komórki . Gdy na zewnątrz komórki wątroby jest dużo glukozy (np. po posiłku),jej cząsteczki wiążą się do wystawionych na zewnątrz miejsc wiążących;gdy białko zmienia swą konformację, wprowadza te cząsteczki do wnętrzai uwalania je do cytozolu, gdzie stężenie glukozy jest małe. Odwrotnie,gdy poziom cukru we krwi jest niski (gdy jest się głodnym), hormon glukagon stymuluje komórkę wątroby do wytwarzania dużej ilości glukozy w drodze rozkładu glikogenu. W konsekwencji stężenie glukozy w komórce staje się większe niż na zewnątrz, a glukoza wiąże się do tych miejsc na przenośniku, które są eksponowane do wnętrza komórki; gdy białko zmieni swą konformację na przeciwną, glukoza zostaje wyprowadzona z komórki. Przepływ glukozy może następować w którymkolwiek kierunku,ale zgodnie z gradientem stężenia glukozy istniejącym poprzez błonę— do środka, jeśli więcej glukozy jest na zewnątrz komórki i na zewnątrz,jeśli sytuacja jest odwrotna. To właśnie tego typu białka transportujące,które umożliwiają przepływ substancji, ale nie biorą udziału w określeniu jego kierunku, prowadzą transport bierny. Chociaż bierny, transport ten jest jednak bardzo selektywny. Miejsca wiążące na przenośniku glukozywiążą tylko D-glukozę, lecz nie, na przykład, jej zwierciadlane odbicie —L-glukozę, której komórki nie mogą używać do glikolizy. O kierunku biernego

transportu glukozy, która jest cząsteczką nie naładowaną, decyduje po prostu gradient jej stężenia. W przypadku cząsteczek naładowanych elektrycznie, zarówno małych jonów organicznych, jak i nieorganicznych,w grę wchodzi dodatkowa siła. Z powodów, które objaśnimy później,w poprzek większości błon komórkowych występuje różnica potencjałów, określana jako potencjał transbłonowy. 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 powoduje tendencję do wprowadzania dodatnionaładowanych jonów lub cząsteczek do komórki, a wyprowadzania z niej jonów lub cząsteczek naładowanych ujemnie. Równocześnie jednak cząsteczki te będą miały tendencję do przemieszczania się w dół ich gradientu stężenia.Wypadkowa siła kierująca poprzez błonę jony lub naładowane cząsteczki składa się więc z dwóch sił składowych, z których jedna wynika z gradientu stężenia, a druga z napięcia istniejącego poprzez błonę. Tę wypadkową siłę określa się jako gradient elektrochemiczny dla danej przenoszonejjednostki. Ten właśnie gradient determinuje kierunek biernego transportu przez błonę. Dla pewnych jonów napięcie i gradient stężenia działają w tym samym kierunku, tworząc względnie stromy gradient elektrochemiczny. Tak jest na przykład w przypadku Na+, który jest naładowany dodatnio i którego stężenie jest większe na zewnątrz komórkiniż w jej wnętrzu. Dlatego też, gdy tylko Na+ ma takie możliwości,będzie dążył do wejścia do komórki. Gdy napięcie i gradienty stężeń mają efekt przeciwstawny, wypadkowy gradient elektrochemiczny może być mały. Przykładem jest tu K+, jon naładowany dodatnio, którego stężenie wewnątrz komórki jest znacznie większe niż na zewnątrz. Właśnie z powodu przeciwstawnych efektów K+ ma mały gradient elektrochemiczny poprzez błonę, mimo jego dużego gradientu stężenia i dlatego wypadkowe przemieszczanie K+ przez błonę jest niewielkie.

Transport aktywny przemieszcza jony i cząsteczki wbrew ich gradientom elektrochemicznym

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

o czym wspomniano już mówiąc o bakteriorodopsynie.Ponieważ substancja, która ma się przemieszczać zgodnie z gradientem,musi być uprzednio przetransportowana wbrew gradientowi, niezbędne jest powiązanie różnych form aktywnego transportu. Tak więc, w błonie komórkowej komórek zwierząt pompy napędzane przez ATP wyprowadzają

z komórki Na+ wbrew jego gradientowi elektrochemicznemu, a następnie Na+ wpływa do komórek z powrotem już zgodnie z tym gradientem.Ponieważ Na+ wpływa do cytozolu poprzez przenośniki sprzężone z Na+, jego napływ stanowi napęd do aktywnego przemieszczenia wielu innychsubstancji do komórki wbrew ich gradientom elektrochemicznym.Gdyby pompa Na+ przestała działać, gradient Na+ prędko by się wyrównał,a transport poprzez przenośniki sprzężone z Na+ uległby zatrzymaniu.

Dlatego też napędzana przez ATP pompa Na+ odgrywa centralną rolę w transporcie poprzez błony w komórkach zwierząt. W komórkach roślin,grzybów i wielu bakterii podobną rolę odgrywają napędzane przez ATP pompy, które wytwarzają protonowy gradient elektrochemiczny przez wypompowywanie H+ z komórki, o czym będzie mowa później.

Do wypompowania Na+ komórki zwierząt używają energię hydrolizy ATP.Energię potrzebną do wytransportowania Na+ z komórki pompa Na+w komórkach zwierząt czerpie z hydrolizy ATP do ADP, przez co jest nie tylko przenośnikiem, ale również enzymem — ATPazą transportującą.Równocześnie sprzęga ona wyprowadzanie Na+ z komórki z wprowadzaniem

do niej K+. Dlatego też pompa jest znana jako Na+-K+ ATPaza lub pompa Na+-K+.

Pompa ta zajmuje centralną pozycję w ekonomii energetycznej komórek zwierząt pochłaniając 30% lub więcej ich całkowitego zużycia ATP.| Tak jak stale pracująca pompa wybierająca wodę z przeciekającego okręu,operuje ona bez przerwy wyrzucając Na+, który ustawicznie wnika po-: inne przenośniki i kanały jonowe. W ten sposób utrzymuje w cytoi

stężenie Na+ ok. 10-30 razy mniejsze, a stężenie K+ ok. 10-30 razy większe niż w płynie zewnątrzkomórkowym W prawidłowych warunkach wnętrze większości komórek ma potencjał elektryczny ujemny względem otoczenia tak, iż jony dodatnie mają tendencję

do wnikania do komórki; dzięki temu skierowana ku wnętrzu komórki elektrochemiczna siła napędowa jest duża, stanowiąc 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, przyominają

ogromną objętość wody zatrzymanej przez wysoką tamę tym, że itanowią bardzo duży zapas energii (rys. 12-10). Nawet gdyby zatrzymano działanie pompy Na+-K+ toksyną, jaką jest glikozyd roślinny strofantyna |(ang. ouabain), która łączy się z pompą i zapobiega wiązaniu K+ , zapas energii jest dostatecznie duży, aby przez wiele minut odtrzymać inne procesy transportowe napędzane przez wpływanie Na+godnie z gradientem.DlaK+ 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. W prawidłowych warunkach wynikiem jest to, że wypadkowa siła napędzająca przemieszczanie K+ poprzez błonę jest bliska zeru, ponieważ siła elektryczna wpychająca K+ do komórki jest prawie całkowicie zrównoważona przez gradient stężenia dążący do wyprowadzenia tego jonu z komórki . Siłę napędową pompy Na+-K+ stanowi przejściowe

dołączenie grupy fosforanowejPompa Na+-K+ stanowi doskonałą ilustrację tego, jak białko sprzęga jedną reakcję z drugą, na podstawie zasad omówionych w rozdz. 3. Pompa

pracuje cyklicznie,. Na+wiąże się pompą w miejscach eksponowanych do cytozolu (etap 1), inicjującaktywność ATPazową. ATP ulega rozszczepieniu z uwolnieniem ADP,

a grupa fosforanowa zostaje przyłączona wiązaniem o wysokiej energii do

białka pompy — czyli pompa ulega fosforylowaniu (etap 2). Ufosforylowanie

wymusza zmianę konformacji pompy na taką, która umożliwia uwolnienie Na+ na zewnętrzną powierzchnię komórki i równocześnie eksponowanie przy tej samej powierzchni miejsca wiążącego dla K+ (etap3). 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 ok. 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 są dostępne jony, które mają być przetransportowane,

przez co unika się nieużytecznej hydrolizy ATP. Komórki zwierząt używają gradientu Na+

do aktywnego pobierania substancji 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 do transportowania cząsteczki drugiego rodzaju wbrew jej gradientowi. Białka, które taki transport prowadzą, to przenośniki sprzężone . Mogą one sprzęgać ruch jednego jonu nieorganicznego z przemieszczaniem innego, ruch jonu nieorganicznego z przemieszczaniem cząsteczki organicznej lub rzemieszczanie się dwóch cząsteczek organicznych.Jeśli przenośnik przemieszcza przez błonę obie substancjew tym samym kierunku, mówimy o symporcie. Jeśli przemieszcza je w kie-runkach przeciwnych, mówimy o antyporcie. Natomiast transport przez

błonę tylko jednego typu substancji przez przenośnik podobny do omawianego

poprzednio biernego przenośnika glukozy (a więc nie przez przenośnik sprzężony) nazywamy uniportem.Ggdy braknie jednej z kotransportowanych substancji,

transport drugiej substancji nie nastąpi.

W komórkach zwierząt szczególnie ważną rolę odgrywają te rodzaje

symportu. które używają wpływanie Na+ do komórki zgodnie z jego stromym

gradientem elektrochemicznym do napędzania importu innych substancji

do komórki. Na przykład komórki nabłonka wyścielającego jelito przenoszą glukozę ze światła jelita przez nabłonek jelita. Gdyby komórki te miaty tylko bierne przenośniki 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 mają one

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 innym komórkom ciała. Dlatego też komórki te mają dwa typy przenośników glukozy. Szczytowa domena błony komórkowej kontaktująca ze światłem jelita

zawiera sprzężone przenośniki symportowe glukozy i Na+, które pobierają glukozę aktywnie, budując jej duże stężenie w cytozolu. W domenach bocznych i domenie przypodstawnej błona komórkowa tych komórek zawiera uniportowe przenośniki glukozy, które wyprowadzają ten metabolit do innych tkanek, zgodnie z gradientem stężenia. Oba typy przenośników glukozy są utrzymywane oddzielnie od siebie w odpowiednich domenach błony komórkowej dzięki barierze dyfuzyjnej utworzonej wokół szczytu komórki przez złącza ścisłe, które zapobiegają mieszaniu się składników błonowych między domenami błony komórkowej, Komórki wyścielające jelito i wiele innych organów, np. nerki, zawierają w swoich błonach komórkowych rozmaitość rodzajów symportu, podobnie napędzanych elektrochemicznym gradientem Na+; każdy taki przenośnik specyficznie importuje do komórki małą grupę pokrewnych cukrów lub aminokwasów. Równie ważne są systemy

antyportu napędzane przez Na+. Przykładem jest wymiennik Na+-H+w błonie komórkowej wielu komórek zwierzęcych. Antyport ten używa zgodnego z gradientem wpływu Na+ do komórki do wypompowania z niej jonów H+ i jest jednym z głównym urządzeń używanych przez komórki zwierzęce do kontrolowania poziomu pH w ich cytozolu.Pompa Na+-K+ pomaga w utrzymaniu osmotycznej równowagi komórek zwierzęcych Błona komórkowa jest przepuszczalna dla wody i jeśli całkowite stężenie roztworów jest małe po jednej stronie, a duże po drugiej,woda będzie dążyć do przemieszczania się przez błonę, tak aby wyrównać 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 spowoduje jej pęcznienie. Stwarza to poważne problemy dla komórek zwierzęcych, które nie mają sztywnej, zewnętrznej ściany, zapobiegającej pęcznieniu komórek. Komórki takie, umieszczone w czystej wodzie,

będą w zasadzie pęczniały aż do pęknięcia

Bibliografia :”Podstawy biologii komórki „ alberts