Transport substancji w komórce

Każda komórka żywa wymaga stałego dopływu różnych substancji ze środowiska zewnętrznego. Są one potrzebne komórce do zaspokojenia jej potrzeb. Jednocześnie komórka sama wytwarza substancje ważne w procesach życiowych oraz te będące produktami zbędnymi bądź toksycznymi. Komórka zachowuje przy tym stały skład chemiczny swego wnętrza. Wszystkie te związki przemieszczają się przez błonę komórkową i ulegają transportowi. Transport substancji przez błonę jest uzależniony od wielu czynników. Te czynniki to stopień rozpuszczalności danego związku w tłuszczach, wielkość cząsteczek transportowanych oraz ładunek elektryczny, jakim są obdarzone. Transport ten zachodzi przy udziale specjalnych pęcherzyków, które odrywają się od błony komórkowej. Znane są dwa mechanizmy transportu przez błonę, które zapewniają przenikanie substancji. Są to: transport bierny, który zachodzi zgodnie z gradientem stężeń i nie wymaga dostarczenia energii, oraz transport aktywny zachodzący wbrew gradientowi stężeń i wymaga dostarczenia energii. Transport bierny w komórce Transport bierny zachodzi zgodnie z różnicą (gradientem) stężeń, dlatego nie wymaga wydatków energetycznych. Do mechanizmów transportu biernego zaliczamy dyfuzję prostą, osmozę i tzw. dyfuzję ułatwioną. Dyfuzja prosta Dyfuzja prosta jest procesem, który polega na samorzutnym transporcie cząsteczek mającym na celu wyrównanie stężeń. W obrębie komórki dyfuzja prosta prowadzi do wyrównania stężeń po obu stronach błony biologicznej. W mechanizmie tym przemieszczane są przez błonę substancje o niewielkich wymiarach cząstek i ładunku obojętnym (np. gazy – CO2,O2 ), a także substancje rozpuszczalne w tłuszczach np. kwasy tłuszczowe, etanol i hormony sterydowe. Zgodnie z mechanizmem dyfuzji cząsteczki substancji rozpuszczonej (jeżeli błona komórkowa jest dla niej przepuszczalna) przemieszczają się do roztworu o mniejszym stężeniu (roztwór hipotoniczny). Osmoza Schemat mechanizmu dyfuzji prostej Osmoza jest odmianą dyfuzji, w której przez błonę półprzepuszczalną przenika rozpuszczalnik, aby wyrównać stężenia po obu stronach błony biologicznej. W mechanizmie osmotycznym jest transportowana woda. Woda przenika z roztworu o mniejszym stężeniu (hipotoniczny) do roztworu o wyższym stężeniu (hipertoniczny). Jeżeli umieści się komórkę w środowisku o wyższym stężeniu, a więc w roztworze hipertonicznym, nastąpi wypływ wody z komórki na zewnątrz. W wyniku tego komórka traci jędrność (turgor). Takie zjawisko obserwuje się w komórkach roślinnych. Po umieszczeniu komórki roślinnej w roztworze hipertonicznym (np. NaCl), dojdzie do wycieku wody z komórki, a co za tym idzie kurczenie się wakuoli i odstawanie protoplastu od ściany komórkowej. Zjawisko to nosi nazwę plazmoliza. Jest to proces odwracalny, gdyż po umieszczeniu komórki w roztworze hipotonicznym woda napłynie z powrotem do komórki i wróci do stanu prawidłowego uwodnienia. To zjawisko to deplazmoliza. Jeżeli komórka będzie przechowywana w roztworze hipertonicznym dłuższy czas może dojść do pęknięcia błony komórkowej i rozerwania komórki. Dyfuzja ułatwiona Schemat mechanizmu osmozy Dyfuzja ułatwiona zachodzi przy udziale białek pomocniczych, które uczestniczą w transporcie jonów i substancji o większych masach cząsteczkowych, nadal zgodnie z gradientem stężeń. Białka pomocnicze odgrywają rolę przenośników błonowych lub kanałów jonowych. Przenośniki błonowe posiadają w swej strukturze specjalne miejsce, do którego łączy się określona substancja (np. glukoza). Związanie substancji transportowanej do przenośnika powoduje chwilową zmianę jego konformacji przestrzennej, obrócenie i przeniesienie owej substancji na drugą stronę błony komórkowej. Białka, które pełnią funkcje kanałów jonowych odpowiadają za transport takich jonów jak Na+, K+, Cl-, Ca2+. Mamy zatem kanały sodowe, potasowe, chlorkowe i wapniowe. Transport ten jest sprawny i szybki, odbywa się zgodnie z różnicą stężeń, a także potencjałem błony komórkowej. Potencjał błonowy jest spowodowany nierównomiernym rozmieszczeniem jonów po obu stronach błony. Po zmianie potencjału błonowego kanały jonowe otwierają się. Zmiana potencjału zachodzi pod wpływem różnych sygnałów np. na skutek pobudzenia błony komórki nerwowej otwierają się kanały sodowe albo też po przyłączeniu neuroprzekaźnika w synapsie nerwowej otwierają się kanały wapniowe. Transport czynny Rodzaje i mechanizmy transportu brzez błonę Transport aktywny zachodzi wbrew gradientowi stężeń. Biorą w nim udział tzw. pompy jonowe. Pompy to struktury tworzone przez kompleksy białkowe. Przenoszą substancje (jony, glukoza, aminokwasy) dzięki energii pochodzącej z hydrolizy ATP (patrz: Dział I – Skład chemiczny organizmów – Trifosforany nukleozydów). Do takich pomp należy pompa sodowo-potasowa. Jest to enzym, który uczestniczy w aktywnym transporcie jonów potasu i sodu. Utrzymuje równomierne stężenie jonów Na+ i K+ po obu stronach błony komórkowej. Jej działanie jest napędzane energią pochodzącą z hydrolitycznego rozkładu ATP. Na zewnątrz komórki przenikają trzy jony sodu, a do wnętrza dwa jony sodu. W komórkach nerwowych pompa sodowo-potasowa jest niezbędna w utrzymaniu potencjału spoczynkowego błony neuronu. Wyróżnia się 3 rodzaje transportu aktywnego. Są to uniport, symport i antyport. Uniport to transport jednej cząsteczki, symport polega na transporcie dwóch cząsteczek w tym samym kierunku, natomiast antyport to transport dwóch cząsteczek w przeciwnych kierunkach. Przykładem antyportu jest właśnie pompa sodowo-potasowa. Innym przykładem pompy jest pompa protonowa. Jest to białko integralne, dzięki któremu zachodzi transport jonów wodorowych H+ przez błony biologiczne. Schemat działania pompy sodowo-potasowej Schemat działania pompy protonowej