TRANSPORT BUNĚK: TYPY A JEJICH VLASTNOSTI - BIOLOGIE

Dopravní buňka zahrnuje provoz a pohyb molekul, mezi vnitřní a vnější straně buňky. Výměna molekul mezi těmito kompartmenty je nezbytným jevem pro správné fungování organismu a zprostředkovává řadu událostí, jako je například membránový potenciál, abychom jmenovali alespoň některé.

Biologické membrány jsou nejen odpovědné za vymezení buňky, ale také hrají nepostradatelnou roli při obchodování s látkami. Mají řadu proteinů, které procházejí strukturou, a velmi selektivně umožňují nebo neumožňuje vstup určitých molekul.

Zdroj: LadyofHats, přes Wikimedia Commons

Buněčný transport je rozdělen do dvou hlavních typů v závislosti na tom, zda systém využívá energii přímo.

Pasivní transport nevyžaduje energii a molekuly jsou schopné procházet membránou pasivní difúzí, vodními kanály nebo transportovanými molekulami. Směr aktivního transportu je určen výhradně koncentračními gradienty mezi oběma stranami membrány.

Naproti tomu druhý typ dopravy vyžaduje energii a nazývá se aktivní transport. Díky energii vstřikované do systému mohou čerpadla pohybovat molekulami proti jejich koncentračním gradientům. Nejznámějším příkladem v literatuře je sodno-draselné čerpadlo.

Teoretické základy

- Membrány

Abychom pochopili, jak dochází k přenosu látek a molekul mezi buňkou a sousedními kompartmenty, je nutné analyzovat strukturu a složení biologických membrán.

-Lipidy v membránách

Autor: Jpablo cad, z Wikimedia Commons

Buňky jsou obklopeny tenkou a komplexní membránou lipidové povahy. Základní složkou jsou fosfolipidy.

Jsou tvořeny polární hlavou a nepolárními ocasy. Membrány jsou složeny ze dvou vrstev fosfolipidů - „lipidových dvojvrstev“ -, ve kterých jsou ocasy seskupeny uvnitř a hlavy směřují k extra a intracelulárním obličejům.

Molekuly, které mají polární i nepolární zóny, se nazývají amfipatické. Tato vlastnost je zásadní pro prostorové uspořádání lipidových složek uvnitř membrán.

Tato struktura je sdílena membránami, které obklopují subcelulární kompartmenty. Pamatujte, že mitochondrie, chloroplasty, vesikuly a další organely jsou také obklopeny membránou.

Kromě fosfoglyceridů nebo fosfolipidů jsou membrány bohaté na sfingolipidy, které mají kostry tvořené molekulou zvanou sfingosin a steroly. V této poslední skupině najdeme cholesterol, lipid, který moduluje vlastnosti membrány, jako je její tekutost.

-Proteiny v membránách

Obrázek 1. Diagram modelu tekutinové mozaiky. Zdroj: LadyofHats Mariana Ruiz, překlad Pilar Saenz, přes Wikimedia Commons

Membrána je dynamická struktura, která obsahuje více proteinů uvnitř. Proteiny membrány působí jako druh molekulárních „strážců“ nebo „stráží“, které s velkou selektivitou definují, kdo vstoupí a kdo opouští buňku.

Z tohoto důvodu jsou membrány považovány za poloprůpustné, protože některé sloučeniny vstupují a jiné ne.

Ne všechny proteiny, které jsou v membráně, jsou zodpovědné za zprostředkování provozu. Jiní jsou zodpovědní za zachycení externích signálů, které produkují buněčnou reakci na externí podněty.

- Selektivita membrány

Lipidový vnitřek membrány je vysoce hydrofobní, což činí membránu vysoce nepropustnou pro průchod molekul polární nebo hydrofilní povahy (tento termín znamená „zamilovaný do vody“).

To znamená další obtíž pro průchod polárních molekul. Je však nutný průchod ve vodě rozpustných molekul, a proto mají buňky řadu transportních mechanismů, které umožňují efektivní pohyb těchto látek mezi buňkou a jejím vnějším prostředím.

Podobně velké molekuly, jako jsou proteiny, musí být transportovány a vyžadují specializované systémy.

- Difúze a osmóza

Pohyb částic buněčnými membránami probíhá podle následujících fyzikálních principů.

Těmito principy jsou difúze a osmóza a vztahují se na pohyb solutů a rozpouštědel v roztoku přes semipermeabilní membránu - například biologické membrány nalezené v živých buňkách.

Difúze je proces, který zahrnuje náhodný tepelný pohyb suspendovaných částic z oblastí s vysokou koncentrací do oblastí s nižší koncentrací. Existuje matematický výraz, který se snaží tento proces popsat a nazývá se Fickova difúzní rovnice, ale nebudeme se do něj ponořovat.

S ohledem na tuto koncepci můžeme definovat pojem permeabilita, který se vztahuje k rychlosti, jakou látka dokáže pasivně proniknout membránou za řady specifických podmínek.

Na druhou stranu se voda také pohybuje podél svého koncentračního gradientu ve jevu zvaném osmóza. I když se zdá být nepřesné odkazovat na koncentraci vody, musíme pochopit, že životní tekutina se chová jako jakákoli jiná látka, pokud jde o její difúzi.

-Tonicita

S ohledem na popsané fyzikální jevy určí směr transportu koncentrace, které existují uvnitř buňky i mimo ni.

Tónem roztoku je tedy reakce buněk ponořených do roztoku. Na tento scénář se používá terminologie:

Izotonický

Buňka, tkáň nebo roztok je izotonický vzhledem k jinému, pokud je koncentrace v obou prvcích stejná. Ve fyziologickém kontextu buňka ponořená do izotonického prostředí nebude podléhat žádné změně.

Hypotonický

Roztok je hypotonický s ohledem na buňku, pokud je koncentrace rozpuštěných látek vně nižší - to znamená, že buňka má více rozpuštěných látek. V tomto případě je tendencí vody vstoupit do buňky.

Pokud dáme červené krvinky do destilované vody (která je bez rozpuštěných látek), voda vstoupí, dokud neprasknou. Tento jev se nazývá hemolýza.

Hypertonický

Řešení je vzhledem k buňce hypertonické, pokud je koncentrace solutů na vnější straně vyšší - to znamená, že buňka má méně solutů.

V tomto případě je tendencí vody opustit buňku. Pokud umístíme červené krvinky do koncentrovanějšího roztoku, voda v krevních buňkách má tendenci vytékat a buňka nabývá vrásčitého vzhledu.

Tyto tři pojmy mají biologický význam. Například vejce mořských organismů musí být izotonická s ohledem na mořskou vodu, aby nedošlo k prasknutí a ztrátě vody.

Podobně paraziti, kteří žijí v krvi savců, musí mít koncentraci solutů podobných prostředí, ve kterém se vyvíjejí.

-Elektrický vliv

Když mluvíme o iontech, které jsou nabité částice, pohyb přes membrány není poháněn výhradně koncentračními gradienty. V tomto systému je třeba vzít v úvahu poplatky solutů.

Ion má tendenci se vzdálit od oblastí, kde je koncentrace vysoká (jak je popsáno v části o osmóze a difúzi), a také, pokud je ion negativní, postupuje směrem k regionům, kde existuje rostoucí negativní potenciál. Pamatujte, že různé poplatky přitahují a podobně se poplatky odrazují.

Abychom předpověděli chování iontu, musíme přidat kombinované síly koncentračního gradientu a elektrického gradientu. Tento nový parametr se nazývá čistý elektrochemický gradient.

Typy buněčného transportu jsou klasifikovány v závislosti na využití - či nikoli - energie systémem v pasivních a aktivních pohybech. Každý z nich podrobně popíšeme níže:

Pasivní transmembránová doprava

Pasivní pohyby přes membrány zahrnují průchod molekul bez přímé potřeby energie. Protože tyto systémy nezahrnují energii, závisí výlučně na koncentračních gradientech (včetně elektrických), které existují přes plazmovou membránu.

Ačkoli je energie zodpovědná za pohyb částic uložena v takových gradientech, je vhodné a vhodné pokračovat v procesu považovaném za pasivní.

Existují tři základní způsoby, kterými mohou molekuly pasivně procházet z jedné strany na druhou:

Jednoduchá difúze

Nejjednodušší a nejintuitivnější způsob transportu solutu je to, že prochází membránou po výše uvedených gradientech.

Molekula difunduje přes plazmatickou membránu, opouští vodnou fázi stranou, rozpouští se v lipidové části a nakonec vstupuje do vodné části vnitřku buňky. Totéž se může stát v opačném směru, zevnitř buňky ven.

Účinný průchod membránou bude určen úrovní tepelné energie, kterou má systém. Pokud je dostatečně vysoká, molekula bude schopna procházet membránou.

Podrobněji, molekula musí přerušit všechny vodíkové vazby vytvořené ve vodné fázi, aby se mohla pohybovat do lipidové fáze. Tato událost vyžaduje 5 kcal kinetické energie pro každý přítomný odkaz.

Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu, je rozpustnost molekuly v lipidové zóně. Mobilita je ovlivněna řadou faktorů, jako je molekulová hmotnost a tvar molekuly.

Kinetika průchodu jednoduchou difúzí vykazuje kinetiku nenasycení. To znamená, že vstup roste úměrně koncentraci solutu, který má být transportován v extracelulární oblasti.

Vodné kanály

Druhou alternativou pro průchod molekul pasivní cestou je vodní kanál umístěný v membráně. Tyto kanály jsou druhem pórů, které umožňují průchod molekuly, čímž se zabrání kontaktu s hydrofobní oblastí.

Určité nabité molekuly dokážou vstoupit do buňky sledováním jejich koncentračního gradientu. Díky tomuto systému kanálů naplněných vodou jsou membrány pro ionty vysoce nepropustné. Mezi těmito molekulami vynikají sodík, draslík, vápník a chlor.

Nosná molekula

Poslední alternativou je kombinace požadované soluty s nosnou molekulou, která maskuje její hydrofilní povahu, takže prochází částí membrány bohaté na lipidy.

Transportér zvyšuje rozpustnost molekuly v lipidu, která musí být transportována, a upřednostňuje její průchod ve prospěch koncentračního gradientu nebo elektrochemického gradientu.

Tyto nosné proteiny pracují různými způsoby. V nejjednodušším případě se solut přenáší z jedné strany membrány na druhou. Tento typ se nazývá uniport. Naopak, pokud je jiný solut transportován současně nebo spřažen, transportér se nazývá spřažený.

Pokud spojený transportér pohybuje dvěma molekulami ve stejném směru, jedná se o symport a pokud tak činí v opačných směrech, transportér je anti-support.

Osmóza

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKderivativní práce: Ortisa, přes Wikimedia Commons

Je to typ buněčného transportu, ve kterém rozpouštědlo prochází selektivně skrz semipermeabilní membránu.

Například voda má sklon přecházet na stranu buňky, kde je její koncentrace nižší. Pohyb vody v této cestě vytváří tlak zvaný osmotický tlak.

Tento tlak je nezbytný pro regulaci koncentrace látek v buňce, což pak ovlivňuje tvar buňky.

Ultrafiltrace

V tomto případě je pohyb některých solutů vyvolán účinkem hydrostatického tlaku, od oblasti největšího tlaku k oblasti menšího tlaku. V lidském těle se tento proces vyskytuje v ledvinách díky krevnímu tlaku vytvářenému srdcem.

Tímto způsobem voda, močovina atd. Přechází z buněk do moči; a hormony, vitamíny atd. zůstávají v krvi. Tento mechanismus se také nazývá dialýza.

Usnadněné šíření

Existují látky s velmi velkými molekulami (jako je glukóza a jiné monosacharidy), které k rozptýlení potřebují nosičový protein. Tato difúze je rychlejší než jednoduchá difúze a závisí na:

Koncentrační gradient látky.
Množství proteinů nosiče přítomných v buňce.
Rychlost přítomných proteinů.

Jedním z těchto transportních proteinů je inzulín, který usnadňuje difúzi glukózy a snižuje její koncentraci v krvi.

Aktivní transmembránová doprava

Dosud jsme diskutovali průchod různých molekul kanály, aniž by náklady na energii. V těchto případech je jediným nákladem generování potenciální energie ve formě diferenciálních koncentrací na obou stranách membrány.

Tímto způsobem je směr dopravy určen existujícím gradientem. Soluty se začnou přepravovat podle výše uvedených principů difúze, dokud nedosáhnou bodu, kde končí čistá difúze - v tomto bodě bylo dosaženo rovnováhy. V případě iontů je pohyb také ovlivněn nábojem.

Jediným případem, kdy je distribuce iontů na obou stranách membrány ve skutečné rovnováze, je však situace, kdy je buňka mrtvá. Všechny živé buňky investují velké množství chemické energie, aby udržely koncentraci solutů mimo rovnováhu.

Energie použitá k udržení těchto procesů je obecně molekula ATP. Adenosintrifosfát, zkráceně ATP, je základní molekula energie v buněčných procesech.

Aktivní přepravní vlastnosti

Aktivní transport může působit proti gradientům koncentrace, bez ohledu na to, jak jsou strmé - tato vlastnost bude jasná vysvětlením sodno-draselné pumpy (viz níže).

Mechanismy aktivního transportu se mohou pohybovat více než jedné třídy molekul najednou. Pro aktivní transport se používá stejná klasifikace uvedená pro transport několika molekul současně v pasivním transportu: symport a anti-support.

Transport těmito pumpami může být inhibován aplikací molekul, které specificky blokují klíčová místa na proteinu.

Transportní kinetika je typu Michaelis-Menten. Obě chování - inhibovaná nějakou molekulou a kinetikou - jsou typické vlastnosti enzymatických reakcí.

Nakonec musí systém obsahovat specifické enzymy, které jsou schopné hydrolyzovat molekulu ATP, jako jsou ATPázy. Toto je mechanismus, kterým systém získává energii, která jej charakterizuje.

Selektivita přepravy

Zainteresovaná čerpadla jsou extrémně selektivní v molekulách, které budou transportovány. Například, pokud je pumpa nosičem iontů sodíku, nebude brát lithiové ionty, ačkoli oba ionty mají velmi podobnou velikost.

Předpokládá se, že proteiny jsou schopny rozlišit mezi dvěma diagnostickými charakteristikami: snadnou dehydratací molekuly a interakcí s náboji uvnitř pórů transportéru.

Je známo, že velké ionty dehydratují snadno ve srovnání s malým iontem. Pór se slabými polárními centry tedy bude přednostně používat velké ionty.

Naproti tomu v kanálech se silně nabitými centry převládá interakce s dehydratovaným iontem.

Příklad aktivního transportu: sodno-draselné čerpadlo

Pro vysvětlení mechanismů aktivního transportu je nejlepší udělat to s nejlépe studovaným modelem: pumpou sodíku a draslíku.

Pozoruhodnou vlastností buněk je schopnost udržovat strmé gradienty sodných (Na ⁺) a draslíkových (K ⁺) iontů.

Ve fyziologickém prostředí je koncentrace draslíku uvnitř buněk 10–20krát vyšší než u vnějších buněk. Naproti tomu sodné ionty jsou mnohem více koncentrovány v extracelulárním prostředí.

S principy, které pasivně řídí pohyb iontů, by bylo nemožné udržovat tyto koncentrace, proto buňky vyžadují aktivní transportní systém a to je sodík-draselné čerpadlo.

Pumpa je tvořena proteinovým komplexem typu ATPase kotveného k plazmatické membráně všech živočišných buněk. Toto má vazebná místa pro oba ionty a je zodpovědné za transport s injekcí energie.

Jak čerpadlo funguje?

V tomto systému existují dva faktory, které určují pohyb iontů mezi buněčným a extracelulárním kompartmentem. První je rychlost, při které působí sodno-draselné čerpadlo, a druhým faktorem je rychlost, při které může iont opět vstoupit do buňky (v případě sodíku) v důsledku pasivních difúzních událostí.

Tímto způsobem rychlost, při které ionty vstupují do článku, určuje rychlost, při které čerpadlo musí pracovat, aby se udržela vhodná koncentrace iontů.

Činnost pumpy závisí na řadě konformačních změn v proteinu, který je zodpovědný za transport iontů. Každá molekula ATP je hydrolyzována přímo, během procesu tři sodné ionty opouštějí buňku a současně dva draselné ionty vstupují do buněčného prostředí.

Hromadná doprava

Je to další typ aktivního transportu, který pomáhá při pohybu makromolekul, jako jsou polysacharidy a proteiny. To může být dáno:

-Endocytóza

Existují tři procesy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a ligocytem zprostředkovaná endocytóza:

Fagocytóza

Fagocytóza - typ transportu, při kterém je pevná částice pokryta vezikulem nebo fagosomem tvořeným fúzovanými pseudopody. Tato pevná částice, která zůstává uvnitř vezikuly, je štěpena enzymy, a tak dosahuje vnitřku buňky.

Takto fungují bílé krvinky v těle; pohlcují bakterie a cizí tělesa jako obranný mechanismus.

Pinocytóza

Výživa protozoů. Pinocytóza. Obrázek: Jacek FH (odvozený od Mariany Ruiz Villarreal). Převzato a upraveno z

Pinocytóza nastává, když je látkou, která má být transportována, kapička nebo vezikula extracelulární tekutiny a membrána vytvoří pinocytární vezikulu, ve které je obsah vezikula nebo kapičky zpracován tak, že se vrací na povrch buňky.

Endocytóza prostřednictvím receptoru

Je to proces podobný pinocytóze, ale v tomto případě dochází k invaginaci membrány, když se určitá molekula (ligand) váže na membránový receptor.

Několik endocytických vezikul se spojí a vytvoří větší strukturu zvanou endozom, což je místo, kde je ligand oddělen od receptoru. Receptor se poté vrací na membránu a ligand se váže na liposom, kde je štěpen enzymy.

-Exocytóza

Je to druh buněčného transportu, ve kterém musí být látka přepravována mimo buňku. Během tohoto procesu se sekreční vezikulární membrána váže na buněčnou membránu a uvolňuje obsah vezikulu.

Tímto způsobem buňky vylučují syntetizované látky nebo odpadní látky. Takto také uvolňují hormony, enzymy nebo neurotransmitery.

Reference

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Život na Zemi. Pearsonovo vzdělávání.
Donnersberger, AB, a Lesak, AE (2002). Anatomická a fyziologická laboratorní kniha. Editorial Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Základní anatomofyziologie a patologie. Redakční Paraninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fyziologie zvířat. Macmillan.
Vived, À. M. (2005). Základy fyziologie pohybové aktivity a sportu. Panamerican Medical Ed.

TRANSPORT BUNĚK: TYPY A JEJICH VLASTNOSTI - BIOLOGIE - 2025