Zakład Biofizyki
Systemy transportu przez membrany - uwagi ogólne Transport pożywienia, jonów oraz produktów degradacji z jednej strony błony na jej stronę drugą jest podstawową funkcją błony komórkowej. Liczne systemy transportu zostały wykształcone w toku ewolucji dla spełnienia tej funkcji. Przenikanie małych cząsteczek przez błonę jest zjawiskiem zupełnie innym od przenikania cząsteczek dużych, zbyt dużych by samodzielnie penetrować błonę.
Systemy transportu przez membrany - uwagi ogólne Membrane transport Small molecules passive transport active transport simple diffusion facilitated diffusion pumps water channels cootransporters nonpolar permeases ions Large molecules endocytosis exocytosis pinocytosis
Transport małych cząsteczek transport pasywny W zależności od nakładu energii wydatkowanego przez komórkę mówimy o transporcie pasywnym (bez nakładu energii) lub aktywnym (z nakładem energii). Transport pasywny: Dyfuzja prosta najprostszą formą transportu pasywnego jest pasywna dyfuzja. Nie wymaga nakładu energii ani udziału przenośników. rate of transport Szybkość transportu facilitated diffusion Dyfuzja ułatwiona Dyfuzja ułatwiona - cząsteczki dyfundują bez nakładu energii ale z pomocą innych cząsteczek. Transport pasywny napędzany jest zawsze przez gradient steżeń i podlega prawu Ficka: dn/dt = -DS (dc/dl) Dyfuzja prosta simple diffusion [conc. transported molecule] Stężenie cząsteczek
Transport małych cząsteczek dyfuzja wody: osmoza Błony komórkowe są półprzepuszczalne; niektóre małe substancje przenikają błonę swobodnie (woda) a niektóre napotykają opór (jony). Rozważmy dwa roztwory wodne, jeden o wysokim stężeniu jonów a drugi o niskim, rozgraniczone półprzepuszczalną błoną. Woda przenika błonę w obu kierunkach, ale ze względu na obecność jonów z większą wydajnością przenika w kierunku wysokiego stężenia jonów aby doprowadzić do zrównoważenia tych stężeń. Ten wypadkowy transport wody w kierunku wysokiego stężenia jonów powoduje pojawienie się ciśnienia hydrostatycznego, nazwanego w tym przypadku ciśnieniem osmotycznym, które zaczyna przeciwdziałać przemieszczaniu się wody. Układ mozę osiagnać stan równowagi.
Transport małych cząsteczek dyfuzja wody: osmoza Mówimy, że bardziej stężony roztwór jest hipertoniczny w stosunku do roztworu o mniejszym stężeniu nieprzenikających substancji. Woda zawsze będzie próbowała rozcieńczyć roztwór o wyższym stężeniu i zrobić go bardziej hipotonicznym. W przypadku równych stężeń mówimy o roztworach izotonicznych. Brak jest wtedy przemieszczania się wody.
Transport małych cząsteczek Dyfuzja cząsteczek obojętnych elektrycznie Gazy, takie jak CO 2, O 2, N 2, dyfundują bez przeszkód przez błony komórkowe ponieważ nie mają ładunku elektrycznego i dlatego nie oddziałują z polarną wodą. Cząsteczki hydrofobowe (tłuszcze) także nie napotykają trudności w przenikaniu przez błony komórkowe. Jony nie przenikają przez błony komórkowe ponieważ obdarzone są ładunkiem elektrycznym i w wyniku tego otoczone są w środowisku wodnym otoczką hydratacyjną, która uniemożliwia im swobodne przenikanie przez błonę.
Transport małych cząsteczek Dyfuzja ułatwiona Niektóre cząsteczki dyfundują swobodnie ale z pomocą innych cząsteczek. WW ułatwionej dyfuzji szybkość transportu jest ograniczona przez dostępność przenośników (permeases, carriers). W sytuacji wysycenia wszystkich cząsteczek przenośnika dalszy wzrost stężenia substratu nie skutkuje wzrostem szybkości transportu, powiększa tylko liczbę cząsteczek substratu oczekujących na przenośnik. Taka wysycająca się kinetyka jest charakterystyczna dla wszystkich procesów wymagających pomocy innych molekuł.
Transport małych cząsteczek Kanały białkowe Najprostszą formą przenośnika jest kanał jonowy Kanałami są zwykle peptydy lub małe białka hydrofobowe na zewnątrz i hydrofilne we wnętrzu, np. gramicydyna hydrophobic Kanały sterowane Niektóre kanały są bardziej Skomplikowane i mogą być otwierane w odpowiedzi na sygnał chemiczny (fosforylacja) lub elektryczny (depolaryzacja) Gated channel hydrophilic
Transport małych cząsteczek Permeazy białkowe Bardziej skomplikowane niż kanały są przenośniki białkowe, np. przenośnik glukozy w erytrocytach Transportowana cząsteczka (glukoza) przemieszcza się zgodnie z gradientem stężeń. Jednak po drugiej stronie błony jest przekształcana w inną, nie przenikającą błony cząsteczkę, obniżając wewnątrz komórki stężenie cząsteczek przenikających błonę i utrzymując gradient stężeń Glu Glu Glu Glu Glu Glu-P Glucose permease Glu-P Glu Glu P + Glu ---> Glu-P glucose phosphorylation blood erythrocyte cytosol
Transport małych cząsteczek Transport aktywny Często transport substancji musi odbywać się wbrew gradientowi jej stężeń. W tym celu w błonach komórkowych funkcjonują pompy przenoszące substancję z obszaru o niższym stężeniu do obszaru o stężeniu wyższym. Odbywa się to z nakładem energii. Pompy te są ATP-azami, to jest enzymami czerpiącymi energię z hydrolizy ATP
Transport małych cząsteczek Transport aktywny Zadaniem Na/K ATPazy jest utrzymywanie elektrochemicznego gradientu na membranie. Zadanie to wykonuje poprzez pompowanie jonów Na + na zewnątrz komórki, a jonów K + do jej wnętrza. Efektem działania tej pompy jest tworzenie potencjału chemicznego zawierającego dwa gradienty stężeń (dla Na + i dla K + ) jak również potencjału elektrycznego, gdyż trzy dodatnie ładunki są pompowane na zewnątrz, podczas gdy dwa dodatnie ładunki są pompowane do wnętrza. W ten sposób powstaje ujemny potencjał wnętrza komórki. Mechanizm: We wnętrzu komórki wiązanie jonów Na + wyzwala fosforylację z udziałem ATP; następują zmiany konformacyjne i uwolnienie jonów Na + na zewnątrz komórki; wiązanie jonów k + wyzwala defosforylację; następuje powrót do konformacji wyjściowej i uwolnienie jonów K + do wnętrza komórki.
Transport małych cząsteczek Kotransport: transport stowarzyszony Dwie cząsteczki przemieszczają się razem, jedna jako pasażer, a druga jako przewoźnik. Przewoźnik przemieszcza się zgodnie z gradientem jego potencjału elektrochemicznego, ale nie może tego robić bez obecności pasażera. ATP nie jest bezpośrednio zaangażowane, ale uczestniczy w wytworzeniu potencjału elektrochemicznego napędzającego przewoźnika. Symport Pasażer i przewoźnik przemieszczają się w tym samym kierunku. Symport Na + -glukoza znajduje się w jelitach i przenosi glukozę z wnętrza jelita do komórek wyściełających jelito. Antyport Pasażer i przewoźnik przemieszczają się w kierunkach przeciwnych. Antyport Ca 2+ -Na + występuje we wszystkich komórkach pobudliwych, w tym również w komórce mięśnia serca. Bardzo licznie występują antyporty typu Ca 2+ -H +, Na + -H + czy sacharoza-h + w wakuolach roślinnych. ion cotransporters ion symport antiport
Transport małych cząsteczek Podsumowanie
Transport dużych cząstecek Egzocytoza Cząsteczki zbyt duże dla przenikania przez błonę komórkową mogą być zamykane w pęcherzykach zbudowanych z dwuwarstwy fosfolipidowej. Wchłanianie substancji z udziałem tego mechanizmu nazywa się endocytozą, a wydalanie egzocytozą. W przypadku eksocytozy transportowe pęcherzyki ulegają fuzji z błoną komórkową, prezentując stronę wewnętrzną pęcherzyka na zewnątrz komórki Exocytoza ma miejsce podczas uwalniania hormonów (insulina) białek osoczowych, macierzy zewnątrzkomórkowej (kolagen). exocytosis
Transport dużych cząsteczek Endocytoza Endocytoza ma miejsce głównie w komórkach zwierzęcych. Komórki roślinne i bakteryjne mają sztywne ściany komórkowe. Mechanizm: Komórki formują pseudopodia otaczające makrocząsteczki; pseudopodia dokonują fuzji błony i formują wewnętrzne pęcherzyki; pęcherzyki ulęgają we wnętrzu komórki fuzji z lizozomami; zawartość pęcherzyków jest uwalniana. Receptor-mediated endocytosis
Transport dużych cząsteczek Fagocytoza Usuwanie obcych materiałów lub martwych komórek przez komórki systemu immunologicznego jest formą endocytozy. Dla przykładu, fagocytami są makrofagi wyściełające kanaliki przez które przepływa krew w wątrobie (śledzionie) i pochłaniające zestarzałe erytrocyty; monocyty penetrują tkanki będące w stanie zapalnym i usuwają atakujące bakterie.
Transport dużych cząsteczek Pinocytoza Pinocytozą nazywamy niespecyficzne wchłanianie płynu zewnątrzkomórkowego. Cokolwiek jest w tym płynie podlega wchłonięciu przez komórkę.