5. pasivní membránový transport
Membránový transport
Dříve byla plazmatická membrána a ostatní buněčné
membrány označovány jako polopropustné (semipermeabilní). Toto označení mělo
vyjádřit, že některé látky přechází přes biomembrány velmi snadno, jiné velmi
pomalu a že některé látky neprocházejí vůbec. Dnes označujeme biomembrány spíše
jako membrány selektivně propustné, což má, mj. vyjádřit i aktivní roli
membrány (především plazmatické) v tom, které látky jsou přenášeny. Na
přenosu látek z okolí do buňky, a naopak se podílí řada mechanismů,
z nichž některé mají charakter čistě fyzikální (difúze), jiné molekulárně
biologický (transport) a některé probíhají až na buněčné úrovni (exo- a
endocytóza). Volná difúze je čistě fyzikálním dějem. Průnik látek membránou je
zde závislý na fyzikálních vlastnostech procházejících molekul (velikost,
rozpustnost, náboj, gradient, energie, přenašeče, prostředí) a není proto
selektivní, buňka tento proces nemůže regulovat. Všechny ostatní molekulární
mechanismy jsou již selektivní a jsou podstatou selektivity v přechodu
látek přes biomembrány. Selektivita je dána specifitou membránových proteinů.
Tyto proteiny obecně nazýváme membránové transportní či přenašečové proteiny.
Některé z mechanismů transportu pomocí proteinů nevyžadují dodání
metabolické energie (přenos iontovými kanály a pasivní přenašečová transport),
jiné jsou vázány na dodání energie (aktivní přenašečový transport). Transport
některých substrátů je spojen s jejich chemickou přeměnou (skupinová
translokace).
Možnosti transportu
– přes lipidovou dvojvrstvu, přes membránové proteiny, spolu s částí
membrány. Pasivní – bez dodání náboje (po spádu, nespecifická permeace,
regulovaná permeace). Aktivní – aktivně dodávána energie (proti gradientu,
regulovaná, selektivní)
Membránový
potenciál – uvnitř buňky (sírany a fosforečnany, bílkoviny, kyseliny),
fixované, K+, Na+, NH4+, H+,
a ostatní malé ionty jsou částečně permeabilní (přitahovány negativním
nábojem).
Buněčné gradienty
– koncentrační gradient, elektrický gradient – membránový potenciál,
koncentrační gradient + membránový potenciál = elektrochemický gradient.
Volná difúze –
difúzí procházejí biomembránami látky o malé molekule. Jsou to např. plyny (O2,
N2, CO2), molekuly lipofilního (hydrofobního) charakteru
jako uhlovodíky, mastné kyseliny a jiné organické kyseliny, étery, steroly atd.
a malé molekuly hydrofilní, které nenesou náboj, jako voda, alkoholy, močovina.
Difúze látek přes biomembrány se řídí známými zákony o difúzi, tj. rychlost
difúze je závislá na koncentračním spádu látky na obou stranách membrány, na
teplotě, na velikosti molekuly atd. Buňka nemůže difúzi regulovat, a difúze
proto probíhá do termodynamické rovnováhy (látka proniká membránou tak dlouho,
až se koncentrace na obou stranách membrán vyrovnají. Jestliže je ovšem látka
pronikající do buňky nějak v buňce vázána (chemicky či fyzikálně),
koncentrační spád se může udržovat. Molekuly hydrofobního charakteru prochází
mezi molekulami membránových lipidů („rozpouštějí se“ v lipidové
komponentě). Difúzi i větších molekul umožňují termální pohyby molekul lipidů
(i když omezené), čímž se mezimolekulární prostory mezi nimi mohou přechodně
zvětšovat. Difúzi molekul hydrofilního charakteru usnadňují okrsky membrán, kde
je seskupeno více penetrujících proteinů.
Akvaporiny – integrální membránové
proteiny regulující tok vody přes membránu. Voda nezávise na teplotě prostupuje
přes póry v membránových integrálních proteinech – porinech. Tyto vodní
kanály jsou selektivní pro prostup vody, neprocházejí jimi soluty ani malé
molekuly (močovina má vlastní kanál). Některé z těchto kanálů jsou řízeny
chemicky, u jiných není regulace dosud známa. Vysoké specifity je dosáhnuto
průměrem kanálu 0,2nm (neprojde ani H+, OH-). Voda
prochází nepřetržitým proudem 3*109 molekul za sekundu. Jsou tvořeny
6 hydrofobními úseky, molekuly tvoří tetramery (voda prochází každou molekulou
zvlášť), 10 typů akvaporinů. Jejich permeabilita je v mnoha případech
řízená antidiuretickým hormonem (ADH, vazopresin). Erytrocyty, distální segment
nefronu, plexus choroideus, plíce, slinné a slzné žlázy.
V medicíně – nefrogenní diabetes
insipidus, kongenitální katarakta, neurologická onemocnění, kardiovaskulární
choroby, edema.
Usnadněná difúze –
napětím ovládané (změna náboje na membráně – svalové buňky, neurony –
Na-kanály axonu, Ca-kanály synapse), ligandem ovládané (vnější ligandy –
neurotransmitery, vnitřní ligandy – cAMP), mechanicky ovládané (vláskové buňky
sluchového orgánu).
Selektivita
iontových kanálů
– ionty bez chemických vlastností nebo s redoxním potenciálem a nábojem.
Kanál využívá iontový radius (Na – 0,95A, K – 1,33A). Na – vyšší nábojová
hustota, širší radius.
Transmembránové
proteinové kanály
– přechod některých látek se uskutečňuje (mimo jiné mechanismy) preformovanými
specifickými kanály, utvořenými určitými transmembránovými proteiny. Iontové
kanály pro ionty draslíku (K-kanály) a ionty sodíku (Na-kanály)
v membránách nervových buněk. Tento typ přenosu nevyžaduje dodání energie,
je však již selektivní, tj. existence kanálů pro určité ionty určuje, které
ionty budou membránou procházet. Hustota iontových kanálů pak limituje rychlost
průchodu daných iontů. Některé transmembránové kanály jsou patrně otevřeny pro
průchod určité látky stále, jiné mohou být přechodně uzavřeny. Toto uzavření
může být způsobeno buď vazbou specifické ligandy na proteiny kanálu nebo změnou
membránového potenciálu.
Přenašečový
transport
– každý přenos pomocí přenašečů předpokládá obecné tyto stupně: rozpoznání
přenášené molekuly přenašečem a její vazbu na přenašeč, translokaci přenašeče
z jedné strany membrány na druhou a uvolnění přenášené molekuly
z přenašeče.
Pasivní
přenašečový transport
(zprostředkovaná, usnadněná difúze) – byl prokázán při příjmu AK,
monosacharidů, disacharidů a některých iontů. Specifita některých přenašečů je
vysoká, u jiných menší, tj. tentýž přenašeč se může vázat s několika
různými substráty podobné chemické struktury. Mnoho způsobů translokace.
Průchod celého přenašeče napříč membránou spojený s otočení přenašeče,
konformační změna penetrujícího přenašečového proteinu tak, že vázaný substrát
je změnou terciární struktury přenašeče či změnou kvarterní struktury
oligomerních přenašečů přesunut na druhou stranu membrány. Vzhledem k tomu,
že tento typ přenosu nevyžaduje energii, je jeho směr dán koncentračními spády.
Celková rychlost přenosu je ovšem dána i afinitou přenašeče k substrátu,
množstvím přenašečových molekul v membráně a rychlostí translokace
v membráně. Některé z přenašečů jsou inducibilní proteiny, tj. jejich
syntéza v buňce je indukována teprve přítomností odpovídajícího substrátu
v okolí buňky.
Žádné komentáře:
Okomentovat