TRANSPORT BUNIEK: TYPY A ICH VLASTNOSTI - BIOLÓGIE

Dopravné bunka zahŕňa prevádzku a pohyb molekúl, medzi vnútornej a vonkajšej strane bunky. Výmena molekúl medzi týmito kompartmentmi je nevyhnutným fenoménom pre správne fungovanie organizmu a sprostredkuje rad udalostí, ako je napríklad membránový potenciál.

Biologické membrány sú zodpovedné nielen za ohraničenie bunky, ale tiež zohrávajú nevyhnutnú úlohu pri obchodovaní s látkami. Majú sériu proteínov, ktoré prechádzajú štruktúrou a veľmi selektívne umožňujú vstup určitých molekúl.

Zdroj: LadyofHats, prostredníctvom Wikimedia Commons

Bunková doprava je rozdelená do dvoch hlavných typov v závislosti od toho, či systém využíva energiu priamo.

Pasívny transport nevyžaduje energiu a molekuly sú schopné prechádzať cez membránu pasívnou difúziou, cez vodné kanály alebo cez transportované molekuly. Smer aktívneho transportu je určený výlučne koncentračnými gradientmi medzi oboma stranami membrány.

Naproti tomu druhý typ dopravy vyžaduje energiu a nazýva sa aktívny. Vďaka energii vstreknutej do systému môžu pumpy pohybovať molekulami proti svojim koncentračným gradientom. Najvýznamnejším príkladom v literatúre je pumpa sodík-draslík.

Teoretické základy

- Membrány

Aby sme pochopili, ako dochádza k prenosu látok a molekúl medzi bunkou a priľahlými oddeleniami, je potrebné analyzovať štruktúru a zloženie biologických membrán.

-Lipidy v membránach

Autor: Jpablo cad, z Wikimedia Commons

Bunky sú obklopené tenkou a komplexnou membránou lipidovej povahy. Základnou zložkou sú fosfolipidy.

Sú tvorené polárnou hlavou a nepolárnymi chvostmi. Membrány sa skladajú z dvoch vrstiev fosfolipidov - „lipidových dvojvrstiev“ -, v ktorých sú chvosty zoskupené vo vnútri a hlavy smerujúce k extra a intracelulárnym plochám.

Molekuly, ktoré majú polárne aj nepolárne zóny, sa nazývajú amfipatické. Táto vlastnosť je rozhodujúca pre priestorové usporiadanie lipidových zložiek v membránach.

Táto štruktúra je zdieľaná membránami, ktoré obklopujú subcelulárne kompartmenty. Pamätajte, že mitochondrie, chloroplasty, vezikuly a ďalšie organely sú tiež obklopené membránou.

Okrem fosfoglyceridov alebo fosfolipidov sú membrány bohaté na sfingolipidy, ktorých kostry sú tvorené molekulou nazývanou sfingozín a steroly. V tejto poslednej skupine nájdeme cholesterol, lipid, ktorý moduluje vlastnosti membrány, napríklad jej tekutosť.

-Proteíny v membránach

Obrázok 1. Schéma modelu tekutej mozaiky. Zdroj: LadyofHats Mariana Ruiz, preklad Pilar Saenz, prostredníctvom Wikimedia Commons

Membrána je dynamická štruktúra, ktorá obsahuje viac proteínov vo vnútri. Membránové proteíny pôsobia ako druh molekulárnych „strážcov“ alebo „strážcov“, ktorí s veľkou selektivitou definujú, kto vstúpi a kto opúšťa bunku.

Z tohto dôvodu sa uvádza, že membrány sú polopriepustné, pretože niektoré zlúčeniny dokážu vstúpiť a iné nie.

Nie všetky proteíny, ktoré sú v membráne, sú zodpovedné za sprostredkovanie prenosu. Iní sú zodpovední za zachytávanie externých signálov, ktoré produkujú bunkovú reakciu na vonkajšie podnety.

- Selektivita membrány

Lipidový vnútro membrány je vysoko hydrofóbny, čo spôsobuje, že membrána je vysoko nepriepustná pre priechod molekúl polárnej alebo hydrofilnej povahy (tento výraz znamená „v láske s vodou“).

To znamená ďalší problém pri prechode polárnych molekúl. Je však potrebný prechod vo vode rozpustných molekúl, takže bunky majú rad transportných mechanizmov, ktoré umožňujú efektívny pohyb týchto látok medzi bunkou a jej vonkajším prostredím.

Podobne veľké molekuly, ako sú proteíny, musia byť transportované a vyžadujú si špecializované systémy.

- Difúzia a osmóza

K pohybu častíc cez bunkové membrány dochádza podľa nasledujúcich fyzikálnych princípov.

Tieto princípy sú difúzia a osmóza a vzťahujú sa na pohyb rozpustených látok a rozpúšťadiel v roztoku cez polopriepustnú membránu - napríklad biologické membrány nachádzajúce sa v živých bunkách.

Difúzia je proces, ktorý zahŕňa náhodný tepelný pohyb suspendovaných častíc z oblastí s vysokou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou. Existuje matematický výraz, ktorý sa snaží opísať tento proces a nazýva sa Fickova difúzna rovnica, ale nebudeme sa do toho ponoriť.

Na základe tohto konceptu môžeme definovať pojem permeabilita, ktorý sa vzťahuje na rýchlosť, akou sa látke podarí pasívne preniknúť cez membránu za radu špecifických podmienok.

Na druhej strane sa voda pohybuje aj po svojom koncentračnom gradiente vo fenoméne nazývanom osmóza. Aj keď sa zdá byť nepresné odvolávať sa na koncentráciu vody, musíme pochopiť, že životne dôležitá tekutina sa chová ako akákoľvek iná látka, pokiaľ ide o jej rozptyl.

-Tonicity

Pri zohľadnení opísaných fyzikálnych javov budú smery transportu určovať koncentrácie, ktoré existujú vnútri bunky aj zvonka.

Tónicita roztoku je teda reakciou buniek ponorených do roztoku. Na tento scenár sa používa terminológia:

izotonické

Bunka, tkanivo alebo roztok je izotonický vzhľadom na iný, ak je koncentrácia rovnaká v obidvoch prvkoch. Vo fyziologickom kontexte bunka ponorená do izotonického prostredia nebude podliehať žiadnej zmene.

hypotonická

Roztok je hypotonický vzhľadom na bunku, ak je koncentrácia rozpustených látok zvonka nižšia - to znamená, že bunka má viac rozpustených látok. V tomto prípade je tendencia vody vstúpiť do bunky.

Ak dáme červené krvinky do destilovanej vody (ktorá je bez rozpustených látok), voda vstúpi, až kým sa neroztrhnú. Tento jav sa nazýva hemolýza.

hypertonický

Roztok je vzhľadom na bunku hypertonický, ak je koncentrácia rozpustených látok na vonkajšej strane vyššia - to znamená, že bunka má menej rozpustených látok.

V tomto prípade je tendencia vody opustiť bunku. Ak vložíme červené krvinky do koncentrovanejšieho roztoku, voda v krvných bunkách bude mať tendenciu unikať a bunka nadobudne pomačkaný vzhľad.

Tieto tri pojmy majú biologický význam. Napríklad vajcia morského organizmu musia byť izotonické vzhľadom na morskú vodu, aby nedošlo k prasknutiu a strate vody.

Podobne musia mať paraziti, ktorí žijú v krvi cicavcov, koncentráciu rozpustených látok podobnú prostrediu, v ktorom sa vyvíjajú.

-Elektrický vplyv

Keď hovoríme o iónoch, ktoré sú nabitými časticami, pohyb cez membrány nie je poháňaný výlučne koncentračnými gradientmi. V tomto systéme sa musia zohľadniť poplatky za rozpustené látky.

Ión má tendenciu sa odchyľovať od regiónov, kde je vysoká koncentrácia (ako je opísané v časti o osmóze a difúzii), a tiež, ak je ión negatívny, bude postupovať smerom k regiónom, kde existuje rastúci negatívny potenciál. Pripomeňme, že rôzne poplatky priťahujú a podobné poplatky sa odpudzujú.

Aby sme predpovedali správanie iónu, musíme pridať kombinované sily koncentračného gradientu a elektrického gradientu. Tento nový parameter sa nazýva čistý elektrochemický gradient.

Typy bunkovej dopravy sa klasifikujú v závislosti od toho, či systém využíva energiu alebo nie, pri pasívnych a aktívnych pohyboch. Každý z nich podrobne opíšeme nižšie:

Pasívna transmembránová preprava

Pasívne pohyby cez membrány zahŕňajú prechod molekúl bez priamej potreby energie. Pretože tieto systémy neobsahujú energiu, závisí výlučne od koncentračných gradientov (vrátane elektrických), ktoré existujú v plazmatickej membráne.

Aj keď energia zodpovedná za pohyb častíc je uložená v takýchto gradientoch, je vhodné a vhodné pokračovať v procese považovanom za pasívny.

Existujú tri základné spôsoby, ktorými môžu molekuly pasívne prechádzať z jednej strany na druhú:

Jednoduchá difúzia

Najjednoduchším a najintuitívnejším spôsobom prepravy solutu je prechod membránou po vyššie uvedených gradientoch.

Molekula difunduje plazmatickou membránou, pričom vodná fáza zostane stranou, rozpustí sa v lipidovej časti a nakoniec vstúpi do vodnej časti vnútra bunky. To isté sa môže stať v opačnom smere, zvnútra bunky smerom von.

Účinný priechod membránou bude určený úrovňou tepelnej energie, ktorú má systém. Ak je dosť vysoká, molekula bude schopná prechádzať cez membránu.

Podrobnejšie povedané, molekula musí prerušiť všetky vodíkové väzby vytvorené vo vodnej fáze, aby sa mohla presunúť do lipidovej fázy. Táto udalosť vyžaduje 5 kcal kinetickej energie pre každé prítomné spojenie.

Ďalším faktorom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, je rozpustnosť molekuly v lipidovej zóne. Mobilita je ovplyvnená celým radom faktorov, ako je molekulová hmotnosť a tvar molekuly.

Kinetika priechodu jednoduchou difúziou vykazuje kinetiku nenasýtenia. To znamená, že vstup sa zvyšuje úmerne ku koncentrácii rozpustenej látky, ktorá sa má transportovať v extracelulárnej oblasti.

Vodné kanály

Druhou alternatívou pre prechod molekúl pasívnou cestou je vodný kanál umiestnený v membráne. Tieto kanály sú druhom pórov, ktoré umožňujú priechod molekuly, pričom sa vyhýbajú kontaktu s hydrofóbnou oblasťou.

Niektoré nabité molekuly dokážu vstúpiť do bunky sledovaním ich koncentračného gradientu. Vďaka tomuto systému kanálov naplnených vodou sú membrány pre ióny vysoko nepriepustné. Medzi týmito molekulami vynikajú sodík, draslík, vápnik a chlór.

Nosná molekula

Poslednou alternatívou je kombinácia požadovanej rozpustenej látky s molekulou nosiča, ktorá maskuje jej hydrofilnú povahu, takže prechádza cez časť membrány bohatú na lipidy.

Transportér zvyšuje rozpustnosť molekuly v tukoch, ktorá musí byť transportovaná, a uprednostňuje jej priechod v prospech koncentračného gradientu alebo elektrochemického gradientu.

Tieto nosné proteíny fungujú rôznymi spôsobmi. V najjednoduchšom prípade sa rozpustená látka prenáša z jednej strany membrány na druhú. Tento typ sa nazýva uniport. Naopak, ak sa iný solut prepravuje súčasne alebo je spojený, transportér sa nazýva spojený.

Ak spojený transportér pohybuje dvoma molekulami v rovnakom smere, je to symport a ak to robí v opačných smeroch, transportér je anti-support.

osmóza

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKderivatívne práce: Ortisa, prostredníctvom Wikimedia Commons

Je to typ bunkového transportu, v ktorom rozpúšťadlo prechádza selektívne cez semipermeabilnú membránu.

Napríklad voda má tendenciu prejsť na stranu bunky, kde je jej koncentrácia nižšia. Pohyb vody v tejto ceste vytvára tlak nazývaný osmotický tlak.

Tento tlak je potrebný na reguláciu koncentrácie látok v bunke, ktorá potom ovplyvňuje tvar bunky.

ultrafiltrácia

V tomto prípade je pohyb niektorých rozpustených látok vyvolaný účinkom hydrostatického tlaku, od oblasti najväčšieho tlaku k oblasti menšieho tlaku. V ľudskom tele sa tento proces vyskytuje v obličkách vďaka krvnému tlaku generovanému srdcom.

Týmto spôsobom voda, močovina atď. Prechádza z buniek do moču; a hormóny, vitamíny atď. zostávajú v krvi. Tento mechanizmus je známy aj ako dialýza.

Uľahčené šírenie

Existujú látky s veľmi veľkými molekulami (napríklad glukóza a iné monosacharidy), ktoré na rozptýlenie potrebujú proteín nosiča. Táto difúzia je rýchlejšia ako jednoduchá difúzia a závisí od:

Koncentračný gradient látky.
Množstvo proteínov nosiča prítomných v bunke.
Rýchlosť prítomných proteínov.

Jedným z týchto transportných proteínov je inzulín, ktorý uľahčuje difúziu glukózy a znižuje jej koncentráciu v krvi.

Aktívna transmembránová preprava

Doposiaľ sme diskutovali o prechode rôznych molekúl kanálmi bez nákladov na energiu. V týchto prípadoch je jedinou cenou generovanie potenciálnej energie vo forme diferenciálnych koncentrácií na oboch stranách membrány.

Týmto spôsobom je smer prepravy určený existujúcim gradientom. Solúty sa začínajú transportovať podľa vyššie uvedených princípov difúzie, až kým nedosiahnu bod, v ktorom končí čistá difúzia - v tomto bode sa dosiahne rovnováha. V prípade iónov je pohyb ovplyvnený aj nábojom.

Jediným prípadom, keď je distribúcia iónov na oboch stranách membrány v skutočnej rovnováhe, je však, keď je bunka mŕtva. Všetky živé bunky investujú veľké množstvo chemickej energie, aby udržali koncentráciu rozpustených látok mimo rovnováhy.

Energia použitá na udržanie týchto procesov aktívnych je zvyčajne molekula ATP. Adenozíntrifosfát, skrátene ATP, je základnou molekulou energie v bunkových procesoch.

Aktívne dopravné vlastnosti

Aktívny transport môže pôsobiť proti gradientom koncentrácie, bez ohľadu na to, aké sú strmé - táto vlastnosť sa objasní vysvetlením sodno-draselnej pumpy (pozri nižšie).

Mechanizmy aktívneho transportu sa môžu pohybovať súčasne o viac ako jednu triedu molekúl. Pre aktívny transport sa používa rovnaká klasifikácia, aká sa používa na pasívny transport niekoľkých molekúl: symport a anti-support.

Transport týmito pumpami môže byť inhibovaný použitím molekúl, ktoré špecificky blokujú kľúčové miesta na proteíne.

Kinetika prepravy je typu Michaelis-Menten. Obidve chovania - inhibované niektorými molekulami a kinetika - sú typickými vlastnosťami enzymatických reakcií.

Nakoniec musí systém obsahovať špecifické enzýmy, ktoré sú schopné hydrolyzovať molekulu ATP, ako sú ATPázy. Toto je mechanizmus, ktorým systém získava energiu, ktorá ho charakterizuje.

Selektivita prepravy

Zapojené pumpy sú v molekulách, ktoré budú transportované, mimoriadne selektívne. Napríklad, ak je pumpa nosičom sodíkových iónov, nebude brať lítiové ióny, hoci obidve ióny majú veľmi podobnú veľkosť.

Predpokladá sa, že proteíny sú schopné rozlíšiť medzi dvoma diagnostickými charakteristikami: ľahkosť dehydratácie molekuly a interakcia s nábojmi vo vnútri póru transportéra.

Je známe, že veľké ióny dehydratujú ľahko v porovnaní s malým iónom. Pór so slabými polárnymi centrami bude teda výhodne využívať veľké ióny.

Naopak v kanáloch so silne nabitými centrami prevláda interakcia s dehydratovaným iónom.

Príklad aktívneho transportu: sodíkovo-draselné čerpadlo

Na vysvetlenie mechanizmov aktívneho transportu je najlepšie urobiť to najlepšie študovaným modelom: sodíkovo-draselnou pumpou.

Pozoruhodnou črtou buniek je schopnosť udržať strmé gradienty sodných (Na ⁺ ) a draslíkových (K ⁺ ) iónov .

Vo fyziologickom prostredí je koncentrácia draslíka vo vnútri buniek 10 až 20-krát vyššia ako vo vonkajších bunkách. Naproti tomu sodné ióny sú oveľa viac koncentrované v extracelulárnom prostredí.

Pri princípoch, ktoré pasívne regulujú pohyb iónov, by nebolo možné udržať tieto koncentrácie, preto bunky vyžadujú aktívny transportný systém, a to je sodíkovo-draselné čerpadlo.

Pumpa je tvorená proteínovým komplexom typu ATPázy, ktorý je zakotvený v plazmatickej membráne všetkých živočíšnych buniek. To má väzbové miesta pre obidva ióny a je zodpovedné za transport so vstrekovaním energie.

Ako čerpadlo funguje?

V tomto systéme existujú dva faktory, ktoré určujú pohyb iónov medzi bunkovým a extracelulárnym kompartmentom. Prvým je rýchlosť, pri ktorej čerpadlo sodík-draslík pôsobí, a druhým faktorom je rýchlosť, ktorou môže ión znova vstúpiť do bunky (v prípade sodíka) v dôsledku udalostí pasívnej difúzie.

Týmto spôsobom rýchlosť, ktorou ióny vstupujú do bunky, určuje rýchlosť, pri ktorej musí čerpadlo pracovať, aby sa udržala primeraná koncentrácia iónov.

Činnosť pumpy závisí od radu konformačných zmien v proteíne, ktorý je zodpovedný za transport iónov. Každá molekula ATP sa hydrolyzuje priamo, pri tomto postupe tri sodné ióny opúšťajú bunku a súčasne dva draselné ióny vstupujú do bunkového prostredia.

Hromadná preprava

Je to ďalší typ aktívneho transportu, ktorý pomáha pri pohybe makromolekúl, ako sú polysacharidy a proteíny. Môže byť daný:

-Endocytosis

Existujú tri procesy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a ligocytom sprostredkovaná endocytóza:

fagocytóza

Fagocytóza - typ dopravy, pri ktorom je pevná častica pokrytá vezikulám alebo fagozómom tvoreným fúzovanými pseudopódami. Táto tuhá častica, ktorá zostáva vo vezikule, je trávená enzýmami, a tak sa dostane do vnútra bunky.

Takto fungujú biele krvinky v tele; pohlcujú baktérie a cudzie telá ako obranný mechanizmus.

pinocytóza

Výživa protozoov. Pinocytóza. Obrázok: Jacek FH (odvodený z Mariany Ruiz Villarreal). Vytvorené a upravené z https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

Pinocytóza sa vyskytuje, keď látka, ktorá sa má prepravovať, je kvapôčka alebo vezikula extracelulárnej tekutiny a membrána vytvára pinocytovú vezikulu, v ktorej je obsah vezikuly alebo kvapôčky spracovaný tak, že sa vracia na povrch bunky.

Endocytóza prostredníctvom receptora

Je to proces podobný pinocytóze, ale v tomto prípade nastane invaginácia membrány, keď sa určitá molekula (ligand) viaže na membránový receptor.

Niekoľko endocytických vezikúl sa spája a tvorí väčšiu štruktúru nazývanú endozóm, čo je miesto, kde je ligand oddelený od receptora. Receptor sa potom vracia na membránu a ligand sa viaže na lipozómy, kde je štiepený enzýmami.

-Exocytosis

Je to druh bunkového transportu, pri ktorom sa látka musí prepravovať mimo bunky. Počas tohto procesu sa sekrečná vezikulárna membrána viaže na bunkovú membránu a uvoľňuje obsah vezikula.

Týmto spôsobom bunky vylučujú syntetizované látky alebo odpadové látky. Takto uvoľňujú aj hormóny, enzýmy alebo neurotransmitery.

Referencie

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biológia: Život na Zemi. Pearsonovo vzdelávanie.
Donnersberger, AB, a Lesak, AE (2002). Laboratórna kniha o anatómii a fyziológii. Editorial Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Základná anatomofyziológia a patológia. Redakčný Paraninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Fyziológia zvierat Eckert. Macmillan.
Vived, À. M. (2005). Základy fyziológie pohybových aktivít a športu. Panamerican Medical Ed.

TRANSPORT BUNIEK: TYPY A ICH VLASTNOSTI - BIOLÓGIE - 2026