Druhy buněčného transportu a jejich vlastnosti

buněčný transport zahrnuje provoz a přemístění molekul mezi vnitřkem a vnějškem buněk. Výměna molekul mezi těmito kompartmenty je základním jevem pro správné fungování organismu a zprostředkovává řadu událostí, jako je například membránový potenciál, které zmiňují některé.

Biologické membrány jsou nejen zodpovědné za vymezení buňky, ale hrají také nepostradatelnou roli v dopravě látek. Mají řadu proteinů, které procházejí strukturou a velmi selektivně umožňují vstup určitých molekul.

Celulární doprava je rozdělena do dvou hlavních typů v závislosti na tom, zda systém využívá energii přímo či nikoliv.

Pasivní transport nevyžaduje energii a molekuly se podaří projít membránou pasivní difúzí, pomocí vodných kanálů nebo pomocí transportovaných molekul. Směr aktivního transportu je určen výhradně koncentračními gradienty mezi oběma stranami membrány.

Naopak druhý druh dopravy vyžaduje energii a nazývá se aktivní transport. Díky injektované energii do systému mohou čerpadla přesouvat molekuly proti jejich koncentračním gradientům. Nejvýznamnějším příkladem v literatuře je sodno-draselné čerpadlo.

Index

• 1 Teoretické základy
  • 1.1 - Buněčné membrány
  • 1.2 -Lipidy v membránách
  • 1,3-Proteiny v membránách
  • 1.4 - Selektivita membrány
  • 1,5-difúze a osmóza
  • 1.6 -Tonicita
  • 1.7 -Výrazné elektrické
• 2 Transmembránová pasivní doprava
  • 2.1 Jednoduché vysílání
  • 2.2 Vodné kanály
  • 2.3 Molekula transportadora
  • 2.4 Osmóza
  • 2.5 Ultrafiltrace
  • 2.6 Usnadnění šíření
• 3 Transmembránový aktivní transport
  • 3.1 Charakteristika aktivní dopravy
  • 3.2 Dopravní selektivita
  • 3.3 Příklad aktivního transportu: sodno-draselné čerpadlo
  • 3.4 Jak čerpadlo pracuje?
• 4 Masová doprava
  • 4.1 -Endocytosa
  • 4.2-Exocytóza
• 5 Odkazy

Teoretické základy

-Buněčné membrány

K pochopení toho, jak dochází k obchodování s látkami a molekulami mezi buňkou a sousedními prostory, je nutné analyzovat strukturu a složení biologických membrán.

-Lipidy v membránách

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

Ty se skládají z polární hlavy a nepolárních ocasů. Membrány se skládají ze dvou vrstev fosfolipidů - "lipidových dvojvrstev" - ve kterých jsou ocasy seskupeny uvnitř a hlavy dávají extra a intracelulární tváře.

Molekuly, které mají jak polární, tak nepolární zóny, se nazývají amfipatické. Tato vlastnost je zásadní pro prostorovou organizaci lipidových složek v membránách.

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

Kromě fosfoglyceridů nebo fosfolipidů jsou membrány bohaté na sfingolipidy, které mají kostry vytvořené z molekuly zvané sfingosin a sterol. V této poslední skupině nacházíme cholesterol, lipid, který moduluje vlastnosti membrány jako její tekutost.

-Proteiny v membránách

Membrána je dynamická struktura, která obsahuje více proteinů uvnitř. Proteiny membrány působí jako druh "vrátných" nebo "strážců" molekulární, které s velkou selektivitou definují, kdo vstupuje a kdo opouští buňku..

Z tohoto důvodu se říká, že membrány jsou semipermeabilní, protože některé sloučeniny se do nich dostanou a jiné ne..

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

-Selektivita membrány

Vnitřek lipidu membrány je vysoce hydrofobní, což činí membránu vysoce nepropustnou pro průchod polárních nebo hydrofilních molekul (tento termín znamená "zamilovaný do vody").

To znamená další obtíže s průchodem polárních molekul. Je však nezbytný průchod molekul nerozpustných ve vodě, takže buňky mají řadu transportních mechanismů, které umožňují účinné přemístění těchto látek mezi buňku a její vnější prostředí..

Stejně tak musí být velké molekuly, jako například proteiny, transportovány a vyžadují specializované systémy.

-Difúze a osmóza

K pohybu částic přes buněčné membrány dochází podle následujících fyzikálních principů.

Tyto principy jsou difúze a osmóza a jsou aplikovány na pohyb rozpuštěných látek a rozpouštědel v roztoku přes semipermeabilní membránu - jako jsou biologické membrány nacházející se v živých buňkách..

Difúze je proces, který zahrnuje náhodný tepelný pohyb částic suspendovaných v oblastech vysokých koncentrací směrem k oblastem s nižší koncentrací. Existuje matematický výraz, který se snaží popsat proces a nazývá se Fickova difuzní rovnice, ale do toho se nedostaneme.

S tímto pojetím na mysli můžeme definovat pojem permeabilita, který označuje rychlost, s jakou látka proniká pasivně membránou za řady konkrétních podmínek..

Na druhé straně se voda také pohybuje ve prospěch gradientu koncentrace v jevu zvaném osmóza. I když se nezdá přesné odkazovat na koncentraci vody, musíme pochopit, že vitální kapalina se chová jako každá jiná látka, pokud jde o její difúzi..

-Tonicita

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

Tonicita roztoku je tedy reakce buněk ponořených v roztoku. Na tento scénář se vztahuje některá terminologie:

Izotonický

Buňky, tkáně nebo roztoky jsou izotonické vzhledem k druhé, pokud je koncentrace v obou prvcích stejná. Ve fyziologickém kontextu buňka ponořená v isotonickém prostředí nezaznamená žádnou změnu.

Hypotonický

Řešení je hypotonické s ohledem na buňku, pokud je koncentrace solutů nižší mimo - to znamená, že buňka má více rozpuštěných látek. V tomto případě je tendence vody vstupovat do buňky.

Pokud dáme červené krvinky do destilované vody (která je bez rozpuštěných látek), voda se dostane až do výbuchu. Tento jev se nazývá hemolýza.

Hypertonické

Řešení je hypertonické s ohledem na buňku, pokud je koncentrace solutů vyšší venku - to znamená, že buňka má méně rozpuštěných látek..

V tomto případě je tendence vody opustit buňku. Pokud umístíme červené krvinky do koncentrovanějšího roztoku, voda v globulích má tendenci vystupovat a buňka získá vrásčitý vzhled.

Tyto tři koncepty mají biologický význam. Například vajíčka mořského organismu musí být isotonická, pokud jde o mořskou vodu, aby nedošlo k prasknutí a neztratila vodu.

Podobně by paraziti, kteří žijí v krvi savců, měli mít koncentraci solutů podobnou médiu, ve kterém se vyvíjejí..

-Elektrický vliv

Když hovoříme o iontech, které jsou nabitými částicemi, pohyb přes membrány není řízen výhradně koncentračními gradienty. V tomto systému je nutné vzít v úvahu zatížení solutů.

Ion má tendenci se vzdalovat od oblastí, kde je koncentrace vysoká (jak je popsáno v části o osmóze a difuzi), a také pokud je iont negativní, postupuje směrem k oblastem, kde je rostoucí negativní potenciál. Nezapomeňte, že jsou přitahovány různé poplatky a odrazují se stejné poplatky.

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

Typy buněčného transportu jsou klasifikovány v závislosti na použití - nebo ne - energie systému v pasivních a aktivních pohybech. Každý z nich podrobně popíšeme níže:

Transmembránová pasivní doprava

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

Ačkoliv energie zodpovědná za pohyb částic je uložena v takových přechodech, je vhodné a vhodné pokračovat v procesu jako pasivním..

Existují tři základní cesty, kterými mohou molekuly pasivně přecházet z jedné strany na druhou:

Jednoduchá difúze

Nejjednodušší a nejintuitivnější způsob transportu rozpuštěné látky je pohybovat 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.

Efektivní průchod membránou určuje úroveň tepelné energie, kterou má systém. Pokud je dostatečně vysoká, molekula bude schopna procházet membránou.

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

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 jednoduchého difuzního kroku vykazuje kinetiku nesaturace. To znamená, že vstup se zvyšuje úměrně koncentraci solutu, který má být transportován v extracelulární oblasti.

Vodné kanály

Druhou alternativou průchodu molekul pasivní cestou je vodný kanál umístěný v membráně. Tyto kanály jsou druhem pórů, které umožňují průchod molekuly a zabraňují kontaktu s hydrofobní oblastí.

Některým nabitým molekulám se daří vstupovat do buňky po koncentračním gradientu. Díky tomuto systému kanálů naplněných vodou jsou membrány pro ionty vysoce nepropustné. V těchto molekulách vyniká sodík, draslík, vápník a chlor.

Dopravní molekula

Poslední alternativou je kombinace zájmové látky, která je předmětem zájmu, s transportní molekulou, která maskuje její hydrofilní povahu, takže dosahuje průchodu přes membránu bohatou na lipidy..

Transportér zvyšuje rozpustnost molekuly v lipidu, kterou je třeba transportovat, a podporuje její průchod ve prospěch gradientu koncentrace nebo elektrochemického gradientu..

Tyto transportní proteiny pracují různými způsoby. V nejjednodušším případě se solut přenáší z jedné strany membrány na druhou. Tento typ se nazývá podpora. Naopak, pokud je další solut transportován současně, nebo je spojen, dopravce se nazývá přívěsy.

Pokud spojovací dopravník pohybuje oběma molekulami ve stejném směru, jedná se o simport a pokud to dělá v opačných směrech, dopravník je antiport..

Osmóza

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

Voda, například, inklinuje projít vedle buňky ve kterém jeho koncentrace je nižší. Pohyb vody v této dráze vytváří tlak nazývaný osmotický tlak.

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

Ultrafiltrace

V tomto případě je pohyb některých rozpuštěných látek vyvolán hydrostatickým tlakem z oblasti nejvyššího tlaku na nejnižší tlak. V lidském těle dochází k tomuto procesu v ledvinách díky krevnímu tlaku, který vytváří srdce.

Tímto způsobem přechází z buněk do moči voda, močovina atd.; a hormony, vitamíny atd., zůstávají v krvi. Tento mechanismus je také známý jako dialýza.

Usnadnění šíření

Existují látky s velmi velkými molekulami (např. Glukózou a jinými monosacharidy), které potřebují nosičový protein k šíření. Tato difúze je rychlejší než jednoduchá difúze a závisí na:

• Koncentrační gradient látky.
• Množství transportních proteinů přítomných v buňce.
• Rychlost přítomných proteinů.

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

Transmembránový aktivní transport

Doposud jsme diskutovali o průchodu různých molekul kanály bez nákladů na energii. V těchto případech je jedinou cenou vytvořit potenciální energii ve formě diferenciálních koncentrací na obou stranách membrány.

Tímto způsobem je směr dopravy určen existujícím gradientem. Soluty začínají být transportovány podle zmíněných principů difúze, dokud nedosáhnou bodu, kde končí síťová difúze - v tomto bodě bylo dosaženo rovnováhy. V případě iontů je pohyb ovlivněn také zatížením.

Nicméně v jediném případě, kdy je distribuce iontů na obou stranách membrány v reálné rovnováze, je buňka mrtvá. Všechny živé buňky investují velké množství chemické energie, aby udržely koncentrace solutů v rovnováze.

Energie použitá k udržení těchto procesů aktivní je obecně ATP molekula. Adenosintrifosfát, zkráceně ATP, je základní buněčnou energií.

Charakteristika aktivní dopravy

Aktivní transport může působit proti koncentračním gradientům, bez ohledu na to, jak jsou označeny - tato vlastnost bude jasná s vysvětlením sodík-draselného čerpadla (viz níže).

Aktivní transportní mechanismy mohou současně přesouvat více než jednu třídu molekul. Pro aktivní dopravu se používá stejná klasifikace pro přepravu několika molekul současně v pasivním transportu: simporte a antiporte.

Transport prováděný těmito čerpadly může být inhibován aplikací molekul, které specificky blokují klíčová místa v proteinu.

Transportní kinetika je typu Michaelis-Menten. Obě chování - inhibovaná některou molekulou a kinetikou - jsou typickými charakteristikami enzymatických reakcí.

Konečně, systém musí mít specifické enzymy, které mohou hydrolyzovat ATP molekulu, jako jsou ATPázy. Toto je mechanismus, kterým systém získává energii, která ho charakterizuje.

Dopravní selektivita

Zapojená čerpadla jsou extrémně selektivní v molekulách, které budou transportovány. Pokud je například pumpa nosičem iontů sodíku, nebude brát ionty lithia, i když jsou oba ionty velmi podobné velikosti..

Předpokládá se, že proteiny mohou rozlišovat mezi dvěma diagnostickými rysy: snadností dehydratace molekuly a interakcí s náboji uvnitř pórů transportéru..

Je známo, že velké ionty se snadno dehydratují, pokud je porovnáme s malým iontem. Pór se slabými polárními středy tedy bude používat velké ionty, výhodně.

Naopak v kanálech se silně nabitými centry převažuje interakce s dehydratovaným iontem.

Příklad aktivního transportu: sodno-draselné čerpadlo

Pro vysvětlení mechanismů aktivního transportu je nejlepší to udělat s nejlépe studovaným modelem: sodík-draselné čerpadlo.

Výrazným rysem buněk je schopnost udržet výrazné gradienty sodíkových iontů (Na⁺) a draslíku (K⁺).

Ve fyziologickém prostředí je koncentrace draslíku uvnitř buněk 10 až 20krát vyšší než ve vnějších buňkách. Naproti tomu sodíkové ionty jsou mnohem více koncentrovány v extracelulárním prostředí.

S principy, které řídí pohyb iontů pasivně, by bylo nemožné tyto koncentrace zachovat, a proto buňky vyžadují aktivní transportní systém a to je sodíková - draselná pumpa.

Čerpadlo je tvořeno proteinovým komplexem typu ATPázy ukotveným na plazmatické membráně všech živočišných buněk. To má vazebná místa pro oba ionty a je zodpovědná za transport s energetickým vstřikováním.

Jak čerpadlo pracuje?

V tomto systému existují dva faktory, které určují pohyb iontů mezi buněčnými a extracelulárními kompartmenty. První z nich je rychlost, s jakou pumpa sodíku a draslíku působí, a druhým faktorem je rychlost, kterou může iont znovu vstoupit do buňky (v případě sodíku) prostřednictvím pasivních difuzních událostí.

Tímto způsobem rychlost, s jakou ionty vstupují do buňky, určuje rychlost, s jakou musí čerpadlo pracovat, aby udržovala odpovídající koncentraci iontů..

Provoz čerpadla závisí na sérii konformačních změn v proteinu, který je zodpovědný za transport iontů. Každá molekula ATP je přímo hydrolyzována, v tomto procesu tři sodíkové ionty opouštějí buňku a současně vstupují do buněčného prostředí dvě draselné ionty..

Hromadná doprava

Je to další typ aktivního transportu, který pomáhá při pohybu makromolekul, jako jsou polysacharidy a proteiny. Může k němu dojít prostřednictvím:

-Endocytóza

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

Fagocytóza

Fagocytóza je typ transportu, ve kterém je pevná částice pokryta vesikulem nebo fagosomem tvořeným fúzovanými pseudopody. Tato tuhá částice, která zůstává uvnitř vesikulu, je štěpena enzymy a tak dosáhne vnitřku buňky.

Tímto způsobem bílé krvinky pracují v těle; fagocytují bakterie a cizí tělesa jako obranný mechanismus.

Pinocytóza

Pinocytosa nastává, když je látkou, která má být transportována, kapička nebo vezikula extracelulární tekutiny a membrána vytváří pinocytární vesikul, ve které je obsah vesikulu nebo kapky zpracován tak, aby se vrátil na povrch buňky..

Endocytóza prostřednictvím receptoru

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

Několik endocytických vezikul se spojuje a tvoří větší strukturu nazývanou endosom, kde je ligand oddělen od receptoru. Poté se receptor vrací na membránu a ligand se váže na liposom, ve kterém je štěpen enzymy.

-Exocytóza

Je to typ buněčného transportu, ve kterém musí být látka odebírána mimo buňku. Během tohoto procesu se membrána sekrečního vezikulu připojuje k buněčné membráně a uvolňuje obsah váčku.

Tímto způsobem buňky eliminují syntetizované látky nebo odpady. To je také způsob, jak uvolňují hormony, enzymy nebo neurotransmitery.

Odkazy

1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2003). Biologie: Život na Zemi. Pearsonovo vzdělávání.
2. Donnersberger, A. B., & Lesak, A.E. (2002). Laboratorní kniha anatomie a fyziologie. Redakční Paidotribo.
3. Larradagoitia, L. V. (2012). Anatomofyziologie a základní patologie. Paraninfo Editorial.
4. Randall, D., Burggren, W. W., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fyziologie zvířat. Macmillan.
5. Vived, À. M. (2005). Základy fyziologie pohybové aktivity a sportu. Panamericana Medical.