Facebook - konwersja
Czytaj fragment
Pobierz fragment

Podstawy biologii komórki. Tom 2 - ebook

Data wydania:
1 stycznia 2019
Format ebooka:
EPUB
Format EPUB
czytaj
na czytniku
czytaj
na tablecie
czytaj
na smartfonie
Jeden z najpopularniejszych formatów e-booków na świecie. Niezwykle wygodny i przyjazny czytelnikom - w przeciwieństwie do formatu PDF umożliwia skalowanie czcionki, dzięki czemu możliwe jest dopasowanie jej wielkości do kroju i rozmiarów ekranu. Więcej informacji znajdziesz w dziale Pomoc.
Multiformat
E-booki w Virtualo.pl dostępne są w opcji multiformatu. Oznacza to, że po dokonaniu zakupu, e-book pojawi się na Twoim koncie we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego tytułu. Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na karcie produktu.
, MOBI
Format MOBI
czytaj
na czytniku
czytaj
na tablecie
czytaj
na smartfonie
Jeden z najczęściej wybieranych formatów wśród czytelników e-booków. Możesz go odczytać na czytniku Kindle oraz na smartfonach i tabletach po zainstalowaniu specjalnej aplikacji. Więcej informacji znajdziesz w dziale Pomoc.
Multiformat
E-booki w Virtualo.pl dostępne są w opcji multiformatu. Oznacza to, że po dokonaniu zakupu, e-book pojawi się na Twoim koncie we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego tytułu. Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na karcie produktu.
(2w1)
Multiformat
E-booki sprzedawane w księgarni Virtualo.pl dostępne są w opcji multiformatu - kupujesz treść, nie format. Po dodaniu e-booka do koszyka i dokonaniu płatności, e-book pojawi się na Twoim koncie w Mojej Bibliotece we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego tytułu. Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na karcie produktu przy okładce. Uwaga: audiobooki nie są objęte opcją multiformatu.
czytaj
na tablecie
Aby odczytywać e-booki na swoim tablecie musisz zainstalować specjalną aplikację. W zależności od formatu e-booka oraz systemu operacyjnego, który jest zainstalowany na Twoim urządzeniu może to być np. Bluefire dla EPUBa lub aplikacja Kindle dla formatu MOBI.
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale Pomoc.
czytaj
na czytniku
Czytanie na e-czytniku z ekranem e-ink jest bardzo wygodne i nie męczy wzroku. Pliki przystosowane do odczytywania na czytnikach to przede wszystkim EPUB (ten format możesz odczytać m.in. na czytnikach PocketBook) i MOBI (ten fromat możesz odczytać m.in. na czytnikach Kindle).
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale Pomoc.
czytaj
na smartfonie
Aby odczytywać e-booki na swoim smartfonie musisz zainstalować specjalną aplikację. W zależności od formatu e-booka oraz systemu operacyjnego, który jest zainstalowany na Twoim urządzeniu może to być np. iBooks dla EPUBa lub aplikacja Kindle dla formatu MOBI.
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale Pomoc.
Czytaj fragment
Pobierz fragment
119,00

Podstawy biologii komórki. Tom 2 - ebook

Jest to tłumaczenie piątego wydania bardzo popularnego w świecie podręcznika biologii komórki, który w niezwykle przystępny sposób przedstawia złożoność funkcjonowania najmniejszej jednostki życia - komórki. W porównaniu z drugim wydaniem zostało ono zaktualizowane i znacznie zmienione, dwa rozdziały dotyczące podziału komórki i kontroli cyklu komórkowego połączono w jeden, przy czym objętość podręcznika nie uległa zmianie.

Znakomite wprowadzenie w skomplikowane zagadnienia budowy i funkcjonowania komórek z podkreśleniem ich znaczenia dla zdrowia człowieka. Obecne wydanie, oprócz uzupełnienia tekstu o najnowsze odkrycia naukowe, w tym wynikające z coraz lepszego poznania genomu człowieka, omawia nowe zagadnienia poświęcone mechanizmom regulacji ekspresji genów, manipulowania aktywnością genów i potencjałowi tkwiącemu w komórkach macierzystych. W podręczniku położono akcent na przejrzystość. Tekst jest krótki, natomiast wiodącą rolę spełniają liczne wielobarwne poglądowe rysunki; niektóre zgromadzone w dwustronicowych panelach problemowych. Każdy rozdział zawiera: streszczenie, hasła kluczowe i pytania związane z tekstem i/lub rysunkami – odpowiedzi są na końcu książki.

Wydanie polskie podzielone jest na 2 części.

W części 1 omówione zostały chemiczne składniki komórki oraz podstawy zasilania energetycznego procesów życiowych. W omawianiu makrocząsteczek skoncentrowano się na białkach i kwasach nukleinowych, co stanowi doskonałe wprowadzenie do przedstawienia podstawowych zagadnień biologii molekularnej, czyli procesów replikacji materiału genetycznego, jego naprawy i rekombinacji, a także ekspresji i ewolucji genów.

W części 2 omówione zostały podstawowe mechanizmy i kluczowe dla życia procesy zachodzące w komórkach, związane m.in. z przemianami energetycznymi, transportem substancji i komunikowaniem się komórek. W końcowej części znajdują się rozdziały poświęcone podziałom komórkowym i mechanizmom ich regulacji, umożliwiającym odnawianie się komórek i ich specjalizację, ale także zaburzeniom tych procesów prowadzącym do mutacji, śmierci komórek i powstawania komórek nowotworowych.

Podręcznik dla studentów: biologii, biotechnologii, bioinformatyki, medycyny i różnych działów nauk o zdrowiu oraz nauk rolniczych; dla początkujących pracowników nauki w tych dziedzinach, a także dla uczniów szkół średnich oraz osób ciekawych świata komórek.

Kategoria: Biologia
Zabezpieczenie: Watermark
Watermark
Watermarkowanie polega na znakowaniu plików wewnątrz treści, dzięki czemu możliwe jest rozpoznanie unikatowej licencji transakcyjnej Użytkownika. E-książki zabezpieczone watermarkiem można odczytywać na wszystkich urządzeniach odtwarzających wybrany format (czytniki, tablety, smartfony). Nie ma również ograniczeń liczby licencji oraz istnieje możliwość swobodnego przenoszenia plików między urządzeniami. Pliki z watermarkiem są kompatybilne z popularnymi programami do odczytywania ebooków, jak np. Calibre oraz aplikacjami na urządzenia mobilne na takie platformy jak iOS oraz Android.
ISBN: 978-83-01-20816-5
Rozmiar pliku: 73 MB

FRAGMENT KSIĄŻKI

SKĄD TO WIEMY?

POMIAR PŁYNNOŚCI BŁON

Istotną cechą dwuwarstwy lipidowej jest jej płynność, która jest kluczowa dla integralności i funkcji błon komórki. Ta właściwość pozwala wielu białkom osadzonym w błonie poruszać się w płaszczyźnie dwuwarstwy, dzięki czemu mogą one angażować się w różne oddziaływania białko–białko, od których to oddziaływań komórka jest zależna. Płynna natura błon w komórce jest tak ważna dla ich właściwej funkcji, że może wydawać się zaskakujące, iż ta właściwość została rozpoznana dopiero na początku lat 70. ubiegłego wieku.

Biorąc pod uwagę znaczenie tej cechy dla struktury i funkcji błony, zadajmy pytanie, jak mierzymy i badamy płynność błon komórki? Najbardziej powszechne są metody wizualne: po prostu znakuje się niektóre cząsteczki dwuwarstwy, a następnie obserwuje, jak się przemieszczają. Takie podejście po raz pierwszy wykazało ruch boczny białek błonowych, do których dołączono znakowane przeciwciała (patrz rys. 11.30). Ten eksperyment wydawał się sugerować, że białka błonowe dyfundują swobodnie, bez ograniczeń, w otwartym morzu lipidów. Teraz wiemy, że taka interpretacja nie jest poprawna. Aby dokładniej zbadać dynamikę błony, naukowcy musieli wynaleźć bardziej precyzyjne metody śledzenia ruchu białek w błonach, takich jak na przykład błona komórkowa żywej komórki.

Laserowy atak FRAP

Jedna z takich technik, nazwana odradzaniem się fluorescencji wygaszonej pulsem światła, FRAP (ang. fluorescence recovery after photobleaching), obejmuje jednolite znakowanie składników błony komórkowej – jej lipidów lub, częściej, białek – znacznikiem fluorescencyjnym. Znakowanie białek błonowych można osiągnąć przez inkubację komórek z przeciwciałem znakowanym fluorescencyjnie lub przez kowalencyjne przyłączenie do białka błonowego białka zdolnego do fluorescencji, takiego jak białko zielonej fluorescencji (GFP), przy wykorzystaniu techniki rekombinacji DNA omówionej w rozdziale 10.

Po wyznakowaniu białka mały fragment błony jest naświetlany intensywnym impulsem światła z ostro skupionej wiązki laserowej. Powoduje to nieodwracalne wygaszenie fluorescencji znakowanych białek w tym małym, o powierzchni około 1 μm², fragmencie błony. Fluorescencja tej naświetlonej błony jest monitorowana za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego: mierzy się czas potrzebny sąsiednim, nietraktowanym światłem lasera, białkom zdolnym do fluorescencji na przemieszczenie się do wygaszonego obszaru błony (rys. 11.34). Szybkość tego „odradzania się fluorescencji” jest bezpośrednią miarą szybkości, z jaką cząsteczki białka mogą dyfundować w błonie (film 11.8). Takie eksperymenty wykazały, że ogólnie mówiąc, błony komórkowe są tak samo lepkie jak oliwa z oliwek.

Rys. 11.34. Techniki oparte na wygaszeniu fluorescencji światłem lasera, takie jak FRAP, można stosować do pomiaru szybkości dyfuzji bocznej białka błonowego. Dane białko błonowe można wyznakować przeciwciałem znakowanym fluorescencyjnie (jak pokazano tutaj) lub można przeprowadzić jego ekspresję po uprzedniej rekombinacji z genem kodującym białko zdolne do fluorescencji, takie jak GFP, uzyskując białko fuzyjne zdolne do fluorescencji. W technice FRAP cząsteczki zdolne do fluorescencji są wygaszane na małym obszarze błony za pomocą wiązki laserowej. Po pewnym czasie następuje powrót fluorescencji w to miejsce na skutek przemieszczania się na drodze dyfuzji „wygaszonych” i „niewygaszonych” cząsteczek białek (pokazane tutaj z boku i z góry). Współczynnik dyfuzji jest następnie obliczany z wykresu szybkości odzyskiwania fluorescencji: im większy współczynnik dyfuzji białka błonowego, tym odzyskiwanie fluorescencji jest szybsze

Badanie poszczególnych białek

Wadą metody FRAP jest to, że monitoruje ona ruch dość dużych populacji białek – setek lub tysięcy – w obrębie stosunkowo dużego obszaru błony. Technika ta nie pozwala na śledzenie ruchu poszczególnych cząsteczek białek, co może utrudniać analizę wyników. Jeśli na przykład znakowane białka nie migrują do strefy błony z wygaszoną fluorescencją w trakcie badania metodą FRAP, czy oznacza to, że są one nieruchome, zasadniczo zakotwiczone w jednym miejscu w błonie? Albo też, alternatywnie, czy ich ruch jest ograniczony do bardzo małego obszaru – wydzielonego przez białka cytoszkieletu – a zatem tylko wydają się nieruchome?

Aby obejść ten problem, naukowcy opracowali metody znakowania i obserwacji ruchu poszczególnych cząsteczek lub ich małych skupisk. Jedna z takich technik, nazywana mikroskopowym śledzeniem pojedynczych cząstek (SPT; ang. single-particle cracking microscopy), polega na znakowaniu cząsteczek białka przeciwciałami pokrytymi nanocząstkami złota. Nanocząstki złota wyglądają jak maleńkie czarne kropki, gdy są oglądane pod mikroskopem świetlnym, a ich ruch, a tym samym ruch pojedynczo oznakowanych cząsteczek białka, można śledzić za pomocą mikroskopu połączonego z kamerą wideo.

Z dotychczas przeprowadzonych badań wynika, że białka błonowe mogą wykazywać różnorodne wzorce ruchu: od losowej dyfuzji do całkowitego bezruchu (rys. 11.35). Niektóre białka szybko przełączają się między tymi różnymi rodzajami ruchu.

Rys. 11.35. Białka dyfundują w różnym zakresie. Badania techniką śledzenia pojedynczych cząstek ujawniają niektóre szlaki, którymi podążają pojedyncze białka na powierzchni żywej komórki. Poniżej przedstawiono niektóre trajektorie ruchu reprezentujące różne rodzaje białek w błonie komórkowej. (A) Droga przebyta przez białko, które może swobodnie losowo dyfundować w dwuwarstwie lipidowej. (B) Droga przebyta przez białko zatrzymane w obrębie małej domeny błonowej przez inne białka. (C) Droga przebyta przez białko „przycumowane” do cytoszkieletu, a zatem zasadniczo nieruchome. Ruch białek jest monitorowany przez okres kilku sekund

Uwolnione z komórek

W wielu przypadkach naukowcy chcą zbadać zachowanie określonego typu białka błonowego w sztucznej dwuwarstwie lipidowej, pod nieobecność innych białek, które mogłyby ograniczać jego ruch lub zmienić jego aktywność. Do takich badań białka błonowe można izolować z komórek, a następnie oczyścić i poddać rekonstytucji w sztucznych pęcherzykach fosfolipidowych (rys. 11.36). Lipidy pozwalają oczyszczonemu białku na zachowanie jego właściwej struktury i funkcji, tak aby jego aktywność i zachowanie mogły być szczegółowo analizowane.

Rys. 11.36. Łagodne detergenty można stosować do solubilizacji i rekonstytucji funkcjonalnych białek błonowych. Białka wbudowane w sztuczne dwuwarstwy lipidowe na ogół dyfundują swobodniej i szybciej niż w błonach komórkowych

Z takich badań wynika, że białka błonowe dyfundują swobodniej i szybciej w sztucznych dwuwarstwach lipidowych niż w błonach komórkowych. Fakt, że większość białek jest mniej mobilna w błonie komórkowej, ma sens, ponieważ błony te są przepełnione wieloma typami białek i zawierają większą różnorodność lipidów niż sztuczna dwuwarstwa lipidowa. Ponadto wiele białek błonowych w komórce jest „przycumowanych” do białek w macierzy zewnątrzkomórkowej lub zakotwiczonych w korze komórki tuż pod błoną komórkową, albo związanych na oba te sposoby (jak pokazano na rys. 11.31). Podsumowując, badania takie zrewolucjonizowały nasze rozumienie białek błonowych oraz architektury i organizacji błon w komórce.W organizmie wielokomórkowym glikokaliks na powierzchni komórek służy jako rodzaj wyróżniającego okrycia, podobnie jak jest nim mundur dla funkcjonariusza policji. Warstwa węglowodanowa jest charakterystyczna dla każdego typu komórki i rozpoznawana przez inne typy komórek, które z nią oddziałują. Na przykład określone oligosacharydy w warstwie węglowodanowej biorą udział w rozpoznawaniu komórki jajowej przez plemniki (co omówiono w rozdz. 19). Podobnie we wczesnych stadiach infekcji bakteryjnej węglowodany na powierzchni leukocytów nazwanych neutrofilami są rozpoznawane przez lektynę na komórkach wyściełających naczynia krwionośne w miejscu infekcji; to rozpoznanie powoduje, że neutrofile przylegają do ściany naczynia krwionośnego, a następnie migrują z krwiobiegu do zakażonej tkanki, gdzie pomagają w usuwaniu bakterii (rys. 11.37).

Rys. 11.37. Rozpoznanie węglowodanów na powierzchni komórek neutrofilów umożliwia tym komórkom immunologicznym rozpoczęcie migracji z krwi do zainfekowanych tkanek. Wyspecjalizowane białka transbłonowe (nazywane lektynami) są wytwarzane przez komórki śródbłonka wyściełającego naczynie krwionośne w odpowiedzi na sygnały chemiczne pochodzące z miejsca zakażenia. Białka te rozpoznają określone grupy cukrowe glikolipidów i glikoprotein na powierzchni neutrofili (rodzaj leukocytów, nazywanych również krwinkami białymi) krążących we krwi. Neutrofile w konsekwencji przylegają do komórek śródbłonka, które wyściełają ścianę naczyń krwionośnych. To połączenie nie jest zbyt silne, ale prowadzi do innego, znacznie silniejszego oddziaływania białko–białko (nie pokazano), które pomaga prześlizgiwać się neutrofilowi między komórkami śródbłonka, dzięki czemu może on migrować z krwiobiegu do miejsca zakażenia w danej tkance (film 11.9)

Streszczenie

- Błony umożliwiają komórkom tworzenie barier ograniczających występowanie poszczególnych cząsteczek do określonych przedziałów. Składają się one z ciągłej podwójnej warstwy – dwuwarstwy – cząsteczek lipidów, w której osadzone są białka.
- Dwuwarstwa lipidowa stanowi podstawę struktury wszystkich błon w komórce i umożliwia im pełnienie funkcji bariery.
- Cząsteczki lipidów błonowych są amfipatyczne, mają rejony zarówno hydrofobowe, jak i hydrofilowe. Po umieszczeniu w wodzie, ta właściwość sprzyja ich spontanicznemu składaniu się w dwuwarstwy tworzące zamknięte przedziały, które w przypadku uszkodzenia spontanicznie się zasklepiają.
- Istnieją trzy główne klasy cząsteczek lipidów błonowych: fosfolipidy, steroidy i glikolipidy.
- Dwuwarstwa lipidowa jest płynna, a poszczególne cząsteczki lipidowe są zdolne do dyfuzji w obrębie własnej monowarstwy; nie przechodzą jednak spontanicznie z jednej monowarstwy do drugiej.
- Dwie monowarstwy błony komórkowej mają różne składy lipidowe, odzwierciedlające różne funkcje dwóch powierzchni błony.
- Komórki bakteryjne żyjące w różnych temperaturach zachowują płynność błony poprzez modyfikację składu lipidowego ich błon¹.
- Białka błonowe są odpowiedzialne za większość funkcji błon komórkowych, w tym za transport małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek przez dwuwarstwę lipidową.
- Białka transbłonowe przechodzą przez dwuwarstwę lipidową, zwykle jako jedna lub więcej helis α, ale czasami jako wiele harmonijek β tworzących łącznie strukturę beczułki.
- Inne białka błonowe nie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową, ale są przyłączone do jednej lub drugiej strony błony poprzez niekowalencyjne połączenie z innymi białkami błonowymi, przez kowalencyjne przyłączenie do lipidów lub przez połączenie odsłoniętej amfipatycznej helisy α z pojedynczą monowarstwą lipidową.
- Większość błon komórkowych jest wzmocniona przymocowanym do niej rusztowaniem białek. Szczególnie ważnym przykładem jest sieć włóknistych białek, która pod powierzchnią błony komórkowej tworzy korę komórki.
- Chociaż wiele białek błonowych może szybko dyfundować w płaszczyźnie błony, komórki mają sposoby ograniczania obecności białek do określonych domen błonowych. Mogą również unieruchamiać poszczególne białka błonowe, przyłączając je do wewnątrzkomórkowych lub zewnątrzkomórkowych makrocząsteczek.
- Wiele białek i niektóre lipidy eksponowane na powierzchni komórek mają przyłączone łańcuchy cukrowe. Tworzą one warstwę węglowodanową, która pomaga chronić powierzchnię komórki i nadać jej śliskość, a jednocześnie bierze udział w specyficznym rozpoznawaniu komórek między sobą.

HASŁA

amfipatyczny

bakteriorodopsyna

białko błonowe

błona komórkowa

cholesterol

detergent

domena błonowa

dwuwarstwa lipidowa

fosfatydylocholina

fosfolipid

glikokaliks

kora komórki

kropla tłuszczu

nasycone (wiązanie)

nienasycone (wiązanie)

Pytania

PYTANIE 11.7

Opisz różne metody stosowane przez komórki do ograniczenia występowania białek do określonych obszarów błony komórkowej. Czy błona z wieloma takimi białkami nadal może być płynna?

PYTANIE 11.8

Które z poniższych stwierdzeń są poprawne? Wyjaśnij swoje odpowiedzi.

A. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej obracają się szybko wokół swojej długiej osi.

B. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej szybko wymieniają się miejscami w obrębie jednej monowarstwy.

C. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej nie przemieszczają się łatwo ruchem „flip-flop” z jednej monowarstwy lipidowej do drugiej.

D. Wiązania wodorowe, które tworzą się między grupami głów lipidów i cząsteczkami wody, są nieustannie zrywane i ponownie formowane.

E. Glikolipidy przemieszczają się podczas syntezy między różnymi błonami zamykającymi przedziały, ale zawsze pozostają po tej samej stronie dwuwarstwy lipidowej.

F. Margaryna zawiera więcej nasyconych lipidów niż olej roślinny, z którego jest wytwarzana.

G. Niektóre białka błonowe są enzymami.

H. Warstwa cukru otaczająca komórki sprawia, że komórki są bardziej śliskie.

PYTANIE 11.9

Co oznacza termin „płyn dwuwymiarowy”?

PYTANIE 11.10

Strukturę dwuwarstwy lipidowej określają szczególne właściwości jej cząsteczek lipidowych. Co by się stało, gdyby:

A. Fosfolipidy miały tylko jeden ogon węglowodorowy zamiast dwóch?

B. Ogony węglowodorowe były krótsze niż normalnie, na przykład zawierały około 10 atomów węgla?

C. Wszystkie ogony węglowodorowe były nasycone?

D. Wszystkie ogony węglowodorowe były nienasycone?

E. Dwuwarstwa zawierała mieszaninę dwóch rodzajów cząsteczek fosfolipidów; z dwoma nasyconymi ogonami węglowodorowymi i z dwoma nienasyconymi ogonami węglowodorowymi?

F. Każda cząsteczka fosfolipidu była kowalencyjnie połączona przez końcowy atom węgla jednego z jej ogonów węglowodorowych z ogonem fosfolipidu w drugiej monowarstwie?

PYTANIE 11.11

Jakie są różnice między cząsteczką fosfolipidu a cząsteczką detergentu? Jak musiałaby zmienić się struktura cząsteczki fosfolipidu, aby stała się detergentem?

PYTANIE 11.12

A. Cząsteczki lipidów błonowych wymieniają miejsca ze swoimi sąsiadami lipidowymi co 10^(–7) sekundy. Cząsteczka lipidu dyfunduje z jednego końca komórki bakteryjnej o obwodzie 2 μm do drugiego w około 0,2 sekundy. Czy te dwie liczby są zgodne (załóżmy, że średnica grupy głowy lipidu wynosi około 0,5 nm)? Jeśli nie, czy możesz znaleźć przyczynę tej niezgodności?

B. Aby wyobrazić sobie dużą szybkość dyfuzji cząsteczek, załóżmy, że grupa głowy lipidu ma rozmiar piłeczki do ping-ponga (średnica 4 cm) i że podłoga w salonie (6 × 6 m) jest zakryta od ściany do ściany tymi kulkami. Gdyby dwie sąsiednie piłeczki wymieniały się miejscami raz na 10^(–7) sekundy, jaka byłaby ich prędkość w kilometrach na godzinę? Ile czasu zajęłoby piłeczce przesunięcie się z jednej strony pokoju na drugą?

PYTANIE 11.13

Dlaczego błona komórkowa erytrocytów potrzebuje białek transbłonowych?

PYTANIE 11.14

Wyobraź sobie białko transbłonowe, które tworzy hydrofilowy por w błonie komórkowej komórki eukariotycznej. Kiedy białko to jest aktywowane przez wiązanie specyficznego liganda po stronie zewnątrzkomórkowej, pozwala jonom Na⁺ wejść do komórki. Białko składa się z pięciu podobnych podjednostek transbłonowych, z których każda zawiera przechodzącą przez błonę helisę α z hydrofilowymi łańcuchami bocznymi aminokwasów na jednej powierzchni helisy i hydrofobowymi łańcuchami bocznymi aminokwasów na przeciwległej powierzchni helisy. Biorąc pod uwagę funkcję białka jako kanału dla jonów Na⁺ wchodzących do komórki, zaproponuj możliwe rozmieszczenie pięciu błonowych helis α w błonie.

PYTANIE 11.15

W błonie erytrocytu człowieka stosunek masy białek (średnia masa cząsteczkowa = 50 000) do masy fosfolipidów (masa cząsteczkowa = 800) i do cholesterolu (masa cząsteczkowa = 386) wynosi około 2 : 1 : 1. Ile cząsteczek lipidów przypada na każdą cząsteczkę białka?

PYTANIE 11.16

Narysuj schemat, który pokazuje dwie błony komórkowe łączące się ze sobą podczas fuzji komórek, jak pokazano na rysunku 11.30. Zaznacz białka błonowe w obu komórkach, które zostały wyznakowane z zewnątrz przez przyłączenie różnokolorowych cząsteczek znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał. Uwzględnij na rysunku los tych kolorowych znaczników, gdy komórki ulegną fuzji. Czy znaczniki fluorescencyjne pozostaną na zewnątrz komórki hybrydowej po fuzji komórek i nadal tam będą po wymieszaniu białek błonowych, które następuje podczas inkubacji w 37°C? Jaki byłby wynik eksperymentu, gdyby inkubację przeprowadzono w 0°C?

PYTANIE 11.17

Porównaj siły hydrofobowe, które utrzymują białko błonowe w dwuwarstwie lipidowej z siłami, które pomagają białkom zwinąć się w unikatową strukturę przestrzenną (co opisano w rozdz. 4).

PYTANIE 11.18

Który z poniższych organizmów będzie miał największą procentową zawartość nienasyconych fosfolipidów w błonach? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

A. Ryba antarktyczna

B. Wąż pustynny

C. Człowiek

D. Niedźwiedź polarny

E. Termofilna bakteria, która żyje w gorących źródłach w temperaturze 100°C.

PYTANIE 11.19

Która z trzech 20-aminokwasowych sekwencji wymienionych poniżej i zapisanych w jednoliterowym kodzie aminokwasowym jest najbardziej prawdopodobnym kandydatem do utworzenia regionu transbłonowego (helisa α) białka transbłonowego? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

A. I T L I Y F G N M S S V T Q T I L L I S

B. L L L I F F G V M A L V I V V I L L I A

C. L L K K F F R D M A A V H E T I L E E S

PYTANIE 11.20

Rysunek P11.20 przedstawia strukturę triacyloglicerolu. Czy cząsteczka ta może zostać włączona do dwuwarstwy lipidowej? Jeśli tak, która część cząsteczki byłaby skierowana do wnętrza dwuwarstwy i która byłaby skierowana do środowiska wodnego po obu stronach dwuwarstwy? Jeśli nie, to jaki rodzaj struktury tworzą te cząsteczki w środowisku wodnym wewnątrz komórki?

Rys. P11–20ROZDZIAŁ DWUNASTY 12

Transport przez błony

Zasady transportu błonowego

Transportery i ich funkcje

Kanały jonowe i potencjał błonowy

Kanały jonowe i sygnalizacja w komórkach nerwowych

Komórki żyją i rosną dzięki wymianie cząsteczek z otoczeniem. Muszą pobierać składniki odżywcze, takie jak cukry i aminokwasy, oraz usuwać zbędne produkty metabolizmu. Muszą także regulować stężenia jonów nieorganicznych w cytozolu i organellach. Niektóre cząsteczki rozpuszczone w wodzie, takie jak CO₂ i O₂, mogą przenikać przez dwuwarstwę lipidową błony komórkowej, ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak więc ich przenoszenie przez błonę jest uzależnione od błonowych białek transportujących, które przechodząc przez całą szerokość dwuwarstwy, zapewniają swoisty transport wybranych substancji (rys. 12.1).

Rys. 12.1. Błony komórkowe zawierają wyspecjalizowane błonowe białka transportujące, które przenoszą małe jony lub cząsteczki rozpuszczone w wodzie. (A) Pozbawione białek sztuczne dwuwarstwy lipidowe, takie jak liposomy (patrz rys. 11.13), są nieprzepuszczalne dla większości cząsteczek rozpuszczonych w wodzie. (B) Natomiast błony komórkowe zawierają błonowe białka transportujące (jasnozielony), a każde z nich przenosi określoną substancję w poprzek błony. Taki selektywny transport może zachodzić na drodze dyfuzji ułatwionej określonych jonów lub cząsteczek w poprzek błony (niebieskie koła), jak również aktywnego pompowania określonych substancji na zewnątrz (fioletowe trójkąty) lub do wnętrza (zielone paski) komórki. Dla pozostałych cząsteczek błona jest nieprzepuszczalna (czerwone kwadraty). Wspólne działanie różnych białek transportujących prowadzi do nagromadzenia się określonego zestawu cząsteczek w przedziale odizolowanym błoną, takim jak cytozol lub organelle

W tym rozdziale omówimy sposoby kontroli ruchu jonów nieorganicznych i małych rozpuszczonych w wodzie cząsteczek do środka i na zewnątrz komórki oraz jej organelli otoczonych błonami. Komórki potrafią również selektywnie przenosić przez błony duże makrocząsteczki, takie jak białka, ale transport ten wymaga skomplikowanej maszynerii, którą omówiono w rozdziale 15.

Rozdział ten rozpoczniemy od zarysu niektórych podstawowych zasad dotyczących transportu jonów i małych cząsteczek przez błony komórkowe. Następnie opiszemy dwie główne klasy białek błonowych, które odpowiadają za ten transport: transportery i kanały. Transportery przenoszą małe cząsteczki organiczne lub jony nieorganiczne z jednej strony błony na drugą poprzez zmianę swojej konformacji. Kanały natomiast tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje rozpuszczone mogą przechodzić na zasadzie dyfuzji. Większość kanałów przepuszcza tylko jony i dlatego określa się je jako kanały jonowe. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny, ich przemieszczanie może wytworzyć znaczną siłę elektryczną, czyli napięcie elektryczne w poprzek błony. W ostatniej części tego rozdziału omówimy sposób, w jaki siły te umożliwiają komórkom nerwowym wzajemną komunikację, a w konsekwencji – wpływają na to, jak się zachowujemy.

Zasady transportu błonowego

Jak omówiliśmy w rozdziale 11, hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy lipidowej tworzy barierę dla przepływu większości cząsteczek hydrofilowych, w tym wszystkich jonów. Cząsteczki te tak samo niechętnie wchodzą w środowisko tłuszczowe, jak cząsteczki hydrofobowe niechętnie oddziałują z wodą. Ale komórki i ich organelle muszą umożliwiać przepływ wielu hydrofilowych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, takich jak jony nieorganiczne, cukry, aminokwasy, nukleotydy i liczne metabolity komórkowe. Cząsteczki te zbyt wolno przenikają dwuwarstwy lipidowe na drodze dyfuzji prostej, więc ich przejście przez błony musi być przyspieszone przez wyspecjalizowane białka transportujące. Proces ten nazywany jest dyfuzją ułatwioną. W tej części omówimy podstawowe zasady takiego ułatwionego transportu przez błony i przedstawimy różne typy białek błonowych, które pośredniczą w takim transporcie. Wyjaśnimy również, dlaczego transport – w szczególności jonów nieorganicznych – ma tak fundamentalne znaczenie dla wszystkich komórek.

Dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów i większości substancji rozpuszczalnych w wodzie

Jeśli czas obserwacji będzie wystarczająco długi, okaże się, że praktycznie każda cząsteczka dyfunduje przez dwuwarstwę lipidową. Szybkość dyfuzji zmienia się jednak znacznie w zależności od wielkości cząsteczki i cech jej rozpuszczalności. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza oraz im bardziej hydrofobowa lub niepolarna jest cząsteczka, tym szybsza będzie jej dyfuzja przez dwuwarstwę lipidową.

Oczywiście wiele ważnych dla funkcjonowania komórki cząsteczek rozpuszcza się w wodzie i ma charakter polarny. Tego typu substancje rozpuszczone (w tym przypadku rozpuszczone w wodzie) nie są w stanie przejść przez dwuwarstwę lipidową bez pomocy błonowych białek transportujących. Względną łatwość, z jaką różne substancje rozpuszczone mogą przenikać dwuwarstwę lipidową bez udziału białek transportujących, pokazano na rysunku 12.2.

Rys. 12.2. Szybkość, z jaką substancja rozpuszczona dyfunduje przez pozbawioną białek sztuczną dwuwarstwę lipidową, zależy od jej wielkości i rozpuszczalności. Wiele cząsteczek organicznych wykorzystywanych przez komórkę jako substancje odżywcze (czerwony), to cząsteczki zbyt duże i polarne, by mogły przejść przez sztuczną dwuwarstwę pozbawioną odpowiednich białek transportujących

1. Małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen cząsteczkowy (O₂, masa cząsteczkowa 32 daltony) i dwutlenek węgla (CO₂, 44 daltony), łatwo rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują; przepuszczalność dla gazów jest dla komórki bardzo istotna, ponieważ umożliwia ona procesy oddechowe, omówione w rozdziale 14.

2. Nienaładowane cząsteczki polarne (cząsteczki o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku elektrycznym) również szybko dyfundują poprzez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe. Na przykład woda (18 daltonów) i etanol (46 daltonów) przechodzą dość szybko, podczas gdy glicerol (92 daltony) dyfunduje wolniej. Większe nienaładowane cząsteczki polarne, takie jak glukoza (180 daltonów), nie dyfundują prawie wcale.

3. Dwuwarstwy lipidowe są natomiast wysoce nieprzepuszczalne dla wszystkich substancji naładowanych, w tym jonów nieorganicznych, nawet jeśli są one bardzo małe. Ładunek cząsteczek i ich silne przyciąganie elektryczne do cząsteczek wody uniemożliwiają naładowanym cząsteczkom wejście do węglowodorowego rdzenia dwuwarstwy. Tak więc pozbawione białek dwuwarstwy lipidowe są miliard (10⁹) razy bardziej przepuszczalne dla wody niż dla tak małych jonów jak Na⁺ lub K⁺.

Stężenia jonów wewnątrz komórki różnią się bardzo od ich stężeń na zewnątrz

Ponieważ dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów nieorganicznych, komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w ich otoczeniu. Różnice te są kluczowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. Najważniejszymi dla komórek jonami nieorganicznymi są Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^(–), i H⁺ (protony). Ich przechodzenie przez błony komórkowe stanowi istotną część wielu procesów komórkowych, ale chyba najbardziej uderzającym przykładem jest synteza ATP prowadzona przez wszystkie komórki (co omówimy w rozdz. 14) i działanie komórek nerwowych (o czym będziemy mówić później).

Na zewnątrz komórki Na⁺ jest najliczniejszym dodatnio naładowanym jonem (kationem), podczas gdy K⁺ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu (tab. 12.1). Aby komórka nie została rozerwana przez siły elektryczne, liczba ładunków dodatnich wewnątrz komórki musi być równoważona przez prawie taką samą liczbę ładunków ujemnych, przy czym to samo dotyczy ładunków w otoczeniu komórki. Duże stężenie Na⁺ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl^(–), podczas gdy duże stężenie K⁺ wewnątrz komórki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych organicznych i nieorganicznych jonów (anionów), w tym kwasy nukleinowe, białka i liczne metabolity wewnątrzkomórkowe (patrz tab. 12.1).

TABELA 12.1. PORÓWNANIE STĘŻEŃ JONÓW NA ZEWNĄTRZ I WEWNĄTRZ TYPOWEJ KOMÓRKI SSAKA

Jon

Stężenie wewnątrzkomórkowe (mM)

Stężenie zewnątrzkomórkowe (mM)

Kationy

Na⁺

5–15

145

K⁺

140

5

Mg²⁺

0,5*

1–2

Ca²⁺

10^(–4)*

1–2

H⁺

7 × 10^(–5) (10^(–7,2) M, czyli pH 7,2)

4 × 10^(–5) (10^(–7,4) M, czyli pH 7,4)

Aniony**

Cl^(–)

5–15

110

* Podane stężenia Mg²⁺ i Ca²⁺ dotyczą wolnych jonów. W komórkach jest łącznie około 20 mM Mg²⁺ i 1–2 mM Ca²⁺, ale większość tych jonów jest związana z białkami i innymi cząsteczkami organicznymi, a w przypadku Ca²⁺ przechowywana jest w różnych organellach.

** Oprócz Cl^(–) komórka zawiera wiele innych anionów niewymienionych w tej tabeli. W rzeczywistości większość składników komórki ma ładunek ujemny (HCO₃^(–), PO₄^(3–), białka, kwasy nukleinowe, metabolity zawierające grupy fosforanowe i karboksylowe itp.).

Różnice w stężeniu jonów nieorganicznych w poprzek błony komórkowej tworzą potencjał błonowy

Chociaż ładunki elektryczne wewnątrz i na zewnątrz komórki są utrzymywane we względnej równowadze, może się pojawić mały nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych. Zagęszczenie tych ładunków jest największe w bezpośrednim sąsiedztwie błony komórkowej. Obecna w poprzek błony nierównowaga elektryczna tworzy różnicę potencjałów elektrycznych, którą określa się jako potencjał błonowy.

Gdy komórka nie jest pobudzona, przepływ kationów i anionów przez błonę komórkową jest precyzyjnie równoważony. W tak ustabilizowanych warunkach różnica potencjałów między obiema stronami błony komórkowej, zwana spoczynkowym potencjałem błonowym, w skrócie potencjałem spoczynkowym, utrzymuje się na stałym poziomie. Jednakże wartość potencjału spoczynkowego nie jest równa zeru. Na przykład w komórkach zwierzęcych jego wartość mieści się między –20 a –200 miliwoltów (mV), w zależności od organizmu i typu komórki. Wartość ta jest wyrażona jako liczba ujemna, ponieważ wnętrze komórki jest bardziej naładowane ujemnie niż jej otoczenie.

Potencjał błonowy napędza transport niektórych metabolitów i zapewnia komórkom pobudliwym możliwość komunikowania się z sąsiednimi komórkami. Jak wkrótce wyjaśnimy, to właśnie aktywność różnych białek transportujących osadzonych w dwuwarstwie umożliwia komórkom wytworzenie i utrzymanie charakterystycznego potencjału błonowego.

Błonowe białka transportujące dzielimy na dwie główne klasy: transportery i kanały

Błonowe białka transportujące występują w wielu formach i we wszystkich typach błon biologicznych. Każde z tych białek tworzy przejście na drugą stronę błony dla określonej substancji rozpuszczonej w wodzie, na przykład jonu, cukru czy aminokwasu. Większość białek transportujących jest jednak jeszcze bardziej wyspecjalizowana, przepuszczając tylko określonych przedstawicieli danej klasy jonów lub cząsteczek: na przykład niektóre z białek transportują Na⁺, ale nie K⁺, inne K⁺, ale nie Na⁺, itd. Każdy typ błony ma swój charakterystyczny zestaw białek transportujących, który ściśle decyduje o tym, które substancje rozpuszczone w wodzie mogą przechodzić do wewnątrz i na zewnątrz komórki lub organelli.

Jak omówiono w rozdziale 11, łańcuchy polipeptydowe większości białek prowadzących transport przez błonę wielokrotnie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową. Są to więc białka o licznych domenach transbłonowych (patrz rys. 11.24). Gdy te odcinki transbłonowe skupiają się razem, tworzą wyścielony białkiem tunel, pozwalający wybranym małym hydrofilowym cząsteczkom na przechodzenie przez błonę bez wchodzenia w bezpośredni kontakt z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej.

Komórkowe błonowe białka transportujące dzielimy na dwie główne klasy: transportery i kanały. Zasadnicza różnica między transporterem a kanałem polega na sposobie, w jaki rozróżniają one substancje rozpuszczone, dzięki czemu transportują tylko niektóre z nich (rys. 12.3). Kanały rozróżniają transportowane cząsteczki na podstawie ich wielkości i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, mogą się prześlizgnąć jedynie jony o odpowiedniej wielkości i odpowiednim ładunku. Natomiast transportery przenoszą tylko takie cząsteczki lub takie jony, które pasują do miejsca wiążącego białka. Transportery wiążą przenoszone substancje z dużą swoistością, w ten sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat. To właśnie wymóg swoistego wiązania nadaje transportowi selektywność.

Rys. 12.3. Jony nieorganiczne i małe polarne cząsteczki organiczne mogą przechodzić przez błonę komórkową z udziałem transporterów lub kanałów. (A) Kanał tworzy w poprzek dwuwarstwy lipidowej hydrofilowy por, przez który mogą dyfundować określone jony nieorganiczne lub, w niektórych przypadkach, polarne cząsteczki organiczne. Kanały jonowe mogą istnieć w stanie otwartym lub zamkniętym, ale transportują jony tylko wtedy, gdy znajdują się w pokazanym na rysunku stanie otwartym. Otwieranie i zamykanie kanałów jest zazwyczaj kontrolowane przez bodźce zewnętrzne lub przez warunki istniejące w komórce. (B) Transporter przechodzi szereg zmian konformacyjnych w celu przeniesienia małych substancji rozpuszczonych przez dwuwarstwę lipidową. Transportery są bardzo selektywne dla rozpuszczonych substancji, wiążą je i przenoszą znacznie wolniej niż kanały

Transport bierny i aktywny umożliwiają substancjom rozpuszczonym przejście przez błonę

Transportery i kanały pozwalają małym hydrofilowym cząsteczkom i jonom przenikać przez błonę komórkową. Ale co kontroluje kierunek przechodzenia tych substancji do środka lub na zewnątrz komórki (lub organelli)? W wielu przypadkach kierunek transportu zależy tylko od stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach błony. Jeśli tylko istnieje odpowiednia droga, substancje spontanicznie przechodzą „w dół”, z przedziału o wysokim stężeniu do przedziału o niskim stężeniu. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły napędowej. Jeśli na przykład substancja rozpuszczona występuje w wyższym stężeniu poza komórką niż w jej wnętrzu i gdy w błonie komórkowej obecny jest odpowiedni kanał lub transporter, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki dzięki transportowi biernemu (nazywanemu też dyfuzją ułatwioną – przyp. tłum.), bez wydatku energii ze strony białka transportującego. „Środkami” transportu biernego są wszystkie kanały i wiele transporterów.

Aby jednak przenieść substancję rozpuszczoną wbrew gradientowi stężeń, białko transportujące musi wykonać pracę: musi napędzać przepływ substancji „pod górę” z przedziału o niższym stężeniu do przedziału o wyższym stężeniu. Aby było to możliwe, sprzęga ono transport z innym procesem, który dostarcza energii (jak omówiono w rozdz. 3). Ten sposób przemieszczania substancji rozpuszczonej przez błonę nazywany jest transportem aktywnym. Prowadzony jest on przez określony typ transporterów nazwany pompami, które mogą do procesu transportu zaprzęgnąć określone źródła energii (rys. 12.4). Jak wkrótce omówimy, energia ta może pochodzić z hydrolizy ATP, jonowego gradientu stężeń lub światła słonecznego.

Rys. 12.4. Transport bierny lub aktywny umożliwia przejście substancji rozpuszczonych przez błonę. Niektóre małe niepolarne cząsteczki, takie jak CO₂ (patrz rys. 12.2), mogą się przemieszczać bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową bez udziału błonowego białka transportującego, dzięki dyfuzji prostej w kierunku zgodnym ze swoim gradientem stężeń. Jednak większość substancji rozpuszczonych wymaga udziału kanału, nośnika lub pompy. Transport bierny przebiega w kierunku zgodnym z gradientem stężeń i zachodzi spontanicznie, podczas gdy transport aktywny przebiega wbrew gradientowi stężeń i wymaga dodatkowego nakładu energii. Tylko transportery prowadzą transport aktywny. Transportery takie nazywane są pompami

Gradient stężeń i potencjał błonowy napędzają transport bierny substancji posiadającej ładunek elektryczny

Jak stwierdziliśmy powyżej, dla nienaładowanej cząsteczki kierunek transportu biernego jest określony wyłącznie przez jej gradient stężeń. Jednakże w przypadku substancji mających ładunek elektryczny, zarówno jonów nieorganicznych, jak i małych cząsteczek organicznych, w grę wchodzi dodatkowa siła. Jak objaśniliśmy wcześniej, w poprzek większości błon w komórce występuje różnica potencjałów, czyli różnica w rozmieszczeniu ładunku, którą określa się jako potencjał błonowy. Działa on z określoną siłą na każdą cząsteczkę, która ma ładunek elektryczny. Cytoplazmatyczna powierzchnia błony komórkowej ma zazwyczaj potencjał ujemny względem otoczenia komórki, a to ułatwia wprowadzanie dodatnio naładowanych cząsteczek i jonów do komórki i wypychanie z niej substancji naładowanych ujemnie.

Równocześnie naładowane substancje rozpuszczone, jak i te nienaładowane, przemieszczają się w kierunku ich mniejszego stężenia. Siła wypadkowa kierująca przemieszczaniem się naładowanych substancji przez błonę składa się więc z dwóch sił składowych, z których jedna wynika z gradientu stężeń, a druga z potencjału błonowego. Ta siła wypadkowa, określana jako gradient elektrochemiczny, determinuje kierunek transportu biernego przez błonę.

Dla pewnych jonów napięcie elektryczne i gradient stężeń działa w tym samym kierunku, tworząc względnie silny gradient elektrochemiczny (rys. 12.5A). Tak jest na przykład w przypadku Na⁺, który jest naładowany dodatnio i którego stężenie jest wyższe na zewnątrz komórki niż w jej wnętrzu (patrz tab. 12.1). Dlatego też, gdy tylko pojawi się taka możliwość, Na⁺ będzie dążył do wejścia do komórki. Gdy napięcie elektryczne i gradient stężeń działają w przeciwnych kierunkach, wypadkowy gradient elektrochemiczny może być mały (rys. 12.5B). Tak jest w przypadku K⁺, który występuje w znacznie wyższym stężeniu we wnętrzu komórek, gdzie potencjał spoczynkowy jest ujemny. Gdy komórki są w stanie spoczynkowym, K⁺ ma mały gradient elektrochemiczny w poprzek błony. Wypadkowe przemieszczanie K⁺ przez błony jest zatem niewielkie, nawet gdy kanały K⁺ są w stanie otwartym.

Rys. 12.5. Gradient elektrochemiczny składa się z dwóch sił składowych. Wypadkowa siła napędowa, która ma zdolność do przemieszczania naładowanej substancji rozpuszczonej przez błonę komórkową – jej gradient elektrochemiczny – jest sumą siły wynikającej z gradientu stężeń substancji rozpuszczonej i siły potencjału błonowego. Potencjał błonowy jest tu wyrażony w postaci znaków + i – po obu stronach błony. Szerokość zielonej strzałki przedstawia wielkość gradientu elektrochemicznego. (A) Gradient stężeń i potencjał błonowy współdziałają, zwiększając siłę napędzającą przemieszczanie się substancji rozpuszczonej w poprzek błony. Jest tak w przypadku Na⁺. (B) Potencjał błonowy przeciwdziała gradientowi stężeń, zmniejszając elektrochemiczną siłę napędową. Tak jest w przypadku K⁺

Woda przemieszcza się w poprzek błon komórkowych zgodnie z jej gradientem stężeń – proces ten nazywamy osmozą

Komórki składają się głównie z wody (zazwyczaj około 70% masy), a więc ruch wody przez błony komórkowe ma zasadnicze znaczenie dla życia. Ponieważ cząsteczki wody są małe i nienaładowane, mogą bezpośrednio dyfundować przez dwuwarstwę lipidową (patrz rys. 12.2). Jednakże takie przemieszczanie się cząsteczek wody zachodzi stosunkowo wolno. Niektóre komórki zawierają w swojej błonie wyspecjalizowane kanały nazwane akwaporynami, które ułatwiają transport wody (rys. 12.6 i film 12.1). W przypadku wielu komórek, takich jak te w nerkach i w różnych gruczołach wydzielniczych, akwaporyny są niezbędne dla ich funkcji.

Rys. 12.6. Cząsteczki wody szybko dyfundują przez kanały akwaporyny w błonie komórkowej niektórych komórek. (A) Każdy kanał akwaporyny, przypominający kształtem klepsydrę, tworzy por w dwuwarstwie, umożliwiając selektywne przejście cząsteczek wody. Przedstawiona na rysunku akwaporyna jest biologicznie aktywnym tetramerem. (B) Na tym obrazie, pochodzącym z symulacji dynamiki molekularnej w czasie rzeczywistym, można zobaczyć cztery kolumny cząsteczek wody (niebieskie) przechodzące przez pory tetrameru akwaporyny (nie pokazano). Zaznaczona jest przestrzeń, w której znajduje się błona komórkowa (B: zaczerpnięto z B. de Groot i H. Grubmüller, Science 294: 2353–2357, 2001)

Nasuwa się jednak pytanie, czy w przypadku wypełnionych wodą komórek w środowisku wodnym cząsteczki wody wykazują tendencję do wchodzenia do komórki, czy też do jej opuszczania? Jak zobaczyliśmy w tab. 12.1, w komórce panują wysokie stężenia substancji rozpuszczonych, w tym wielu naładowanych cząsteczek i jonów. Zatem całkowite stężenie substancji rozpuszczonych wewnątrz komórki – zwane również jej osmolarnością – na ogół jest wyższe od stężeń tych substancji na zewnątrz komórki. Powstały gradient osmotyczny może „wciągać” wodę do komórki. Przechodzenie cząsteczek wody zgodnie z jej gradientem stężeń – z obszaru o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej (wysokie stężenie wody) do obszaru o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonej (niskie stężenie wody) – nosi nazwę osmozy.

Osmoza przy braku jakiejkolwiek siły przeciwdziałającej może spowodować pęcznienie komórek. Różne komórki radzą sobie z tym wyzwaniem osmotycznym na różne sposoby. Niektóre pierwotniaki słodkowodne, takie jak ameby, eliminują nadmiar wody za pomocą kurczliwych wakuoli (nazwanych wodniczkami tętniącymi – przyp. tłum.), które okresowo wyrzucają swoją zawartość na zewnątrz (rys. 12.7A). Komórki roślinne są chronione przed pęcznieniem i pękaniem przez sztywne ściany komórkowe, dlatego mogą tolerować duże różnice osmotyczne po obu stronach ich błony komórkowej (rys. 12.7B). W rzeczy samej, dzięki ciśnieniu osmotycznemu (inaczej turgorowi) u roślin ściany komórkowe pozostają napięte, łodygi zachowują sztywność, a liście utrzymują rozwiniętą postać. W przypadku utraty turgoru rośliny więdną. Komórki zwierzęce utrzymują równowagę osmotyczną dzięki pompom do usuwania jonów takich jak Na⁺, które wykazują tendencję do wnikania do komórki (rys. 12.7C).

Rys. 12.7. Komórki stosują różne sposoby uniknięcia pęcznienia osmotycznego. (A) Słodkowodna ameba unika pęcznienia przez okresowe wyrzucanie wody wnikającej do komórki i gromadzącej się w kurczliwych wakuolach (wodniczkach tętniących). Wodniczka tętniąca najpierw wypełnia się roztworem bogatym w substancje rozpuszczone, co pociąga za sobą napływ wody na drodze osmozy. Następnie, zanim zawartość wodniczki zostanie wyrzucona na zewnątrz, komórka odzyskuje substancje rozpuszczone przez ich aktywne pompowanie do cytozolu. (B) Komórka roślinna jest chroniona przed pęcznieniem przez sztywną ścianę komórkową. (C) Komórka zwierzęca utrzymuje małe wewnątrzkomórkowe stężenie substancji rozpuszczonych przez wypompowywanie jonów

Transportery i ich funkcje

Transportery są odpowiedzialne za przechodzenie w poprzek błon komórkowych większości małych rozpuszczalnych w wodzie organicznych cząsteczek i niektórych jonów nieorganicznych. Każdy transporter jest wysoce selektywny, tj. często przenosi tylko jeden rodzaj substancji rozpuszczonej. Aby kierować transportem i napędzać złożony ruch małych cząsteczek zarówno wchodzących do komórki, jak i z niej wychodzących oraz przemieszczających się między cytozolem a różnymi organellami otoczonymi błonami, każda błona w komórce zawiera charakterystyczny dla siebie zestaw białek transportujących. Dla przykładu w błonie komórkowej znajdują się nośniki importujące substancje odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy; w błonie lizosomów znajdują się zakwaszająca ich wnętrze pompa H⁺, która importuje H⁺, oraz nośniki przenoszące produkty trawienia z lizosomu do cytozolu; w wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajdują się nośniki umożliwiające import pirogronianu, który jest wykorzystywany przez mitochondria jako paliwo do napędzania syntezy ATP, a także nośniki do eksportu ATP do cytozolu (rys. 12.8).

Rys. 12.8. Każda błona w komórce zawiera charakterystyczny zestaw białek transportujących. Transportery umożliwiają każdej błonie biologicznej wykonywanie unikatowych funkcji. Pokazano tylko kilka (z wielu) białek transportujących

PYTANIE 12.1

Prostą reakcję enzymatyczną można opisać równaniem E + S ↔ ES ↔ E + P, gdzie E jest enzymem, S substratem, P produktem, a ES kompleksem enzym–substrat.

A. Napisz analogiczne równanie opisujące działanie transportera (T), który prowadzi transport substancji rozpuszczonej (S) zgodnie z jej gradientem stężeń.

B. Co takie równanie może powiedzieć o funkcji białkowego transportera?

C. Dlaczego takie równanie będzie niewłaściwe dla opisu funkcji kanału?

W tej części opiszemy ogólne zasady działania transporterów i bardziej szczegółowo omówimy molekularne mechanizmy transportu kilku kluczowych substancji rozpuszczonych.

Nośniki prowadzące transport bierny przenoszą substancje rozpuszczone zgodnie z ich gradientem elektrochemicznym

Ważnym przykładem nośnika biorącego udział w transporcie biernym jest transporter glukozy (nośnik glukozy) obecny w błonie komórkowej wielu typów komórek ssaków. Białko to, którego łańcuch polipeptydowy tworzy co najmniej 12 odcinków transbłonowych, może przyjmować kilka konformacji, pomiędzy którymi oscyluje odwracanie i przypadkowo. W jednej z tych konformacji nośnik eksponuje miejsca wiążące glukozę na zewnątrz komórki, a w innej eksponuje je do wnętrza komórki.

Ponieważ glukoza jest nienaładowaną cząsteczką, składowa siła elektryczna jej gradientu elektrochemicznego wynosi zero. Zatem kierunek, w którym jest ona transportowana, jest określony przez sam gradient jej stężenia. Gdy na zewnątrz komórki jest dużo glukozy (np. po posiłku), cukier ten wiąże się do wystawionych na zewnątrz miejsc wiążących; gdy białko zmienia swą konformację (robiąc to spontanicznie i losowo), wprowadza te cząsteczki do wnętrza i uwalania je do cytozolu, gdzie stężenie glukozy jest małe (rys. 12.9). I odwrotnie, gdy stężenie glukozy we krwi jest małe (w stanie głodu), hormon nazwany glukagonem stymuluje komórki wątroby do wytwarzania dużych ilości glukozy w wyniku rozkładu glikogenu. W konsekwencji stężenie glukozy w komórkach wątroby staje się wyższe niż na zewnątrz, a glukoza wiąże się do tych miejsc nośnika, które są eksponowane do wnętrza komórki. Gdy białko zmieni swą konformację w przeciwnym kierunku (ponownie robiąc to spontanicznie i losowo), glukoza zostaje wyprowadzona z komórki. W ten sposób glukoza staje się dostępna dla innych komórek, które w tym czasie potrzebują energii. Wypadkowy przepływ glukozy może następować w dowolnym kierunku, ale zgodnie z gradientem stężeń glukozy istniejącym w poprzek błony: do wewnątrz komórki, jeśli więcej glukozy jest na zewnątrz komórki, i na zewnątrz, jeśli sytuacja jest odwrotna.

Rys. 12.9. W transporcie biernym takich substancji rozpuszczonych jak glukoza pośredniczą zmiany konformacyjne białka transportującego. Transporter przedstawiono w trzech stanach konformacyjnych: w stanie otwartym na zewnątrz (po lewej) miejsca wiążące dla substancji rozpuszczonej są eksponowane na zewnątrz; w stanie otwartym do wewnątrz (po prawej) te same miejsca są eksponowane po drugiej stronie dwuwarstwy; w stanie zamkniętym (w środku) miejsca te nie są dostępne z obu stron. Przejścia między tymi stanami następują losowo, są całkowicie odwracalne i, co najważniejsze, nie zależą od związania przenoszonej substancji. Dlatego jeśli stężenie przenoszonej substancji jest większe po zewnętrznej stronie dwuwarstwy, substancja ta będzie częściej wychwytywana w stanie otwartym na zewnątrz komórki niż w stanie otwartym do wewnątrz, dzięki czemu nastąpi transport glukozy zgodnie z jej gradientem stężeń

Chociaż same transportery prowadzące transport bierny nie biorą udziału w określaniu jego kierunku, są one wysoce selektywne względem transportowanych substancji rozpuszczonych. Na przykład nośnik glukozy wiąże tylko D-glukozę, a nie L-glukozę, która stanowi jej lustrzane odbicie i której komórka nie może użyć jako źródła energii.

Pompy aktywnie transportują substancje rozpuszczone wbrew ich gradientom elektrochemicznym

Komórki nie mogą polegać jedynie na transporcie biernym, aby utrzymać właściwą równowagę stężenia substancji rozpuszczonych. Zachowanie wewnątrzkomórkowego składu jonowego i wprowadzanie cząsteczek, których stężenie na zewnątrz jest mniejsze niż w komórce, wymaga aktywnego transportu tych substancji wbrew ich gradientowi elektrochemicznemu. W tym celu komórki wykorzystują transbłonowe pompy, które prowadzą aktywny transport na trzy główne sposoby (rys. 12.10): (i) pompy napędzane¹ gradientem (nośniki sprzężone – przyp. tłum.) sprzęgają transport przez błonę dwóch substancji, w tym substancji transportowanej wbrew gradientowi i substancji transportowanej zgodnie z gradientem; (ii) pompy napędzane ATP prowadzą transport wbrew gradientowi, korzystając z energii uwolnionej w wyniku hydrolizy ATP; (iii) pompy napędzane światłem, obecne głównie w komórkach bakteryjnych, prowadzą transport wbrew gradientowi, korzystając z energii światła słonecznego, o czym wspomniano już w rozdziale 11 w przypadku bakteriorodopsyny (patrz rys. 11.28).

Rys. 12.10. Pompy prowadzą transport aktywny na trzy główne sposoby. Cząsteczkę transportowaną aktywnie zaznaczono kolorem żółtym, a źródło energii kolorem czerwonym

Te różne formy transportu aktywnego są ze sobą sprzężone. Zatem w błonie komórkowej komórki zwierzęcej pompy napędzane przez ATP wyprowadzają z komórki Na⁺ wbrew jego gradientowi elektrochemicznemu, a następnie Na⁺ wpływa do komórek z powrotem, już zgodnie z tym gradientem. Ponieważ Na⁺ wpływa do cytozolu dzięki pompom napędzanym gradientem Na⁺ (nośnikom transportującym Na⁺ – przyp. tłum.), jego napływ stanowi napęd dla aktywnego transportu do komórki wielu innych substancji wbrew ich gradientom elektrochemicznym. Gdyby pompa Na⁺ napędzana ATP przestała działać, gradient Na⁺ prędko by się wyrównał, a transport prowadzony przez pompy napędzane gradientem Na⁺ uległby zatrzymaniu. Dlatego też w komórkach zwierząt napędzana przez ATP pompa Na⁺ odgrywa główną rolę w transporcie małych cząsteczek przez błony. W komórkach roślin, grzybów i wielu bakterii podobną rolę odgrywają pompy napędzane ATP, które w analogiczny sposób wytwarzają protonowy gradient elektrochemiczny przez wypompowywanie H⁺ (protonów) z komórki, o czym będzie mowa później.
mniej..

BESTSELLERY

Kategorie: