Transport membranowy

W biologii komórkowej transport błonowy odnosi się do zbioru mechanizmów regulujących przechodzenie substancji rozpuszczonych , takich jak jony i małe cząsteczki , przez błony biologiczne , które są dwuwarstwą lipidową zawierającą białka w nich osadzona. Regulacja przechodzenia przez membranę jest spowodowana selektywną przepuszczalnością membrany - cechą błon biologicznych, która pozwala im na oddzielanie substancji o odmiennym charakterze chemicznym. Innymi słowy, mogą być przepuszczalne dla pewnych substancji, ale nie dla innych.

W ruchach większości substancji rozpuszczonych przez błonę pośredniczą białka transportujące błonę , które są w różnym stopniu wyspecjalizowane w transporcie określonych cząsteczek. Ponieważ różnorodność i fizjologia różnych komórek jest silnie związana z ich zdolnością do przyciągania różnych elementów zewnętrznych, postuluje się, że istnieje grupa specyficznych białek transportowych dla każdego typu komórki i dla każdego określonego etapu fizjologicznego ^[1] . Ta zróżnicowana ekspresja jest regulowana przez różnicową transkrypcję geny kodujące te białka i ich translację, na przykład poprzez mechanizmy genetyczno-molekularne, ale także na poziomie biologii komórki: produkcja tych białek może być aktywowana przez komórkowe szlaki sygnałowe , na poziomie biochemicznym , a nawet poprzez umiejscowienie w pęcherzyki cytoplazmatyczne . Błona komórkowa reguluje transport materiałów wchodzących i wychodzących z komórki.

Tło

Termodynamicznie przepływ substancji z jednego przedziału do drugiego może zachodzić w kierunku gradientu stężenia lub elektrochemicznego lub wbrew temu. Jeżeli wymiana substancji odbywa się w kierunku gradientu, czyli w kierunku malejącego potencjału, nie ma wymogu doprowadzenia energii z zewnątrz układu; jeśli jednak transport jest przeciwny do gradientu, będzie wymagał wkładu energii, w tym przypadku energii metabolicznej. Na przykład klasycznym mechanizmem chemicznym separacji, który nie wymaga dodawania energii zewnętrznej, jest dializa. W tym układzie półprzepuszczalna membrana oddziela dwa roztwory o różnym stężeniu tej samej substancji rozpuszczonej. Jeśli membrana przepuszcza wodę, ale nie substancję rozpuszczoną, woda przesunie się do przedziału o największym stężeniu substancji rozpuszczonej w celu ustalenia równowagi , w której energia układu jest najmniejsza. Dzieje się tak, ponieważ woda przemieszcza się z wysokiego stężenia rozpuszczalnika do niskiego (w odniesieniu do substancji rozpuszczonej występuje sytuacja odwrotna), a ponieważ woda porusza się wzdłuż gradientu, nie ma potrzeby zewnętrznego wkładu energii.

Schemat błony komórkowej 1. fosfolipid 2. cholesterol 3. glikolipid 4. cukier 5. białko politopowe (białko transbłonowe) 6. białko monotopowe (tutaj glikoproteina) 7. białko monotopowe zakotwiczone przez fosfolipid 8. obwodowe białko monotopowe (tutaj , glikoproteina).

Natura błon biologicznych, zwłaszcza ich lipidów, jest amfifilowa , ponieważ tworzą one dwuwarstwy, które zawierają wewnętrzną warstwę hydrofobową i zewnętrzną warstwę hydrofilową . Ta struktura umożliwia transport na drodze prostej lub biernej dyfuzji , która polega na dyfuzji substancji przez błonę bez wydatkowania energii metabolicznej i bez pomocy białek transportowych. Jeżeli transportowana substancja ma wypadkowy ładunek elektryczny , to będzie się przemieszczać nie tylko w odpowiedzi na gradient stężeń, ale także na gradient elektrochemiczny ze względu na potencjał błonowy .

Względna przepuszczalność dwuwarstwy fosfolipidowej dla różnych substancji

Rodzaj substancji	Przykłady	Zachowanie
Gazy	CO2 , N2 , O2 _	Przepuszczalny
Małe nienaładowane cząsteczki polarne	Mocznik , woda , etanol	Przepuszczalna, całkowicie lub częściowo
Duże nienaładowane cząsteczki polarne	glukoza , fruktoza	Nieprzepuszczalny
jony	K + , Na + , Cl - , HCO 3 -	Nieprzepuszczalny
Naładowane cząsteczki polarne	ATP , aminokwasy , glukozo-6-fosforan	Nieprzepuszczalny

Ponieważ niewiele cząsteczek jest w stanie dyfundować przez błonę lipidową, większość procesów transportowych obejmuje białka transportowe. Te białka transbłonowe posiadają dużą liczbę helis alfa zanurzonych w macierzy lipidowej. U bakterii białka te występują w postaci blaszki beta. Ta struktura prawdopodobnie obejmuje kanał przez hydrofilowe środowiska białkowe, które powodują rozerwanie wysoce hydrofobowego środowiska utworzonego przez lipidy. ^[1] Białka te mogą być zaangażowane w transport na wiele sposobów: działają jak pompy napędzane przez ATP , to znaczy przez energię metaboliczną lub jako kanały ułatwionej dyfuzji.

Transport substancji przez błonę plazmatyczną może odbywać się poprzez transport bierny (dyfuzja prosta i ułatwiona) lub transport aktywny.

Termodynamika

Proces fizjologiczny może mieć miejsce tylko wtedy, gdy jest zgodny z podstawowymi zasadami termodynamiki . Transport błonowy podlega prawom fizycznym, które określają jego możliwości, a tym samym jego użyteczność biologiczną. Ogólna zasada termodynamiki rządząca przenoszeniem substancji przez membrany i inne powierzchnie mówi, że wymiana energii swobodnej Δ G na transport mola substancji o stężeniu C ₁ w przedziale do innego przedziału, w którym jest on obecny w C2 _wynosi :

$\ Frac {C_ {2}} {C_ {1}}}}$

Gdy C2 _jest mniejsze niż C1 _, ΔG jest ujemne, a proces jest termodynamicznie korzystny. Ponieważ energia jest przenoszona z jednego przedziału do drugiego, z wyjątkiem sytuacji, gdy działają inne czynniki, równowaga zostanie osiągnięta, gdy C ₂ = C ₁ i gdzie Δ G = 0. Są jednak trzy okoliczności, w których ta równowaga nie zostanie osiągnięta , okoliczności istotne dla funkcjonowania błon biologicznych in vivo :

• Makrocząsteczki po jednej stronie membrany mogą preferencyjnie wiązać się z określonym składnikiem membrany lub modyfikować ją chemicznie. W ten sposób, chociaż stężenie substancji rozpuszczonej może być w rzeczywistości różne po obu stronach membrany, dostępność substancji rozpuszczonej jest zmniejszona w jednym z przedziałów do takiego stopnia, że ​​ze względów praktycznych nie istnieje żaden gradient napędzający transport.
• Może istnieć potencjał elektryczny błony , który może wpływać na dystrybucję jonów. Na przykład w przypadku transportu jonów z zewnątrz do wnętrza możliwe jest, że:

$log {\ Frac {C_ {wewnątrz}} {C_ {na zewnątrz }}}+ZF\Delta P}$

Gdzie F jest stałą Faradaya , a Δ P potencjałem błonowym w woltach . Jeżeli Δ P jest ujemne, a Z dodatnie, to udział składnika ZFΔP w Δ G będzie ujemny, to znaczy będzie sprzyjał transportowi kationów z wnętrza komórki. Tak więc, jeśli różnica potencjałów zostanie zachowana, stan równowagi Δ G = 0 nie będzie odpowiadał równomolowemu stężeniu jonów po obu stronach membrany.

• Jeśli proces z ujemną Δ G zostanie sprzężony z procesem transportowym, to globalna Δ G zostanie zmodyfikowana. Ta sytuacja jest powszechna w transporcie aktywnym i jest opisana w następujący sposób:

${C_ {\ tekst {wewnątrz}}} {C_{\tekst{na zewnątrz}}}}+\Delta G^{b}}$

Gdzie Δ Gb ^. odpowiada korzystnej reakcji termodynamicznej, takiej jak hydroliza ATP lub współtransport związku , który jest przemieszczany zgodnie z kierunkiem jego gradientu

Rodzaje transportu

Dyfuzja pasywna i dyfuzja aktywna

Główny artykuł: Transport bierny

Półprzepuszczalna membrana oddziela dwa przedziały o różnych stężeniach substancji rozpuszczonej: z czasem substancja rozpuszczona będzie dyfundować, aż do osiągnięcia równowagi.

Jak wspomniano powyżej, dyfuzja pasywna jest zjawiskiem spontanicznym, które zwiększa entropię układu i zmniejsza energię swobodną. Na proces transportu mają wpływ właściwości substancji transportowej i charakter dwuwarstwy. Szybkość dyfuzji czystej błony fosfolipidowej będzie zależała od:

• gradient stężenia,
• hydrofobowość,
• rozmiar,
• ładunek, jeśli cząsteczka ma ładunek wypadkowy.
• temperatura

Aktywny i współtransportowy

Główny artykuł: Transport aktywny

W transporcie aktywnym substancja rozpuszczona jest przemieszczana wbrew stężeniu lub gradientowi elektrochemicznemu; robiąc to, zaangażowane białka transportowe zużywają energię metaboliczną, zwykle ATP. W pierwotnym transporcie aktywnym hydroliza dostawcy energii (np. ATP) odbywa się bezpośrednio w celu transportu danej substancji rozpuszczonej, na przykład gdy białkami transportowymi są enzymy ATPazy . Tam, gdzie hydroliza dostawcy energii jest pośrednia, jak ma to miejsce w przypadku wtórnego transportu aktywnego , wykorzystuje się energię zmagazynowaną w gradiencie elektrochemicznym. Na przykład we wspólnym transporcie wykorzystuje się gradienty niektórych substancji rozpuszczonych do transportu docelowego związku wbrew jego gradientowi, powodując rozproszenie gradientu substancji rozpuszczonej. Może się wydawać, że w tym przykładzie nie ma zużycia energii, ale wymagana jest hydroliza dostawcy energii, aby ustalić gradient substancji rozpuszczonej transportowanej wraz ze związkiem docelowym. Gradient współtransportowanej substancji rozpuszczonej zostanie wygenerowany dzięki zastosowaniu pewnych rodzajów białek zwanych pompami biochemicznymi.

Odkrycie istnienia tego typu białka transportera nastąpiło w wyniku badań nad kinetyką transportu cząsteczek przez błonę. W przypadku niektórych substancji rozpuszczonych zauważono, że prędkość transportu osiągnęła plateau przy określonym stężeniu, powyżej którego nie nastąpił znaczący wzrost szybkości wychwytu, co wskazuje na odpowiedź typu krzywej logarytmicznej. Zinterpretowano to jako pokazanie, że w transporcie pośredniczy tworzenie kompleksu substrat-transporter, który jest koncepcyjnie taki sam jak kompleks enzym-substrat kinetyki enzymów . Dlatego każde białko transportowe ma stałą powinowactwa do substancji rozpuszczonej, która jest równa stężeniu substancji rozpuszczonej, gdy prędkość transportu jest równa połowie jej maksymalnej wartości. Jest to równoważne w przypadku enzymu ze stałą Michaelisa-Mentena .

Niektóre ważne cechy aktywnego transportu, oprócz jego zdolności do interweniowania nawet przy nachyleniu, jego kinetyki i wykorzystania ATP, to jego wysoka selektywność i łatwość selektywnego hamowania farmakologicznego

Drugorzędowe aktywne białka transportowe

Uniport, symport i antyport cząsteczek przez membrany.

Drugorzędowe aktywne białka transportujące poruszają jednocześnie dwie cząsteczki: jedną pod kątem, a drugą zgodnie z gradientem. Rozróżnia się je zgodnie z kierunkowością dwóch cząsteczek:

• antyporter (zwany także wymieniaczem lub przeciwtransporterem): przesuwa cząsteczkę w kierunku przeciwnym do jej gradientu i jednocześnie przemieszcza jeden lub więcej jonów wzdłuż jej gradientu. Cząsteczki poruszają się w przeciwnych kierunkach.
• symporter : przesuwa cząsteczkę w kierunku przeciwnym do jej gradientu, jednocześnie przesuwając jeden lub więcej różnych jonów wzdłuż ich gradientu. Cząsteczki poruszają się w tym samym kierunku.

Oba można nazwać współtransporterami .

Lakierki

Uproszczony schemat pompy sodowo-potasowej przedstawiający jednostki alfa i beta.

Pompa jest białkiem, które hydrolizuje ATP w celu transportu określonej substancji rozpuszczonej przez membranę, generując w ten sposób elektrochemiczny gradient potencjału membranowego . Ten gradient jest interesujący jako wskaźnik stanu komórki poprzez parametry, takie jak potencjał Nernsta . Z punktu widzenia transportu membranowego interesujący jest gradient, który przyczynia się do zmniejszenia entropii układu we współtransporcie substancji wbrew ich gradientowi. Jedną z najważniejszych pomp w komórkach zwierzęcych jest pompa sodowo-potasowa , która działa poprzez następujący mechanizm:

1. wiązanie trzech jonów Na ⁺ z ich miejscami aktywnymi na pompie, które są związane z ATP.
2. ATP ulega hydrolizie, co prowadzi do fosforylacji cytoplazmatycznej strony pompy, co indukuje zmianę struktury białka. Fosforylacja jest spowodowana przeniesieniem końcowej grupy ATP na resztę asparaginianu w białku transportowym i późniejszym uwolnieniem ADP.
3. zmiana struktury w pompie wystawia Na ⁺ na zewnątrz. Fosforylowana postać pompy ma niskie powinowactwo do jonów Na ⁺ , więc są one uwalniane.
4. po uwolnieniu jonów Na ⁺ pompa wiąże dwie cząsteczki K ⁺ z ich odpowiednimi miejscami wiązania na zewnątrzkomórkowej powierzchni białka transportowego. Powoduje to defosforylację pompy, przywracając ją do poprzedniego stanu konformacyjnego, transportując jony K ⁺ do komórki.
5. Niefosforylowana forma pompy ma większe powinowactwo do jonów Na ⁺ niż do jonów K ⁺ , więc dwa związane jony K ⁺ są uwalniane do cytozolu . Wiąże się ATP i proces zaczyna się od nowa.

Selektywność membranowa

Ponieważ główną cechą transportu przez błonę biologiczną jest jego selektywność i późniejsze zachowanie jako bariery dla pewnych substancji, fizjologia leżąca u podstaw tego zjawiska została szeroko zbadana. Badania nad selektywnością błonową klasycznie podzielono na te dotyczące elektrolitów i nieelektrolitów.

Selektywność elektrolitów

Kanały jonowe określają wewnętrzną średnicę, która umożliwia przechodzenie małych jonów, co jest związane z różnymi właściwościami jonów, które potencjalnie mogą być transportowane. Ponieważ rozmiar jonu jest związany z jego rodzajem chemicznym, można a priori założyć, że kanał, którego średnica porów była wystarczająca do umożliwienia przejścia jednego jonu, umożliwiłby również przenoszenie innych jonów o mniejszych rozmiarach, jednak nie jest to występują w większości przypadków. Istnieją dwie cechy oprócz wielkości, które są ważne przy określaniu selektywności porów membrany: łatwość odwadniania
oraz oddziaływanie jonu z ładunkami wewnętrznymi porów. Aby jon mógł przejść przez por, musi oddzielić się od pokrywających go cząsteczek wody w kolejnych warstwach solwatacji . Tendencja do odwodnienia lub zdolność do tego jest związana z rozmiarem jonu: większe jony mogą to zrobić łatwiej niż mniejsze jony, tak więc pory o słabych centrach polarnych będą preferencyjnie umożliwiać przejście większych jonów przez mniejszy. Gdy wnętrze kanału składa się z grup polarnych z łańcuchów bocznych składowych aminokwasów, oddziaływanie odwodnionego jonu z tymi centrami może być ważniejsze niż zdolność do odwodnienia w nadawaniu specyficzności kanału. Na przykład kanał złożony z histydyn i arginin, z dodatnio naładowanymi grupami, będzie selektywnie odpychał jony o tej samej polaryzacji, ale ułatwi przechodzenie jonów naładowanych ujemnie. Również w tym przypadku najmniejsze jony będą mogły oddziaływać ściślej ze względu na przestrzenne rozmieszczenie cząsteczki (steryczność), co znacznie zwiększa interakcje ładunek-ładunek, a tym samym wyolbrzymia efekt.

Selektywność nieelektrolitowa

Nieelektrolity, substancje, które na ogół są hydrofobowe i lipofilowe, zwykle przechodzą przez błonę rozpuszczając się w dwuwarstwie lipidowej, a zatem na drodze pasywnej dyfuzji. W przypadku tych nieelektrolitów, których transport przez błonę odbywa się za pośrednictwem białka transportowego, zdolność do dyfuzji jest na ogół zależna od współczynnika podziału K . Częściowo naładowane nieelektrolity, które są mniej lub bardziej polarne, takie jak etanol, metanol czy mocznik, mogą przechodzić przez membranę kanałami wodnymi zanurzonymi w membranie. Nie ma skutecznego mechanizmu regulacyjnego ograniczającego ten transport, co wskazuje na wewnętrzną podatność komórek na penetrację tych cząsteczek.

Tworzenie błonowych białek transportujących

Istnieje kilka baz danych, które próbują skonstruować drzewa filogenetyczne szczegółowo opisujące tworzenie białek transportowych. Jednym z takich zasobów jest baza danych Transporter Classification

Zobacz też

• Transport komórkowy