Dzielić:
Typy transportu komórkowego i ich charakterystyka
The transport komórkowy wiąże się z ruchem i przemieszczaniem się cząsteczek między wnętrzem a zewnętrzem komórek. Wymiana cząsteczek między tymi przedziałami jest istotnym zjawiskiem dla prawidłowego funkcjonowania organizmu i pośredniczy w szeregu zdarzeń, takich jak potencjał błonowy, aby wspomnieć o niektórych.
Błony biologiczne są odpowiedzialne nie tylko za ograniczanie komórki, ale także odgrywają nieodzowną rolę w ruchu substancji. Mają szereg białek, które przekraczają strukturę i, bardzo selektywnie, pozwalają na wejście pewnych cząsteczek lub nie.
Transport komórkowy jest podzielony na dwa główne typy, w zależności od tego, czy system wykorzystuje energię bezpośrednio, czy nie.
Pasywny transport nie wymaga energii, a cząsteczki potrafią przejść przez membranę przez bierną dyfuzję, za pomocą kanałów wodnych lub za pomocą transportowanych cząsteczek. Kierunek aktywnego transportu jest określony wyłącznie przez gradienty stężenia między obiema stronami membrany.
Natomiast drugi rodzaj transportu wymaga energii i jest nazywany transportem aktywnym. Dzięki energii wtryskiwanej do systemu pompy mogą przemieszczać cząsteczki w kierunku ich gradientów stężenia. Najbardziej znaczącym przykładem w literaturze jest pompa sodowo-potasowa.
Indeks
- 1 Podstawy teoretyczne
- 1.1 - Błony komórkowe
- 1.2 -Lipidy w błonach
- 1.3-Białka w błonach
- 1.4 - Selektywność membrany
- 1.5 - Dyfuzja i osmoza
- 1.6 -Toniczność
- 1.7 -Wpływ elektryczny
- 2 Transmembranowy transport pasywny
- 2.1 Prosta transmisja
- 2.2 Kanały wodne
- 2.3 Transport molekuły
- 2.4 Osmoza
- 2.5 Ultrafiltracja
- 2.6 Ułatwione rozpowszechnianie
- 3 Transmembranowy aktywny transport
- 3.1 Charakterystyka aktywnego transportu
- 3.2 Selektywność transportu
- 3.3 Przykład aktywnego transportu: pompa sodowo-potasowa
- 3.4 Jak działa pompa?
- 4 Masowy transport
- 4.1 -Endocytoza
- 4.2 -Exocytosis
- 5 referencji
Podstawy teoretyczne
-Błony komórkowe
Aby zrozumieć, w jaki sposób przemieszczanie się substancji i cząsteczek zachodzi między komórką a sąsiednimi przedziałami, konieczne jest przeanalizowanie struktury i składu błon biologicznych.
-Lipidy w błonach
Komórki są otoczone cienką i złożoną błoną o charakterze lipidowym. Podstawowym składnikiem są fosfolipidy.
Składają się one z głowy polarnej i ogonów niepolarnych. Błony składają się z dwóch warstw fosfolipidów - „dwuwarstw lipidowych” - w których ogony są zgrupowane wewnątrz, a głowy dają powierzchnie dodatkowe i wewnątrzkomórkowe.
Cząsteczki, które mają zarówno strefy polarne, jak i niepolarne, nazywane są amfipatycznymi. Ta właściwość jest kluczowa dla przestrzennej organizacji składników lipidowych w błonach.
Ta struktura jest wspólna dla błon otaczających przedziały subkomórkowe. Pamiętaj, że także mitochondria, chloroplasty, pęcherzyki i inne organelle są otoczone błoną.
Oprócz fosfoglicerydów lub fosfolipidów błony są bogate w sfingolipidy, które mają szkielety utworzone z cząsteczki zwanej sfingozyną i sterolem. W tej ostatniej grupie znajdujemy cholesterol, lipid, który moduluje właściwości błony, jak jej płynność.
-Białka w błonach
Membrana jest dynamiczną strukturą, która zawiera wiele białek wewnątrz. Białka błony działają jak rodzaj „strażników” lub „strażników” molekularnych, które definiują z wielką selektywnością, kto wchodzi i kto opuszcza komórkę.
Z tego powodu mówi się, że membrany są półprzepuszczalne, ponieważ niektórym związkom udaje się wejść, a innym nie..
Nie wszystkie białka znajdujące się w błonie są odpowiedzialne za pośredniczenie w ruchu. Inne są odpowiedzialne za wychwytywanie zewnętrznych sygnałów, które wytwarzają komórkową odpowiedź na bodźce zewnętrzne.
-Selektywność membrany
Wnętrze lipidowe membrany jest wysoce hydrofobowe, co czyni membranę wysoce nieprzepuszczalną dla przepływu cząsteczek polarnych lub hydrofilowych (termin ten oznacza „zakochany w wodzie”).
Implikuje to dodatkową trudność w przechodzeniu molekuł polarnych. Jednak tranzyt cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie jest konieczny, więc komórki mają szereg mechanizmów transportowych, które umożliwiają skuteczne przemieszczanie tych substancji między komórką a jej środowiskiem zewnętrznym..
W ten sam sposób duże cząsteczki, takie jak białka, muszą być transportowane i wymagają wyspecjalizowanych systemów.
-Dyfuzja i osmoza
Ruch cząstek przez błony komórkowe następuje zgodnie z następującymi zasadami fizycznymi.
Zasady te są dyfuzją i osmozą i są stosowane do ruchu substancji rozpuszczonych i rozpuszczalników w roztworze przez półprzepuszczalną membranę - taką jak błony biologiczne występujące w żywych komórkach..
Dyfuzja jest procesem, który obejmuje losowy ruch termiczny cząstek zawieszonych w regionach o wysokim stężeniu w obszarach o niższym stężeniu. Istnieje wyrażenie matematyczne, które ma na celu opisanie procesu i nazywa się równaniem dyfuzji Ficka, ale nie przejdziemy do niego.
Mając to na uwadze, możemy zdefiniować termin przepuszczalność, który odnosi się do szybkości, z jaką substancja biernie penetruje membranę w szeregu konkretnych warunków.
Z drugiej strony woda porusza się również na korzyść swojego gradientu stężenia w zjawisku zwanym osmozą. Chociaż nie wydaje się precyzyjne, aby odnieść się do stężenia wody, musimy zrozumieć, że witalna ciecz zachowuje się jak każda inna substancja pod względem jej dyfuzji.
-Toniczność
Biorąc pod uwagę opisane zjawiska fizyczne, stężenia występujące zarówno wewnątrz komórki, jak i na zewnątrz, będą określać kierunek transportu.
Tak więc toniczność roztworu jest odpowiedzią komórek zanurzonych w roztworze. W tym scenariuszu zastosowano pewną terminologię:
Izotoniczny
Komórka, tkanka lub roztwór są izotoniczne w stosunku do innych, jeśli stężenie jest równe w obu elementach. W kontekście fizjologicznym komórka zanurzona w środowisku izotonicznym nie doświadczy żadnych zmian.
Hipotoniczny
Rozwiązanie jest hipotoniczne w stosunku do komórki, jeśli stężenie substancji rozpuszczonych jest niższe na zewnątrz - to znaczy komórka ma więcej substancji rozpuszczonych. W tym przypadku tendencja wody polega na wejściu do komórki.
Jeśli umieścimy krwinki czerwone w wodzie destylowanej (która jest wolna od substancji rozpuszczonych), woda wejdzie do wybuchu. Zjawisko to nazywa się hemolizą.
Hipertoniczny
Rozwiązanie jest hipertoniczne w stosunku do komórki, jeśli stężenie substancji rozpuszczonych jest wyższe na zewnątrz - to znaczy komórka ma mniej substancji rozpuszczonych.
W tym przypadku tendencja wody polega na opuszczeniu komórki. Jeśli umieścimy krwinki czerwone w bardziej stężonym roztworze, woda w kulkach ma tendencję do wychodzenia i komórka nabiera pomarszczonego wyglądu.
Te trzy koncepcje mają znaczenie biologiczne. Na przykład jaja organizmu morskiego muszą być izotoniczne w stosunku do wody morskiej, aby nie pękły i nie straciły wody.
Podobnie, pasożyty żyjące we krwi ssaków powinny mieć stężenie substancji rozpuszczonych podobne do medium, w którym się rozwijają..
-Wpływ elektryczny
Kiedy mówimy o jonach, które są naładowanymi cząstkami, ruch przez membrany nie jest kierowany wyłącznie przez gradienty stężenia. W tym systemie konieczne jest uwzględnienie obciążeń substancji rozpuszczonych.
Jon ma tendencję do oddalania się od regionów, w których stężenie jest wysokie (jak opisano w części dotyczącej osmozy i dyfuzji), a także, jeśli jon jest ujemny, przesunie się w kierunku regionów, w których rośnie potencjał negatywny. Pamiętaj, że przyciągane są różne ładunki i odpychają się równe ładunki.
Aby przewidzieć zachowanie jonów, musimy dodać połączone siły gradientu stężenia i gradientu elektrycznego. Ten nowy parametr nazywany jest gradientem elektrochemicznym netto.
Rodzaje transportu komórkowego są klasyfikowane w zależności od wykorzystania - lub nie - energii przez system w ruchach biernych i aktywnych. Poniżej opiszemy szczegółowo każdy z nich:
Transmembranowy transport pasywny
Pasywne ruchy przez błony pociągają za sobą przepływ cząsteczek bez bezpośredniego zapotrzebowania na energię. Ponieważ systemy te nie wymagają energii, zależy ona wyłącznie od gradientów stężenia (w tym gradientów elektrycznych), które istnieją w błonie plazmatycznej.
Chociaż energia odpowiedzialna za ruch cząstek jest przechowywana w takich gradientach, właściwe i wygodne jest kontynuowanie rozważania tego procesu jako pasywnego.
Istnieją trzy podstawowe ścieżki, przez które cząsteczki mogą biernie przechodzić z jednej strony na drugą:
Prosta dyfuzja
Najprostszym i najbardziej intuicyjnym sposobem transportowania substancji rozpuszczonej jest przejście przez membranę po wyżej wymienionych gradientach..
Cząsteczka dyfunduje przez błonę plazmatyczną, pozostawiając fazę wodną na boku, rozpuszcza się w części lipidowej i ostatecznie wchodzi do wodnej części wnętrza komórki. To samo może się zdarzyć w przeciwnym kierunku, od wnętrza komórki na zewnątrz.
Skuteczne przejście przez membranę określi poziom energii cieplnej, jaką posiada system. Jeśli jest wystarczająco wysoka, cząsteczka będzie w stanie przejść przez membranę.
Bardziej szczegółowo, cząsteczka musi rozbić wszystkie wiązania wodorowe utworzone w fazie wodnej, aby móc przejść do fazy lipidowej. To zdarzenie wymaga 5 kcal energii kinetycznej dla każdego obecnego łącza.
Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest rozpuszczalność cząsteczki w strefie lipidowej. Na mobilność wpływa wiele różnych czynników, takich jak masa cząsteczkowa i kształt cząsteczki.
Kinetyka prostego etapu dyfuzji wykazuje kinetykę nienasycenia. Oznacza to, że wkład wzrasta proporcjonalnie do stężenia substancji rozpuszczonej, która ma być transportowana w regionie zewnątrzkomórkowym.
Kanały wodne
Drugą alternatywą przepuszczania cząsteczek drogą pasywną jest kanał wodny umieszczony w membranie. Kanały te są rodzajem porów, które umożliwiają przejście cząsteczki, unikając kontaktu z regionem hydrofobowym.
Niektórym naładowanym cząsteczkom udaje się wejść do komórki zgodnie z gradientem stężenia. Dzięki temu systemowi kanałów wypełnionych wodą membrany są wysoce nieprzepuszczalne dla jonów. W tych cząsteczkach wyróżniają się sód, potas, wapń i chlor.
Cząsteczka przenośnika
Ostatnią alternatywą jest połączenie interesującej substancji rozpuszczonej z cząsteczką transportującą, która maskuje jej hydrofilową naturę, dzięki czemu osiąga przejście przez bogatą w lipidy część membrany.
Transporter zwiększa rozpuszczalność lipidów cząsteczki, która musi być transportowana i sprzyja jej przejściu na korzyść gradientu stężenia lub gradientu elektrochemicznego.
Te białka transportowe działają na różne sposoby. W najprostszym przypadku substancja rozpuszczona jest przenoszona z jednej strony membrany na drugą. Ten typ nazywa się wsparciem. I odwrotnie, jeśli inna substancja rozpuszczona jest transportowana jednocześnie lub sprzężona, transporter nazywany jest przyczepami.
Jeśli sprzężony przenośnik porusza dwie cząsteczki w tym samym kierunku, jest to port równoległy, a jeśli robi to w przeciwnych kierunkach, przenośnik jest przeciwporostowy.
Osmoza
Jest to rodzaj transportu komórkowego, w którym rozpuszczalnik przechodzi selektywnie przez membranę półprzepuszczalną.
Woda, na przykład, ma tendencję do przechodzenia obok komórki, w której jej stężenie jest niższe. Ruch wody w tej ścieżce wytwarza ciśnienie zwane ciśnieniem osmotycznym.
Ciśnienie to jest niezbędne do regulacji stężenia substancji w komórce, co z kolei wpływa na kształt komórki.
Ultrafiltracja
W tym przypadku ruch niektórych substancji rozpuszczonych jest wytwarzany pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego, od obszaru najwyższego ciśnienia do najniższego ciśnienia. W ludzkim ciele proces ten zachodzi w nerkach dzięki ciśnieniu krwi wytwarzanemu przez serce.
W ten sposób woda, mocznik itp. Przechodzi z komórek do moczu; hormony, witaminy itp. pozostają we krwi. Mechanizm ten znany jest również jako dializa.
Ułatwione rozpowszechnianie
Istnieją substancje z bardzo dużymi cząsteczkami (takimi jak glukoza i inne monosacharydy), które potrzebują białka nośnikowego do rozprzestrzeniania się. Ta dyfuzja jest szybsza niż prosta dyfuzja i zależy od:
- Gradient stężenia substancji.
- Ilość białek transporterowych obecnych w komórce.
- Szybkość obecnych białek.
Jednym z tych białek transportujących jest insulina, która ułatwia dyfuzję glukozy, zmniejszając jej stężenie we krwi.
Transmembranowy aktywny transport
Do tej pory omawialiśmy przejście różnych cząsteczek przez kanały bez kosztu energii. W tych zdarzeniach jedynym kosztem jest wygenerowanie energii potencjalnej w postaci różnicowych stężeń po obu stronach membrany.
W ten sposób kierunek transportu zależy od istniejącego gradientu. Substancje rozpuszczone zaczynają być transportowane zgodnie ze wspomnianymi zasadami dyfuzji, aż osiągną punkt, w którym dyfuzja netto się kończy - w tym punkcie osiągnięto równowagę. W przypadku jonów na ruch ma również wpływ obciążenie.
Jednak w jedynym przypadku, w którym rozkład jonów po obu stronach membrany znajduje się w prawdziwej równowadze, wtedy komórka jest martwa. Wszystkie żywe komórki inwestują dużą ilość energii chemicznej, aby utrzymać stężenie substancji rozpuszczonych z dala od równowagi.
Energia wykorzystywana do utrzymania tych procesów jest na ogół cząsteczką ATP. Trójfosforan adenozyny, w skrócie ATP, jest podstawową cząsteczką energii w procesach komórkowych.
Charakterystyka aktywnego transportu
Aktywny transport może działać przeciwko gradientom stężenia, bez względu na to, jak są zaznaczone - ta właściwość będzie jasna dzięki wyjaśnieniu pompy sodowo-potasowej (patrz poniżej).
Aktywne mechanizmy transportu mogą przenosić więcej niż jedną klasę cząsteczek na raz. W przypadku transportu aktywnego ta sama wymieniona klasyfikacja jest używana do transportu kilku cząsteczek jednocześnie w transporcie pasywnym: simporte i antiporte.
Transport przeprowadzany przez te pompy może być hamowany przez zastosowanie cząsteczek, które specyficznie blokują kluczowe miejsca w białku.
Kinetyka transportu jest typu Michaelis-Menten. Oba zachowania - hamowane przez niektóre cząsteczki i kinetykę - są typowymi cechami reakcji enzymatycznych.
Wreszcie, system musi posiadać specyficzne enzymy, które mogą hydrolizować cząsteczkę ATP, takie jak ATPazy. Jest to mechanizm, dzięki któremu system uzyskuje charakteryzującą go energię.
Selektywność transportu
Stosowane pompy są wyjątkowo selektywne w molekułach, które będą transportowane. Na przykład, jeśli pompa jest nośnikiem jonów sodu, nie weźmie jonów litu, chociaż oba jony mają bardzo podobny rozmiar.
Przypuszcza się, że białka mogą rozróżniać dwie cechy diagnostyczne: łatwość odwodnienia cząsteczki i oddziaływanie z ładunkami w porach transportera.
Wiadomo, że duże jony łatwo się odwadniają, jeśli porównamy je z małym jonem. Zatem por ze słabymi ośrodkami polarnymi będzie korzystał z dużych jonów, najlepiej.
I odwrotnie, w kanałach o silnie naładowanych centrach dominuje interakcja z jonem odwodnionym.
Przykład aktywnego transportu: pompa sodowo-potasowa
Aby wyjaśnić mechanizmy aktywnego transportu, najlepiej zrobić to za pomocą najlepiej zbadanego modelu: pompy sodowo-potasowej.
Uderzającą cechą komórek jest zdolność do utrzymywania wyraźnych gradientów jonów sodu (Na+) i potasu (K+).
W środowisku fizjologicznym stężenie potasu wewnątrz komórek jest 10 do 20 razy wyższe niż na zewnątrz komórek. Natomiast jony sodu są znacznie bardziej skoncentrowane w środowisku pozakomórkowym.
Dzięki zasadom, które regulują biernie ruch jonów, niemożliwe byłoby utrzymanie tych stężeń, dlatego komórki wymagają aktywnego systemu transportu, a to jest pompa sodowo-potasowa.
Pompa jest utworzona przez kompleks białkowy typu ATPazy zakotwiczony w błonie plazmatycznej wszystkich komórek zwierzęcych. Ma to miejsca wiązania dla obu jonów i odpowiada za transport z wtryskiem energii.
Jak działa pompa?
W tym systemie istnieją dwa czynniki, które determinują ruch jonów między przedziałami komórkowymi i zewnątrzkomórkowymi. Pierwszą z nich jest prędkość, z jaką działa pompa sodowo-potasowa, a drugim czynnikiem jest prędkość, z jaką jon może ponownie wejść do komórki (w przypadku sodu), poprzez zdarzenia biernej dyfuzji.
W ten sposób prędkość, z jaką jony wchodzą do komórki, określa prędkość, z jaką pompa musi pracować, aby utrzymać odpowiednie stężenie jonów..
Działanie pompy zależy od szeregu zmian konformacyjnych w białku, które jest odpowiedzialne za transport jonów. Każda cząsteczka ATP jest bezpośrednio hydrolizowana, w wyniku czego trzy jony sodu opuszczają komórkę i jednocześnie wprowadzają dwa jony potasu do środowiska komórki.
Masowy transport
Jest to inny rodzaj aktywnego transportu, który pomaga w przemieszczaniu makrocząsteczek, takich jak polisacharydy i białka. Może to nastąpić poprzez:
-Endocytoza
Istnieją trzy procesy endocytozy: fagocytoza, pinocytoza i endocytoza za pośrednictwem ligandu:
Fagocytoza
Fagocytoza jest rodzajem transportu, w którym cząstka stała jest pokryta pęcherzykiem lub fagosomem utworzonym przez stopione pseudopodogi. Ta stała cząstka, która pozostaje w pęcherzyku, jest trawiona przez enzymy i dociera do wnętrza komórki.
W ten sposób białe krwinki działają w organizmie; fagocytować bakterie i ciała obce jako mechanizm obronny.
Pinocytoza
Pinocytoza występuje, gdy transportowana substancja jest kropelką lub pęcherzykiem płynu pozakomórkowego, a membrana tworzy pęcherzyk pinocytarny, w którym zawartość pęcherzyka lub kropli jest przetwarzana w celu powrotu do powierzchni komórki..
Endocytoza przez receptor
Jest to proces podobny do pinocytozy, ale w tym przypadku inwazja błony występuje, gdy pewna cząsteczka (ligand) wiąże się z receptorem błonowym.
Kilka pęcherzyków endocytarnych łączy się i tworzy większą strukturę zwaną endosomem, w której ligand jest oddzielony od receptora. Następnie receptor powraca do błony i ligand wiąże się z liposomem, w którym jest trawiony przez enzymy.
-Egzocytoza
Jest to rodzaj transportu komórkowego, w którym substancja musi być zabierana na zewnątrz komórki. Podczas tego procesu błona pęcherzyka wydzielniczego łączy się z błoną komórkową i uwalnia zawartość pęcherzyka.
W ten sposób komórki eliminują zsyntetyzowane substancje lub odpady. W ten sposób uwalniają hormony, enzymy lub neuroprzekaźniki.
Referencje
- Audesirk, T., Audesirk, G. i Byers, B. E. (2003). Biologia: Życie na Ziemi. Edukacja Pearson.
- Donnersberger, A. B. i Lesak, A. E. (2002). Laboratoryjna książka anatomii i fizjologii. Publikacja Paidotribo.
- Larradagoitia, L. V. (2012). Anatomofizjologia i podstawowa patologia. Paraninfo Editorial.
- Randall, D., Burggren, W. W., Burggren, W., francuski, K., i Eckert, R. (2002). Fizjologia zwierząt Eckert. Macmillan.
- Vived, À. M. (2005). Podstawy fizjologii aktywności fizycznej i sportu. Ed. Panamericana Medical.