Fyziologie
1.1.1 Buněčné transportní procesy
1.1.1 Buněčné transportní procesy
Poznání v oblasti fyziologie je v současné době rozpracováno nejen na úrovni tkáňových systémů (např. krevní oběh, krev, dýchání), ale i na úrovni jednotlivých tkání, buněk a molekul.
Jde o velmi rozsáhlou oblast s dynamickým rozvojem, z níž probereme jenom základní principy nezbytné pro pochopení fyziologie a patologické fyziologie.
Buňka, její stavba a funkce jsou probírány v anatomii a histologii. V této části budou proto probrány jen některé fyziologicky významné funkční aspekty.
Buněčné transportní procesy
Buňka transportuje řadu látek jak dovnitř, tak ven a zároveň se přenášejí látky uvnitř buňky. Buňka i její organely jsou obaleny buněčnou membránou, která má lipofilní (tukový) charakter, proto přes ni snadněji přestupují látky v tucích rozpustné či např. alkohol. Některé další prostupují díky speciálním přenašečům, jiné (např. velké molekuly bílkovin) nepřestupují vůbec. Dále jsou v membráně četné proteiny, z nichž část patří různýcm buněčným kanálům či specifickým transportérům. Při transportu látek je nutné vzít v úvahu několik faktorů:
- vlastnosti buněčné membrány
- velikost látky
- náboj látky
- rozpustnost látky ve vodě či v tucích
- koncentrační gradient (tj. látka přestupuje směrem k nižší koncentraci)
- elektrochemický gradient (kladně nabité látky přestupují do prostředí negativního a naopak).
Vlastnosti buněčné membrány
Membrána je tvořena dvojvsrtvou fosfolipidů, cca polovinu hmotnosti tvoří četné bílkoviny, které jsou v membráně. Dále obsahuje rovněž např. cholesterol.
Buněčná membrána je polopropustná – semipermeabilní. To znamená, že propouští snadno jen některé látky a jiné nikoliv.
V zásadě membránou prostupují:
- voda
- ionty
- malé molekuly
Naopak membránou neprostupují:
- velké molekuly bílkovin
Dále je na membráně přítomno napětí, tzn. rozdílné rozložení kladných a záporných iontů na obou stranách. V případě buňky to znamená, že vnitřek buňky je proti vnějšku mírně negativní.
Hlavní typy buněčných transportů
Transport se dělí na paracelulární, tj. mezi buňkami (okolo buněk). Záleží na tom, jaký typ mezibuněčného spojení je přítomen. Při transportu přes buňky – transcelulárním – musí látka projít přes buněčnou membránu.
K přenosu látek je dále třeba zvážit potřebu:
- energie
- přítomnost speciálních bílkovin v membráně, a to buď ve formě přenašečů (transportérů), nebo kanálů
Některé přenosy nevyžadují ani jedno, jiné naopak oboje. Přítomnost přenašečů může znamenat, že kapacita přenosu je omezená, protože při jejich úplném obsazení není možné dále transport zvyšovat.
Hlavním procesy jsou:
- difuze prostá a facilitovaná
- aktivní transport primární a sekundární
- prostup iontovými kanály
- endocytóza: pinocytóza, fagocytóza
- exocytóza
Prostá difuze
Difuze je proces, jímž přestupují látky rozpustné v tucích (tudíž mohou přecházet přes membránu), též kyslík či oxid uhličitý, částečně též voda. Přestup se děje po koncentračním gradientu, nevyžaduje tedy žádnou energii, ani žádné speciální přenašeče. Čím je vyšší koncentrace látky na jedné straně, tím je rychlost difuze vyšší.
Facilitovaná difuze
Je druhem pasivního transportu, nevyžaduje energii, probíhá po gradientu a vlastní přenos je prováděn („usnadňován“, facilitován) speciálním přenašečem – ten však může být nasycen, a tak počáteční rychlost přenosu dosáhne maxima a nelze ji již dále zvyšovat.
Aktivní transport
Tento transport vyžaduje energii, protože se děje proti elektrochemickému gradientu. Energii dodává ATP. Nejběžnějším příkladem aktivního transportu primárního je tzv. sodíková pumpa (správně sodíkovo-draslíková, resp. Na+-K+ pumpa), která přenáší ven z buňky 3 kationty sodíku a dovnitř buňky 2 kationty draslíku – přitom uvnitř buňky je draslíkových kationtů daleko více než zevně a naopak zevně je daleko vyšší koncentrace sodíkový kationtů. Tento děj samozřejmě rovněž přispívá k vzniku elektrického napětí na buněčné membráně, protože znamená větší nahromadění kladných kationtů vně buňky než uvnitř.
Tento transport tedy kromě energie zprostředkovávají molekuly bílkovin, které jsou přítomny v buněčné membráně – označují se jako pumpy.
Aktivní transport pasivní se děje rovněž proti gradientu, ale jako energii využívá aktivního transportu, je s ním spřažen. Pokud jsou látky transportovány stejným směrem, jde o symport, v případě transportu opačným směrem jde o antiport. Příkladem je přenos glukózy (cukr) s využitím energie přenosu sodíku.
Endocytóza
Jde o proces transportu látek, které neprojdou (např. pro svou velikost či jinou vlastnost) ani buněčnou membránou, ani nejsou schopny transportu kanály či transportními proteiny. Principem je, že příslušná látka se uzavře, je obklopena celou buněčnou membránou, která ji posléze uzavře do měchýřku (vezikuly).
K tomuto typu patří fagocytóza, kterou jsou pohlcovány velké částice či bakterie, jejich části, odumřelé buňky atp., a pinocytóza, kterou se přenášejí kapénky tekutých látek.
Exocytóza
Jde v podstatě o opačný proces než endocytóza, látka, která má být exportována z buňky, je ve vezikule obalené membránou, která splyne s membránou buněčnou a látka se tak dostane ven z buňky.
Iontové kanály
Iontové kanály jsou proteinové molekuly v buněčné membráně, jimiž procházejí elektricky nabité částice – anionty (záporný náboj) či kationty (mají kladný náboj). Lze si je představit jako jakési „brány“, které iontům otvírají cestu přes buněčnou membránu, kterou by normálně neprošly. Prostup iontů pak ovlivňuje jejich elektrochemický gradient (tj. jdou po svém koncentračním spádu a do oblasti, která je opačně nabitá, tj. přitahuje je), nicméně často se tak děje opačně, navzdory gradientu, pak je ovšem tomuto procesu nezbytné dodat energii.
Kanály se dělí:
1. podle typu přenášeného iontu
- draslíkové
- sodíkové
- vápníkové aj.
2. podle mechanismu řízení – to znamená, jakým mechanismem je kanál otvírán.
- trvale otevřené
- řízené elektrickým napětím
- řízené chemicky (např. hormonem, mediátorem)
- řízené napětím i chemicky
- řízené mechanicky
Trvale otevřené kanály jsou pro mnohé běžné sloučeniny, aminokyseliny apod., které nemohou přecházet snadno přes buněčnou membránou, ale prostupují podél svého gradientu těmito kanály.
Kanály řízené napětím se výrazně uplatňují při vzniku membránového akčního potenciálu. Znamená to, že se otevírají až tehdy, dojde-li k určité změně napětí na membráně.
Chemicky řízené kanály se mění tehdy, jestliže se na jejich část naváže určitá chemická látka, změní potom konfiguraci a otevřou se.
Mechanicky řízené kanály se otevírají, pokud se např. buňka natáhne, roztáhne apod.
Iontové kanály mají význam při udržování napětí na buněčných membránách a zásadní význam mají na buňkách, na nichž změny tohoto napětí (membránový akční potenciál) jsou součástí jejich funkce.
To platí pro buňky:
- nervové
- svalové vč. svalu srdečního