Buňka je strukturální jednotka veškerého života na naší planetě a otevřený systém. To znamená, že jeho život vyžaduje neustálou výměnu hmoty a energie s okolím. Tato výměna se provádí přes membránu - hlavní hranici buňky, která je navržena tak, aby byla zachována její integrita. Přes membránu probíhá buněčný metabolismus a probíhá buď podél koncentračního gradientu látky, nebo proti němu. Aktivní transport přes cytoplazmatickou membránu je složitý a energeticky náročný proces.
Membrána – bariéra a brána
Cytoplazmatická membrána je součástí mnoha buněčných organel, plastidů a inkluzí. Moderní věda je založena na modelu fluidní mozaiky struktury membrány. Aktivní transport látek přes membránu je možný díky jehokonkrétní budova. Základ membrán tvoří lipidová dvojvrstva - především fosfolipidy uspořádané v souladu s jejich hydrofilně-hydrofobními vlastnostmi. Hlavními vlastnostmi lipidové dvojvrstvy jsou tekutost (schopnost ukotvit a ztratit místa), samouspořádání a asymetrie. Druhou složkou membrán jsou bílkoviny. Jejich funkce jsou různé: aktivní transport, příjem, fermentace, rozpoznávání.
Bílkoviny se nacházejí jak na povrchu membrán, tak uvnitř a některé do nich pronikají několikrát. Vlastností proteinů v membráně je schopnost pohybovat se z jedné strany membrány na druhou („flip-flop“skok). A poslední složkou jsou sacharidové a polysacharidové řetězce sacharidů na povrchu membrán. Jejich funkce jsou dodnes kontroverzní.
Typy aktivního transportu látek přes membránu
Aktivní bude takový přenos látek přes buněčnou membránu, který je řízen, probíhá s energetickými náklady a jde proti koncentračnímu gradientu (látky se přenášejí z oblasti nízké koncentrace do oblasti vysoká koncentrace). Podle toho, jaký zdroj energie se používá, se rozlišují tyto druhy dopravy:
- Primární aktivní (zdroj energie – hydrolýza kyseliny adenosintrifosforečné ATP na kyselinu adenosindifosforečnou ADP).
- Sekundární aktivní (poskytované sekundární energií vytvořenou jako výsledek mechanismů primárního aktivního transportu látek).
Proteiny-asistenti
V prvním i druhém případě je transport nemožný bez nosných proteinů. Tyto transportní proteiny jsou velmi specifické a jsou navrženy tak, aby nesly určité molekuly a někdy dokonce určité typy molekul. To bylo experimentálně prokázáno na mutovaných bakteriálních genech, což vedlo k nemožnosti aktivního transportu přes membránu určitého sacharidu. Transmembránové transportní proteiny mohou být autotransportéry (interagují s molekulami a přímo je přenášejí přes membránu) nebo kanálotvorné (vytvářejí póry v membránách, které jsou otevřené specifickým látkám).
Pumpa sodíku a draslíku
Nejprostudovanějším příkladem primárního aktivního transportu látek přes membránu je Na+ -, K+ -pumpa. Tento mechanismus zajišťuje rozdíl v koncentracích iontů Na+ a K+ na obou stranách membrány, který je nezbytný pro udržení osmotického tlaku v buňce a dalších metabolických procesů. Transmembránový nosný protein, sodno-draselná ATPáza, se skládá ze tří částí:
- Na vnější straně proteinové membrány jsou dva receptory pro ionty draslíku.
- Uvnitř membrány jsou tři receptory sodíkových iontů.
- Vnitřní část proteinu má aktivitu ATP.
Když se dva draselné ionty a tři sodíkové ionty navážou na proteinové receptory na obou stranách membrány, zapne se aktivita ATP. Molekula ATP se hydrolyzuje na ADP za uvolnění energie, která se vynakládá na transport draselných iontůuvnitř a sodíkové ionty vně cytoplazmatické membrány. Odhaduje se, že účinnost takového čerpadla je více než 90 %, což je samo o sobě docela úžasné.
Pro informaci: Účinnost spalovacího motoru je asi 40 %, elektrického - až 80 %. Zajímavé je, že pumpa může pracovat i v opačném směru a sloužit jako donor fosfátů pro syntézu ATP. U některých buněk (například neuronů) je až 70 % veškeré energie vynaloženo na odstranění sodíku z buňky a napumpování draselných iontů do ní. Na stejném principu aktivního transportu pracují čerpadla na vápník, chlór, vodík a některé další kationty (ionty s kladným nábojem). Žádná taková čerpadla nebyla nalezena pro anionty (záporně nabité ionty).
Spolutransport sacharidů a aminokyselin
Příkladem sekundárního aktivního transportu je přenos glukózy, aminokyselin, jódu, železa a kyseliny močové do buněk. V důsledku činnosti pumpy draslík-sodík se vytváří gradient koncentrací sodíku: koncentrace je vysoká venku a nízká uvnitř (někdy 10-20krát). Sodík má tendenci difundovat do buňky a energii této difúze lze využít k transportu látek ven. Tento mechanismus se nazývá kotransport nebo sdružený aktivní transport. V tomto případě má nosný protein na vnější straně dvě receptorová centra: jedno pro sodík a druhé pro transportovaný prvek. Teprve po aktivaci obou receptorů dochází v proteinu ke konformačním změnám a k difúzní energiisodík zavádí transportovanou látku do buňky proti koncentračnímu gradientu.
Hodnota aktivního transportu pro buňku
Pokud by obvyklá difúze látek přes membránu probíhala libovolně dlouho, jejich koncentrace vně a uvnitř buňky by se vyrovnaly. A to je smrt pro buňky. Všechny biochemické procesy totiž musí probíhat v prostředí rozdílu elektrických potenciálů. Bez aktivního, proti koncentračnímu gradientu, transportu látek by neurony nebyly schopny přenášet nervový impuls. A svalové buňky by ztratily schopnost se stahovat. Buňka by nebyla schopna udržet osmotický tlak a zhroutila by se. A produkty metabolismu by nebyly vyneseny. A hormony by se nikdy nedostaly do krevního oběhu. Koneckonců i améba utrácí energii a vytváří potenciálový rozdíl na své membráně pomocí stejných iontových pump.
