Membranski transport

Membranski transport predstavlja razmenu materije između intracelularne i ekstracelularne sredine kroz ćelijsku membranu.

Intracelularna i ekstracelularna sredina

Intracelularna sredina predstavlja unutrašnjost ćelije odnosno prostor ispunjen citoplazmom sa organelama i jedrom. Ekstracelularna sredina je sredina izvan, odnosno između ćelija. Ove dve sredine razdvojene su ćelijskom membranom. Postoje velike razlike u sastavu ove dve sredine. U ekstracelularnoj sredini je koncentracija jona natrijuma, hlora, kalcijuma, bikarbonata, kao i hranljivih materija (npr. glukoza, masne kiseline, kiseonik...) veća nego u intracelularnoj, dok je intracelularno koncentracija jona kalijuma, fosfata, magnezijuma i proteina znatno veća nego ekstracelularno. Ove razlike su od suštinskog značaja za opstanak ćelije i mnoge fiziološke procese ćelija kao npr. za mirovni i akcioni potencijal. Koncentracije nekih supstanci su predstavljene u sledećoj tabeli:

navedene supstance su većinom u jonskom stanju	Ekstracelularna sredidna	Intracelularna sredina
Natrijum	142 mmol/l	10 mmol/l
Kalijum	4 mmol/l	140 mmol/l
Kalcijum	1.2 mmol/l	0.00005 mmol/l
Magnezijum	0.6 mmol/l	29 mmol/l
Hlor	103 mmol/l	4 mmol/l
Bikarbonat	28 mmol/l	10 mmol/l
Fosfat	4 mmol/l	75 mmol/l
Sulfat	1 mmol/l	2 mmol/l
Glukoza	5 mmol/l	0-1 mmol/l
Aminokiseline	30 mg/dl	200 mg/dl
masti	5 g/l	20-950 g/l
parcijalni pritisak kiseonika	35 mm Hg	20 mm Hg
pH vrednost	7.4	7.0
Proteini	5 mmol/l	40 mmol/l

Struktura ćelijske membrane

struktura ćelijske membrane: lipidni dvosloj u koji su uronjeni proteini

Ćelijska membrana je izgrađena kao lipidni dvosloj u koji su uronjeni razni proteini. Lipidi (masti) su nepolarna, liposolubilna jedinjenja, koja se ne mešaju ni sa intracelularnom, ni sa ekstracelularnom tečnošću. Na taj način oni obrazuju barijeru kroz koju ne može proći voda, niti molekuli rastvoreni u njoj (hidrosolubilni molekuli i joni). Neke supstance koje su nepolarne i lipofilne mogu proći direktno kroz ćelijsku membranu. One imaju slična svojstva kao masti i mogu po principu slučno se u sličnom rastvara proći nesmetano kroz ovu membranu. Za ogromnu većinu supstanci potrebni su proteinski nosači i jonski kanali. Ovu funkciju obavljaju proteini ćelijske membrane. Neki proteini se protežu celom debljinom membrane, unutra su ”šuplji” i obično naelektrisani (kako bi privlačili i odbijali razne jone) to su transportni kanali. Drugi se samo jednom strano nalaze u membrani dok im je druga okreneuta ka intracelularnoj ili ekstracelularnoj tečnosti. Ovom stranom oni vezuju razne molekule, a zatim ih prebacuju na drugu stranu. To su proteini-nosači.

Pasivni i aktivni transport

Transport molekula kroz ćelijsku membranu može se vršiti pasivno (difuzija), bez utroška energije i aktivno sa utroškom energije odnosno nasuprot energetskom gradijentu. Postoje brojne varijacije oba sistema koje će kasnije biti opisane.

Difuzija kroz ćelisku membranu

difuzija kroz polupropustljivu membranu

Svi molekuli i joni u tečnosti i gasovima su u stalnom kretanju. Takvo kretanje je haotično. Molekuli i joni se usled brojnih međusobnih sudaranja kreću sa mesta veće na mesto manje koncentracije. Ovakvo kretanje se zove difuzija.

Difuzija kroz ćelijsku membranu se deli na prostu i olakšanu.

Prosta difuzija

Kod proste difuzije je dovoljna samo kinetička energija molekula za njihov prolazak, a kako su molekuli u neprestanom kretanju oni prolaze spontano kroz razne otvore i intermolekulske prostore na njoj. Brzinu ovakve difuzije određuje količina (koncentracija) supstance, brzina kretanja molekula, veličina i broj otvora na ćelijskoj membrani. Prosta difuzija se odvija kroz:

• intersticijalne prostore između molekula lipida ako je supsanca nepolarna (liposolubilna). Liposolubilnost kiseonika, azota, ugljen dioksida i alkohola je vrlo velika, tako da ove supstance prolaze kroz ćelijsku membranu ako da ona i ne postoji.

• proteinske kanale, ako je supstanca polarna (hidrosolubilna).

Polarne supstance i supstance koje su rastvorljive u vodi difunduju kroz proteinske kanale. Najbitnija je difuzija vode kroz ove kanale, koja se odvija velikom brzinom. U jednoj sekundi može proteći kroz ćeliju zapremina vode koja je 100 puta veća od zapremine cele ćelije. Proteinski kanali se još zovu i vodeni kanali. Mnogi od ovih kanala poseduju ”vrata” koja se mogu otvarati i zatvarati, a koja regulišu protok kroz njih. Takođe ovi kanali su polupropustljivi, samo nake supstance mogu proći.

Većina kanala je specijalizovana za prenos samo jedne vrste jona (ili grupe sličnih jona) tako npr. kroz natrijumske kanale prolaze samo joni natrijuma. Natrijumski kanali su mali 0.3-0.5 nanometara u prečniku i unutra su negativno naelektrisani (privlače pozitivne jone natrijuma i izdvajaju ih iz hidratacione sfere). Postoje i kalijumski kanali. Oni su još manjeg prečnika 0.3-0.5 nanometra, ali nisu unutra naelektrisani. Natrijumovi joni su okruženi molekulima vode-hidrataciona sfera i kako nema negativnog naelektrisanja da ih izvuče iz ove sfere oni ne mogu proći. Kalijumovi joni su takođe okruženi molekulima vode, ali je njegova hidrataciona sfera manja nego kod natrijuma, pa mogu proći kroz ove kanaliće.

Proteinski kanali poseduju vrata, koja su u stvari delovi proteina koji se mogu zatvarati i otvarati preko kanala. Otvaranje i zatvaranje kanala vrši se dvojako, preko:

• voltažne kontrole

Natrijumski kanali poseduju dvostruka vrata unutrašnja i spoljašnja. Kada je u intracelularnom prostoru naelektrisanje negativno (potencijal mirovanja) spoljašnja vrata natrijumskih kanala su zatvorena, a unutrašnja otvorena. Depolarizacijom ćelije raste potencijal u njenoj unutrašnjosti što dovodi do otvaranja spoljašnjih vrata. Sada je omogućen prolaz jonima natrijuma u unutršnjost ćelije. Ulaskom jona natrijuma u ćeliju se ona dodatno depolariše što dovodi i do zatvaranja unutrašnjih vrata i blokiranja daljeg ulaska natrijuma. U procesu repolarizacije dolazi do ponovnog uspostavljanja negativnog potencijala u intracelularnom prostoru, vrata se vraćaju u početni oložaj: spoljašnja zatvorena, a unutrašnja otvorena.

• hemijske kontrole

Vrata proteinskih kanala mogu se otvoriti i vezivanjem neke supstance za njih, usled promene konformacije proteina. Na ovaj način funkcionšu neurotransmiteri npr. acetil holin.

Olakšana difuzija

Kod olakšane difuzije molekuli se moraju vezati za proteinske nosače ćelijske membrane, koji ih promenom svoje konformacije prevedu na drugu stranu. Ovakav transport se ostvaruje pasivno (spontano) i ne dolazi do dodatnog utroška energije tj. dovoljna je samo kinetička energija molekula.

Brzina olakšane difuzije zavisi od količine supstance, ali i od količine transportnog proteina. Kada se svi nosači zasite brzina olakšane difuzije dostiže svoj maksimum, za razliku od proste koja nema maksimum već može neograničeno rasti.

Najznačajnija supstanca koja prolazi membranu metodom olakšane difuzije je glukoza. Hormon insulin povećava kolišinu transportnih proteina za glukozu u ćelijskoj membrani i tako ubrazava resorpciju glukoze.

Osmoza

Pošto je ćelijska membrana polupropustljiva u određenim slučajevima može doći do razlike u osmolarnosti između ekstra i intraclularnog prostora. Kada se to dogodi dolazi do kretanja vode sa mesta manje osmolarnosti, do mesta veće osmolarnosti kroz ćelijsku membranu. Hiperosmolarnost u unutrašnjosti ćelije dovodi do ulaska vode u ćeliju (kroz pomenute proteinske kanale), ćelija bubri, u krajnjem slučaju može doći i do njenog pucanja. Ukoliko je osmolarnost veća spolja onda voda napušta ćeliju i ona se smežura. Ovaj proces kretanja vode (kao rastvarača) naziva se osmoza.

Aktivni transport

Ponekad je potrebno transportovati neki supstancu nasuprot koncentracionog ili elektrohemijskog gradijenta, odnosno sa mesta manje koncentracije na mesto veće koncentracije (uzbrdo). Jasno je da se ovaj proces nikada ne odvija spontano, već zahteva utrošak dodatne energije. Ovo je čest slučaj za jone kalijuma i natrijuma. U unutrašnjosti ćelije je visoka koncentracije jona kalijuma, a spolja niska. Za natrijumove jone važi obrnuto. Ovakav raspored je od velikog značaja za nastanak potencijala mirovanja. Ovakva koncentracija jona se postiže dejstvom pumpe za natrujum i kalijum odnosno natrijum-kalijum-ATPazae. Kao izvor energije ova pumpa koristi ATP. Postoje i drugi energetski izvori za aktivni transport. Prema izvoru energije aktivni transport je podeljen na primarni i sekundarni.

Primarni aktivni transport

Kod primarnog aktivnog transporta energija se dobija razlaganjem ATP-a, pri čemu nastaje ADP i oslobađa se energija.

ATP → ADP + E

ADP → AMP + E

U supstance koje se transportuju primarnim aktivnim transportom spadaju: natrijum, kalijum, kalcijum, vodonik, hlorid...

pumpa za natrijum i kalijum

•Najbitniji transportni mehanizam ove grupe je pumpa za natrijum i kalijum. Ova pumpa postoji u svim ćelijama i odgovorna je za održavanje koncentracione razlike kroz ćelijsku membranu, osmotskog pritiska i uspostavljanje mirovnog potencijala. Ona je izgrađena od četri proteinska molekula: 2 veće α podjedinice i 2 manje ß podjedinice. Pumpa poseduje tri receptorska mesta za jone natrijuma na delu pumpe okrenutom unutrašnjosti ćelije; dva receptorska mesta za kalijumove jone na spoljašnjem delu i deo koji vezuje ATP. Kada se 3 natrijumova jona vežu za unutrašnje receptore, a 2 za spoljašnje aktivira se razlaganje molekula ATP-a. Ovim razlaganjem se oslobađa energija koja menja konformaciju pumpe, pa se natrijumovi joni premeštaju na spoljni deo i izbaciju iz ćelije, a kalijumovi ubacuju u unutrašnjost ćelije.

•Još jedan bitni mehanizam primarnog aktivnog transporta je kalcijumska pumpa. U intracelilarnom prostoru se kalcijumovi joni održavaju u vrlo niskoj koncentraciji, dok je spolja njihova kncentracija više od 10.000 puta veća. Ovakve pumpe nalaze sa u ćelijskoj mambrani, ali i na nekim organelama kao npr. na mitohondrijama i sarkoplazmatskom ratikulumu (kod mišićnih ćelija).

•Primarni aktivni transport vodonikovih jona Vrši se u žlezdama želuca u parijetalnim ćelijama i distalnim tubulima bubrega.

Parijetalne ćelije želuca aktivno sekretuju vodonikove jone u spoljašnju sredinu (u lumen želuca) i mogu povećati njihovu koncetraciju u spoljašnjosti čak 1.000.000 puta. Tu se vodonikovi joni vezuju sa hloridnim jonima i stvara se želudačna kiselina (hlorovodonična kiselina).

U bubrežnim kanalićima se takođe vodonikovi joni aktivno sekretuju u njihov lumen, čime se eleminišu kiseline iz organizma i omogućava resorpcija bikarbonata, što igra ulogu u regulaciji pH vrednosti tela.

Sekundarni aktivni transport: kotransport, kontratransport

Sekundarni aktivni transport je jedan oblik aktivnog transporta pri kome se energija ne dobija razlaganjem energetskih jedinjenja kao npr. ATP, već se transport obavlja zajedno sa nekim drugim vidom transporta (primarnim aktivnim transportom). Postoji u vidu kotransporta i kontratransporta. Kada se primarnim aktivnim transportom (natrijum-kalijum pumpa) stvori velika razlika u koncentraciji jona sa obe strane ćelijske membrane onda se takav potencijal može iskoristiti za transport neke druge supstance. Da •kotransport

U spoljašnjosti je koncentracija natrijumovih jona (zbog rada pomenute pumpe) dosta veća i sada oni prirodno teže da uđu u unutrašnjost ćelije. Taj potencijal može se iskoristiti da se zajedno sa njima prebaci još neka supstanca u unutrašnjost ćelije. Da bi natrijum vukao neku supstancu sa sobom potrebno ih je povezati. To se postiže posredstvom nekih transportnih proteina ćelijske membrane. Kada se obe supstance vežu, dolazo do promene konformacije proteina i pomenute supstance se ubacuju u unutrašnjost. Na ovaj način sekundarnim aktivnim transportom transportuju se supstance kao glukoza i aminokiseline nasuprot velikom koncentracionom gradijentu. Ti sistemi su natrijum-glukoza kotransportni sistem i natrijumski transportni sistemi za aminokiseline (ima ih 5 vrsta). Ovi sistemi su naročito zastupljeni u ćelijama creva i bubrega.

Bitni kotransportni sistemi su još i: natrijumsko-kalcijumski kotransportni sistem, natrijumsko-vodonični kotransportni sistem, kalijumsko-hloridni kotransportni sistem i natrijumsko-kalijumski dihloridni kotransportni sistem

•kontratransport

Kod ovog transporta natrijumovi joni ponovo teže da difunduju u unutrašnjost ćelije, ali se sada takav potencijal iskoristi za transport neke supstance iz unutrašnjosti ćelije u spoljašnju sredinu, dakle u suprotnom smeru. Takođe je za ovaj vid transporta potreban proteinski nosač.

Endocitoza

Veoma velike čestice ulaze u ćeliju zahvaljujući posebnoj funkciju ćelijske membrane koja se zove endocitoza. Postoje dve vrste endocitoze: pinocitoza i fagocitoza.

Pinocitoza

Doslovno znači ćelija pije. Pinocitoza se sreće kod svih ćelija, a posebno je izražena kod odbrambenih ćelija-makrofaga. Pinocitozom ulaze u ćeliju krupni molekuli kao npr. proteini. Ovakvi proteini se obično vežu za receptore na površini ćelijske membrane. Ispod receptora nalaze u izvesnim udubljenjima kontraktilni proteini: klatrin, aktin i miozin. Kontrakcijom ovih vlakana dolazi do invaginacije ćelijske membrane, nastaje udubljenje čiji se suprotni krajevi spajaju i supstanca se nalazi u vezikuli u citoplazmi ćelije. Ovaj proces zahteva energiju iz ATP-a.

Fagocitoza

endocitoza (fagocitoza)

Doslovno znači ćelija jede. Odvija se isto kao i pinocitoza, samo što su čestice još veće, pa se čak i čitave ćelije mogu fagocitovati. Postoje ćelije koje su se specijalizovale za fagocitozu, a to su makrofagi i neutrofili. Ove ćelije vrše odbrambene funkcije i mogu fagocitovati razne bakterije. Fagocitoza počinje kada se proteini i polisaharidi koji se npr. nalaze na površini bakterija, vežu za odgovarajuće receptore fagocita. Ovaj proces može biti olakšan supstancama koje vrše opsonizaciju. Takve supstance su antitela i komponente sistema komplemenata. One oblažu bakterije i druge antigene i vazuju se za receptore na fagocitima, što olakšava fagocitozu. Kada se vežu za mambranu, onda se kontrakcijom pomenutih proteinskih vlakana mambrana invaginiše i okružuje bakteriju. Bakterija se sada nalazi u fagocitnoj vezikuli u citoplazmi ćelije. Ova vezikula ce spaja sa lizozomom, koji sadrži enzime za varenje i bakterija se ubija i vari.

Literatura

• Arthur C. Guyton John E. Hall Medicinska fiziologija savremena administracija Beograd 1999 ISBN 6-387-0599-9