Bunka je štrukturálna jednotka všetkého života na našej planéte a otvorený systém. To znamená, že jeho život si vyžaduje neustálu výmenu hmoty a energie s okolím. Táto výmena sa uskutočňuje cez membránu - hlavnú hranicu bunky, ktorá je navrhnutá tak, aby bola zachovaná jej integrita. Bunkový metabolizmus prebieha cez membránu a ide buď pozdĺž koncentračného gradientu látky, alebo proti nemu. Aktívny transport cez cytoplazmatickú membránu je zložitý a energeticky náročný proces.
Membrána – bariéra a brána
Cytoplazmatická membrána je súčasťou mnohých bunkových organel, plastidov a inklúzií. Moderná veda je založená na modeli štruktúry membrány fluidnej mozaiky. Aktívny transport látok cez membránu je možný vďaka jejkonkrétnu budovu. Základ membrán tvorí lipidová dvojvrstva - hlavne fosfolipidy usporiadané v súlade s ich hydrofilno-hydrofóbnymi vlastnosťami. Hlavnými vlastnosťami lipidovej dvojvrstvy sú tekutosť (schopnosť vložiť a stratiť miesta), samozostavenie a asymetria. Druhou zložkou membrán sú proteíny. Ich funkcie sú rôznorodé: aktívny transport, príjem, fermentácia, rozpoznávanie.
Proteíny sa nachádzajú na povrchu membrán aj vo vnútri a niektoré do nich prenikajú niekoľkokrát. Vlastnosťou proteínov v membráne je schopnosť pohybovať sa z jednej strany membrány na druhú („preklápací“skok). A poslednou zložkou sú sacharidové a polysacharidové reťazce sacharidov na povrchu membrán. Ich funkcie sú dodnes kontroverzné.
Typy aktívneho transportu látok cez membránu
Aktívny bude taký prenos látok cez bunkovú membránu, ktorý je riadený, prebieha s nákladmi na energiu a ide proti koncentračnému gradientu (látky sa prenášajú z oblasti s nízkou koncentráciou do oblasti vysoká koncentrácia). V závislosti od toho, aký zdroj energie sa používa, sa rozlišujú tieto spôsoby dopravy:
- Primárne aktívne (zdroj energie – hydrolýza kyseliny adenozíntrifosforečnej ATP na kyselinu adenozíndifosforečnú ADP).
- Sekundárne aktívne (poskytované sekundárnou energiou vytvorenou ako výsledok mechanizmov primárneho aktívneho transportu látok).
Proteíny-asistenti
V prvom aj druhom prípade je transport nemožný bez nosných proteínov. Tieto transportné proteíny sú veľmi špecifické a sú navrhnuté tak, aby niesli určité molekuly a niekedy dokonca aj určité typy molekúl. Experimentálne sa to dokázalo na mutovaných bakteriálnych génoch, čo viedlo k nemožnosti aktívneho transportu cez membránu určitého uhľohydrátu. Transmembránové transportné proteíny môžu byť autotransportéry (interagujú s molekulami a priamo ich prenášajú cez membránu) alebo tvoriace kanály (tvoria póry v membránach, ktoré sú otvorené pre špecifické látky).
Pumpa sodíka a draslíka
Najviac študovaným príkladom primárneho aktívneho transportu látok cez membránu je Na+ -, K+ -čerpadlo. Tento mechanizmus zabezpečuje rozdiel v koncentráciách iónov Na+ a K+ na oboch stranách membrány, ktorý je potrebný na udržanie osmotického tlaku v bunke a ďalších metabolických procesov. Transmembránový nosičový proteín, sodno-draselná ATPáza, pozostáva z troch častí:
- Na vonkajšej strane proteínovej membrány sú dva receptory pre ióny draslíka.
- Vnútri membrány sú tri receptory sodíkových iónov.
- Vnútorná časť proteínu má aktivitu ATP.
Keď sa dva draselné ióny a tri sodíkové ióny naviažu na proteínové receptory na oboch stranách membrány, aktivita ATP sa zapne. Molekula ATP sa hydrolyzuje na ADP za uvoľnenia energie, ktorá sa vynakladá na transport iónov draslíkavnútri a sodíkové ióny mimo cytoplazmatickej membrány. Odhaduje sa, že účinnosť takéhoto čerpadla je viac ako 90 %, čo je samo o sebe celkom úžasné.
Pre informáciu: Účinnosť spaľovacieho motora je približne 40 %, elektrického až 80 %. Je zaujímavé, že pumpa môže pracovať aj v opačnom smere a slúžiť ako donor fosfátov pre syntézu ATP. Pre niektoré bunky (napríklad neuróny) sa až 70 % všetkej energie vynakladá na odstránenie sodíka z bunky a načerpanie iónov draslíka do nej. Čerpadlá na vápnik, chlór, vodík a niektoré ďalšie katióny (ióny s kladným nábojom) pracujú na rovnakom princípe aktívneho transportu. Žiadne takéto pumpy neboli nájdené pre anióny (záporne nabité ióny).
Spolupreprava sacharidov a aminokyselín
Príkladom sekundárneho aktívneho transportu je prenos glukózy, aminokyselín, jódu, železa a kyseliny močovej do buniek. V dôsledku činnosti pumpy draslíka a sodíka sa vytvára gradient koncentrácií sodíka: koncentrácia je vysoká vonku a nízka vo vnútri (niekedy 10-20 krát). Sodík má tendenciu difundovať do bunky a energiu tejto difúzie možno využiť na transport látok von. Tento mechanizmus sa nazýva kotransport alebo spojený aktívny transport. V tomto prípade má nosný proteín na vonkajšej strane dve receptorové centrá: jedno pre sodík a druhé pre transportovaný prvok. Až po aktivácii oboch receptorov dochádza v proteíne ku konformačným zmenám a k difúznej energiisodík zavádza transportovanú látku do bunky proti koncentračnému gradientu.
Hodnota aktívneho transportu pre bunku
Ak by zvyčajná difúzia látok cez membránu prebiehala ľubovoľne dlho, ich koncentrácie mimo a vnútri bunky by sa vyrovnali. A to je smrť pre bunky. Koniec koncov, všetky biochemické procesy musia prebiehať v prostredí rozdielu elektrických potenciálov. Bez aktívneho, proti koncentračnému gradientu, transportu látok by neuróny nemohli prenášať nervový impulz. A svalové bunky by stratili schopnosť sťahovať sa. Bunka by nebola schopná udržať osmotický tlak a zrútila by sa. A produkty látkovej premeny by sa nevynášali von. A hormóny by sa nikdy nedostali do krvného obehu. Koniec koncov, aj améba míňa energiu a vytvára potenciálny rozdiel na svojej membráne pomocou rovnakých iónových púmp.
