Obecność błony komórkowej gwarantuje rozdzielenie poszczególnych komórek od siebie, a także stworzenie bariery pomiędzy ich wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym. Dzięki występowaniu barier możliwe jest utrzymanie gradientu stężeń poszczególnych substancji, znajdujących się po obu stronach błony. To z kolei pozwala na utrzymywanie różnicy potencjałów po obu stronach błony i generowanie prądów elektrycznych. Błony komórkowe charakteryzują się selektywnością oraz półprzepuszczalnością. Oznacza to, że jedne substancje mogą łatwo przekraczać błony, a transport innych jest utrudniony lub niemożliwy. O tym, w jaki sposób cząsteczki będą transportowane przez błonę, decydują ich właściwości.
Transport przez błony biologiczne można podzielić według wymaganego nakładu energii. Tym samym wyróżnia się transport bierny – nie wymagający nakładu energii oraz aktywny, którego siłą napędową są hydroliza ATP lub gradient stężenia cząsteczki kotransportowanej. Transport może zachodzić przez warstwę błony, przez białka błonowe lub w pęcherzykach na drodze endocytozy i egzocytozy.
1. Transport bierny
1.1. Dyfuzja prosta
Dyfuzja prosta jest przykładem transportu biernego i polega na przenikaniu substancji bezpośrednio przez błonę. Siłami napędowymi dyfuzji są energia kinetyczna będąca konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek, a także siła elektrochemiczna wynikająca z gradientu stężeń oraz wypadkowej ładunków przenoszonej cząsteczki i polaryzacji komórki. Wypadkowa sił chemicznej i elektrycznej stanowi o sile elektrochemicznej dyfuzji. Cząsteczki substancji rozprzestrzeniają się z miejsca o ich wyższym stężeniu do miejsca o niższym stężeniu. Kierunek transportu w poprzek błony determinuje również potencjał równowagowy danego jonu. Jest to taka siła elektryczna, która równoważy siłę dyfuzji, wynikającą z gradientu stężeń i zatrzyma przepływ tych jonów. Efektem tego jest wyrównanie stężeń substancji dyfundujących. Bezpośrednio przez błonę mogą przenikać cząsteczki obojętne chemicznie, takie jak woda, tlen, dwutlenek węgla, a także związki lipofilne, do których należą steroidy. Natomiast związki posiadające ładunek elektryczny (jony) nie mogą swobodnie przenikać hydrofobowej błony, dlatego do ich transportu wykorzystywane są kanały jonowe.
Szczególnie ważny dla zachowania stałości środowiska wewnątrzkomórkowego i procesów biochemicznych jest transport wody. Cząsteczki wody mogą bezpośrednio dyfundować przez błony biologiczne drogą osmozy. Transport ten odbywa się ze środowiska o niższym stężeniu substancji (hipotonicznego) do środowiska o wyższym nagromadzeniu substancji rozpuszczonej (hipertonicznego). Ponadto w kanalikach nerkowych obecne są stale otwarte kanały wodne, nazywane akwaporynami. Ich liczba zależy od działania hormonów w tym wazopresyny, która indukuje ich wbudowywanie w błonę kanalików.
1.2. Dyfuzja ułatwiona
Dyfuzja ułatwiona, podobnie jak dyfuzja prosta, zachodzi zgodnie z gradientem stężeń, ale przy udziale specyficznych białek transportowych, do których należą translokazy i kanały jonowe. Tą drogą odbywa się transport głównie aminokwasów, cukrów, nukleotydów i produktów metabolizmu komórkowego. Translokazy występują w dwóch konformacjach, pierwsza z nich dotyczy stanu, gdy mogą one związać cząsteczkę przenoszoną, druga zaś odnosi się do stanu, w którym cząsteczka ta zostaje uwolniona. Przyłączenie cząsteczki do miejsca jej wiązania zmienia allosterycznie konformację przestrzenną białka transportującego w taki sposób, że otwiera się ono z drugiej strony i uwalnia transportowaną substancję. Cykl pracy translokaz polega więc na ciągłym przechodzeniu jednej konformacji w drugą. Szybkość przenoszenia zależy od stężenia transportowanej substancji i jej powinowactwa wobec nośnika. Dla tempa dyfuzji znaczenie mają także liczba nośników w błonie, ich stopień wysycenia substratem, a także dynamika zachodzących w nich zmian konformacyjnych.
W zależności od tego, ile różnych cząsteczek może być wiązanych przez przenośniki podczas jednego cyklu pracy. Transport z ich udziałem podzielono na uniport, kiedy przenoszony jest jeden rodzaj cząsteczek oraz kotransport, gdy przenoszone są dwa różne typy cząsteczek. Jeśli obie cząsteczki transportowane są na tę samą stronę błony, mówimy o symporcie, natomiast gdy każda z cząsteczek przechodzi na jej przeciwną stronę – o antyporcie. Wśród białek nośnikowych o charakterze uniportu wyróżnia się transportery glukozy (GLUT). Przykładem antyportu jest tzw. wymiana Hamburgera, która zachodzi m.in. w płucach i polega na dyfuzji jonu chlorkowego z osocza do erytrocytu, natomiast anion wodorowęglanowy dyfunduje w przeciwnym kierunku.
1.3. Transport bierny przez kanały
Białka pełniące rolę kanałów mogą znajdować się w różnych konformacjach – otwartej lub zamkniętej. Kanały mogą być stale otwarte, czego przykładem są przeciekowe kanały potasowe, które pełnią ważną funkcję w utrzymaniu potencjału spoczynkowego wszystkich komórek pobudliwych oraz pory wodne (akwaporyny).
Kanały mogą również pozostawać zamknięte i otwierać się po przyłączeniu odpowiedniego ligandu lub wskutek zmiany napięcia eklektycznego, naprężenia mechanicznego czy też pH. Otwarty kanał przepuszcza jony zgodnie z różnicą ich stężenia po obu stronach kanału. Przepływ jonów powoduje zmianę polaryzacji błony komórkowej oraz inaktywację kanału i jego zamknięcie. Kiedy kanał jonowy jest zamknięty, to mimo działania siły chemicznej wynikającej z gradientu stężeń dyfuzja nie zajdzie. W stanie gotowości kanał również jest zamknięty, ale może zostać aktywowany w wyniku zadziałania właściwego czynnika.
Budowa kanałów bazuje na połączeniu ze sobą kilku homologicznych podjednostek lub domen. Większość kanałów tworzona jest przez 4, 5 lub 6 takich podjednostek, z których każda może być oddzielnym białkiem lub polipeptydem. Poszczególne podjednostki ułożone są w taki sposób, że pomiędzy nimi tworzy się por, przez który transportowana jest substancja. Wewnętrzne ściany porów tworzą polarne łańcuchy aminokwasowe, dzięki czemu ma ono właściwości hydrofilowe i decyduje o selektywności kanału. Natomiast o specyficzności kanału, czyli o tym, czy przepuszcza on aniony czy kationy, decydują ładunki bocznych łańcuchów aminokwasowych. Dla przykładu wnętrze kanału kationowego ma ładunek ujemny, mogą więc przepływać nim kationy, ale nie aniony.
1.3.1. Kanały aktywowane ligandem
Mechanizm ligandozależny polega na zmianie konformacji przestrzennej białek kanałowych w wyniku przyłączenia ligandu do receptora, który znajduje się na białkach kanałowych. Przyłączenie ligandu do receptora na białku kanałowym zmienia ułożenie przestrzenne łańcuchów polipeptydowych i powoduje otwarcie kanału. Oddysocjowanie ligandu skutkuje przywróceniem pierwotnej konformacji przestrzennej i zamknięciem kanału. Kanały bramkowane ligandem pojawiają się w komórce w roli receptorów neuroprzekaźników (receptory jonotropowe). Przykładem ich jest receptor acetylocholiny typu nikotynowego, który jest najlepiej poznanym kanałem tego typu. Przyłączenie acetylocholiny indukuje zmiany konformacyjne, otwierające kanały dla jonów Na+ i Ca2+. Napływ jonów do wnętrza powoduje depolaryzację błony komórki, na której znajdują się receptory. Natomiast odłączenie acetylocholiny skutkuje zamknięciem kanałów. Kolejnym przykładem są kanały przejściowego potencjału (ang. transient receptor potential, TRP), które występują przede wszystkim w narządach zmysłów, umożliwiając odbieranie bodźców z otoczenia. W zależności od typu mogą być otwierane przez ligandy związane z wtórnymi przekaźnikami lub przez czynniki fizyczne i chemiczne. Najlepiej poznany kanał TRP, tzw. receptor kapsaicyny, aktywowany jest przez ciepło, protony oraz fosfolipazę C.
Mechanizm otwierania kanałów przez ligand może być również powiązany z tzw. wtórnymi przekaźnikami, w tym z białkiem G, na którym znajduje się receptor dla ligandu. Po połączeniu liganda z takim receptorem dochodzi do rozpadu białka G na trzy podjednostki: alfa, beta i gamma. Te uruchamiają szlaki wewnątrzkomórkowe prowadzące do otwarcia kanałów jonowych niezwiązanych bezpośrednio z receptorem. W tym przypadku efekt działania ligandu następuje z opóźnieniem (po kilku milisekundach). Co ważne, jedna cząsteczka ligandu może otworzyć populację różnych kanałów. W mechanizmie zależnym od cyklicznych nukleotydów podjednostka alfa białka G aktywuje cyklazę adenylanową, co prowadzi do wzrostu stężenia wtórnego przekaźnika. Może być nim cAMP, który aktywuje kinazy białkowe, fosforylujące białka kanałowe. W efekcie kanał jonowy otwiera się. Odwrotny proces defosforylacji kinaz białkowych prowadzi do zamknięcia kanału i przeprowadzany jest przez fosfatazy. Niektóre kanały posiadają receptory umożliwiające bezpośrednie przyłączenie podjednostek beta i gamma.
1.3.2. Kanały aktywowane napięciem
Otwieranie kanałów bramkowanych napięciem elektrycznym następuje pod wpływem zadziałania impulsu nerwowego i depolaryzacji błony komórkowej. Gdy na komórkę nie działa żaden czynnik, kanały w błonie są pozamykane, a błona jest spolaryzowana i ma potencjał spoczynkowy. Występowanie tego zjawiska jest podstawą działania komórek pobudliwych – nerwowych, gruczołowych i mięśniowych. W komórkach nerwowych istotne znaczenie ma obecność kanałów sodowych i potasowych odpowiedzialnych kolejno za szerzenie się depolaryzacji i repolaryzacji. W błonach komórek mięśniowych występują natomiast kanały wapniowe bramkowane napięciem, uczestniczące w mechanizmie skurczu włókien mięśniowych. Z kolei w komórkach gruczołowych kanały wapniowe biorą udział w uwalnianiu pęcherzyków wydzielniczych.
1.3.3. Kanały aktywowane naprężeniem mechanicznym
Kanały otwierane naprężeniem mechanicznym są odpowiedzialne za odbiór bodźców mechanicznych i przekształcanie ich na sygnały elektryczne. Mechanizm ten obserwuje się w kanałach wapniowych komórek rzęsatych narządu słuchu Cortiego. Do otwarcia tego typu kanałów dochodzi poprzez zmianę naprężenia rzęsek. Jeżeli rzęski są wiotkie to kanał jest zamknięty, natomiast wzrost naprężenia rzęsek prowadzi do odkształceń błony i otwarcia kanałów jonowych.
1.3.4. Kanały zależne od pH
Kanały zależne od pH (ang. acid sensing ion channels, ASICs) należą do klasy niewrażliwych na napięcie kanałów kationowych, które występują w ośrodkowym układzie nerwowym. Mogą być one aktywowane przez spadek zewnątrzkomórkowego pH poniżej wartości 7,0. Ponadto aktywacja ASICs w obszarach mózgu takich jak hipokamp, kora mózgowa, prążkowie i ciało migdałowate odgrywa kluczową rolę w procesach plastyczności synaptycznej, uczenia się, zapamiętywania a także w śmierci neuronów. Wyniki badań prowadzonych na gryzoniach dostarczyły informacji, że dezaktywacja ASICs prowadzi u zwierząt do osłabienia długoterminowego efektu wzmocnienia synaptycznego, a tym samym do upośledzenia procesów uczenia się i zapamiętywania. Co więcej, zaburzenia funkcjonowania tych kanałów prowadzą do zmiany pH w mózgu, a w konsekwencji do rozwoju zmian o podłożu zapalnym i neurodegeneracyjnym. Taki stan predysponuje do wystąpienia chorób Alzheimera, Parkinsona czy też stwardnienia rozsianego.
2. Transport aktywny
2.1. Transport aktywny pierwotny
Białka nośnikowe, uczestniczące w transporcie aktywnym pierwotnym nazywane są pompami i zawierają podjednostkę o właściwościach ATPazy. Jest to ważna cecha, która umożliwia pozyskiwanie z hydrolizy wysokoenergetycznych wiązań ATP energii niezbędnej do transportu. Na drodze transportu aktywnego pierwotnego przenoszone są głównie jony. Szczególnym przykładem enzymu uczestniczącego w transporcie aktywnym jonów sodowych i potasowych, jest pompa sodowo-potasowa (ATPaza Na+/K+). W ciągu jednego cyklu jej pracy na zewnątrz przenoszone są trzy jony sodowe, podczas gdy do wnętrza przechodzą dwa jony potasu. Dzieje się to przy wykorzystaniu energii z hydrolizy ATP, do której niezbędne są jony magnezu. Cały cykl trwa 10 ms, oznacza to, że w ciągu jednej sekundy pompa wykonuje 100 obrotów i w tym czasie jest w stanie transportować 300 jonów Na+ na zewnątrz i 200 jonów K+ do wnętrza komórki.
Dzięki obecności pompy sodowo-potasowej w błonie komórka jest w stanie utrzymać większe stężenie jonów potasowych wewnątrz i większe stężenie jonów sodu po stronie zewnętrznej błony. Utrzymywanie tego gradientu ma ogromne znaczenie fizjologiczne dla komórki, ponieważ kontroluje jej objętość, a w przypadku nerwów i mięśni gwarantuje ich pobudliwość. Ponadto gradient jonów sodowych wytworzony z udziałem pompy sodowo-potasowej jest siłą napędową transportu aktywnego wtórnego wykorzystywanego do symportu niektórych cząsteczek.
W komórkach występują także pompy typu ABC (ang. ATP binding cassette). Są to transbłonowe białka wiążące ATP, które wykorzystują energię uwalnianą podczas hydrolizy ATP do przemieszczania substratów z cytoplazmy na zewnątrz komórki. Do tego typu pomp należy transporter chlorkowy. Występuje on przede wszystkim w gruczołach zewnątrzwydzielniczych, w których reguluje lepkość śluzu poprzez wydzielanie jonów chlorkowych. Do pomp typu ABC zalicza się również oraz pompy oporności wielolekowej MDR (ang. multidrug resistance) obecne np. w komórkach nowotworowych. Są one odpowiedzialne za usuwanie z komórek do środowiska zewnętrznego leków i rozwój oporności na chemioterapię.
2.2. Transport aktywny wtórny
Przykładami transporterów wykorzystujących gradient sodowy są sodozależny transporter glukozy (ang. sodium glucose transporter, SGLT) oraz sodozależne transportery dla aminokwasów obecne w rąbku szczoteczkowym jelit. Ważną rolę pełnią także wymienniki sodowo-wapniowe i sodowo-wodorowe, które są odpowiedzialne odpowiednio za odprowadzanie nadmiaru jonów wapnia z cytoplazmy miocytów i aksonów oraz za regulację poziomu pH.
3. Transport pęcherzykowy
Transport pęcherzykowy dotyczy substancji, które nie mogą dyfundować przez błonę lub nie posiadają swoich transporterów. Może on zachodzić w dwóch kierunkach – do wnętrza komórki (endocytoza) lub na zewnątrz (egzocytoza). W zależności od pobieranej treści endocytozę można podzielić na pinocytozę, która obejmuje pobieranie małych elementów, np. cząsteczek rozpuszczonych w płynie otaczającym komórkę oraz fagocytozę, czyli pobieranie większych cząsteczek np. całych komórek.
Endocytoza jest procesem konstytutywnym i może przebiegać z udziałem białek receptorowych lub bez nich. Najlepiej poznanym mechanizmem jest endocytoza za pośrednictwem pęcherzyków opłaszczonych klatryną. Endocytoza kierowana receptorami bierze udział w transporcie m.in. cholesterolu, żelaza, hormonów białkowych, wirusów czy toksyn bakteryjnych.
Proces egzocytozy zachodzi stale lub w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny. Jest zależny od ATP, czyli wymaga nakładu energii. W tworzeniu pęcherzyków fagocytarnych uczestniczą białka cytoszkieletu. Tą drogą mogą być transportowane m.in. białka, peptydy i aminy. W organizmie człowieka fagocytoza jest elementem odporności komórkowej z udziałem makrofagów, które nazywane są komórkami fagocytarnymi.
Endocytoza i egzocytoza są procesami, które uzupełniając się pozwalają zachować ciągłość błon biologicznych. W endocytozie związanej z receptorem tworzy się kompleks ligand-receptor, który migruje do dołka opłaszczonego klatryną. Następnie błona wpukla się i zamyka, formując pęcherzyk, tzw. endosom. W międzyczasie endosom traci płaszcz klatrynowy a cząsteczki klatryny zostają ponownie wbudowane w błonę. Kompleks receptor-ligand rozdziela się, przy czym pęcherzyk zawierający ligand przechodzi do lizosomu lub aparatu Golgiego, a pęcherzyk zawierający receptor ulega fuzji z błoną na drodze egzocytozy.
W transport pęcherzykowy zaangażowane są białka z rodziny Rab i SNARE. Białka Rab to tzw. białka wiążące, które pozwalają na przyłączenie pęcherzyka do błony docelowej. Z kolei dzięki obecności powierzchniowych białek v-SNARE (ang. vehicle SNAP receptors) pęcherzyki łączą się z białkami t-SNARE (ang. target SNAP receptors) na powierzchni błony docelowej i ulegają fuzji, uwalniając swoją zawartość.
4. Podsumowanie
