Podstawy biologii komórki. Część 2 - ebook

O AUTORACH

BRUCE ALBERTS uzyskał stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Biochemistry and Biophysics University of California w San Francisco. Był redaktorem naczelnym Science w latach 2008–2013, a także prezydentem U.S. National Academy of Sciences w latach 1993–2005.

REBECCA HEALD otrzymała stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Molecular and Cell Biology w University of California w Berkeley i jego współkierownikiem.

KAREN HOPKIN otrzymała stopień doktora w Albert Einstein College of Medicine. Jest pisarką zajmującą się tematyką naukową. Jej prace ukazały się w wielu czasopismach naukowych, w tym w Science, Proceedings of the National Academy of Sciences i w The Scientist. Regularnie dostarcza materiały do codziennej audycji Scientific American zatytułowanej „60-Second Science”.

ALEXANDER JOHNSON uzyskał stopień doktora w Harvard University. Jest profesorem w Department of Microbiology and Immunology w University of California w San Francisco.

DAVID MORGAN uzyskał stopień doktora w University of California w San Francisco. Obecnie jest tam profesorem w Department of Physiology oraz prodziekanem ds. nauki w School of Medicine.

KEITH ROBERTS uzyskał stopień doktora w University of Cambridge. Był zastępcą dyrektora John Innes Centre. Jest emerytowanym profesorem University of East Anglia.

PETER WALTER uzyskał stopień doktora w The Rockefeller University w Nowym Jorku. Jest emerytowanym profesorem w Department of Biochemistry and Biophysics w University of California w San Francisco. Był również badaczem w Howard Hughes Medical Institute, a obecnie jest starszym wiceprezesem i dyrektorem instytutu w Altos Labs w Redwood City.12
TRANSPORT PRZEZ BŁONY

ZASADY TRANSPORTU BŁONOWEGO

TRANSPORTERY I ICH FUNKCJE

KANAŁY JONOWE I POTENCJAŁ BŁONOWY

KANAŁY JONOWE I SYGNALIZACJA W KOMÓRKACH NERWOWYCH

Komórki żyją i rosną dzięki wymianie cząsteczek z otoczeniem. Muszą pobierać składniki odżywcze, takie jak cukry i aminokwasy, oraz usuwać zbędne produkty metabolizmu. Muszą także regulować stężenia jonów nieorganicznych w cytozolu i organellach. Niektóre cząsteczki rozpuszczone w wodzie, takie jak CO₂ i O₂, mogą przenikać przez dwuwarstwę lipidową błony komórkowej, ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak więc ich przenoszenie przez błonę jest uzależnione od błonowych białek transportujących, które przechodząc przez całą szerokość dwuwarstwy, zapewniają swoisty transport wybranych substancji (ryc. 12.1).

Ryc. 12.1. Błony komórkowe zawierają wyspecjalizowane błonowe białka transportujące, które przenoszą małe jony lub cząsteczki rozpuszczone w wodzie. (A) Pozbawione białek sztuczne dwuwarstwy lipidowe, takie jak liposomy (patrz ryc. 11.13), są nieprzepuszczalne dla większości cząsteczek rozpuszczonych w wodzie. (B) Natomiast błony komórkowe zawierają błonowe białka transportujące (jasnozielony), a każde z nich przenosi określoną substancję w poprzek błony. Taki selektywny transport może zachodzić na drodze dyfuzji ułatwionej określonych jonów lub cząsteczek w poprzek błony (niebieskie koła), jak również aktywnego pompowania określonych substancji na zewnątrz (fioletowe trójkąty) lub do wnętrza (zielone paski) komórki. Dla pozostałych cząsteczek błona jest nieprzepuszczalna (czerwone kwadraty). Wspólne działanie różnych białek transportujących prowadzi do nagromadzenia się określonego zestawu cząsteczek w przedziale odizolowanym błoną, takim jak cytozol lub organelle

Ryc. 12.2. Szybkość, z jaką substancja rozpuszczona dyfunduje przez pozbawioną białek sztuczną dwuwarstwę lipidową, zależy od jej wielkości i rozpuszczalności. Wiele cząsteczek organicznych wykorzystywanych przez komórkę jako substancje odżywcze (czerwony), to cząsteczki zbyt duże i polarne, by mogły przejść przez sztuczną dwuwarstwę pozbawioną odpowiednich białek transportujących

W tym rozdziale omówimy sposoby kontroli ruchu jonów nieorganicznych i małych rozpuszczonych w wodzie cząsteczek do środka i na zewnątrz komórki oraz jej organelli otoczonych błonami. Komórki potrafią również selektywnie przenosić przez błony duże makrocząsteczki, takie jak białka, ale transport ten wymaga skomplikowanej maszynerii, którą omówiono w rozdziale 15.

Rozdział ten rozpoczniemy od zarysu niektórych podstawowych zasad dotyczących transportu jonów i małych cząsteczek przez błony komórkowe. Następnie opiszemy dwie główne klasy białek błonowych, które odpowiadają za ten transport: transportery i kanały. Transportery przenoszą małe cząsteczki organiczne lub jony nieorganiczne z jednej strony błony na drugą poprzez zmianę swojej konformacji. Kanały natomiast tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje rozpuszczone mogą przechodzić na zasadzie dyfuzji. Większość kanałów przepuszcza tylko jony i dlatego określa się je jako kanały jonowe. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny, ich przemieszczanie może wytworzyć znaczną siłę elektryczną, czyli napięcie elektryczne w poprzek błony. W ostatniej części tego rozdziału omówimy sposób, w jaki siły te umożliwiają komórkom nerwowym wzajemną komunikację, i ostatecznie wpływają na to, jak myślimy i jak się zachowujemy.

ZASADY TRANSPORTU BŁONOWEGO

Jak omówiliśmy w rozdziale 11, hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy lipidowej tworzy barierę dla przepływu większości cząsteczek hydrofilowych, w tym wszystkich jonów. Cząsteczki te tak samo niechętnie wchodzą w środowisko tłuszczowe, jak cząsteczki hydrofobowe niechętnie oddziałują z wodą. Ale komórki i ich organelle muszą umożliwiać przepływ wielu hydrofilowych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, takich jak jony nieorganiczne, cukry, aminokwasy, nukleotydy i liczne metabolity komórkowe. Cząsteczki te zbyt wolno przenikają dwuwarstwy lipidowe na drodze dyfuzji prostej, więc ich przejście przez błony musi być przyspieszone przez wyspecjalizowane białka transportujące. Proces ten nazywany jest dyfuzją ułatwioną. W tej części omówimy podstawowe zasady takiego ułatwionego transportu przez błony i przedstawimy różne typy białek błonowych, które pośredniczą w takim transporcie. Wyjaśnimy również, dlaczego transport – w szczególności jonów nieorganicznych – ma tak fundamentalne znaczenie dla wszystkich komórek.

Dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów i większości substancji rozpuszczalnych w wodzie

Jeśli czas obserwacji będzie wystarczająco długi, okaże się, że praktycznie każda cząsteczka dyfunduje przez dwuwarstwę lipidową. Szybkość dyfuzji zmienia się jednak znacznie w zależności od wielkości cząsteczki i cech jej rozpuszczalności. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza oraz im bardziej hydrofobowa lub niepolarna jest cząsteczka, tym szybsza będzie jej dyfuzja przez dwuwarstwę lipidową.

Oczywiście wiele ważnych dla funkcjonowania komórki cząsteczek rozpuszcza się w wodzie i ma charakter polarny. Tego typu substancje rozpuszczone (w tym przypadku rozpuszczone w wodzie) nie są w stanie przejść przez dwuwarstwę lipidową bez pomocy błonowych białek transportujących. Względną łatwość, z jaką różne substancje rozpuszczone mogą przenikać dwuwarstwę lipidową bez udziału białek transportujących, pokazano na rycinie 12.2.

1. Małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen cząsteczkowy (O₂, masa cząsteczkowa 32 daltony) i dwutlenek węgla (CO₂, 44 daltony), łatwo rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują; przepuszczalność dla gazów jest dla komórki bardzo istotna, ponieważ umożliwia ona procesy oddechowe, omówione w rozdziale 14.

2. Nienaładowane cząsteczki polarne (cząsteczki o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku elektrycznym) również dyfundują poprzez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe. Na przykład woda (18 daltonów) i etanol (46 daltonów) przechodzą dość szybko, podczas gdy glicerol (92 daltony) dyfunduje wolniej.

3. Większe nienaładowane cząsteczki polarne, takie jak glukoza (180 daltonów), nie dyfundują prawie wcale.

4. Dwuwarstwy lipidowe są natomiast wysoce nieprzepuszczalne dla wszystkich substancji naładowanych, w tym jonów nieorganicznych, nawet jeśli są one bardzo małe. Ładunek cząsteczek i ich silne przyciąganie elektryczne do cząsteczek wody uniemożliwiają naładowanym cząsteczkom wejście do węglowodorowego rdzenia dwuwarstwy. Tak więc pozbawione białek dwuwarstwy lipidowe są miliard (10⁹) razy bardziej przepuszczalne dla wody niż dla tak małych jonów jak Na+ lub K+.

Błonowe białka transportujące ułatwiają przemieszczanie się wybranych substancji przez błony komórkowe

Chociaż błony komórkowe pozwalają na przenikanie małych, niepolarnych cząsteczek w wyniku dyfuzji, komórki wymagają dostępu do wielu substancji – cukrów, aminokwasów, jonów i innych metabolitów – które przenikają przez dwuwarstwy lipidowe bardzo powoli. Aby przetransportować te substancje przez błonę, komórki posiadają niezliczoną ilość błonowych białek transportujących. Każde z tych białek stanowi unikatowy portal w błonie komórkowej, przeznaczony dla określonej, niskocząsteczkowej substancji rozpuszczalnej w wodzie. Większość tych białek jest selektywna, co oznacza, że pozwala na przepływ jedynie określonych substancji: niektóre z nich umożliwiają transport jonów Na+, ale nie K+, podczas gdy inne umożliwiają przepływ K+, ale blokują Na+, i tak dalej.

Jak omówiono w rozdziale 11, wszystkie zbadane do tej pory błonowe białka transportujące mają łańcuchy polipeptydowe, które wielokrotnie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową - są to więc białka o domenach transbłonowych. Gdy te odcinki transbłonowe skupiają się razem, tworzą wyścielony białkiem tunel, który pozwala wybranym małym, hydrofilowym cząsteczkom przejść przez błonę bez bezpośredniego kontaktu z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej (patrz ryc. 11.24).

Komórkowe błonowe białka transportujące dzielimy na dwie główne klasy: transportery i kanały. Zasadnicza różnica między transporterem a kanałem polega na sposobie, w jaki rozróżniają one substancje rozpuszczone, dzięki czemu transportują tylko niektóre z nich (ryc. 12.3). Kanały rozróżniają transportowane cząsteczki głównie na podstawie rozmiaru i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, mogą przez niego przechodzić tylko jony o odpowiednim rozmiarze i ładunku. Z drugiej strony, transporter przenosi tylko te cząsteczki lub jony, które pasują do określonych miejsc wiążących w białku. Transportery wiążą przenoszone substancje rozpuszczone z dużą swoistością, w taki sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat, i to właśnie ten wymóg specyficznego wiązania nadaje transporterom ich selektywność.

Ryc. 12.3. Jony nieorganiczne i małe polarne cząsteczki organiczne mogą przechodzić przez błonę komórkową z udziałem transporterów lub kanałów. (A) Kanał tworzy w poprzek dwuwarstwy lipidowej hydrofilowy por, przez który mogą dyfundować określone jony nieorganiczne lub, w niektórych przypadkach, polarne cząsteczki organiczne. Kanały jonowe mogą istnieć w stanie otwartym lub zamkniętym, ale transportują jony tylko wtedy, gdy znajdują się w pokazanym na rycinie stanie otwartym. Otwieranie i zamykanie kanałów jest zazwyczaj kontrolowane przez bodźce zewnętrzne lub przez warunki istniejące w komórce. (B) Transporter przechodzi szereg zmian konformacyjnych w celu przeniesienia małych substancji rozpuszczonych przez dwuwarstwę lipidową. Transportery są bardzo selektywne dla rozpuszczonych substancji, wiążą je i przenoszą znacznie wolniej niż kanały

Każdy rodzaj błony komórki ma swój własny charakterystyczny zestaw białek transportujących. Ten charakterystyczny zbiór określa dokładnie, które substancje mogą przekroczyć daną błonę, umożliwiając komórce lub organelli ustanowienie wewnętrznego środowiska, które różni się od otoczenia.

Stężenia jonów wewnątrz komórki różnią się bardzo od ich stężeń na zewnątrz

Ponieważ dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów nieorganicznych, żywe komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w ich otoczeniu. Różnice te są kluczowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. Najważniejszymi dla komórek jonami nieorganicznymi są Na+, K+, Ca2+, Cl–, i H+ (protony). Ich przechodzenie przez błony komórkowe stanowi istotną część wielu procesów komórkowych, ale chyba najbardziej uderzającym przykładem jest synteza ATP prowadzona przez wszystkie komórki (co omówimy w rozdz. 14) i działanie komórek nerwowych (o czym będziemy mówić później).

Na+ jest najobficiej występującym dodatnio naładowanym jonem (kationem) na zewnątrz komórki ssaków, podczas gdy K+ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu (tab. 12.1). Aby komórka nie została rozerwana przez siły elektryczne, liczba ładunków dodatnich wewnątrz komórki musi być równoważona przez prawie taką samą liczbę ładunków ujemnych, przy czym to samo dotyczy ładunków w otoczeniu komórki. Duże stężenie Na+ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl–, podczas gdy duże stężenie K+ wewnątrz komórki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych organicznych i nieorganicznych jonów (anionów), w tym kwasy nukleinowe, białka i liczne metabolity wewnątrzkomórkowe (patrz tab. 12.1).

TABELA 12.1. PORÓWNANIE STĘŻEŃ JONÓW NA ZEWNĄTRZ I WEWNĄTRZ TYPOWEJ KOMÓRKI SSAKA

Jon

Stężenie wewnątrzkomórkowe (mM)

Stężenie zewnątrzkomórkowe (mM)

Kationy

Na+

5–15

145

K+

140

5

Mg2+

0,5*

1–2

Ca2+

10–4*

1–2

H+

7 × 10–5 (10–7,2 M, czyli pH 7,2)

4 × 10–5 (10–7,4 M, czyli pH 7,4)

Aniony**

Cl–

5–15

110

* Podane stężenia Mg2+ i Ca2+ dotyczą wolnych jonów. W komórkach jest łącznie około 20 mM Mg2+ i 1–2 mM Ca2+, ale większość tych jonów jest związana z białkami i innymi cząsteczkami organicznymi, a w przypadku Ca2+ przechowywana jest w różnych organellach.

** Oprócz Cl– komórka zawiera wiele innych anionów niewymienionych w tej tabeli. W rzeczywistości większość składników komórki ma ładunek ujemny (HCO₃–, PO₄3–, białka, kwasy nukleinowe, metabolity zawierające grupy fosforanowe i karboksylowe itp.).

Różnice w stężeniu jonów nieorganicznych w poprzek błony komórkowej tworzą potencjał błonowy

Chociaż ładunki elektryczne wewnątrz i na zewnątrz komórki są utrzymywane we względnej równowadze, może się pojawić mały nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych. Zagęszczenie tych ładunków jest największe w bezpośrednim sąsiedztwie błony komórkowej. Obecna w poprzek błony nierównowaga elektryczna tworzy różnicę potencjałów elektrycznych, którą określa się jako potencjał błonowy.

Gdy komórka nie jest pobudzona, przepływ kationów i anionów przez błonę komórkową jest precyzyjnie równoważony. W tak ustabilizowanych warunkach różnica potencjałów między obiema stronami błony komórkowej, zwana spoczynkowym potencjałem błonowym, w skrócie potencjałem spoczynkowym, utrzymuje się na stałym poziomie. Jednakże wartość potencjału spoczynkowego nie jest równa zeru. Na przykład w komórkach zwierzęcych jego wartość mieści się między –20 a –200 miliwoltów (mV), w zależności od organizmu i typu komórki. Wartość ta jest wyrażona jako liczba ujemna, ponieważ wnętrze komórki jest bardziej naładowane ujemnie niż jej otoczenie.

Potencjał błonowy dostarcza komórkom nerwowym – i innym komórkom, które są elektrycznie pobudliwe – skuteczny sposób komunikacji z ich sąsiadami. W dalszej części tego rozdziału omówimy, jak kanały i transportery ułatwiają tę niesamowitą wymianę informacji, co daje nam zdolność myślenia, odczuwania i działania. Jednocześnie potencjał błonowy pomaga również w napędzaniu ruchu wielu jonów i metabolitów, których komórki potrzebują do przetrwania.

Transport bierny i aktywny umożliwiają substancjom rozpuszczonym przejście przez błonę

Transportery i kanały pozwalają małym hydrofilowym cząsteczkom i jonom przenikać przez błonę komórkową. Ale co kontroluje kierunek przechodzenia tych substancji do środka lub na zewnątrz komórki (lub organelli)? W wielu przypadkach kierunek transportu zależy tylko od stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach błony. Jeśli tylko istnieje odpowiednia droga, substancje spontanicznie przechodzą „w dół”, z przedziału o wysokim stężeniu do przedziału o niskim stężeniu. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły napędowej. Jeśli na przykład substancja rozpuszczona występuje w wyższym stężeniu poza komórką niż w jej wnętrzu i gdy w błonie komórkowej obecny jest odpowiedni kanał lub transporter, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki dzięki transportowi biernemu (nazywanemu też dyfuzją ułatwioną ), bez wydatku energii ze strony białka transportującego. Dzieje się tak, ponieważ nawet jeśli substancja może przemieszczać się w obu kierunkach przez błonę, więcej substancji będzie przemieszczać się do wnętrza niż na zewnątrz, aż stężenia się wyrównają. „Środkami” transportu biernego są wszystkie kanały i wiele transporterów.

Aby jednak przenieść substancję rozpuszczoną wbrew gradientowi stężeń, białko transportujące musi wykonać pracę: musi napędzać przepływ substancji „pod górę” z przedziału o niższym stężeniu do przedziału o wyższym stężeniu. Aby było to możliwe, sprzęga ono transport z innym procesem, który dostarcza energii (jak omówiono w rozdziale 3). Ten sposób przemieszczania substancji rozpuszczonej przez błonę nazywany jest transportem aktywnym. Prowadzony jest on przez określony typ transporterów nazwany pompami, które mogą do procesu transportu zaprzęgnąć określone źródła energii, takie jak hydroliza ATP (ryc. 12.4).

Ryc. 12.4. Transport bierny lub aktywny umożliwia przejście substancji rozpuszczonych przez błonę. Niektóre małe niepolarne cząsteczki, takie jak CO₂ (patrz ryc. 12.2), mogą się przemieszczać bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową bez udziału błonowego białka transportującego, dzięki dyfuzji prostej w kierunku zgodnym ze swoim gradientem stężeń. Jednak większość substancji rozpuszczonych wymaga udziału kanału, nośnika lub pompy. Transport bierny przebiega w kierunku zgodnym z gradientem stężeń i zachodzi spontanicznie, podczas gdy transport aktywny przebiega wbrew gradientowi stężeń i wymaga dodatkowego nakładu energii. Tylko transportery prowadzą transport aktywny. Transportery takie nazywane są pompami