Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/68. Otázka

			68. Otázka
			Aktivní a pasivní transport buněčnou membránou, šíření akčního potenciálu
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Aktivní transport

Aktivní transport je přenos látek přes buněčnou membránu, který je narozdíl od pasivního transportu spjat se spotřebou energie. Díky dodané energii, která vzniká nejčastěji štěpením ATP, je možné vykonávat tento transport i proti směru koncentračního gradientu (koncentračního spádu).

Aktivní transport umožňují specializované integrální membránové proteiny zabudované v buněčné membráně:

• Iontové pumpy – iontové kanály vybavené enzymem ATPáza.

• Přenašečové proteiny vybavené enzymem ATPáza.

Rozlišujeme dva typy aktivního transportu:

Primární aktivní transport

Je zapotřebí přítomnost volné energie. Přenáší se pouze jedna částice (např. na Na⁺/K⁺ ATPáza, která současně čerpá sodík z buňky a draslík do buňky).

Primární aktivní transportéry se dají klasifikovat na základě způsobu získávání potřebné energie:

• Přenašeče (transportéry) poháněné hydrolýzou ATP – vyskytují se ve všech doménách organismů .

• Přenašeče poháněné dekarboxylací – vyskytují se v prokaryontních organismech.

• Přenašeče poháněné přenosem methylové skupiny – vyskytují se u archebakterií.

• Přenašeče poháněné oxidoreduktázou: zdroj energie je oxidace redukovaného substrátu zprostředkovaná tokem elektronů – vyskytují se ve všech doménách organismů.

• Přenašeče poháněné světelnou energií- vyskytují se u archebakterií.

Sekundární aktivní transport

Jako zdroj energie je využito spřažení s přenosem jiné látky ve směru koncentračního gradientu. Energie uložená v gradientu, který následuje pasivně přenášená částice, je využita k přenosu druhé částice proti směru koncentračního spádu.

Gradient pro pasivní přestup druhé látky je vytvořen primárně aktivním transportním mechanismem na jiném místě membrány (např. resorpce glukózy proti gradientu a sodíku ve směru gradientu v tenkém střevě). Pro sekundárně aktivní transport se rovněž používá termín kotransport.

Podle počtu přenášených částic rozlišujeme:

• uniport – je přenášena pouze jedna molekula nebo iont,
• kotransport - přenášeny dvě nebo více molekul nebo iontů.

Kotransport dále dělíme podle vzájemného směru přenášených částic:

• symport – částice jsou přenášeny stejným směrem,
• antiport – částice jsou přenášeny opačným směrem.

Typickým příkladem aktivního transportu je sodíko-draslíková pumpa (alternativně Na⁺/K⁺ ATPáza), která udržuje koncentrací rozdíl sodíku a draslíku mezi intracelulárním a extracelulárním prostředím tím, že vyčerpává sodík z buňky a naopak vychytává draslík. Tyto rozdíly jsou poměrně výrazné: koncentrace sodíku je 140 mmol/l extracelulárně a 10 mmol/l intracelulárně, koncentrace draslíku je 5 mmol/l extracelulárně a 165 mmol/l intracelulárně. Vlastně jde o antiport sodíku a draslíku, přesněji tří molekul sodíku a dvou molekul draslíku. Protože se sodík i draslík pohybují proti koncentračnímu gradientu, je třeba zdroj energie; v případě sodno-draselné pumpy je zdrojem energie ATP.

pasivní transport

Pasivní transport je přenos látek přes buněčnou membránu, který probíhá samovolně prostřednictvím kanálů a přenašečových proteinů. Na rozdíl od aktivního transportu tento děj nespotřebovává žádnou chemickou energii (ATP). Pasivní transport závisí na propustnosti buněčné membrány, která závisí na uspořádání dvojité vrstvy fosfolipidů a vmezeřených bílkovin. Základními typy pasivního transportu jsou prostá difuze, usnadněná difuze a osmóza. Při usnadněné difuzi musí látky na rozdíl od prosté difuze použít přenašeče či kanály.

Gradient elektrochemického potenciálu

Proces pasivního transportu je řízen gradientem koncentrace a membránovým potenciálem. Tyto síly se navzájem skládají v celkovou sílu, která se nazývá gradient elektrochemického potenciálu. Je to rozdíl elektrochemických potenciálů na vnější a vnitřní straně membrány, to je hnací sílou pro pohyb iontů přes membránu.

Přenašečové proteiny

Pro přenos solutu (přenášená chemická látka) z vnějšku buňky dovnitř rozeznáváme 2 mechanismy prostupu přes proteiny.

1. Přenašečový protein využívá pro přenos solutu svých konformačních změn, které mu umožňují přenos malých ve vodě rozpustných molekul.
2. Kanálový protein je hydrofilní pór, který pro přenos specifických anorganických iontů nepotřebuje změnit svou konformaci. Proto je tento způsob přenosu rychlejší než typ předchozí. Protein může být svou konformací otevřen či uzavřen.

Při transportu přenašečovými proteiny mohou transportované molekuly procházet samostatně. Tento proces nazýváme uniport. Nebo molekuly mohou procházet souběžně což je kotransport. Ten dělíme na symport a antiport. Při přenosu symportem prostupují molekuly stejným směrem a při přenosu antiportem prostupují směrem opačným. Tyto procesy fungují i při aktivním transportu.

Penetrující integrované proteiny

Iontové kanály

Buňka pro přenos iontů přes svou membránu používá také iontové kanály. Ty jsou převážně ovládané navázáním acetylcholinu na vazebné místo. Jen velmi málo kanálů se otvírá bez působení acetylcholinu. Kanály jsou dále ovládané napětím, mechanicky či chemicky. Iontový kanál je vysoce selektivní, což zapříčiňují záporně nabité řetězce aminokyselin. Proto kanál propouští jen kladně nabité ionty například K⁺, Na⁺. Iontové kanály také pracují na dvou základních principech - selektivita iontů a uzavíratelnost kanálů. Selektivita iontů znamená, že kanály přenášejí jeden iont či umožňují kotransport několika iontů. Uzavíratelnost udává, že kanály jsou někdy otevřeny či uzavřeny. Vždy to však závisí na stálém poměru otevřených a zavřených kanálů v membráně buňky. Více informací na stránce iontové kanály.

Akční potenciál (biofyzika)

Akční potenciál (AP) je napětí na membráně odlišné od klidového membránového potenciálu, jehož hlavní charakteristikou je, že vzniká principem vše, nebo nic – na dané membráně buď vznikne, nebo nevznikne, je tedy principiálně digitální. Dále se šíří bez dekrementu – se vzrůstající vzdáleností od místa vzniku se jeho vlastnosti (především amplituda) nemění, přenáší se bez zeslabení signálu. Tato schopnost souvisí s faktem, že akční potenciál může vzniknout pouze na membráně s napěťově řízenými iontovými kanály.

Vznik AP

Vznik akčního potenciálu si vysvětlujeme tak, že následkem podráždění se otevřou iontové kanály, čímž se změní propustnost membrány pro některé ionty. Propustnost pro ionty K⁺ vzroste pouze málo, avšak propustnost pro ionty Na⁺ vzroste 600×. To má za následek podstatně rychlejší tok kladných iontů Na⁺ z extracelulárního prostředí dovnitř buňky než iontů K⁺ směrem opačným. Tím se vyrovná záporný náboj uvnitř buňky a potenciál stoupá od původní záporné hodnoty klidového potenciálu k nulové hodnotě a dokonce dojde k transpolarizaci (uvnitř buňky se stává kladným). V další fázi (klesající) se membrána stává opět propustnější pro ionty K⁺ než pro ionty Na⁺ a potenciál membrány se vrací ke klidové hodnotě.

Snížíme-li depolarizací hodnotu klidového potenciálu pod určitou prahovou hodnotu (tzv. prahový potenciál), odpoví nervové vlákno (obdobně i svalové buňky nebo buňka myokardu) vznikem akčního potenciálu. Rozdíl mezi prahovým a klidovým potenciálem činí většinou 5 až 15 mV. Je-li tedy klidový potenciál např. −70 mV, může prahový potenciál činit −60 mV.

Zákon „vše nebo nic“

Akční potenciál vznikne v excitabilní buňce v případech, je-li vyvolán podnětem, který právě stačí snížit absolutní hodnotu klidového potenciálu na hodnotu prahového potenciálu (prahový podnět), nebo jakýmkoli silnějším podnětem (nadprahový podnět). Fyziologové vyjadřují tuto skutečnost jako platnost zákona „vše nebo nic“. Množství iontů prošlých membránou v průběhu akčního potenciálu je nízké, asi 3·10⁻¹² až 4·10⁻¹² molů na 1 cm² plochy membrány. Proces vzniku akčního potenciálu je spojen jen s nepatrnými energetickými nároky. Také doba, po kterou jsou otevřeny iontové kanály, je velmi krátká (kratší než 1 ms). Proto se akční potenciál hodnotou svého maxima pouze přiblíží rovnovážnému membránovému potenciálnímu rozdílu pro Na⁺, který se nestačí plně ustavit.

Po proběhnutí akčního potenciálu následuje velmi krátká doba (asi 1 ms), tzv. absolutní refrakterní perioda, po kterou nelze nový akční potenciál vyvolat. Poté následuje relativní refrakterní perioda (trvající 10–15 ms), po kterou lze vyvolat potenciál, ale pouze nadprahovým podnětem.

Akční potenciál

Šíření akčního potenciálu

Funkcí nervového vlákna není jen umožnit vznik akčního potenciálu, ale i jeho šíření. Při vzniku a průběhu akčního potenciálu na podrážděném úseku nervového vlákna dochází k iontovým tokům napříč membránou. Šíření akčního potenciálu je podmíněno mechanismem tzv. místních proudů. Tyto místní proudy vznikají mezi vzbuzeným a nevzbuzeným místem membrány. V místě podráždění se však polarizace membrány obrací, vnější strana je nabita záporně, vnitřní kladně. Podrážděný úsek v této chvíli je opačně nabitý než sousední. Snaha po vyrovnání náboje vede k podélným iontovým tokům, jež způsobí v sousedním úseku depolarizaci a tím pokles potenciálu pod prahovou hodnotu a vznik akčního potenciálu. Tak se akční potenciál šíří podél vlákna.

Rychlost šíření akčního potenciálu je pro dané nervové vlákno konstantní veličinou a závisí na struktuře a elektrických vlastnostech buněčné membrány, vnitřního a vnějšího prostředí. U různých buněk kolísá v rozmezí 100 ± 0,1 m·s^-1. Zvětšuje se, je-li průměr vlákna větší.

V myelinizovaných nervovových vláknech je šíření akčního potenciálu rozdílné. Tato vlákna jsou obalena myelinovou pochvou, která je přerušovaná v 1–3 mm vzdálenostech Ranvierovými zářezy. Myelin má dobré izolační vlastnosti a nevede elektrický proud. Místní proudy proto nemohou procházet přes myelinový obal a uzavírají se mezi jednotlivými Ranvierovými zářezy. Vzruch se šíří od jednoho zářezu k druhému (saltatorické šíření). Tvar akčního potenciálu je v místě zářezu stejný jako u nemyelinizovaného a šíří se až desetkrát rychleji.

Akční potenciál svalových buněk

Akční potenciál svalových buněk

Kosterní sval

Klidový potenciál membrány kosterního svalu se ustavuje podobně jako klidový potenciál membrány nervového vlákna. Během činnosti svalu v něm vzniká a šíří se akční potenciál, podobným způsobem a na základě podobného mechanizmu jako u nervových buněk. Povely k činnosti kosterního svalu přichází od zakončení axonu motorického nervu. Různé axony jsou svým zakončením připojeny na různé počty svalových vláken. Svalová vlákna ovládaná jedním axonem tvoří tzv. motorickou jednotku. Ta pracuje, podobně jako nervové vlákno, v souladu s pravidlem „vše nebo nic“, takže všechna vlákna jedné motorické jednotky jsou aktivována téměř současně. Různého napětí (tonusu) svalu se dosahuje buď změnou frekvence akčních potenciálů nebo změnou počtu motorických jednotek uváděných v činnost.

Srdeční sval

U buněk srdečního svalu je klidový membránový potenciál (během diastoly) okolo −80 až −90 mV. V průběhu systoly vzniká akční potenciál, který, na rozdíl od potenciálu nervového vlákna, má charakteristické plató. Fáze depolarizace je velmi rychlá, repolarizace naopak pomalá. Celý průběh akčního potenciálu a tím i refrakterní perioda je řádově delší než u nervového vlákna a delší než u kosterního svalu. Při depolarizaci se, podobně jako u nervové buňky, uplatní hlavně rychlý průnik sodných kationtů iontovými kanály. V oblasti plata se uplatňují odlišné mechanismy. Jednak se zvýší propustnost membrány pro vápenaté ionty, které pak působí podobně jako sodné ionty, takže přispějí (spolu s ionty Na⁺, které mohou dále pronikat spolu s nimi nespecifickým kanálem) k udržení stavu depolarizace, a jednak se během akčního potenciálu snižuje propustnost membrány pro ionty K⁺, což brání repolarizaci. Teprve po snížení zvýšené permeability pro ionty Ca²⁺ se zvýší permeabilita pro ionty K⁺ a dojde k repolarizaci a ustanovení klidového potenciálu. V srdci jsou centra automacie, ve kterých jsou buňky schopné spontánní depolarizace. Spontánní depolarizace je základem srdeční automacie.

Hladké svalstvo

Membrány buněk hladkého svalu mají nižší klidový potenciál (okolo −50 mV), což je způsobeno vyšší propustností pro ionty Na⁺. U některé hladké svaloviny je průběh akčního potenciálu charakterizován přítomností fáze plató, podobně jako u srdečního svalu.