U svakom trenutku u našem organizmu odigrava se razmena materija između ćelija i ekstracelularnog prostora. Na prvi pogled ovi procesi mogu se činiti vrlo haotičnim i slučajnim, međutim svaka razmena u našim ćelijama vrši se pod veoma kontrolisanim uslovima i jasno definisanim pravilima.
Ova lekcija postoji i u obliku videa:
Građa Ćelijske Membrane: Fosfolipidni Dvosloj
U osnovi svake ćelijske membrane nalazi se fosfolipidni dvosloj. Svaki fosfolipid u ovom dvosloju sadrži glavu koja je hidrofilna i rep koji je hidrofoban. S obzirom da voda odbija hidrofobne delove sasvim je logično da će se oni grupisati u centru ćelijske membrane dok će se sa obe strane, na njenoj površini, nalaziti hidrofilne glave. Fosfolipidni dvosloj okružuje čitavu ćeliju i na ovaj način formira određenu vrstu barijere između intraćelijskog i ekstraćelijskog prostora.
*Link do video lekcije: „Građa ćelijske membrane“
Vrste Čestica: Hidrofilne i Hidrofobne
Grubo gledano čestice možemo podeliti na hidrofilne i lipofilne.
- Lipofilne tj. liposolubilne čestice su one koje su rastvorljive u masti i kao takve mogu nesmetano da difunduju kroz ćelijsku membranu.
- Hidrofilne tj. hidrosolubilne čestice su one koje su rastvorljive u vodi i kao takve ne mogu spontano da prođu kroz fosfolipidni dvosloj. Za njihov transport potrebni su posebni transmembranski proteini.
*Link do video lekcije: „Vrste čestica„
Vrste Transporta kroz Ćelijsku Membranu
Međućelijski transport se grubo može podeliti na pasivan transport i aktivan transport. Pasivan transport dalje možemo podeliti na difuziju i osmozu. Aktivan transport možemo podeliti na primarni i sekundarni aktivni transport.
Difuzija
Prosta difuzija predstavlja pasivan proces kojim molekuli prelaze sa mesta veće ka mestu manje koncentracije. Kretanje niz gradijent koncentracije. Za ovaj vid transporta nije potreban utrošak energije. Ovim vidom transporta služe se kako liposolubilne čestice (O2, CO2, itd.) tako i hidrosolubilne čestice (Na+, K+, H2O).
Olakšana (facilitirana) difuzija takođe uključuje kretanje molekula niz gradijent koncentracije ali zahteva prisustvo posebnih transmembranskih proteina – proteini nosači. Ovi proteini u svojoj unutrašnjosti imaju vezno mesto za određenu česticu. Nakon vezivanja čestice dolazi do konformacione promene i ona difunduje ka mestu manje koncentracije tj. niz koncentracioni gradijent.
Razlike između proste i olakšane difuzije mogu se prikazati na sledećem grafiku. Na X-osi obeležena je koncentracija supstance dok je na Y-osi prikazana brzina difuzije.
- Prosta difuzija – brzina difuzije raste proporcionalno sa porastom koncentracije supstance.
- Olakšana difuzija – brzina u početku raste, međutim, kada se dostigne određena koncentracija brzina dostiže plato i ne raste više sa daljim porastom koncentracije. U tom trenutku svi nosači su zauzeti i tada brzina difuzije zavisi od brzine koja je potrebna da se nosač premesti iz jednog u drugo konformaciono stanje.
Link do video lekcije: „Difuzija„
Aktivan Transport
Aktivan transport predstavlja kretanje čestica uz gradijent koncentracije pri čemu se troši određena količina energije. Kao što je već i pomenuto, može se podeliti na primaran i sekundaran aktivan transport.
Primatni Aktivni Transport
Najlakše se može objasniti na primeru natrijumsko-kalijumske pumpe. Ovo je još jedan transmembranski protein koji koristi molekule ATP-a kako bi 3 jona natrijuma izbacio, a 2 jona kalijuma ubacio u ćeliju. Baš ova pumpa je jedan od glavnih krivaca za koncentracionu razliku natrijuma i kalijuma intra- i ekstracelularno. Podsetimo se da je koncentracija Na ekstracelularno 142 mmol/l dok je intracelularno 10 mmol/l. Suprotno ovome, koncentracija kalijuma intracelularno iznosi 140 mmol/l, a ekstracelularno 4 mmol/l.
A zašto je to bitno? Zamislimo na trenutak da ova pumpa prestane da funkcioniše. Sada nema mogućnosti kretanja uz gradijent koncentracije već se sva razmena vrši difuzijom. Pošto kalijuma ima više u ćeliji, veliki deo će prelaziti u ekstraćelijski prostor sve dok se ne postigne ekvilibrijum. Isto će se desiti i sa natrijumom ali u suprotnom smeru. Kako je natrijum osmotski aktivna čestica, on za sobom u ćeliju povlači i molekule vode. Ovo dovodi do bubrenja i na kraju potpunog pucanja ćelije. Iz ovog primera možemo zaključiti da natrijumsko-kalijumska pumpa igra ključnu ulogu u održavanju zapremine ali i samog integriteta ćelije.
Na-K Pumpa: Građa i Funkcija
Na delu proteina koji štrči u unutrašnjost ćelije nalaze se tri vezna mesta za natrijum dok se na delu proteina koji štrči u ekstraćelijski prostor nalaze dva vezna mesta za kalijum. Ka unutrašnjem delu proteina takođe se nalazi i vezno mesto za ATP (adenozin trifosfat).
Natrijum-kalijum pumpa ima dva konformaciona stanja:
- Prvo: veći afinitet ka jonima Natrijuma. Iz tog razloga ovi joni se vrlo lako vezuju za tri vezna mesta za natrijum. Potom se na vezno mesto za ATP vezuje jedan molekul ATP-a. Odmah nakon ovoga sledi hidroliza molekula ATP-a. tj dolazi do cepanja ovog molekula na ADP i fosfatni jon. Smatra se da se usled ove reakcije oslobađa energija koja dovodi do konformacione promene natrijum-kalijumske pumpe.
- Drugo: visok afinitet ka jonima Kalijuma. Vezivanje dva jona kalijuma za svoja vezna mesta automatski dovodi do konformacione promene i protein se vraća u pređašnje stanje. U ovoj konformaciji afinitet prema kalijumu je nizak pa se on otpušta u ćeliju. Takođe se i fosfatni jon odvaja od svog veznog mesta.
*Link do video lekcije: „Aktivan transport„
Sekundarni Aktivni Transport
Kod ovog vida transporta koristi se koncentracioni gradijent i kretanje jedne čestice za premeštanje druge čestice uz gradijent koncentracije. Može se reći da se kod ovog vida transporta energija ATP-a koristi indirektno. Npr. Na-K pumpom stvara se koncentracioni gradijent Na+ ekstracelularno. Joni natrijuma sada difunduju niz stvoreni gradijent ali koriste se posebnim proteinom nosačem. Ovaj protein ima vezno mesto i za drugi molekul (npr. glukoza) koji se takođe vezuje za njega. Konformaciona promena dovodi do toga da oba molekula budu transportovana unutar ćelije.
Kada se čestice kreću u istom smeru, u pitanju je kotransport. Međutim postoje i primeri kada jedna čestica ulazi dok druga izlazi iz ćelije, i tada se taj proces naziva kontratransport.
*Link do video lekcije: „Sekundarni Aktivni Transport„
Rekapitulacija
Transport kroz ćelijsku membranu možemo podeliti na pasivni i aktivni. Pasivni transport vrši se niz gradijent koncentracije i bez utroška energije. Aktivan transport vrši se uz gradijent koncentracije i uz utrošak energije u vidu hidrolize ATP-a. Pasivni transport možemo podeliti na prostu difuziju kojom se služe kako liposolubilne tako i hidrosolubilne čestice i olakšanu difuziju za koju su potrebni posebni proteini nosači. Aktivni transport može podeliti na primarni koji se odvija posredstvom proteinskih pumpi kao na primer natrijum-kalijumska i sekundarni aktivni transport koji takođe zahteva posebne proteinske nosače.
*Link do video lekcije: „Rekapitulacija„