Úvod

Podle toho, co je zdrojem energie spotřebovávané při pohybu látek napříč membránou, se biologický transport dělí na pasívní a aktivní. Toto hledisko se doplňuje dalším rozčleněním.

V kapitole pasívního transportu se rozlišují děje přenosu:

• Bez účasti biokatalyzátoru (membránového nosišče) – děje prosté difúze;
• S účastí biokatalyzátoru (membránového nosiče) – usnadněná difúze (uniport).

Aktivní transport vždy probíhá s účastí biokatalyzátoru (přenašeče), a dělí se na:

• Sekundární aktivní transport – využívá energie primárních membránových gradientů;
• Primární aktivní transport – využívá metabolickou energii biochemických reakcí pro vytvoření primárních membránových gradientů.

Kritickým předpokladem sekundárního aktivního transportu je přítomnost primárních gradientů, tj. aktivně vytvářeného rozdílného zastoupení iontů a látek v prostředích po stranách membrány.

Primární gradienty nemohou vznikat jinak, než primárními aktivními transportními mechanismy. V primárních aktivních transportech slouží pro aktivaci membrány energie bezprostředně uvolněná v biochemické reakci.

Vznik primárních gradientů – chemiosmotická teorie

Považujeme-li v ději popsaném rovnicí lineární irreverzibilní termodynamiky

• J_S = L_SSX_S + L_SRX_R

(kde J_S je tok částice, jejíž primární gradient se vytváří, X_S je její konjugovaná síla, X_R je nekonjugovaná síla pohánějící chemickou reakci, L_SS je přímý koeficient, L_SR je nepřímý koeficient) chemickou reakci za skalár, jak je při zkoumání dějů ve vodné fázi obvyklé, je podle Curieova teorému koeficient L_SR roven nule. Spřažení transportu s takovou reakcí se neuskuteční a transportní proces nebude reakcí řízen. To by ovšem odporovalo poznatkům biologie. Primární gradienty nemohou vznikat jinak než právě přímým spřažením membránových dějů s metabolismem.

Anglický biochemik P. D. Mitchell (1920 – 1992; Nobelova cena udělena v r. 1978) ukázal v druhé polovině minulého století, že vžité chápání biochemických reakcí jako skalárních dějů je pouhým nepřesným přiblížením. Formuloval základy tzv. vektorového metabolismu. Podle P. Mitchella může úlohu toku — analogického v gradientové hypotéze toku gradientu kationtů — hrát tok chemických funkčních skupin, které se v chemické reakci pohybují od svých donorů ke svým akceptorům. Silou, která žene skupinu systémem, je chemická (metabolická) energie – spád potenciálů chemických skupin reagujících látek.

P. Mitchell odvodil, že pokud bude tok skupin v chemické reakci zprostředkován anizotropním prostředím biokatalyzátoru asymetricky zabudovaného v membráně tak, aby některé ze skupin mohly přistupovat k aktivnímu místu biokatalyzátoru jen z prostředí na jedné straně membrány a odcházet do prostředí na druhé straně membrány, bude výsledkem reakce tvorba osmotických gradientů napříč membránou. V takovém případě je možné spřažení mezi tokem látky membránou a tokem chemických skupin napříč membránou, protože jde o dva vektorové děje. Jde zároveň o chemický a osmotický děj – odtud Mitchellova chemiosmotická teorie. Membránové katalyzátory, které katalyzují chemiosmotické reakce, nazval P. Mitchell osmoenzymy.

Podle Mitchellova výkladu není přeskupování funkčních skupin jen podstatou metabolismu, jak je to známo zejména z prací generace biochemiků první poloviny 20. století a zejména amerického biochemika F. A. Lipmanna (1899 – 1986, Nobelova cena 1953). Tím, že může vytvářet primární membránové gradienty, je metabolismus zdrojem veškerých aktivních transportních dějů, které se odehrávají na biologických membránách:

• „Biochemists now generally accept the idea that metabolism is the cause of membrane transport. The underlaying thesis of the hypothesis put forward here is that if the processes that we call metabolism and transport represent events in a sequence, not only can metabolism be the cause of transport, but also transport can be the cause of the metabolism. Thus, we might be inclined to recognize that transport and metabolism, as usually understood by biochemists, may be conceived advantageously as different aspects of one and the same process of vectorial metabolism.“ (Mitchell, P.: 1961, ‘Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by Chemi-Osmotic Type of Mechanism’. Nature 191, 144-148.)

Sekundární aktivní transport

Sekundární aktivní transport využívá primární gradienty pro tvorbu sekundárních gradientů transportovaných látek (iontů, solutů). Sekundární aktivní transport byl doménou tzv. gradientové hypotézy.

Natrium-motivní síla

Primární gradienty iontů sodíku, bez kterých se neobejde většina sekundárních aktivních transportních pochodů na povrchových plazmatických membránách živých buněk, vznikají v primárním aktivním chemiosmotickém přenosu Na⁺ katalyzovaném povrchovou Na⁺/K⁺- ATPázou.

Hybný potenciál gradientu sodných iontů na membránách můžeme podle obdoby s chemiosmotickou proton-motivní silou nazvat Na⁺-motivní. Vyjádřena v elektrických jednotkách:

• (µ_Na+) = Δφ – 2,3RT/F . log [Na⁺]_o/[Na⁺]_i,

kde µ_Na+ je chemiosmotická natrium-motivní síla; Δφ charakterizuje její elektrickou, tj. fázově specifickou, a zbytek výrazu její chemickou, tj. druhově specifickou komponentu.

Podle Goldmanovy-Hodgkinovy-Katzovy rovnice závisí rovnovážný difúzní membránový potenciál Δφ° na permeabilitách buněčné membrány pro ionty.

Kdyby byla sodnodraselná pumpa Na⁺/K⁺-ATPáza elektroneutrální, pak by se na membránovém potenciálu Na⁺ podílela pouze udržováním nerovnoměrného rozdělení iontů po obou stranách membrány. Ionty Na⁺ a K⁺ však nejsou Na⁺/K⁺-ATPázou transportovány v poměru 1 : 1. Obvykle převažuje pohyb 3 Na⁺ iontů ven při současném protitransportu 2 K⁺ iontů dovnitř. Pohyb doprovodných negativních nábojů (nesených hlavně Cl^- ionty) ven z buňky zaostává za pohybem Na⁺, a pumpa tak přispívá k elektronegativitě uvnitř buňky. Příspěvek elektrogenní Na⁺/K⁺-ATPázy je třeba vyjádřit doplněním rovnice o člen A_Na+. Člen A_Na+ není konstantou. Činnost sodnodraselné pumpy je závislá na koncentraci Na⁺ a K⁺ uvnitř a vně buňky. Aktivita pumpy vzrůstá s rostoucí koncentrací sodných iontů v nitrobuněčném prostředí. Čím intenzivnější pumpování Na⁺ směrem ven, tím větší elektronegativita na vnitřní straně membrány.

Interakce substrátu (např. aminokyseliny, glukózy apod.) a Na⁺ při jejich vzájemně spřaženém sekundárním aktivním transportu s přenašeči na biologických membránách si vyžádala další modifikaci Goldmanovy-Hodgkinovy-Katzovy rovnice. Vzhledem k tvorbě ternárního komplexu [substrát-přenašeč-Na⁺] je možno považovat přenašeč za ionofor, který v přítomnosti substrátu (S) způsobuje specifický vzestup permeability pro sodný iont. Vliv vzestupu permeability na velikost membránového potenciálu vyjadřuje člen P‘‘‘[S]_o [Na].

Modifikovaná Goldmanova-Hodgkinova-Katzova rovnice se po uvedených doplňcích uvádí ve tvaru:

kde [K]_o, [K]_i, [Na]_o, [Na]_i, [S]_o a [S]_i značí vnější a vnitřní koncentrace iontů a substrátu S; P_K+ , P_Na+ a P_C jsou po řadě permeability pro ionty draslíku, sodíku a pro ternární komplex se substrátem, A_Na+ je příspěvek elektrogenní Na⁺/K⁺-ATPázy; konečně R, T a F mají své obvyklé fyzikální významy.

Modifikovaná Goldmanova-Hodgkinova-Katzova rovnice zároveň ukazuje úlohu K⁺ iontů. Přestože se nemusí přímo účastnit transportu, významně přispívají k velkosti membránového potenciálu, a tím motivních sil.

Spřažení toku sodných iontů s jinými toky napříč membránou

Jako vůbec první případ vzájemné závislosti dvou toků napříč membránou popsal americký biochemik R. K. Crane při svém vystoupení v Praze v r. 1960 spřažení transportu glukózy s pohybem Na⁺ iontů. Toto vystoupení znamenalo zrození gradientové hypotézy.

Podle tohoto scénáře nejprve vytváří Na⁺/K⁺-ATPáza na buněčných membránách gradient sodných iontů (s nízkou koncentrací Na⁺ uvnitř buněk). Tento gradient následně řídí pohyb přenašeče s navázaným substrátem v ternárním komplexu substrát-přenašeč-Na⁺ napříč membránou do buněk. Substráty se tak mohou hromadit v buňkách na účet energie Na⁺ gradientu.

Spřažení toku látky (např. aminokyseliny, glukózy atd.) s tokem sodných kationtů napříč membránou popisuje fenomenologická rovnice lineární nerovnovážné termodynamiky:

• J_S = L_SS . X_S + L_SNa . X_Na

(J_S je tok substrátu, jenž je udržován působením dvou sil – zatímco síla X_S je konjugovaná, síla X_Na je silou nekonjugovanou, danou gradientem elektrochemických potenciálů sodných iontů; L_SS je lineární přímý koeficient, L_SNa je nepřímý neboli zkřížený koeficient, ukazující na spřažení). Je zřejmé, že pokud není zkřížený koeficient nulový, pak i poté, co koncentrace substrátu S na obou stranách membrány projdou bodem vyrovnání (X_S = 0), může být akumulace substrátu – tj. jeho aktivní transport - zajištěna přetrvávajícím působením nekonjugované síly primárního gradientu Na⁺ (X_Na ǂ 0) až do dosažení dynamické rovnováhy.

Rozeznávají se dva typy sekundárního aktivního transportu:

• Symport (ko-transport), kdy jsou oba spřažené toky orientovány souhlasně.
• Antiport (protitransport, výměnný transport), kdy jsou spřažené toky navzájem orientovány protisměrně.

Zpracoval: Jaroslav Veselý, Ústav patologické fyziologie LF UP v Olomouci a Katedra fyziologie a patofyziologie LF OU v Ostravě.