Úvod

Většina aminokyselin vstupuje do nepolárních živočišných buněk sekundárním aktivním transportem, který je založen na využití transmembránového gradientu sodných iontů. Významnou úlohu zastává i terciární aktivní transport (viz níže).

Spřažení toku aminokyseliny s tokem sodných kationtů 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 – 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 (X_Na ǂ 0) primárního gradientu Na⁺ až do dosažení dynamické rovnováhy.

Transportní systémy pro neutrální aminokyseliny

Rozlišují se systémy pro transport 2-amino- (tj. α-) a 3-amino (tj. β-) aminokyselin.

Na membránách nepolárních živočišných buněk jsou přítomny nejméně dva transportní systémy, systém A a systém L, které se přes své rozdílné rysy překrývají v afinitách pro jednotlivé aminokyseliny tak široce, že z přirozených aminokyselin je snad jen glycin transportován pouze jedním z nich. Podrobnějším prozkoumáním systému A byl vyčleněn ještě podsystém označený ASC.

Systémy pro neutrální α-aminokyseliny

Systém A (systém přednostně transportující alanin)

Systém A má relativně velmi malou specifičnost a zřejmě může zprostředkovat transport všech přirozených aminokyselin. Upřednostňuje však aminokyseliny s krátkým hydrofilním řetězcem jako jsou alanin, glycin, serin, threonin, prolin, asparagin, histidin, methionin apod.

Modelovým arteficiálním analogem pro tento systém je kyselina N-metyl-α-aminoisomáselná (N-metylace aminokyselin prakticky eliminuje jejich transport jak ASC, tak i L systémem).

Pro činnost systému A je nezbytná přítomnost iontů Na⁺ (sekundární aktivní transport) a je citlivý ke změnám pH. Odstraněním iontů Na⁺ nebo snížením pH v experimentu pod 5,5 ho lze prakticky vyřadit z funkce a umožnit tak sledování ostatních systémů v daných podmínkách.

Systém ASC (systém transportující přednostně alanin, serin a cystein)

Systém ASC je komponentou původního systému A, o které se dodatečně zjistilo, že netoleruje N-metylaci. Kromě vyjmenovaných krátkých aminokyselin o třech uhlících může přispívat i k transportu nejbližších homologů — prolinu, treoninu a některých dalších. Samotné vazebné místo systému však má afinitu k jiným aminokyselinám, které mohou inhibovat systém pouhou kompeticí o aktivní místo. To je rozdíl oproti systému A, u kterého nebyl takový jev pozorován.

Systém ASC se od systému A významně odlišujev tom, že může zprostředkovat specifickou výměnu alaninu napříč membránou za jiné aminokyseliny. I tato výměna je závislá na přítomnosti Na⁺.

Přes vyjmenované odlišnosti mají systémy A a ASC některé společné rysy.

Systém L (systém transportující přednostně leucin)

Podobně jako systém A transportuje také systém L většinu neutrálních α-aminokyselin. Přednost mají aminokyseliny s objemným hydrofobním řetězcem –a mezi nimi větvené, aromatické, heterocyklické aminokyseliny, tedy leucin, valin, metionin, fenylalanin, tyrosin, tryptofan, histidin apod. I když je při interakci aminokyselin se systémem L variabilita bočního řetězce tolerována ve vysokém stupni, pro systém L je nejdůležitější přítomnost většího nepolárního bočního řetězce aminokyseliny.

Modelovým substrátem systému L je kyselina 2-amino-norbornyl-2-karboxylová (2-amino-bicyklo-2,2,1 -heptan-2-karboxyIová), prakticky nemetabolizovaná látka.

Systém L se podobá systému ASC v tom, že výměnnou usnadněnou difúzí zprostředkuje vzájemné výměny aminokyselin napříč membránou (protitransport, antiport). Je mnohem méně závislý nebo snad zcela nezávislý na bezprostřední přítomnosti Na⁺. Výměna molekul téže aminokyseliny i výměna jedné aminokyseliny za druhou je velmi rychlá a probíhá v obou směrech.

Gradienty aminokyselin, vytvořené systémem A, jsou systémem L proměňovány v gradienty jiných aminokyselin. Tak může např. gradient metioninu, ustavený systémem A na účet gradientu Na⁺, poskytnout prostřednictvím L systému energii pro akumulaci leucinu v buňce. Systém L, čerpající energii z gradientů aminokyselin, tedy pro svou činnost využívá sekundárních gradientů. Takové spřažení bylo nazváno terciárním aktivním transportem. Vzhledem ke způsobu aktivace membrány jde o typ sekundárního aktivního mechanismu.

Fenomenologicky je proces popsán jako interakce toků dvou aminokyselin:

• J_A = L_AAA_A + L_AMM_M,

kde L_AM je lineární nepřímý koeficient, charakterizující interakci toku aminokyseliny A (např. alaninu) a toku aminokyseliny M (např. metioninu); význam ostatních členů je obdobný jako v rovnici nahoře.

Systém pro neutrální 3- (β-)aminokyseliny (β-systém)

Transportní systém pro β-aminokyseliny byl popsán pro přenos taurinu, který zároveň plní funkci jeho modelového substrátu. Taurin jeví jen minimální afinitu k systémům pro α-aminokyseliny. β-Alanin, další aminokyselina transponovaná β-systémem, je z menší části transportován i systémy α-aminokyselin, hlavně systémem L; podobně to platí i o kyselině α,β-diaminopropionové. Jiné α-aminokyseliny jsou pravděpodobně transportovány β-systémem transportovány jen minimálně, třebaže vykazují určitý stupeň afinity a mohou systém inhibovat.

β-Systém má vlastnosti podobné systému A. Je to aktivní systém schopný akumulovat aminokyseliny díky gradientu Na⁺ iontů, je citlivý ke změnám pH a na rozdíl od systému L nevykazuje jevy výměny.

Transportní systém pro kationické aminokyseliny (systém y⁺L)

Transportní systém y⁺L (též Ly⁺)slouží hlavě pro aminokyseliny nesoucí nekompenzovaný kladný náboj, jako jsou přirozené diaminomonokarboxylové kyseliny. Ve své neutrální formě mohou být diaminomonokarboxylové kyseliny přenášeny i systémy pro neutrální aminokyseliny. Na druhé straně například soutěží s lysinem o transport systémem y⁺L i kationická forma histidinu. Z toho vyplývá, proč se dává přednost označení kationické aminokyseliny.

Modelovým substrátem y⁺L je kyselina 4-amino-l-guanylpiperidin-4-karboxylová.

Snížení pH prostředí příznivě ovlivňuje zastoupení kationické formy, a působí tedy příznivě na transport y⁺L systémem. Přítomné sodné ionty neaktivují, ale naopak inhibují anionické vazebné místo přenašeče, a tím i transport kationických aminokyselin.

Neutrální aminokyseliny interagují s y⁺L systémem jen slabě. Interakce poněkud vzrůstá s rostoucí délkou řetězce aminokyseliny. Jsou-li však přítomny ionty Na⁺, mohou být neutrální aminokyseliny systémem y⁺L transportovány a mohou ve značné míře inhibovat přesnos kationických aminokyselin. Sodný kation zřejmě může imitovat kladně nabitou distální skupinu aminokyseliny, vyžadovanou receptorem. Afinita neutrální aminokyseliny k y⁺L systému je v přítomnosti Na⁺ významně zesílena hydroxylovou nebo thiolovou skupinou v postranním řetězci aminokyseliny podobně, jako je tomu u systému ASC.

Tak jako vazebné místo systému ASC přednostně přijímá neutrální aminokyseliny a sodný kation, tak systém Ly⁺ jasně preferuje kationické aminokyseliny před uvedenou kombinací ,,dvojného substrátu“ aminokyselina-Na⁺. Pokud má aminokyselina distální kationickou skupinu s nízkým pK, např. kolem 8, ztrácí ve fyziologickém prostředí lehce proton a je pro Ly⁺ stejně špatným substrátem jako kombinace neutrální aminokyselina-Na⁺ a je pak lépe transponována systémy neutrálních aminokyselin.

Transportní systém pro anionické aminokyseliny

Definovat transport anionických aminokyselin je velmi obtížné pro jejich rychlou metabolickou přeměnu. Je téměř jisté, že alespoň transport kyseliny glutamové je aktivní. Transport anionických aminokyselin je možno vysvětlit činností transportních systémů pro neutrální aminokyseliny, a to je zřejmě důvodem, proč v otázce existence zvláštního systému pro anionické aminokyseliny v nepolárních buňkách není jednoty.

Součinnost transportních systémů a výživa buněk

Činnost systémů sekundárního aktivního transportu vyžaduje přítomnost gradientů. Efektivní využívání gradientů předpokládá nejen jejich udržování a stálé doplňování, ale také jejich co nejmenší dissipaci, tedy co nejmenší vyčerpávání gradientů spontánním a nevyužitým zpětným tokem iontů nebo látek membránou. Třebaže představa aminokyseliny jako neelektrolytu na jedné straně transponovaného do buňky specifickým systémem a na druhé straně pohybujícího se zpět do extracelulárního prostředí prostou difúzi je rozšířená, není správná. Membrány, málokdy propustné pro ionty, jsou také zřídka volně prostupné pro neelektrolyty. Pro aminokyseliny je prokázáno, že přednostně vystupují týmiž cestami, které slouží pro jejich vstup. Využívá se termodynamické zákonitosti, podle které je práce každého systému reverzibilní.

Proto je např. systém A i systémem transportujícím Na⁺ z buňky. Ve fyziologických podmínkách ovšem vzhledem k působení Na⁺/K⁺-ATP-ázy funguje jako systém pro transport Na⁺ spolu s aminokyselinou prakticky pouze směrem dovnitř buňky. Tuto situaci udržuje výkonná sodnodraselná pumpa. Je to obraz spolupráce systémů spřažených ve dvojicích, jejichž výskyt je obecnou vlastností biologických membrán.

Mezi transportními systémy pro aminokyseliny jsou takovou spřaženou dvojicí systémy A a L. Méně výkonný terciárně aktivní systém L je systémem výměnné difúze (protitransportu, antiportu). Jeho činnost nejen dovoluje využít významnou část již jednou investované energie, ale pravděpodobně efektivně napomáhá systému A zjišťovat výživu buňky, a přispívá tak k citlivé regulaci akumulace substrátů.

Popsaná součinnost však v určitých situacích může být nevýhodná. Kromě užitečných změn se může podílet také na zesilování nežádoucích výkyvů. V situaci, že v okolí buňky např. dojde k neúměrnému vzrůstu koncentrace jedné aminokyseliny, bude záležet na tom, jak ostatní aminokyseliny obstojí v soutěži s touto aminokyselinou o transportní systémy. Systém L pak může podle povahy aminokyseliny a podle zastoupení jiných aminokyselin v extracelulárním prostředí buď v omezené míře kompenzovat nepříznivý stav, nebo naopak ještě přispět k narušení buněčné hotovosti aminokyselin.

Nitrobuněčná proteosyntéza nevyžaduje přítomnost jen některých aminokyselin, jsou potřebné všechny; rozlišování na nepostradatelné a postradatelné zde bezprostředně ztrácí oprávněnost. Jakmile je aminokyselina v buňce, do doby, než se přemění anebo se stane součástí polymeru, chová se v souladu se zákonem o působení hmoty. Totéž platí i pro chybějící aminokyseliny. Nedostatek nebo nadbytek aminokyselin se manifestuje syntézou odchylných bílkovin. Jde o chyby nepodmíněné změnami v kodonu (event. Antikodonu). Výsledkem je buněčný stres, přetížení šokových proteinů (chaperonů) a tendence ke „smrti nahromaděných omylů“ („error catastrophe„).

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