Budowa i właściwości błon plazmatycznych

Jak opisano wcześniej, niektóre związki chemiczne (np. lipidy, fosfolipi-dy) w środowisku wodnym, wskutek oddziaływań hydrofobowych i siły napięcia powierzchniowego, spontanicznie tworzą skomplikowane struktury. Jedną z odmian takich struktur jest pęcherzyk otoczony błoną fosfolipidową.

Taka błona stanowi podstawę struktury błony plazmatycznej, która jest niezwykle istotnym elementem budowy organizmów żywych, zarówno jedno- jak i wielokomórkowych: otacza ona każdą komórkę, buduje wszystkie organel-le komórkowe. Jej podstawowy model budowy jest identyczny u wszystkich organizmów, nie zmienił się w istotny sposób w przebiegu ewolucji – od bakterii po kręgowce. Zajmuje też szczególne miejsce w kodzie genetycznym: ponad 30% aktywnego genetycznie DNA koduje białka związane z budową błon pla-zmatycznych.

Obecnie istniejący model budowy błony plazmatycznej, model płynnej mozaiki, stworzyli S. J. Singer i G. Nicolson w 1972 roku. W modelu tym pod-stawową strukturę błony stanowi podwójna warstwa cząsteczek fosfolipidów, zwróconych do siebie ogonami (czyli resztami wyższych kwasów tłuszczo-wych), a głowami (zbudowanymi z reszty kwasu fosforowego i choliny) w stro-nę otaczającej wody. Część lipidów błonowych tworzy tzw. tratwy błonowe, kontrolujące dystrybucję i ruch białek błonowych. Wśród lipidów budujących błonę plazmatyczną wyróżnić można glicerolofosfolipidy (fosfatydylocholina, fosfatydyloetanoloamina, fosfatydyloseryna, fasfatydyloinozytol i kardiolipina o czterech łańcuchach kwasów tłuszczowych związanych z glicerolem),

sfingofos-folipidy (sfingomielina, ceramidy) i steroidy (cholesterol stanowić może,

we-dług niektórych źródeł, nawet do 30% lipidów budujących błonę, ułożony jest pomiędzy cząsteczkami fosfolipidów – ich hydrofobowych domen). Łańcuchy węglowe kwasów tłuszczowych, budujące cząsteczki lipidów występujących w błonach plazmatycznych, zawierają zwykle 16, 18 lub 20 atomów węgla. Wśród nich zwracają uwagę eikozanoidy, czyli kwasy tłuszczowe zawierające 20 ato-mów węgla w cząsteczce. Są to pochodne kwasu arachidonowego – wielonie-nasyconego kwasu tłuszczowego mającego największy procentowy udział w bu-dowie błon komórkowych u ssaków. Jego pochodnymi są m.in. związki che-miczne uczestniczące w wymianie informacji międzykomórkowej – prostaglan-dyny, tromboksany i leukotrieny. Warstwy lipidów stabilizowane są niekowa-lencyjnymi oddziaływaniami pomiędzy ogonami lipidów. Lipidy w tych warun-kach są cieczą; mają strukturę ciekłych kryształów. Właściwości tej cieczy – i podwójnej warstwy lipidowej – jak przepuszczalność, lepkość, są modulowane w danym czasie i w danym miejscu, w zależności od aktualnych potrzeb

komór-ki. Dokonuje się to przez zmianę stopnia nasycenia łańcuchów tłuszczowych, procentowego udziału cholesterolu w błonie, lub zmianę długości łańcuchów.

W warstwie lipidów pływają kompleksy białkowe. Białka błonowe mogą być zatopione w warstwie lipidów (białka integralne) lub nawet przenikać obie warstwy (białka transbłonowe), lub pływać po ich powierzchni (białka po-wierzchniowe). Białka błonowe mogą spełniać różne funkcje: mogą to być biał-ka receptorowe, strukturalne – stabilizujące samą błonę lub kotwiczące elementy cytoszkieletu komórki, białka enzymatyczne, białka budujące kanały błonowe itd. Ogółem białka stanowią przeciętnie połowę masy błony plazmatycznej.

Na powierzchni błony występują również węglowodany związane z biał-kami lub lipidami, tworząc glikokaliks.

Budowa błon plazmatycznych jest bardzo zbliżona u wszystkich organi-zmów, choć oczywiście z pewnymi modyfikacjami. Oprócz błony komórkowej komórkę otaczać też może ściana komórkowa, położona bardziej na zewnątrz, np. u bakterii lub roślin. W przypadku bakterii Gram-ujemnych z kolei występu-ją dwie dwuwarstwowe błony, pomiędzy którymi jest cienka ściana komórkowa.

Biologiczną funkcją błony plazmatycznej jest z jednej strony oddzielanie wewnętrznego środowiska od zewnętrznego, z drugiej – zapewnienie kontrolo-wanego kontaktu z nim. Aby zachować odrębność środowiska wewnętrznego, błona plazmatyczna nie może pozwolić na swobodną dyfuzję substancji. Jednak transport określonych związków chemicznych czy jonów, jest konieczny dla podtrzymywania metabolizmu.

Przez dwie warstwy fosfolipidów stosunkowo łatwo przedostać się mogą tylko cząsteczki małe, rozpuszczalne w tłuszczach (muszą pokonać dwie war-stwy lipidowych „ogonów” zbudowanych z kwasów tłuszczowych), obojętne elektrycznie (na powierzchni błon plazmatycznych często jest ładunek elek-tryczny). W praktyce więc przepuszczalność jest ograniczona do gazów (O2, N2, CO2), mocznika, niektórych rozpuszczalników organicznych. Taki rodzaj portu − dyfuzja w kierunku zgodnym z gradientem stężeń − nosi nazwę

trans-portu biernego.

Transport ułatwiony również jest zgodny z gradientem stężeń, ale

doty-czy cząsteczek większych i/lub nierozpuszczalnych w tłuszczach. W takim przypadku nie jest możliwe przenikanie bezpośrednio przez warstwy fosfolipi-dów, transport umożliwiają cząsteczki białek transportujących wbudowanych w błonę. Mogą one albo bezpośrednio przenosić cząsteczki łącząc się z nimi po jednej stronie błony, wykonując obrót i uwalniając je po drugiej stronie, albo budować kanały błonowe, którymi mogą przepływać niewielkie cząsteczki ob-darzone ładunkiem elektrycznym.

Czasem jednak zachodzi konieczność transportu substancji w kierunku przeciwnym do gradientu stężeń. Aby przezwyciężyć ten gradient, odbywać się to musi z nakładem energii. Taki rodzaj transportu nosi nazwę transportu

ak-tywnego. W tym przypadku konieczna jest obecność białka (układu białek)

aktywność ATP-azową (czyli zdolność do hydrolizy ATP na ADP i resztę fosfo-ranową, z uwolnieniem energii). Energia uwolniona w hydrolizie ATP zużywana jest na przeniesienie cząsteczki (czy innego indywiduum chemicznego, np.: atomu, jonu) wbrew gradientowi stężeń. Transport taki jest realizowany przez układy pompy sodowo-potasowej (ATPaza Na⁺, K⁺), wapniowo-magnezowej (ATPaza Ca²⁺, Mg²⁺), potasowo-protonowej (ATPaza K⁺, H⁺), protonowej.

Pompa sodowo-potasowa na przykład zbudowana jest z dwóch podjedno-stek α (wiążących kationy Na⁺, K⁺, Mg²⁺, ATP oraz fosfor), oraz z podjednostki β. W warunkach wysokiego stężenia kationów sodowych wewnątrz komórki wiążą się one z podjednostkami α pompy, jednocześnie wiążą się z nią kationy potasowe zlokalizowane na zewnątrz komórki. Używając energii wyzwolonej w hydrolizie ATP, pompa wykonuje obrót przenoszący – wbrew gradientowi stężeń – 3 kationy sodowe na zewnątrz komórki i dwa kationy potasowe do wnę-trza. Jest to więc proces wymagający dopływu energii – szacuje się, że praca pompy sodowo-potasowej (czyli transportującej ATPazy zależnej od sodu i po-tasu) pochłaniać może ponad 40% energii wykorzystywanej przez komórki tkanki nerwowej.

Transport pęcherzykowy (cytoza) polega na otaczaniu materiału błoną

plazmatyczną, wskutek czego powstaje pęcherzyk, przesuwany ruchem cytopla-zmy i/lub elementami cytoszkieletu w docelowe miejsce. Wyróżnia się endocy-tozę (kierunek transportu do wnętrza) oraz egzocyendocy-tozę (usuwanie niepotrzeb-nych elementów bądź wydzielanie substancji na zewnątrz). Odmianami endocy-tozy są fagocytoza (co z języka greckiego oznacza „jedzenie komórki”), polega-jąca na wchłanianiu dużych obiektów, jak drobnoustroje, fragmenty komórek, oraz pinocytoza („picie komórki”), dotycząca substancji o małych rozmiarach, poniżej 150 nm, rozpuszczonych w wodzie.

Fagocytoza jest procesem przeprowadzanym przez wyspecjalizowane

komórki, najczęściej z udziałem rozpoznawania przeciwciał (ich fragmentów Fc, czyli nie wiążących antygenu), choć możliwa jest fagocytoza niespecyficzna, bez udziału receptorów immunologicznych, dotycząca zwykle cząstek niebiolo-gicznych (np. pyły) lub własnych bioloniebiolo-gicznych resztek (po apoptozie, nekro-zie). W formowaniu pęcherzyków fagocytarnych bierze udział aktyna – docho-dzi do polimeryzacji i depolimeryzacji aktynowych elementów szkieletu komór-kowego.

Szczególnym przypadkiem endocytozy jest endocytoza angażująca specy-ficzne receptory komórkowe związane z transportem (ang. cargo receptors). W wyznaczonych obszarach komórki powstają zagłębienia błony pokryte od strony wnętrza komórki klatryną. Receptory rozpoznają cząsteczki przeznaczone do wchłonięcia. Klatryna za pośrednictwem adaptyny wchodzi w internakcję z re-ceptorami, co prowadzi do wpuklenia się błony komórkowej, wskutek czego transportowany obiekt trafia do wnętrza pęcherzyka wraz z receptorami. Uwal-nianie pęcherzyka otoczonego klatryną – jego oderwanie od błony komórkowej – odbywa się dzięki GTPazie o nazwie dynamina. Pęcherzyki takie określa się jako pęcherzyki opłaszczone, a proces – jako endocytozę zależną od klatryny.

Pinocytoza z kolei jest procesem konstytutywnym, ciągłym, zachodzi

w komórkach cały czas, zachodzi z udziałem GTPazy, choć bez udziału klatryny.

Egzocytoza dotyczy zawartości pęcherzyków utworzonych w aparacie

Golgiego, oznaczonych specyficznymi białkami COP-I i COP-II (łac. coatomer proteines). Zwykle wyróżnia się egzocytozę konstytutywną, obejmującą wydzie-lanie nieprzerwanie produkowanych substancji, i regulowaną (wybiórczą), doty-czącą substancji wydzielanych sporadycznie, w zależności od aktualnych po-trzeb. W tym drugim przypadku mechanizmy regulacyjne egzocytozy obejmują sygnały chemiczne bądź neuronalne z zewnątrz komórki, i zmiany właściwości błony komórkowej (jak wzrost przepuszczalności dla kationów Ca²⁺, co umożli-wia zlanie się pęcherzyka wydzielniczego z błoną komórkową).

Pęcherzyki po uformowaniu muszą trafić w ściśle określone miejsce. Umożliwia to kompleks białkowy Rab-GTPaza wbudowany w błonę pęcherzy-ka, odpowiadający innemu kompleksowi białkowemu w błonie docelowej. Po rozpoznaniu odpowiedniej Rab-GTPazy aktywowany jest kompleks dokujący, wiążący pęcherzyk z błoną. Specyficzność wiązania dodatkowo kontrolują ukła-dy białek SNARE⁶, które również zapoczątkowują zlewanie się błon. W pęche-rzyku transportującym znajdują się białka pęcherzykowe v-SNARE (v od ang. vesicle = pęcherzyk), a w błonie – t-SNARE (t od ang. target = docelowy). Ich interakcja prowadzi do utworzenia kompleksu cis-SNARE.