Ve všech buňkách našeho těla se každou sekundu odehrává nesčetné množství chemických reakcí. Jak se však dostanou živiny a jiné látky až dovnitř buněk? A jakým způsobem se buňky naopak zbavují zplodin?
Transport látek dovnitř a ven z buněk není tak jednoduchý, jak by se mohlo na první pohled zdát. Bez tohoto vysoce koordinovaném děje není totiž život vůbec možný. Přitom by lepší pochopení průchodu molekul přes buněčné membrány mohlo vyvolat doslova revoluci ve vývoji léků pro dosud neléčitelné choroby.
Látky musí být v pohybu
Každá buňka si během celého svého života čile vyměňuje rozmanité chemické látky se svým okolím. Všechny tyto děje jsou řízeny tak, aby buňka mohla správně fungovat. S vyváženým přenosem látek do buněk a ven z nich totiž úzce souvisí fungování celého organismu. Pro činnost tak složitého systému, jako je například nervová soustava, je mj. nezbytně nutná jemná rovnováha sodíku a draslíku uvnitř nervových buněk, která se při každém nervovém vzruchu na okamžik změní. Jak se vlastně všechen ten chemický materiál skrz buněčné membrány dostává?
Jako když se vaří čaj
Malé hydrofobní (odpuzující vodu) molekuly nemají s překonáním membrány problém. Vnitřní část membrány je také hydrofobní a zmíněné látky mohou procházet tzv. difúzí, kterou známe z každodenního života (např. při vyluhování sáčku s čajem v horké vodě). Molekuly se prostě pomocí jednoduchého fyzikálního procesu stěhují (migrují) z míst o vyšší koncentraci do míst o nižší koncentraci, aby se tak pokusily vyrovnat vzájemný rozdíl (gradient).
Transport kanálem
Ionty a malé hydrofilní molekuly to mají o poznání těžší. Nemohou samovolně procházet membránou, a proto jim v tom pomáhají speciální proteiny v membráně. V biologických membránách se vyskytuje obrovské množství druhů takových proteinů, z nichž každý je specialistou na jiný typ látky a může fungovat poněkud odlišným způsobem. S jich pomocí se mohou hydrofilní („milující“ vodu) látky stěhovat i z nižší koncentrace do vyšší, čímž získávají ohromnou výhodu proti dříve zmíněným, méně šikovným molekulám. Narozdíl od difúze se tomuto mechanismu přenosu přes membránu říká zprostředkovaný transport a „zprostředkovateli“ jsou dva hlavní typy proteinů: přenašeče (neboli transportéry) a kanály.
Kanály si můžeme představit jako vodou naplněné póry, kterými ionty a malé molekuly jednoduše procházejí – ovšem pouze v případě, že je kanál otevřen (existují mechanismy, které řídí otvírání a zavírání kanálů). Je pochopitelné, že látky takto procházejí pouze jednosměrně, a to od vyšší do nižší koncentrace. Výhodou je obrovská rychlost přenosu: za sekundu se prožene kanálem až 100 milionů iontů!
Přenašeče jsou proteiny, na které se určité molekuly nebo ionty nejprve navážou, a teprve potom mohou být přeneseny. Protein-přenašeč přitom mění svůj tvar tak, aby se molekula mohla navázat na jedné straně membrány a uvolnit se na opačné straně. Kvůli této nezbytné změně tvaru proteinu je transport mnohokrát pomalejší (řádově desetitisíce molekul za sekundu), výhodou je však možnost přenosu v obou směrech.
Když se pumpují ionty
Jako výborná ilustrace fungování přenašečů a kanálů poslouží výše zmíněný příklad nervového vzruchu. Koncentrace sodíkových iontů je uvnitř nervových buněk asi 10krát nižší než vně buněk, zatímco u draslíku je tomu právě naopak. Tento rozdíl je udržován přenašečem zvaným sodnodraselná pumpa, který pumpuje ven ionty sodíku a dovnitř ionty draslíku. V buněčné membráně se navíc vyskytují speciální kanály pro sodík a pro draslík, které jsou však v době klidu uzavřeny. Jakmile buňka dostane elektrický signál, tyto kanály se otevřou a začnou jimi obrovskou rychlostí protékat ionty sodíku a draslíku ve snaze vyrovnat svou koncentraci na druhé straně membrány. Nervový vzruch se potom může šířit do další buňky.
Transport potřebuje energii
Stejně jako v autě, kde řidič pracuje a spolujezdec se jen veze, je tomu i u transportu membránového. Pasivním je ten děj, který probíhá bez dodání energie, neboť v některých případech není její dodávka potřeba. Tak je tomu například u zmíněných kanálů. Samotný iont by neměl šanci přes membránu proniknout, ale s pomocí kanálu to jde lehce a bez námahy.
Jiná situace nastává u aktivního transportu. Snadno si dokážeme představit, že je potřeba vyvinout určité úsilí, když se má látka dostat na druhou stranu membrány, je-li tam větší koncentrace než na původní straně. Energie pro pohon takové přepravy je získávána z různých zdrojů: např. ze štěpení vysokoenergetických sloučenin, ze slunečního záření, ba dokonce i z přenosu jiných látek přes membránu!
Překvapivé poznatky
Nedávno byly v odborném tisku uveřejněny překvapivé poznatky o membránovém transportu. Na hranici mezi přenašeči a kanály jsou tzv. kotransportéry, které mají něco z obou skupin. Jednoznačně se tedy neřadí ani k přenašečům, ani ke kanálům.
V poslední době se navíc začaly objevovat práce, které dosavadní poznatky ještě více zamotávají. Ukázalo se například, že předpokládaný kotransportér pro amoniak je vlastně kanál, a naopak údajný chloridový kanál není nic jiného než kotransportér pro chloridy a protony! Objevům v této oblasti ještě není zdaleka konec a současné poznatky o membránovém transportu budou možná v dohledné době zásadně přehodnoceny.
Kudy vede cesta léčiv?
K čemu vůbec směřuje tak podrobné studium mechanismů přenosu látek přes membrány? Kromě přirozených fyziologických procesů je pochopení membránového přenosu nezbytné pro farmakologii a medicínu. Léčiva musí být navrhována tak, aby se do buněk mohla dostat přirozenými mechanismy. Sebeúčinnější léčivo, ať už proti banálnímu onemocnění nebo proti rakovině, nebude nemocnému nic platné, nedokáže-li se dostat do cílových buněk. Výzkum transportních mechanismů je proto přinejmenším stejně důležitý jako navrhování léků samotných. Teprve poté, co věda pochopí spletité cesty látek organismem, budou moci farmaceutické koncerny navrhovat ještě účinnější léčiva, která budou zacílena přesně na danou skupinu buněk – například rakovinotvorných.
Co je vlastně membrána?
Slovo membrána může navozovat představu pružné, avšak nepříliš propustné vrstvičky materiálu. Buněčná membrána se však od této představy značně liší. Jedná se o důmyslnou biologickou strukturu polotekuté konzistence – a přesto se přes ni náhodně nedostane žádná cizorodá látka zvenčí, ani nemůže uniknout žádná drahocenná látka ven. Biologická membrána je totiž tvořena dvojvrstvou fosfolipidů, tj. zvláštních molekul, které mají jeden konec hydrofobní (odpuzující vodu), a druhý hydrofilní („milující“ vodu). Vhodným uspořádáním těchto molekul získáme plochou strukturu, která může být z obou stran ve styku s vodním prostředím, avšak její vnitřek má k vodě silný „odpor“. Z toho je zřejmé, že látky rozpuštěné ve vodě nemohou jen tak snadno projít na druhou stranu membrány. Buňka by však bez transportu živin nemohla existovat, proto se v evoluci vyvinulo několik mechanismů, jak mohou malé molekuly membránu překonat.
