Membránová permeabilita

Membránová permeabilita charakterizuje permeabilitu molekúl cez bunkovú membránu. Všetky bunky sú oddelené od medzibunkového priestoru pomocou biomembrán a súčasne obsahujú bunkové organely, ktoré sú zase obklopené membránami. Permeabilita membrán je nevyhnutná pre hladký priebeh biochemických reakcií.

Aká je priepustnosť membrány?

Membránová permeabilita je definovaná ako permeabilita biomembrány pre kvapaliny a rozpustené látky. Bunkové membrány však nie sú priepustné pre všetky látky. Preto sa tiež označujú ako semipermeabilné membrány (polopriepustné membrány).

Biomembrány pozostávajú z dvoch fosfolipidových vrstiev, ktoré sú priepustné pre plyny, ako je kyslík alebo oxid uhličitý, a tiež nepolárne látky rozpustné v tukoch. Tieto látky môžu normálnou difúziou prechádzať cez membrány. Polárne a hydrofilné molekuly nie sú povolené. Môžu sa transportovať cez membránu iba pasívnymi alebo aktívnymi transportnými procesmi.

Membrány chránia vnútorný bunkový priestor a priestor vnútri bunkových organel. Zabezpečujú udržiavanie špeciálnych chemických a fyzikálnych podmienok pre dôležité biochemické reakcie bez vonkajšej interferencie.

Priepustnosť membrán zaisťuje selektívny transport životne dôležitých látok z extracelulárneho priestoru do bunky a odstraňovanie metabolických produktov z bunky. To isté platí pre jednotlivé bunkové organely.

Funkcia a úloha

Membrány sú absolútne nevyhnutné pre nerušený proces životne dôležitých biochemických reakcií v bunkách a bunkových organelách. Membránová priepustnosť je rovnako dôležitá na to, aby bola schopná zásobiť bunky dôležitými živinami, ako sú proteíny, uhľohydráty alebo tuky. Minerály, vitamíny a iné účinné látky musia tiež byť schopné prechádzať cez membránu. Zároveň vznikajú metabolické produkty, ktoré sa musia z bunky likvidovať.

Membrány sú však priepustné iba pre lipofilné molekuly a malé molekuly plynu, ako je kyslík alebo oxid uhličitý. Polárne, hydrofilné alebo veľké molekuly sa môžu transportovať cez membránu iba pomocou transportných procesov. Na tento účel existujú pasívne a aktívne možnosti membránového transportu.

Pasívna preprava funguje bez dodávania energie v smere potenciálneho alebo koncentračného gradientu. Menšie lipofilné molekuly alebo molekuly plynu podliehajú normálnej difúzii. Normálna difúzia u väčších molekúl už nie je možná. Transport tu môžu uľahčovať určité transportné proteíny alebo kanálové proteíny. Transportné proteíny prechádzajú cez membránu ako tunel. Menšie polárne molekuly môžu prechádzať týmto tunelom pôsobením polárnych aminokyselín. To tiež umožňuje prepravu malých nabitých iónov tunelom.

Ďalšia možnosť pasívneho transportu je výsledkom pôsobenia proteínov nosiča, ktoré sa špecializujú na určité molekuly. Keď molekula zakotví, zmení svoju konformáciu a transportuje ju cez membránu.

V prípade aktívneho membránového transportu je potrebná dodávka energie. Zodpovedajúca molekula je transportovaná proti koncentračnému gradientu alebo elektrickému gradientu. Procesy zásobovania energiou sú výsledkom hydrolýzy ATP, nárastu nábojového gradientu vo forme elektrického poľa alebo zvýšenia entropie vybudovaním koncentračného gradientu.

Endocytóza alebo exocytóza je k dispozícii pre látky, ktoré vôbec nemôžu preniknúť cez membránu. Pri endocytóze invaginácia biomembrány kvapká tekutinu a transportuje ju do bunky. Vytvára sa takzvaný endozóm, ktorý transportuje dôležité látky do cytoplazmy. Počas exocytózy sa odpadové produkty v cytoplazme odvádzajú cez membránou pokryté transportné vezikuly.

Choroby a choroby

Poruchy priepustnosti membrány môžu viesť k rôznym chorobným stavom. Zmeny ovplyvňujú priepustnosť rôznych iónov. Poruchy permeability membrány sú často výsledkom kardiovaskulárnych chorôb. To môže ovplyvniť rovnováhu elektrolytov v tele.

Mnoho dedičných príčin však tiež spôsobuje poruchy permeability membrány. Rôzne proteíny sú zapojené do štruktúry membrány a sú zodpovedné za správnu funkciu lipidovej dvojvrstvy. Genetické zmeny v niektorých proteínoch sú okrem iného zodpovedné za zmeny v priepustnosti membrán.

Jedným z príkladov je choroba Myotonia congenita Thomsen. Toto ochorenie je genetická porucha funkcie svalov. Gén, ktorý kóduje chloridové kanály membrán svalových vlákien, je zmutovaný. Priepustnosť chloridových iónov je znížená. To vedie k ľahšej depolarizácii svalových vlákien ako u zdravých ľudí. Tendencia k svalovej kontrakcii sa zvyšuje, čo sa prejavuje ako stuhnutosť. Napríklad zatvorenú päsť je možné otvoriť iba s určitým oneskorením. Oči je možné otvoriť až po 30 sekundách po zatvorení, ktoré sa nazýva lag.

Existujú tiež autoimunitné choroby, ktoré sa špecificky zameriavajú na biomembrány. V tejto súvislosti je známy takzvaný antifosfolipidový syndróm (APS). Pri tomto ochorení je imunitný systém tela namierený proti proteínom, ktoré sa viažu na fosfolipidy v membráne. Výsledkom je zvýšená zrážanlivosť krvi. Pravdepodobnosť infarktu, mozgovej mŕtvice a pľúcnej embólie sa zvyšuje.

Poruchy priepustnosti membrány je možné nájsť aj v tzv. Mitochondriopatiách. V mitochondriách sa energia získava spaľovaním uhľohydrátov, tukov a bielkovín. Mitochondrie sú bunkové organely, ktoré sú tiež obklopené membránou. V týchto energetických elektrárňach sa vyrába veľké množstvo voľných radikálov. Ak nie sú zachytené, membrány sa poškodia. To výrazne obmedzuje funkciu mitochondrií. Príčiny zníženej účinnosti radikálnych vychytávačov sú však rôzne.