Príjem a výdaj látok

Príjem a výdaj látok patrí medzi základné procesy a je podmienkou existencie bunky. Táto komunikácia sa uskutočňuje cez bunkové povrchy, ktoré oddeľujú bunku od vonkajšieho prostredia. Veľký význam v tejto komunikácii má cytoplazmatická membrána, ktorá je polopriepustná, selektívne prepúšťa potrebné látky z a do bunky. Vďaka chemickej štruktúre prepúšťa táto membrána i väčšie molekuly či bunkové časti. Po smrti bunky sa plazmatická membrána stáva priepustnou, permeabilnou.

Bunka prijíma látky potrebné na:

  • krytie spotreby energie (cukry, tuky)
  • stavbu bunky (cukry, bielkoviny)
  • riadenie činnosti bunky (bielkoviny, hormóny, enzýmy)
  • chod metabolických procesov (voda, ióny, vitamíny)

Bunka vylučuje látky, ktoré:

  • nepotrebuje alebo sú pre ňu škodlivé (oxid uhličitý, močovina)
  • potrebujú iné bunky (enzýmy, vitamíny, hormóny)
  • sú potrebné na ochranu (protilátky)

Rozlišujeme tri základné typy prenosu látok:

  1. pasívny transport - prebieha bez spotreby energie
  2. aktívny transport - pre prenos látok cez membránu je potrebná energia
  3. cytózy - prenos veľkých molekúl a celých častíc za prestavby membrány

Pasívny transport

Pasívny transport znamená prenos biomolekúl atómovej alebo nízkomolekulárnej povahy cez biomembrány bez spotreby energie. Je to proces závislý od koncentračného gradientu solutu a permeability membrány. Zaraďujeme sem difúziu a osmózu.

Difúzia

Ide o pohyb molekúl, atómov a iónov z miesta vyššej koncentrácie na miesto s nižšou koncentráciou, čiže po koncentračnom spáde (gradiente). Rýchlosť a rozsah difúzie zásiví od rozdielu koncentrácie látky (solutu) na oboch stranách biomembrány. Proces sa zastaví, keď dôjde k vyrovaniu koncentrácie látky na oboch stranách membrány, tzn. keď dôjde k eliminovaniu koncentračného gradientu. Takto sa prenášajú kyslík, oxid uhličitý, organické neelektrolyty (alkohol, močovina), ako aj niektoré jedy a farbivá.

Uľahčená difúzia predstavuje pohyb molekúl cez biomembránu pomocou špecifických proteínových prenášačov zabudovaných v membráne. Takýmto spôsobom sa prenáša napr. glukóza, pretože je nerozpustná v tukoch a molekula je príliš veľká, aby sa dostala cez membránové póry. Napriek tomu, že je potrebná špecifická bielkovina vo funkcii prenášača, prebieha tento proces po koncentračnom gradiente bez spotreby energie.

Osmóza

Z fyzikálneho hľadiska je to jednosmerný prechod molekúl rozpúšťadla (solventu) cez semipermeabilnú membránu. V biologickom ponímaní sa jedná v podstate o špeciálny názov pre difúziu molekúl vody. Hnacou silou je rozdiel koncentrácií osmoticky aktívnych častíc. Osmóza závisí od koncentračného spádu.

Osmózu si možno demonštrovať na roztoku NaCl a čistej destilovanej vode, ktoré sú od seba oddelené semipermeabilnou membránou umožňujúcou prechod molekúl vody, ale nie iónov Na+ a Cl-. Voda sa "snaží" zriediť roztok na opačnej strane membrány, čo možno vidieť na stúpajúcej hladine roztoku NaCl a naopak klesajúcej hladine destilovanej vody. Osmotický tlak (Π) (vyjadruje sa v pascaloch [Pa]) je fyzikálna veličina, ktorej hodnotou je tlak, akým musíme pôsobiť na kvapalinu, aby sme zabránili osmóze (tzn. aby rozdiel hladín Δh = 0). Udržanie stáleho osmotického tlaku je životne dôležité pre bunku aj organizmus.

Bunka môže vodu osmoticky nasávať alebo strácať v závislosti od koncentrácie osmoticky aktívnych častíc v mimobunkovom prostredí a vo vnútri bunky, resp. v bunkovej šťave vakuoly rastlinnej bunky. Z tohto hľadiska rozlišujeme niekoľko osmotických hodnôt prostredia:

  • Izotonické prostredie (gr. iso = rovnaký; tonos = napínanie) má rovnakú osmotickú hodnotu ako bunka, preto tu nedochádza k prúdeniu vody v akomkoľvek smere.
  • Hypertonické prostredie (gr. hyper = nad) má vyššiu koncentráciu osmotickych aktívnych častíc a bunka v takomto prostredí stráca vodu, zmenšuje svoj objem. U rastlinnej bunky nastáva plazmolýza (je to odťahovanie protoplastu od bunkovej steny). Plazmolýzu môžeme pozorovať, ak posolíme rozkrojenú uhorku. Soľ povyťahuje z protoplastov buniek vodu. U živočíšnej bunky nastáva zmrštenie, ktoré sa označuje ako plazmorýza. Toto nastáva napríklad, keď si potrieme pokožku alkoholom. Opačný proces, tzn. vyrovnávanie osmotickej hladiny bunky a prostredia, sa označuje ako deplazmolýza. Na jeho konci nastane izotonický stav.
  • Hypotonické prostredie (gr. hypo = pod) má nižšiu koncentráciu osmoticky aktívnych častíc ako bunka. Na rastlinnú bunku pôsobí zvýšený turgor ale bunka dokáže tomuto stavu do istej miery odolať pôsobením elastickej bunkovej steny. Ak je pôsobenie dlhotrvajúce, bunka nevydrží a praskne (napr. čerešne po dlhotrvajúcom daždi). Bunka v takomto prostredí nasáva vodu a zväčšuje svoj objem, nastáva plazmoptýza a niekedy dochádza k praskaniu buniek aj napriek prítomnosti bunkovej steny. Živočíšna bunka v hypotonickom prostredí praská, napr. morské prvoky v sladkej vode, osmotická lýza erytrocytov (tzv. hemolýza) v destilovanej vode.
Destilovaná voda vzniká z "obyčajnej" alebo minerálnej vody procesom destilácie: zohrievaním sa vyparujú molekuly vody, ktoré následne po ochladení spätne kondenzujú v destilačnej aparatúre, takže sa od vody oddelia minerály, ktoré v nej boli pôvodne rozpustené. Destilovaná voda preto tvorí hypotonické prostredie a neodporúča sa piť dlhodobo, jej náhodná konzumácia by však nemala zdravému človeku s primeranou stravou nijako ublížiť. Rozhodujúca je aj kvalita vody, z ktorej sa destilovaná voda vyrába (hlavne v chemických továrňach), pretože môže obsahovať prímesy ťažkých kovov z chemickej výroby. Všeobecne teda nie je destilovaná voda vhodná pre konzumáciu.

Aktívny transport

Je to prenos molekúl proti koncentračnému spádu, čiže z miest s nižšou koncentráciou na miesta s vyššou koncentráciou. Na jeho uskutočnenie sa spotrebuje energia, ktorá pochádza z hydrolytického enzymatického štiepenia ATP (adenozíntrifosfát). ATP obsahuje makroergické chemické väzby medzi fosfátmi, ktoré rozštiepením uvoľňujú chemickú energiu využiteľnú pre ďalšie biochemické procesy. Aktívny transport umožňuje vychytávať určité ióny alebo molekuly z vonkajšieho prostredia, aj keď sa v prostrediach vyskytujú vo veľmi nízkych koncentráciách. Predstavuje určitú nezávislosť bunky od prostredia.

Aktívny transport sa uskutočňuje pomocou prenášačov (membránové bielkoviny), ktoré aktívne prenášajú molekuly cez biomembrány proti ich koncentračnému gradientu (uľahčená difúzia prebieha po koncentračnom gradiente). Prenášačový transport funguje v niekoľkých krokoch:

  1. prenášač rozpozná a zachytí molekulu na povrchu membrány
  2. zmenou konformácie (štruktúry) prenášača nastáva prenos (translokácia) molekuly na druhú stranu biomembrány (tento proces je podporovaný hydrolýzou ATP)
  3. uvoľnením molekuly z prenášača na druhej strane biomembrány sa obnovuje pôvodná konformácia prenášača

Cytózy

Veľké molekuly a celé častice látok, ktoré sa do bunky nemôžu dostať vyššie uvedenými spôsobmi, prestupujú cez plazmalému mechanizmom toku (kolobehu) membrán. Tieto procesy nazývame aj cytózy. Sú to veľmi dynamické procesy, ktoré zahŕňajú splývanie (fúziu) membrán a vezikuláciu (odštepovanie mechúrikov). Prebiehajú na povrchu buniek, medzi bunkami aj vnútri buniek.

Podľa smeru, akým nastáva prenos častíc, rozlišujeme:

  • endocytózy - do bunky
  • exocytózy - z bunky

Endocytóza

Endocytóza predstavuje prijímanie (ingesciu) látok do bunky. Kým pasívny a aktívny trasnsport sa vyskytuje u všetkých buniek, endocytóza sa vyskytuje len u niektorých.

Rozlišujeme dva druhy endocytózy podľa povahy prenášaných častíc:

  • pinocytóza - prijímanie tekutých roztokov
  • fagocytóza - prijímanie tuhých častíc

Pinocytóza

Predstavuje prijímanie látok vo forme roztoku. Prvýkrát ju popísal LEWIS v roku 1931. K príjmu látok dochádza preliačením plazmatickej membrány dovnútra bunky a vzniká priehlbina, ktorá sa zväčšuje, až dôjde k jej odtrhnutiu odškrtením vo forme malého mechúrika - pinocytovej vakuoly s transportovanou látkou (používa sa aj pojem endozóm na označenie vezikúl, ktoré vznikajú pri rôznych formách endocytózy). Endozómy splývajú s primárnymi lyzozómami a tak vznikajú sekundárne lyzozómy.

Je známa aj receptormi sprostredkovaná pinocytóza. Na membráne je lokalizovaná špecifická bielkovina vo forme receptoru, ktorá rozoznáva molekuly v prostredí a zahajuje pinocytózy invagináciou biomembrány.

Fagocytóza

Je to prijímanie tuhých látok do bunky. Pozoroval ju MEČNIKOV v roku 1883. Pomocou mikrofilamentov vytvára bunka panôžky (pseudopódie), ktorými obalí častice a uzavrie ich vznikom fagocytovej vakuoly.

Fagocytóza predstavuje u prvokov základný spôsob prijímania potravy. Mnohobunkovým živočíchom slúži fagocytóza ako nešpecifická vrodenená imunita, ktorou disponujú imunokompetentné bunky. Fagocytóza sa u nich zúčastňuje na pohlcovaní baktérií, odumretých a opotrebovaných buniek (erytrocytov v slezine). Fagocytujúce bunky majú schopnosť meňavkovitého (amébovitého) pohybu.

Exocytóza

Exocytóza je proces výdaja väčších molekúl, ktoré nemôžu prejsť cez plazmatickú membránu difúziou. Takéto molekuly prechádzajú do vonkajšieho prostredia vo forme mechúrikov - exocytárnych vezikúl. Vezikula vzniká spravidla z membrány endoplazmatického retikula alebo diktyozómov Golgiho aparátu. Transportované vezikuly sa postupne spájajú s cytoplazmatickou membránou a po ich splynutí sa ich obsah vylúči do vonkajšieho prostredia.

Týmto spôsobom sú z bunky vylučované odpadové látky, polysacharidy bunkových stien rastlinných buniek, molekuly extracelulárnej matrix, extracelulárne enzýmy, krvné bielkoviny, protilátky, hormóny, neurotransmitery.