Pumpa života

sonda8V průběhu celé středoškolské biologie vám bude profesory vtloukána do hlavy důležitost biomembrán. Hned v prvních hodinách biologie, kdy se definuje život a jeho podmínky, je zmíněn význam těchto struktur z hlediska integrity buňky a v průběhu dalšího studia se membrány zmiňují při popisu všelijakých složitých procesů.

    Asi jste si kreslili obrázek, na kterém toho v membráně spoustu plave (ano, membrána je opravdu tekutá struktura), a popisovali si, že každá z těch zabudovaných částic má svůj důležitý význam. Byly zde obsaženy různé bílkovinné přenašeče a mezi nimi i iontové pumpy. Pumpy jsou bílkoviny, které vykonávají práci přenosem nějakých částic přes membránu a je jasné, že pro tuto činnost musíme dodat energii, a proto se tyto děje označují jako aktivní transport. A tím, že přes membránu přenášejí vždy určité vybrané částice, se činností pump zvětšuje rozdíl v koncentracích těchto částic na jedné a na druhé straně membrány.

    K čemu vůbec buňka pumpy potřebuje? Existuje pro to mnoho důvodů, ten hlavní a nejobecnější je, že buňce pomáhají vytvářet a udržet si biochemické prostředí nezbytné k životu. Považte, že prostředí v buňce je opravdu odlišné od svého okolí. Pumpy slouží k udržování optimálního látkového rozložení na obou stranách membrány, za což buňka musí platit spotřebou energie. Z toho pak dále plyne, že vyrovnáváním látkových koncentrací, které jsou vzdálené od rovnováhy, může buňka v jiném případě získávat energii, protože vyrovnání koncentračních hladin je výhodný a samovolný proces, který může být spřažen s něčím, čemu je schopný svým průběhem dodat energii. Díky tomu může buňka přijmout třeba glukózu. No a právě bez pump by buňka nebyla schopna některé pro život nezbytné látky ani pohltit, protože by je nemělo co přenést přes membránu.

    V tomto článku si ukážeme příklad sodno-draselné pumpy, což je asi jediná pumpa, která se na střední škole vždy zmiňuje – bavíme se o ní v souvislosti s probíráním fyziologie nervové činnosti. Na obrázku vidíte její strukturu (upraveno podle [1]).

 Popis NKA - kopie    Jak nám ukazuje schéma, pumpa přenáší tři sodné kationty ven z buňky a dva draselné kationty přenáší do buňky. Z toho si všimneme hned dvou věcí: buňka tím ztrácí jeden kladný náboj (i) a vytváří se gradient (koncentrační spád) přenášených iontů (ii). Díky tomu tedy buňka snižuje elektrický potenciál své membrány – zevnitř se stává více záporně nabitou než je její okolí, čímž se velkou měrou podílí na udržení optimální hladiny membránového potenciálu (tzv. klidový potenciál). V buňce je K+ více a v okolí buňky je zase Na+ více a pumpa tyto ionty přenáší vždy do prostředí, kde je jejich koncentrace větší, což je na první pohled proces, který nemůže probíhat samovolně a je třeba mu dodat energii – na schématu je naznačeno, že činnost sodno-draselné pumpy spotřebovává ATP (štěpí se na ADP a anorganický fosfát, zkratkou Pi, přičemž se uvolní energie pro přenos iontů). Z toho vyplývá, že se vlastně jedná o enzym, tedy biomolekulu katalyzující určitou reakci – zde přenos iontů.

    Ještě jednou, proč to vlastně ta pumpa vůbec dělá, k čemu to může být buňce dobré? Udržení klidového potenciálu na membráně je pro život buňky základní předpoklad a existují procesy, které tento stav narušují, takže je třeba si jej udržovat. Navíc rozdíl v koncentrací zmíněných iontů umožňuje konání práce a tím komunikaci buňky s okolím – transport jiných látek přes membránu [2;3].

    Ještě si nakonec uveďme několik konkrétních procesů, při kterých je úloha sodno-draselné pumpy neodmyslitelná. Každé vzrušivé buňce, jako je sval a neuron, pomáhá k nastolení rovnováhy poté, co byla podrážděna – je tedy nezbytná pro svalovou, srdeční i nervovou fyziologii. Proto na tento enzym, sodno-draselnou pumpu, cílí jisté skupiny léčiv. Činností pumpy se vytváří ideální osmotický tlak v buňce nebo koncentrace iontů v krvi i samotné pH krve, které si organismus velmi přísně hlídá. Na závěr uvedu ještě jeden fakt, který vás o důležitosti sodno-draselné pumpy jistě přesvědčí – průměrná buňka investuje 20–30 % vyprodukovaného ATP do její činnosti, neurony pak dokonce i okolo ¾ vytvořeného ATP [4]. Je to fascinující, když se pokusíme představit si, na co všechno ostatního musí buňce ještě energie zbýt, a tolik jí padne „pouze“ na tento jeden enzym.

Tomáš Heger, 4. B

Reference:

[1] SHINODA, T., H. OGAWA, F. CORNELIUS a C. TOYOSHIMA. Crystal structure of the sodium-potassium pump at 2.4 A resolution. Nature. 2009, 459(7245), 446–450. DOI: 10.1038/nature07939.

[2] C. SKOU, Jens. The Identification of the Sodium-Potassium Pump. Nobel Lecture. Nobel Media, 1997, 179–194.

[3] KAPLAN, Jack H. Biochemistry of Na,K-ATPase. Annual review of biochemistry. 2002, 71, 511–535. DOI: 10.1146/annurev.biochem.71.102201.141218.

[4] Updated energy budgets for neural computation in the neocortex and cerebellum. Journal of Cerebal Blood Flow and Metabolism. 2012, 32(7), 1222–1232. DOI: 10.1038/jcbfm.2012.35.

Napsat komentář