Błony komórkowe to twory niezwykle dynamiczne, selektywne, często funkcjonują tak, jakby „wiedziały” jakie substancje zatrzymać, a jakie, na drodze transportu transbłonowego, mogą przekroczyć ich barierę. Błona komórkowa to struktura otaczająca komórkę, zbudowana z dwuwarstwy lipidowej i zakotwiczonych w niej białek. Struktura ta jest asymetryczna, płynna i dynamiczna. Transport przez błony komórkowe może zachodzi w dwojaki sposób:

I – bez nieodwracalnych zmian w ich strukturze. Do tego typu należą dyfuzja prosta, dyfuzja ułatwiona oraz transport aktywny;

II – z następstwem nieodwracalnych zmian w strukturze błon komórkowych. Zalicza się do niego endocytozę i egzocytozę.

W pierwszej kolejności warto skupić się na tej kategorii zjawisk związanych z transportem przez błony komórkowe, które nie powodują nieodwracalnych zmian w błonie komórkowej.

Dyfuzja prosta (transport bierny beznośnikowy) – jest klasyfikowana jako transport bierny, czyli przebiegający bez udziału energii. Polega na mieszaniu się ze sobą cząsteczek spowodowanym ich przypadkowymi ruchami. Substancja przemieszczająca się na drodze dyfuzji będzie przechodzić ze środowiska o wyższym potencjale elektrochemicznym do środowiska, w którym ten potencjał jest niższy. Mówiąc prościej przemieszczanie się cząsteczek na drodze dyfuzji oznacza ich przechodzenie ze środowiska o wyższym stężeniu do środowiska o niższym stężeniu (zgodnie z gradientem stężeń). W taki sposób są transportowane cząsteczki małe, niepolarne lub hydrofobowe. Dyfuzja zachodzi sprawnie na krótkich dystansach (np. w obrębie przedziałów międzykomórkowych),  lecz jest zbyt wolna aby zapewnić transport substancji na dłuższych dystansach. O szybkości dyfuzji prostej decydują 3 czynniki: 1) przejście substancji z fazy wodnej jednego kompartmentu do fazy hydrofobowej plazmalemmy z utratą wody hydratacyjnej, 2) dyfuzja cząstek przez hydrofobowy obszar błony i 3) przepływ substancji z błony do fazy wodnej drugiego obszaru.

Osmoza jest rodzajem dyfuzji prostej i dotyczy transportu wody. Co za tym idzie, cząsteczki wody będą się przemieszczały z roztworu o wyższej zawartości wody do bardziej stężonego, gdzie zawartość wody (potencjał wodny) jest niższy. Z osmozą wiąże się pojęcie ciśnienia osmotycznego, czyli siły, z jaką cząsteczki substancji rozpuszczonej w roztworze przyciągają  cząsteczki wody. 

Dyfuzja ułatwiona (transport bierny nośnikowy) – odbywa się zgodnie z prawami transportu przenośnikowego, bez udziału energii oraz w kierunku gradientu stężeń. Dyfuzja ułatwiona przebiega z udziałem białka transmembranowego, które prawdopodobnie biorą udział w usunięciu wody hydratacyjnej otaczającej cząsteczkę z jej polarnej strony zanim wniknie ona w warstwę węglowodorową błony. Na drodze transportu aktywnego zachodzi np. dopływ glukozy do erytrocytu, hepatocytów i mięśni. Na drodze tego zjawiska zachodzi także transport anionów do erytrocytów. Mechanizm przenoszenia cząsteczek na drodze biernego transportu nośnikowego wymaga oczywiście obecności nośnika w błonie. Nośnik w procesie transportu występuje w trzech konformacjach: 1) otwartej do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, 2) przejściowej i 3) otwartej do cytoplazmy.

Transport aktywny to sposób przemieszczania się cząsteczek zawsze przeciwko gradientowi stężeń, z udziałem przenośników i wymagający dostarczenia energii. Transport ten dotyczy transportu wielu jonów (np. Ca²⁺, Na⁺, K⁺). Wyróżnia się transport aktywny pierwotny oraz wtórny. Pierwotny transport aktywny wymaga nakładu energii równej co do wartości energii potrzebnej do wytworzenia wiązań kowalencyjnych w integralnym białku błonowym. Transport ten zależy od takich źródeł energii jak ATP, transport elektronów czy światło. Jego najdokładniej poznanym przykładem jest występująca w komórce zwierzęcej pompa sodowo-potasowa, będąca antyportem jonów Na⁺ i K⁺. Ten rodzaj transportu wymaga dostarczania energii w postaci ATP i zachodzi przy udziale enzymu znanego jako Na⁺, K⁺-ATPaza. W trakcie transportu dochodzi do utworzenia wiązań kowalencyjnych w białku (pompie) transbłonowym a energia potrzebna do tego transportu pochodzi z energii niezbędnej do zmiany konformacji białka transbłonowego.  Stosunek jonów Na⁺ do K⁺ jest różny po różnych stronach błony komórkowej. Wewnątrz komórki zwierzęcej przeważają jony potasu, natomiast na zewnątrz komórki jony sodu. Aktywny transport jonów Na⁺ na zewnątrz komórki a jonów K⁺ do wewnątrz oraz występowanie w błonie komórkowej białka transportującego, czyli Na⁺, K⁺-ATPazy  podtrzymuje wyżej opisany gradient stężenia. Transport jonów sodu i potasu oraz hydroliza ATP są ściśle sprzężone: podczas hydrolizy jednej cząsteczki ATP zostają wypompowane trzy jony sodu na zewnątrz, a dwa jony sodu do cytoplazmy. Taki stan pozwala na zachowanie składu jonowego oraz potencjału elektrochemicznego błony plazmatycznej. W tym systemie transportu zachodzi też synteza ATP wówczas, gdy występuje wysoki gradient wspomnianych kationów w kierunku niefizjologicznym. Wtórny transport aktywny napędzany jest bardziej stromym jonowym gradientem stężeń, najczęściej jonów Na⁺ i odbywa się przy udziale kotransporterów, czyli stanowi przykład transportu sprzężonego dwóch cząsteczek lub jonów zwany inaczej symportem.

Przeczytaj również:

Cykl komórkowy, czyli powtórka do sesji

Apoptoza komórkowa, czyli szybka powtórka do sesji

Anna Byczkowska