Fizjologia człowieka w zarysie. Отсутствует
otwierane po zadziałaniu rozciągającego czynnika mechanicznego.
1.12.2. Transport aktywny
O transporcie aktywnym mówimy wtedy, gdy odbywa się on wbrew gradientowi stężeń danej substancji. Ponadto, aby mógł zachodzić, wymagane jest dostarczanie energii. Transport aktywny dzielimy na pierwotny i wtórny. W transporcie aktywnym pierwotnym energia niezbędna do przeniesienia cząsteczek pochodzi bezpośrednio z hydrolizy ATP. W transporcie aktywnym wtórnym energia ta uzyskiwana jest z rozładowania utworzonego uprzednio gradientu jonowego. W transporcie aktywnym uczestniczą białka błonowe określane jako pompy. Funkcjonują one podobnie do nośników, z tym że posiadają dodatkowe domeny odpowiadające za hydrolizę ATP.
Szczególną rolę w wielu procesach zachodzących w ludzkim organizmie pełni pompa sodowo-potasowa. Wyprowadza ona z komórki 3 jony Na+, wprowadzając na ich miejsce 2 jony K+ (3Na+/2K+) i zużywając przy tym energię pochodzącą z hydrolizy ATP. Pompa Na+-K+ jest elektrogenna, co oznacza, że dzięki swojej aktywności wytwarza różnicę potencjałów po obu stronach błony komórkowej. Przez wyprowadzenie w każdym cyklu pracy trzech ładunków dodatnich i wprowadzenie do komórki dwóch ładunków dodatnich (ogólny bilans to utrata jednego ładunku dodatniego na każdy cykl) wpływa na asymetryczny rozkład jonów Na+ i K+, a co za tym idzie na różnicę potencjału między wnętrzem komórki a środowiskiem zewnętrznym. Innymi przykładami pomp jonowych są ATPazy Ca2+, znajdujące się m.in. w siateczce śródplazmatycznej mięśni szkieletowych, oraz ATPazy H+, znajdujące się w błonach lizosomów, komórkach okładzinowych żołądka i kanalikach nerkowych.
1.12.3. Fagocytoza i pinocytoza
Opisane powyżej mechanizmy transportu (dyfuzja prosta i wspomagana, transport aktywny) dotyczą przede wszystkim stosunkowo niewielkich cząstek. Niezależnie od nich komórka ma zdolność pobierania lub usuwania dużych porcji płynów, ciał stałych, mikroorganizmów i produktów metabolizmu przy użyciu błon komórkowych, którą wspomniane substancje zostają wstępnie otoczone w postaci pęcherzyków. Pobieranie przez komórkę substancji z zewnątrz to endocytoza, a wydzielanie – egzocytoza. W ramach endocytozy współistnieją dwa procesy:
– pinocytoza – pobór płynów (tzw. picie komórkowe);
– fagocytoza – pobór ciał stałych (tzw. jedzenie komórkowe).
Egzocytoza polega na wydzielaniu przez komórkę rozmaitych substancji. Najczęściej są to białka, peptydy, aminy i śluz. Czasem na drodze egzocytozy komórka pozbywa się zbędnych lub uszkodzonych struktur oraz substancji szkodliwych. Podczas tego procesu pęcherzyki podpływają do wewnętrznej warstwy błony komórkowej, a po połączeniu się z nią następuje „wylanie” ich zawartości na zewnątrz komórki. Błona pęcherzyka wbudowuje się i zostaje całkowicie włączona w błonę komórkową. Proces ten może zachodzić w sposób ciągły (egzocytoza konstytutywna) lub jedynie w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne (egzocytoza regulowana). W odpowiedzi na pobudzenie wzrasta wewnątrzkomórkowe stężenie jonów Ca2+, co jest kluczowym czynnikiem wyzwalającym fuzję pęcherzyków z błoną komórkową.
1.13. Cykl komórkowy
Cyklem komórkowym nazywamy ciąg zjawisk, które zachodzą pomiędzy kolejnymi podziałami komórki. Na wstępie warto wspomnieć, że nie wszystkie komórki ludzkiego organizmu mają zachowaną zdolność do podziałów: niektóre z nich, np. neurony i kardiomiocyty, są zróżnicowane i nie dzielą się.
Cykl komórkowy składa się z czterech oddzielnych faz:
– fazy G1 – nasilenie procesów biosyntezy, synteza enzymów niezbędnych do replikacji DNA, podział organelli komórkowych;
– fazy S – replikacja (podwojenie ilości) jądrowego DNA i synteza białek histonowych;
– fazy G2 – synteza tubuliny niezbędnej do utworzenia wrzeciona podziałowego, synteza błon na potrzeby obu komórek potomnych;
– fazy M – właściwy podział komórki – mitoza.
Fazy G1, S i G2 składają się łącznie na interfazę, poprzedzającą podział komórki. Właściwy podział komórki, czyli faza M, obejmuje dwa etapy: (1) kariokinezy (pięcioetapowy podział jądra komórkowego, na który składają się: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza i telofaza), oraz (2) cytokinezy (podział cytoplazmy). Schemat cyklu komórkowego przedstawiono na rycinie 1.5.
Rycina 1.5. Schemat cyklu komórkowego
(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz).
Komórki znajdujące się w fazie G1 mogą niekiedy przejść w fazę G0, czyli fazę spoczynkową. W praktyce oznacza to wyjście z cyklu komórkowego przez komórki wysoce zróżnicowane. Niektóre komórki mają zdolność powrotu do cyklu komórkowego po kilku miesiącach, a nawet latach. Dzieje się tak na przykład w przypadku hepatocytów pobudzonych do podziałów przez bodźce uszkadzające. Inne komórki, w tym większość neuronów i kardiomiocyty, wchodzą w fazę G0 na zawsze, bezpowrotnie tracąc potencjał replikacyjny.
Regulacja cyklu komórkowego obejmuje kluczowe dla komórki procesy, takie jak wykrywanie i naprawa materiału genetycznego, oraz systemy nadzoru zapobiegające niekontrolowanym podziałom komórkowym (naturalne mechanizmy przeciwnowotworowe). Przechodzenie komórki pomiędzy kolejnymi fazami cyklu komórkowego jest na każdym etapie kontrolowane przez kinazy serynowo-treoninowe, których funkcję regulują specyficzne białka – cykliny. Łącząc się z odpowiednimi kinazami, umożliwiają one przejście komórki do kolejnych faz cyklu. Z tego względu wspomniane kinazy nazywamy kinazami zależnymi od cyklin (CDK – cyclin-dependent kinases). Aktywność kinaz CDK w trakcie cyklu komórkowego pozostaje niemal stała, podczas gdy cykliny są w sposób cykliczny syntetyzowane i degradowane w miarę postępu cyklu. W cyklu wyróżnia się kilka momentów decydujących o wejściu komórki w kolejną fazę. Kluczowym z nich jest punkt restrykcyjny, czyli moment przejścia z fazy G1 do S. Jest on wyznaczony przez właściwy rozmiar komórki oraz korzystne warunki środowiskowe. Do przejścia przez punkt restrykcyjny konieczne jest utworzenie kompleksów kinaz CDK4, CDK6 z cykliną D. Przejście komórki przez ten punkt oznacza nieodwołalną kontynuację cyklu, aż do jej podziału. W późniejszych fazach cyklu pojawiają się punkty kontrolne sprawdzające poprawność replikacji materiału genetycznego. Kluczową rolę w tych procesach odgrywa białko p53, ze względu na swoje właściwości nazywane strażnikiem genomu. W przypadku wykrycia uszkodzeń DNA ma ono zdolność inicjacji procesów naprawczych. Gdy okażą się one nieskuteczne, białko p53 może skierować komórki na szlak apoptozy (omówiony w dalszej części rozdziału).
Szczególnym rodzajem podziału komórkowego jest mejoza, dotycząca jedynie komórek prekursorowych gamet. Podział mejotyczny składa się z dwóch następujących po sobie podziałów. W efekcie z jednej komórki wyjściowej powstają 4 komórki potomne. Istotą pierwszego podziału jest rekombinacja oraz redukcja materiału genetycznego. Powstałe w wyniku tego podziału 2 komórki rozpoczynają kolejny podział, który przebiega jak typowy podział mitotyczny, prowadząc ostatecznie do powstania 4 gamet. Drugi podział