Najvažnija ionska crpka našeg organizma

Ljudsko tijelo, savršeni stroj, koji se sastoji od bilijuna stanica, radi 24 sata dnevno. Svakog trenutka u njemu se događa niz kemijskih reakcija, metaboličkih procesa, u kojima se i troši i oslobađa energija.

Osim vode koja je neophodna za te reakcije, važna je i raspodjela elektrolita koji utječu na raspodjelu i količinu vode u pojedinim dijelovima tijela. Pod normalnim uvjetima, u zdravom je organizmu, količina vode koju dobiva i koja se iz njega izlučuje, u stanju je ravnoteže.

Prijenos tvari kroz staničnu membranu

U stanici i izvan nje nalaze se elektroliti različitih koncentracija. Glavni kationi u organizmu su: , , , , a od aniona , , i .

Postoji velika razlika u ionskom sastavu između izvanstanične i unutarstanične tekućine. U izvanstaničnoj tekućini najbrojniji je kation natrija, a u stanici kation kalija.

U sastavu izvanstanične tekućine, koja okružuje stanice, ima najviše natrijevih iona, , kloridnih iona, , i hidrogenkarbonatnih iona, .

U stanici se nalaze ioni kalija, , ima malo kalcijevih iona, , a magnezijevih iona, , ima dvadeset puta više u odnosu na izvanstaničnu tekućinu. Od aniona najviše je fosfata, sulfata i proteina.

Prijenos tvari kroz staničnu membranu

Razlika u raspodjeli iona, kao i razlika u propusnosti stanične membrane, uzrokuje električnu aktivnost živoga tkiva. Citoplazma je negativno nabijena u odnosu na izvanstanični prostor, membrana je polarizirana, a razlika potencijala između izvan stanične i unutarstanične tekućine zove se membranski potencijal.

Membranski potencijal mirovanja, kada nema primanja niti slanja električnih impulsa, za neurone iznosi –90 mV, a za mišićne
stanice –70 mV.

Natrij-kalij pumpa omogućava održavanje razlike potencijala, odnosno koncentracije iona na staničnim membranama što omogućava održavanje osmotske ravnoteže. Koncentracija natrijevih i kalijevih iona ključna je za dinamiku stanične tekućine.

Pasivni prijenos zbiva se spontano kad je koncentracija tvari izvan stanice veća od koncentracije tvari u stanici. Stanica za ovaj prijenos ne mora trošiti energiju. Pasivni prijenos upoznali ste kod difuzije i osmoze.

Aktivni prijenos nije spontan i traži ulaganje energije i posrednika koji će omogućiti prijenos tvari s mjesta manje koncentracije na mjesto veće koncentracije tvari.

Pojam “gradijent” označava stupanj neke promjene. Razlika u koncentraciji dvaju tvari naziva se koncentracijski gradijent. Pasivni prijenos naziva se još prijenos niz koncentracijski gradijent. Prijenos tvari s mjesta manje koncentracije na mjesto veće, naziva se prijenos protiv koncentracijskog gradijenta.

Prijenos tvari kroz staničnu membranu stalno se odvija u svim stanicama difuzijom, osmozom i aktivnim prijenosom. Ako ioni prolaze kroz membranu, na njihovo gibanje utjecat će koncentracija, odnosno koncentracijski gradijent i električno polje. Koncentracijski i električni gradijent čine zajedno elektrokemijski gradijent.

Aktivni prijenos je vrsta staničnog prijenosa koji zahtijeva utrošak energije, najčešće adenozin-trifosfata (ATP). To je prijenos tvari protiv koncentracijskog gradijenta. Ovisi o proteinima u staničnoj membrani koji služe kao crpke (pumpe). Crpke koriste energiju da bi pokretale ione i molekule u stanicu i izvan nje, iz mjesta niže u mjesto više koncentracije.

Primjer aktivnog prijenosa je ionska natrij-kalij pumpa. Ona omogućava prijenos natrijevih i kalijevih iona protiv koncentracijskog gradijenta. Prijenos triju natrijevih iona iz stanice u okoliš i dva kalijeva iona u stanicu prati utrošak energije u obliku adenozin-trifosfata (ATP-a) i promjene oblika proteinskih kanala.

Ovaj proces odgovoran je za održavanje staničnog membranskog potencijala. Proteini koji omogućavaju aktivni prijenos nazivaju se pumpama, jer prenose molekule ili ione iz područja manje u područje veće koncentracije. Za prijenos je neophodna energija koja se dobiva iz adenozin-trifosfata (ATP), energijske valute stanice.

Zašto mora doći do kidanja kemijske veze u ATP-u?

Aktivni prijenos nije spontana reakcija, jer se odvija protiv koncentracijskog gradijenta i zahtijeva utrošak energije. Velike količine energije uskladištene su u kemijskim vezama.

Natrij-kalijeva pumpa ima tri mjesta vezanja za ione natrija, , i dva mjesta za ione kalija, . Prvo dolazi do cijepanja energijski bogate veze u ATP pri čemu se oslobađa energija i mijenja oblik proteina koji sada može vezati natrijeve ione. Otpuštanjem natrijevih iona izvan stanice ponovo se mijenja oblik proteina i dolazi do vezanja dva kalijeva iona na protein. Nakon izbacivanja kalijevih iona u citoplazmu, molekula proteina dobiva prvobitni oblik. Na takav se način održava visoka koncentracija natrijevih iona izvan i kalijevih iona unutar stanice, a time i odgovarajući membranski potencijal.

Zašto se mijenja oblik proteina prilikom prijenosa natrijevih i kalijevih iona?

Svaka molekula enzima ima u svojoj strukturi jedan dio na koji se može vezati supstrat. Taj dio molekule naziva se aktivno mjesto. Enzimi imaju specifično djelovanje, pa prostorni oblik aktivnog mjesta mora odgovarati specifičnom supstratu, kao što specifični ključ pristaje samo u odgovarajuću bravu.

Osnovna, gradivna jedinica živčanog sustava je živčana stanica, neuron. Živčana stanica je specijalizirana za primanje podražaja, obradu primljenih podražaja i prenošenje podražaja prema slijedećim stanicama. Kao što je već rečeno, živčane stanice kada su u ravnoteži imaju negativan membranski potencijal, budući da u unutarstaničnoj tekućini ima manje pozitivnog naboja nego li u izvanstaničnoj tekućini. Zbog toga je unutarstanična tekućina negativnija od izvanstanične tekućine. Primanjem podražaja dolazi do izmjene iona kroz staničnu membranu, pa membranski potencijal postaje pozitivan. Takva promjena naboja se prenosi duž aksiona, koji je nastavak živčane stanice i naziva se živčani impuls. Prolaskom živčanog impulsa, membranski potencijal stanice vraća se u prvobitno stanje. Dakle, natrij-kalijeva pumpa omogućava održavanje membranskog potencijala.

Na temelju izloženoga sadržaja i znanja iz biologije odgovorite na pitanja:

1. Što je pasivni, a što aktivni prijenos tvari u stanicu i izvan nje?
2. Kada se događa prijenos tvari niz, a kada protiv koncentracijskog gradijenta?
3. Kako “radi” natrij-kalijeva pumpa?
4. Uloga natrij-kalijeve pumpe u prenošenju podražaja?
5. Zašto je natrij-kalij pumpa najvažnija ionska crpka našeg organizma?
6. Razmislite što bi se dogodilo sa stanicom da nema natrij-kalijeve pumpe.

Više informacija možete pronaći na mrežnim stručnim stranicama. Svoje odgovore podijelite u dokumentu na Google Disku sa drugim učenicima u razredu. Bilješke usporedite s odgovorima drugih učenika, dopunite ih sa sadržajima koje ste istražili na stručnim mrežnim stranicama. Povežete i uopćite spoznaje. Sažetke prikažite u obliku digitalne prezentacije u nekom od alata koji su vam dostupni na CARNET-ovom e- Laboratoriju.