Membrán
1./16
Somogyi Magdolna
A membrán transzportfolyamatai A membránon keresztüli anyagtranszport létrejöhet metabolikus energia felhasználása nélkül (passzív transzport) vagy metabolikus energia felhasználásával (aktív transzport) 1. Passzív transzport A. Passzív transzport integráns membránfehérje közreműködése nélkül 1. Diffúzió Valamely anyag (vagy ion) passzív áramlása az erre az anyagra vett nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb felé Különböző kémiai felépítésú anyagok diffúziójának sebessége, módja kis méretű, apoláris (hidrofób, zsíroldékony) anyagok a membránon keresztül gyorsan diffundálnak mivel ezek képesek ”alanyi jogon” átoldódni a lipid kettős rétegen kis méretű, poláris anyagok esetén (pl víz) a diffúzió integráns membránfehérjék nélkül lassú volna, a víz diffúziója azonban igen gyors (egyetlen vvt mp-enként 108 molekulát ad le és vesz fel) magyarázat: specifikus csatornák a víz számára = aquaporinok az aquaporin2-t az ADH szabályozza, a többi konstitutív módon szabályozódik
más kismolekulájú, vízoldékony anyagok diffúziós sebessége is nőhet csatornákon át való diffúzió útján alanyi jogon (segítség nélkül) mindkét csoport diffúziója lassú lenne nagymolekulájú, vízoldékony anyagok diffúziójához transzporterre van szükség az ionok elekt. töltésük révén nem képesek belépni az apoláris lipidfázisba a lipidkontinuum dielektrikum jelentős ellenállás csak az integráns fehérjék révén juthatnak be (pl. csatornákon át) hajtóereje a koncentráció gradiens enélkül nincs nettó diffúzió befolyásoló tényezői:
membrán jellemzői vastagság (I) felület (A) diffundáló anyag tulajdonságai zsíroldékonyság méret a membrán adott anyagra való permeábilitása (P=D/I) õ
õ
Membrán
2./16
Somogyi Magdolna
A folyamat Fick diffúziós törvényével írható le (beírni!) Eszerint a diffúzió sebessége (mol/idő)
egy konstans, a diffúziós állandó fügvénye egyenesen arányos Ccisz-Ctransz felülettel fordítottan arányos a membrán vastagságával a diffúziós állandó függ a diffundáló részecskék méretétől alakjától fiz-kém tul.
Membránok esetén a permeábilitási állandót(P)használjuk. [P]= távolság/idő értéke függ: membrán összetételétől permeáló molekula nagyságától alakjától megoszlási hányadosától polárisoké kisebb permeábilitási konstans: kvantitatív jellemző, mely segítségével különböző anyagok transzportját mesterséges és természetes membránokon át is össze tudjuk hasonlítani
2. Ozmózis Az oldószer „diffúziója” a kisebb koncentrációjú helyről a nagyobb felé ozmotikus nyomás az a nyomás, melyet a rendszerre ki kell fejteni ahhoz, hogy a víz áramlását megakadályozzuk kell ahhoz kifejteni, hogy a víz mozgását megakadályozzuk a vízáramlás térfogatváltozást eredményez (duzzadás vagy zsugorodás) az izoozmózis az egyik legfinomabban regulált homeosztatikus paraméter a plazma ozmotikus koncentrációja 290 mosm/liter koncentrációkülönbségek esetén ozmózis mindig kialakul hajtóereje a koncentrációgradiens
3. Oldószert követő áramlás (solvent drug) Az oldószer mozgása benne nem oldódó anyagokat ragad magával útja során
4. Filtráció (vese!) Nyomáskülönbségek okozta anyagtranszport a membránon keresztül a koncentráció, nyomás, és elektromos térerősség gradiense is mozgathat feltétele, hogy a válaszfal víz számára átjárható legyen a kisebb molekulájú anyagok a vízzel együtt átjutnak a membránon õ
õ
Membrán
3./16
Somogyi Magdolna
B . Passzív integráns membránfehérjén keresztül történő anyagmozgás 5. Facilitált diffúzió Passzív karrierek / transzporterek révén valósul meg Olyan integráns fehérjék, melyeknek a ligand kötődésével kiváltott konformációváltozása (minden egyes transzport során változik) a ligandot a sejtmembrán másik oldalára juttatja metabolikus energia felhasználása nélkül. jellemzőjük az átviteli szám (turnover number) Megadja, hogy másodpercenként hány átviteli ciklust képes katalizálni az adott karrier Csak a koncentrációgradiens irányában működik Így történik a vvt- glükózfelvétele Vérplazmából facilitált glükóztranszporter (GLUT-1) vagy glükózkarrier katalízisével Uniport: a glükóz önmagában mozog Mindkét irányban működhet (kísérletes körülmények között) Kinetikája eltér a diffúzió útján történő anyagmozgástól: míg a diffúziónál a transzportsebesség arányos Ccisz-Ctransz a facilitált diffúzió kinetikája telítési görbét mutat mivel adott hőmérsékleten adott a karriermolekulák által megköthető molekulaszám a transzport sebessége ez függ a transzportmolekulák számától turnover numbertől ez pedig a reverzibilis konformációváltozáshoz szüks. idő specifikus bizonyos kémiai szerkezetű anyagokra eredeti ligandjához hasonló szerk.-ű molekulát is szállíthat ezzel az eredeti transzport kompetitív gátolható a két molekula eltérő affinitása határozza meg, hogy melyik transzportja zajlik le (nagyobb százalékban) Mivel a vázizomsejtek GLUT4 molekulájának működéséhez inzulin szükséges, ennek hiányában a glükóz ide nem kerül be K0,5 v. Km érték: az a külső glükózkoncentráció, melynek jelenlétében a transzportsebesség éppen vmax érték felét éri el a transzporternek a szubsztrát iránti affinitását jelzi A passzív karrierek által közvetített anyagtranszportnak 3 lehetséges tipusa uniport: a transzporter (uniporter) egyetlen anyagot szállít antiport: a transzporter (antiporter) állandó arányban kicserél 2 anyag =kicserélő karrier szimport / kotranszport: a transzporter (kotranszporter) kötelező õ
õ
Membrán
4./16
Somogyi Magdolna
arányban, egyazon irányban szállít több anyagot
õ
õ
Membrán
5./16
Somogyi Magdolna
6. Csatornákon át történő anyagmozgás bizonyos integráns memránfehérjék által létrehozott passzív transzport általában specifikusak egy-egy anyag passzív transzportjára, pl aquaporinok a transzporttal összefüggésben nem mennek át konformációváltozáson a transzportsebesség nagyobb a konf.változáson áteső transzporterekénél nagy részükben a zárt és nyitott állapotok változnak csatornák megnyílása = a megnyílás nagyobb frekvenciájú vagy az egyes csatornák nyitott állapota tovább tart nagyobb valószínűségű, hogy a csatorna nyitva van Ioncsatornák: ionok specifikus mozgását biztosítják a sejtmembránon át excitábilis sejtekben (melyek ingerlésre akciós potenciál képzésével válaszolnak) hozzájárulnak az ionáramok kialakulásához nem excitábilis sejtekben más működésre szolgálnak pl. szekréció, felszívás hajtóereje az elektrokémiai gradiens Csoportosításuk: 1. szivárgó / background csatornák spontán oszcillálnak nyitott és zárt állapotok között vannak bizonyos szabályozó mechanizmusok, de nem hatékonyak leginkább jellemző a K+ csatornára 2. erősebb szabályozás alatt álló csatornák 1. feszültségfüggő csatornák Spontán oszcillációjuk egyensúlyi áll. feszfüggő 2. receptorhoz kapcsolt ioncsatornák ligandfüggő ioncsatornák csak ionotróp fajtájuk létezik a ligand kötődése a receptor konf.változását váltja ki melynek hatására a csatorna megnyílik pl. nikotinfüggő Ach egyik szakasza maga a receptor lehet extra v intracelluláris
G-protein-függő ioncsatornák a ligand kötődése G-protein-aktiválódást vált ki az aktivált G-fehérje közvetlenül reagál a csatorna ligandkötő helyével, kinyitva azt pl muszkarin tipusú Ach (metabotróp tipusa is létezik, de ez nem kapcs. ioncsatornákhoz!)
3. mechanoszenzitív ioncsatornák exc és nem exc sejtekben is membránt érő mechanikus deformáció aktiválja
õ
õ
Membrán
6./16
Somogyi Magdolna
4. modulált csatornák lehetnek feszültségfüggőek vagy kovalens modifikáció (pl foszforizáció) által módosítottak 5. egyes csatornák nyitó/záró mechanizmusa nem ismert, pl. bélhámsejteken szigorúan töltésszelektívek vagy kationokat vagy anionokat engednek át a töltésszelektivitáson kívül szelektivitásuk eltérő a szelektivitás azonban még a legszigorúbb esetben sem tökéletes jellegzetes ioncsatornák 1. excitábilis sejtek Na+ szelektív csatornái először vált ismertté szelektív Na+-ra gyakran feszültségfüggő . α, β1 és β2 alegységekből áll tetramer gátolható
tetradotoxinnal (TTX) Szaxitoxinnal (STX) Lidocain, procain átmenetileg,reverzibilisen hatnak Akciós potenciálok axonális vezetését gátolják
extracelluláris Ca2+ stabilizálják ezért hipocalcemia esetén növekszik a Na+ csatornák megnyílási esélye, a sejt ingerelhetőbb köv.: fokozott ideg-izom ingerlékenység, tetánia, halál Crustek tünet: n. facialis rostjait megütögetve izomrángás Trousseau-tünet: kéz őzfej-tartása
a nyugalmi potenciál értékén zártak,aktiválhatók az érkező küszöbinger – dep. – 2 hatással bír rájuk 1. nyílnak gyors aktiváció 2. később zárt és inaktív állapotba kerülnek feszültség és időfüggő a csatornák nyílása Na+ belépést eredményez depolarizáció membránpotenciál megfordul õ
õ
Membrán
7./16
Somogyi Magdolna
2. nem excitábilis sejtek Na+ csatornái pl hámsejtek Na+ csatornái pl. amilorid-szenzitív, epithelialis Na+ csatorna hormonálisan, aldoszteron által regulált nem feszültségfüggőek feladatuk a transzcelluláris iontranszport 3. Ca2+ szelektív csatornák excitábilis és nem excitábilis sejtekben is nyílásukkor Ca2+ áramlik a sejtbe excitábilis sejtekben ekkor a sejt depolarizálódik sejtplazma Ca2+ koncentrációja emelkedik sokféle következmény sokszor feszültségfüggőek nem minden sejt rendelkezik velük de ezekben részt vesz a depolarizációban pl. neuron, szívizom, simaizom Tipusaik:
T tipusú (tranziens) Ca2+ csatornák konduktanciájuk kicsi az átfolyó áram átmeneti I tipusú (L tipusú – lassú) Ca2+
csatornák konduktanciájuk nagy az áram hosszan tart dihidropiridinszármazékokkal szemben érzékenyek idegrendszer emléknyomtárolás N tipusú - neurális
4. K+ szelektív csatornák az excitábilis sejtekben ? megnyílásukkor a K+ kifelé áramlik depolarizált sejt esetén ez hozzájárul a depolarizációhoz lehetnek:
rektifikálóak Ca2+-al aktiváltak (rep) ATP érzékenyek szívizomban, néhány nem exc. sejtben feszültségfüggőek elsősorban a repolarizációban szerepelnek õ õ
Membrán
8./16
Somogyi Magdolna
1 doménből, több alegységből állnak több mint 40 tipus
õ
õ
Membrán
9./16
Somogyi Magdolna
működésük alapján: 1. szivárgó minden sejtben nyugalmi pot. fenntartása 2. késői a klasszikus repolarizáció tipikus csatornája gyorsabbá teszi a rep-t nem minden sejtben tetra-etil-ammóniummal (TEA) gátolhatók 3. gyors 4. befelé korrigáló az átmeneti hiperpolarizációt kompenzálva K+ beáramlást okoz 5. K+ szelektív csatornák nem excitábilis sejtekben nem feszültségfüggőek szerepük a K+ konc. szinten tartása sejttérfogat szinten tartása transcelluláris transzport 6. nem szelektív kationcsatornák az excitábilis sejtekben Na+-K+ csatornák nyitásukkor Na+ lép be (dep) K+ ki (rep) az eredmény mégis dep, mert a Na+-ra ható mozgatóerő a nagyobb idegsejtekben, neuromuscularis junkciókban Ca2+ csatornák nyitásukkor a sejt dep. sejtplazma Ca2+ koncentrációja növekszik következményei a depolarizációnál tartósabbak idegrendszer emléknyomtárolása 7. Cl- csatornák az excitábilis sejtekben csatorna nyitásának következménye az aktuális membránpotenciáltól függ hatása lehet depolarizáció, repolarizáció, stabilizáció 8. Cl- csatornák a nem excitábilis sejtekben szekréciós és felszívási folyamatok
õ
õ
Membrán
10./16
Somogyi Magdolna
Ioncsatornák vizsgálati technikái elektrofiziológiai (Patch-Clamp)módszerrel az ionáram mérésével patch= a membránnak az a kis felülete, melyhez a vizsgáló elektród tapad clamp= rögzítés, a feszültséget egy visszacsatolós erősítővel előre beállított értéken tartjuk miközben az áramintenzitást regisztráljuk akár egyetlen ioncsatorna árama is regisztrálható, követhető a regisztrálás menete: alkalmasan előkészített üvegkapilláris mikroelektród nyílását érintjük a membrán felszínéhez az érintkezés helyén végtelen ellenállású szigetelés keletkezik áram csak a mikroelektród nyílásával érintkező membránrészen át folyhat mérési módok: 1. egyetlen csatorna vizsgálata egyetlen v néhány ioncsatorna van az elektróda alatti membránfoltban beállított feszültség esetén csak akkor folyik át áram az elektródon, ha a csatorna nyitott állapotban van az áramintenzitása 10-12 A nagys. egy csatorna ismételt megnyílásakor az intenzitások azonosak több csatorna megnyílásakor az egyszeres érték x-szerese mérhető tehát a konduktancia mindent v semmit jellegű 2. egész sejt konfiguráció egy egész sejten vagy idegroston mért ionáramok intenzitása az adott pillanatban nyitott ioncsatornák számától függően változik elterjedt a konduktancia megadása ellenállás reciproka egysége Siemens (S) egyes csatornák ionkonduktanciája pS nagyságrendű õ õ
Membrán
11./16
Somogyi Magdolna
2. Aktív transzport Megkülönböztetünk primer és szekunder aktív transzportot. A primer aktív transzport
metabolikus energiát igényel közvetlen energiaforrása a sejtek ATP tartalma ATP hiányában gátlódnak a molekulák és ionok koncentrációgradiensükkel szemben mozognak a transzport iránya nem megfordítható a facilitált diffúzióhoz hasonlóan telíthetők, kompetitiív gátolhatók, specifikusak
primer aktív transzporterek (ATP-ázok): olyan integráns fehérjék, melyek ATP bontásból származó energia hatására reverzibilis konformációváltozást szenvednek, ligandjukat pedig az ellentétes oldalra juttatják. konformációs állapotaik: E1 és E2 ezért E1 -E2 pumpának is nevezzük őket működésük során az ATP ADP-re és anorganikus foszfátra bomlik jellemzőjük a turnover number megadja, hogy az adott pumpa időegység alatt hány transzportciklust képes katalizálni
Tipusaik:
1. P-tipusú Működésük:
Tipusaik:
1. az ATP foszforilálja a pumpát (enzimfehérjét) így foszfoenzim képződik 2. a foszfoenzim hidrolízist szenved Na+/k+ ATP-áz (plazmamembrán) Ca2+ ATP-áz (plazmamembrán) Ca2+ ATP-áz (SR és ER) H+-K+ ATP-áz (plazmamembrán,
2. V-tipusú (vacoularis) működésük során nem foszforilálódnak nem homológok a P-ATP-ázokkal egymás közt nagymértékű homológia tipusa: H+ ATP-áz intracelluláris vacuolumok vese intracranialis s. működés: organellum/granulum belsejének savanyítása előfordulás: lysosoma, szekréciós granulum õ õ
Membrán
12./16
Somogyi Magdolna
3. F-tipusú mitochrondrium belső membránjában ATP szintézis 4. ABC (ATP Binding Casette) transzporter supercsalád ATP-t kötő szekvenciarészletet tartalmaz több membránfehérje gyűjtője primer pumpái működnek közre a hepatocyták epeszekréciójában gyógyszereltávolítás szekunder pumpák is tartoznak ide!!!
Na+-K+ pumpa plazmamembránban fordul elő, minden sejt esetében α és β alegységből áll működéséhez mindkettő szükséges fiziológiai jelentősége: 1. sejttérfogat szabályozása 2. elektrogén hozzájárul a nyugalmi potenciálhoz „pumpapotenciál” kis nyugalmi membránpotenciálú sejtekben módosíthatja a működést (szív nodalis sejtjei, simaizomsejtek) szerepének kimutatása: szívglikozidokkal, pl oabainnal való gátlással közvetlenül a gátlószer alkalmazása után a membránpotenciál kissé depolarizálódik, majd lassú, folyamatos depolarizáció K-vesztés következtében mivel egy ciklusban 3 Na+ kiléptetése mellett csak 2 K+ ont hoz be 3. biztosítja a nyugalmi potenciál fenntartásához szükséges egyenőtlen ioneloszlást a szivárgási K+-veszteséget (Na+ konc. emelkedést) folyamatosan ellensúlyozza 4. energiát biztosít a szekunder aktív transzport számára 5.a sejt egyik fő energiafelhasználója működése során 3 Na+ jut a sejtből ki, 2 K+ kerül a sejtbe be õ
õ
Membrán
13./16
Somogyi Magdolna
Szabályozása akut hatások által másodperces-perces intervallumban hatnak 1. elektromos aktivitás hatás: szubsztráteffektus nő a Na+ extracelluláris a K+ intracelluláris koncentrációja hatóterület: izom, idegszövet 2. adrenalin hatás: nő a Na+ iránti aktivitás hatóterület: izomszövet 3. insulin hatás: új pumpa beépülése hatóterület: izomszövet 4. szív glikozidok (pl. Digitoxin, Oabain) hatás: gátlás cytoszolban emelkedik a Na+ konc. csökken a másodlagos aktív Ca2+ transzport cytoszolban emelkedik a Ca2+ konc erősebb szívizomösszehúzódás esetleg nem teljes regenráció fontos a pontos adagolás
Hosszabb időt igénylő hatások által 1. pajzsmirigy hormon hatóterület: izomszövet 2. aldoszteron hatóterület: vese 3. edzés hatóterület: izomszövet 4. stb… Hatásuk: újabb pumpa beépítése
õ
õ
Membrán
14./16
Somogyi Magdolna
Ca2+ ATP-áz plazmamembránban és intracelluláris membránokban fordul elő egyetlen polipeptidláncból áll plazmamembránban: funkciója: alacsony Ca2+ koncentráció fenntartása a Citoplazmában Ca2+ eltávolítása Ca2+ felszívás előfordulás: vvt-k, felszívó hámsejtek intracelluláris membránokban: funkciója: kiáramlott Ca2+ visszavétele előfordulás: SR, ER
H+ - K+ ATP-áz előfordulás: specializált sejtek plazmamembránja, gyomornyálkahártya fedősejtek vese intracranialis s. α és β alegységből áll működéséhez mind2 szükséges működés: 1 H+-t visz ki, egy K+-t hoz be
õ
õ
Membrán
15./16
Somogyi Magdolna
Szekunder aktív transzport Lépései: 1. Valamely aktív pumpa működése révén nagy gradiens alakul ki egy ion extra- és intracelluláris koncentrációja között 2. Ez az ion csatornáin keresztül grádiensének megfelelő irányba mozdul el az ez által felszabadult enegia 3. egy másik iont juttat grádiensével ellenkező irányba az aktív pumpa működése térben és időben elválasztott az utóbbi két lépéstől Na+ által hajtott másodlagos aktív transzporterek (Na+ mindig be) Na+-H+ antiporter előfordulás: általános Na+-Ca2+ antiporter előfordulás: ingerelhető szövetek működése létfontosságú H+ felhalmozódás esetén 1. enzimfolyamatok számára nem optimális a pH 2. öngyilkos kaszkádfolyamatok indulnak be Ca2+ felszabadulással ezt küszöbölheti így ki a sejt Na+-Alanin symporter előfordulás: általános
Egyéb másodlagos aktív transzporterek (Cl- által hajtottak) (az antiportert kivéve a Cl- befelé halad) Cl—HCO3 antiporter K-Cl- symporter Na/Cl symporter Na/K/2Cl- symporter
õ
õ
Membrán
16./16
Somogyi Magdolna
Membránáthelyezéssel járó transzportok nagyobb molekulák (makromolekulák) felvételére-leadására alkalmasak plazmamembrán átépítésének egyik módja intracelluláris transzport ATP-t igényel vezikulák révén játszódik le 50-400 nm átmérőjüek ATP felhasználásával fűződnek le az organellum v a sejt membránjáról Exocytosis = vesicularis szekrecio sejtplazma membránnal határolt organellumai beépülnek a membránba a beépülés helyén a plazmamembrán kibővül az organellum membránnl leadandó anyagok lehetnek: szintetikus folyamatok termékei membránnal borított organellumokban „címzés” leadás lépései:
1. plazmamembrán adott részéhez szállítódnak 2. várakoznak 3. jel az ürülésre: sejtplazma Ca2+ konc. gyors emelkedése 4. az organellum membránja fuzionál a plazmamembránnal 1, mindkét membrán specifikus fehérjéi fizikailag érintkeznek 2, Ca2+jel hatására +változik a konformációjuk 3, pórust képeznek (néhány nm) 4, ezen át a tartalom kiürül
a sejtplazma 1 pillanatra sem érintkezik az extracelluláris térrel a folyamat Ca2+ és energiafüggő Endocitózis aspecifikus – nem szükséges speciális receptor = pinocytózis: sejtszintű ivás az ECF folyamatos, nem specifikus felvétele felvesz még coated pitst (vas, hemoglobin, kobalamin, inzulin, koleszterin) kis méretű molekulák felvétele specifikus – receptor közvetítette endocitózis phagocytózis: 10milliárd vvt/nap pusztulását hozza nagyobb méretű anyagok felvétele az egymást követő exocitózisok és endocitózisok folyamán membránkörforgás jön létre – pszeudopódiumos mozgás eszköze Transcytózis: a makromolekulák változatlan formában kerülnek át a sejten az endocitózis exocitózis követi pl. zsírok felszívódása az epitheliumon õ õ
