14/11/2014
A Sejtmembrán Szerkezete Nyugalmi Membránpotenciál A sejtmembrán szerkezete Nyugalmi membránpotenciál A Nernst egyenlet Donnan potenciál A Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet
2014.11.11.
Foszfolipidek A biológiai membránok fő komponense. foszfolipid = diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula (pl. kolin).
Poláros – fej (hidrofil)
Apoláros – farok (hidrofób)
⇒
„vízoldékony zsír”
Foszfatidil - kolin
1
14/11/2014
Irving Langmuir (1881-1957) Amerikai fizikai kémikus 1932 kémiai Nobel-díj
1917 – a zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén - poláros feji rész (hidrofil) – víz felé orientált - apoláros farki rész (hidrofób) – távol esik a vizes fázistól
Irving Langmuir, "The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids. II," Journal of the American Chemical Society 39 (1917): 1848-1906.
Kettős lipidréteg 1925 - Evert Gorter és F. Grendel • vörösvértestek összehasonlítása
felszínének
és
lipid
tartalmának
• Gorter E, Grendel F. On Bimolecular Layers of Lipoids on the Chromocytes of the Blood. J Exp Med. 1925 Mar 31;41(4):43943.
2
14/11/2014
Kettős lipidréteg a membrán kétszer annyi lipidet tartalmaz mint amennyi indokolt lenne → kettős lipidréteg
EC Poláros fejek intra- és extracelluláris irányba mutatnak
Farki részek azonos irányba rendeződnek
IC
3
14/11/2014
Gibbs-féle szabad energia [Joule]
G = H - TS Spontán folyamatok során a rendszer Gibbs féle szabad energiája csökken állandó hőmérséklet és nyomás esetén. A Gibbs féle szabad energia egyenlő a folyamatot kísérő maximális hasznos munkával.
Hidrofób kölcsönhatás • hidrofób = víztaszító; alacsony affinitás (oldékonyság) vízhez • Walter Kauzmann (Amerikai kémikus) – Apoláros molekulák poláros környezetben (oldószer) minimalizálják a kapcsolatukat a vízmolekulákkal. • 1 ”ketrec” kialakulása → 2 klaszter képződés • A hidrofób kölcsönhatás erejét befolyásoló tényezők – Hőmérséklet (T ↑ ⇒ erősség↑) – A szénatomok száma az apoláros régióban (Hossz ↑ ⇒ Erősség ↑) – A nem egyszeres kötések száma az apoláros régióban (pl. kettős-, hármaskötés,…) (alak) (nem egyszeres kötések száma ↑ ⇒ Erősség ↓)
4
14/11/2014
Termodinamikai változások H2O
Hidrofób molekula
H2O
+
Hidrofób molekula
”ketrec” kialakulása (nincs kapcsolat a hidrofób molekulák között) ∆H = kicsit pozitív ∆S = nagyon negatív ∆G = pozitív NEM SPONTÁN FOLYAMAT
H2O
→
Hidrofób molekula
H2O
Hidrofób molekula
Klaszter képződés (hidrofób kapcsolat kialakulása) ∆H = kicsit pozitív ∆S = nagyon pozitív ∆G = negatív SPONTÁN FOLYAMAT
„Folyékony Mozaik” modell • 1972 - S.J. Singer és Garth L. Nicolson „Folyékony Mozaik” modellje Foszfo-lipid kettősréteg Folyékony (folyadékszerű) – membrán komponensek oldalirányú szabad mozgása Mozaik – különböző makromolekulákból, mozaikszerűen összerakott szerkezet
http://www.molecularexpressions.com/cells/plasmamembrane/plasmamembrane.html Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 1972 Feb 18;175(23):720-31.
5
14/11/2014
Sejtmembrán szerkezete Laterális diffúzió
Foszfolipid molekula (~40-60%) Poláros fej (hidrofil) apoláros (hidrofób) farok
Flip-flop
~ 5 nm
rotáció
Fehérje molekula (~30-50%)
A membrán fehérjék feladatai • • • • • • •
Ion csatornák (pl. Na+/K+ ATPáz) Transzporterek (Aquaporin - H2O transzport) Szerkezeti elemek Intracelluláris kapcsolódások - citoszkeleton Extracelluláris kapcsolódások - szívizomsejtek Receptor (inzulin receptor) Jeltovábbítás (akciós potenciál)
6
14/11/2014
K+ csatorna (PDB: 1K4C) Filter regió
membrán kapu
Intracelluláris tér
K+ csatorna (PDB: 1K4C)
K+
O2
Na+ are too small to fit tightly in the "oxygen cage"
7
14/11/2014
Az intra- és extra-cellulári tér fő összetevői • Víz • Ionok – Kationok (K+, Na+, Ca2+) – Anionok (Cl-, H2PO4− és HPO42− ionok) • Fehérjék – Főleg intracellulárisan – Többnyire negatívak (pH! – izoelektromos pont)
Ionok koncentrációja béka izomsejt esetén
Na+ : 120 mM
Na+ : 20 mM
K+ : 2.5 mM
K+ : 139 mM
Cl - : 120 mM
Cl - : 3.8 mM
8
14/11/2014
Membrán potenciál 0V -100 mV > Uresting < -30 mV
A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V).
Mikroelektróda Microelectrode
Intracelluláris tér
Extracelluláris tér
A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők Kémiai potenciál: (Willard Gibbs - 1876) A kémiai potenciálja egy termodinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerben lévő alkotóelemek számát. Koncentráció grádiens → diffúzió: részecskék mozgása a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé → diffúziós potenciál. Elektromos potenciál: Az elektromos térben lévő töltött részecskére vonatkozó energiamennyiség. Az elektromos tér erőt fejt ki a töltött részecskére (ionok, fehérjék) → elektromos áram: töltött részecskék mozgása.
Elektro-kémiai potenciál
9
14/11/2014
Bernstein kálium hipotézise (1902) Julius Bernstein (1839 - 1917) - Német fiziológus 1./ A sejtmembrán szelektíven átjárható a kálium ionra nézve • • • •
Ca2+ érzékeny kálium csatorna befelé egyenirányító kálium csatorna feszültség-függő kálium csatorna Tandem ismétlődő, két pórusú kálium csatorna (K2p) (“Tandem pore domain potassium channel” – “leak channel”) ̶ Az ionok szivárgását először 1952-ben Hodgkin és Huxley vetette fel ̶ Első leírás: Ketchum, KA; Joiner, WJ; Sellers, AJ; Kaczmarek, LK; Goldstein, SA. (1995) A new family of outwardly rectifying potassium channel proteins with two pore domains in tandem. Nature, 376 (6542): 690-5.
2./ Az intracelluláris kálium cc. magas 3./ Az extracelluláris kálium cc. alacsony Bernstein,J.(1902).Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Strome. Pflugers Arch.ges. Physiol. 92, 521–562.
Bernstein kálium hipotézise
K+ : 100 mM
K+ : 5 mM
Cl- : 100 mM
Cl- : 5 mM
10
14/11/2014
Bernstein kálium hipotézise
A pozitív iont nagyobb mennyiségben tartalmazó oldal negatívvá válik!!
[K+]
[K+]
[Cl-]
[Cl-] K+ grádiens
Elektromos grádiens
Walther Hermann Nernst Német fiziko-kémikus (1864 – 1941)
Hogy lehet Bernstein hipotézisét kvantitatív úton megközelíteni?
11
14/11/2014
kémiai potenciál ⇒ Wchem = NRT ln
X1 X2
N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő „mólok” száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X1 / X2 = koncentráció grádiens
elektromos potenciál ⇒ Welektr = NzFE N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia F = Faraday szám E= elektromos térerő (V)
Egyensúlyi feltétel NzFE = NRT ln
X1 X2
zFE = RT ln
X1 X2
E=
RT X 1 ln zF X 2
12
14/11/2014
Egyensúlyi potenciál Nernst-egyenlet: Mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció grádienst (X1/X2). A befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak.
RT X 1 E= ln zF X 2
Nernst- egyenlet E=
RT zF
EmV =
ln
X1 X2
(C ) − 58 log in (Cout ) z
13
14/11/2014
Ionkoncenrációk béka izomsejt esetén Na+ : 120 mM
Na+ : 20 mM
K+ : 2.5 mM
K+ : 139 mM
Cl- : 120 mM
Cl- : 3.8 mM
[K+] ⇒ EmV = -58/1 log (139/2.5) = - 101.2 mV [Na+] ⇒ EmV = -58/1 log (20/120) = + 45.1 mV [Cl-] ⇒ EmV = -58/1 log (3.8/120) = + 86.9 mV
= 30.8 mV
EmV=-92mV
Mi történik, ha a sejtmembrán többféle iontípusra is átjárható?
14
14/11/2014
Frederick George Donnan (1870-1956; Ír kémikus)
Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Eltérő mozgékonyságú ionok (K+, Cl-) szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása → diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) → egyensúlyi koncentráció különbség
Donnan potenciál - egyensúly A (-)
B (+)
Cl- koncentráció grádiens
A
B
Cl- elektromos grádiens K+ elektromos grádiens
[K+] [Cl-]
[Pr -]
-
[K+]
K+ koncentráció grádiens
[Cl-]
+
15
14/11/2014
Donnan egyensúlyi szabálya • Diffúzibilis ionok: K+,ClRT [K in ] RT [Clout ] ln =E= ln zF [K out ] zF [Clin ]
[K in ] [Clout ] = [K out ] [Clin ]
[K in ][Clin ] = [K out ][Clout ] A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon!
Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül?
16
14/11/2014
Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet (Goldman egyenlet) David E. Goldman (USA) Alan Lloyd Hodgkin (England) Bernard Katz (England).
A sejtmembránon keresztüli potenciál meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes ionokat (PERMEABILITÁS!).
Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével:
[ ] + ∑ P [A ] [ ] + ∑ P [A ]
N + ∑i PM i+ M i Em = ln N F ∑i PM + M i+ i RT
M
out
j
A −j
M
in
j
A −j
− j in
− j out
•Em = membrán potenciál •Pion = az egyes ionokra vonatkozó permeabilitás •[ion]out = extracelluláris koncentráció •[ion]in = intracelluláris koncentráció •R = egyetemes gázállandó •T = abszolút hőmérséklet •F = Faraday állandó
- Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal.
17
14/11/2014
Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük.
Vége!
18
