BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

BIOFIZIKA 2012 – 10 – 15 Membránpotenciál és transzport Liliom Károly MTA TTK Enzimológiai Intézet [email protected]

A biofizika előadások temaMkája •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  • 

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

09-‐03 Biofizika: fizikai szemlélet, modellalkotás, biometria 09-‐10 SZÜNET 09-‐17 Az érzékelés biofizikája 09-‐24 Mikrostruktúrák 10-‐01 Zárthelyi dolgozat 1 10-‐08 Sejtmembránok, lipid-‐fehérje kölcsönhatások 10-‐15 Membránpotenciál, transzport biológiai membránokban 10-‐27 szombat Interaktom, szabályozási rendszerek, rendszerbiológia 10-‐29 Zárthelyi dolgozat 2 11-‐05 Metodika-‐1: Morfológia, lokalizáció, kölcsönhatás (mikroszkópia) 11-‐12 Metodika-‐2: Szerkezetmeghatározás (krisztallográfia, NMR, CD) 11-‐19 Metodika-‐3: Kölcsönhatás és szerkezet jellemzése: spektroszkópia 11-‐26 Metodika-‐4: Kölcsönhatások valósidejű követése: SPR, QCM 12-‐03 Zárthelyi dolgozat 3 Pótzárthelyi -‐ 2012. 12. 11. 10h-‐12h

Biofizika, 2012, Liliom Károly

2


3

Transzport biológiai membránokban A különböző membrán vezikulumok képződése és egymásba alakulása nem csak az organellumok regenerálását, hanem anyagtranszportot is jelent: -‐ Anyagfelvétel: endocitózis, pinocitózis, fagocitózis -‐ Anyagleadás: exocitózis, szekréció vezikulák

Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül: -‐a szállítás mechanizmusa szerint lehet szállító molekula nélküli (egyszerű diffúzióval vagy csatorna-‐fehérjén át), illetve szállító molekulával segítek -‐a transzport energiaigénye szerint lehet passzív vagy aklv Biofizika, 2012, Liliom Károly

4

Transzport biológiai membránokban -‐Az anyag kizárólag a koncentrációgrádiensnek megfelelően mozog, a transzport sebessége függ a hőmérséklekől, a molekula méretétől, polaritásától (gázok, szteroidok, + alkohol, víz);

-‐Aklv transzporterek: a közvetlenül ATP-‐függő pumpa-‐fehérjék mellek a ko-‐transzporterek (anMporterek és szimporterek) is aklv transzporterek, hiszen működésükhöz az energiát az ATP-‐függő pumpák által létrehozok koncentráció-‐grádiensből meríMk = másodlagos aklv transzporterek.


5

Diffúzió – passzív transzport Anyagáram-‐erősség = IV = ∆n/∆t Anyagáram-‐sűrűség = J = IV/∆A = ∆n/∆A∆t

Fick I. tv.: J = –D ∆c/∆x tehát az anyagáram-‐sűrűség egyenesen arányos a koncentrációgradienssel, D a diffúziós együkható, ami az anyag “diffúziós képességének” mértéke. Tipikus D-‐értékek:

Laterális diffúzió a membránban: lipidekre 10–8 – 10–12 m2/s, fehérjékre 10–13 – 10–17 m2/s Biofizika, 2012, Liliom Károly

6

Diffúzió – passzív transzport P, m/s Fick I. tv.: J = –D ∆c/∆x = –Dm (ckm-‐cbm)/dm = –Pm∆cm = –Pm ß ∆c = –P ∆c

ß=cm(0)/cb =cm(dm)/ck

P a permeabilitási együkható és ß a parlciós együkható Na+ ionokra P = 10-‐12 m/s = 10-‐3 nm/s, tehát a 6 nm vastag membránt majdnem két óra alak küzdik le – a lipidmembrán ionokra alig, nagyobb töltök molekulákra prakMkusan nem átjárható ! Biofizika, 2012, Liliom Károly

7

Facilitált diffúzió A + B ⇌ AB ➝ BT ahol A a karrier fehérje, B a transzportálódó molekula

B

A

v = dBT/dt = k2AB, ahol BT a transzportált molekula stacionárius állapotban dAB/dt= k1A∗B – k-‐1AB – k2AB = 0 és az anyagmegmaradási egyenlet szerint A + AB = A0 vmax innen AB = A0∗B/(B+(k-‐1 + k2)/k1) = A0∗B/(KM + B)

facilitált

v = k2AB = k2A0∗B/(KM + B) = vmaxB/(KM + B) vmax 2 v

vagyis a facilitált diffúzió “intenzívebb” az egyszerű diffúziónál és Michalis-‐Menten kineMkát követ, jellemzője még, hogy szeleklv és gátolható.

passzív

Tipikus karrier-‐fehérjék a “GLUT” glükóz transzporterek Biofizika, 2012, Liliom Károly

KM

[B]

8

ioncsatornák és ionofórok Ionofórok = gyakran anMbioMkumok, pórust képeznek a membránban… calcimycin, valinomycin, colicin

monensin

calcimycin

valinomycin + K+ Biofizika, 2012, Liliom Károly

9

ioncsatornák és ionofórok Ionszeleklv csatornák Csatorna – transzporter összehasonlítás: – a csatorna a gradiens irányában enged át és sokkal gyorsabb (106 ion/sec) – a csatornák nem telíthetők – nyitásuk/zárásuk ligand vagy feszültség (membránpotenciál) függő . Strpeptomyces lividans K+ csatorna

A nikoMnos aceMlkolin receptor működése Biofizika, 2012, Liliom Károly

10

Passzív vs aklv transzport c02

P1 > P2 > P3

c0

P3

I/P

P2 P1 t

c01

t

Legyen a koncentráció a sejten belül c0, kívül 0, ekkor Fick I. tv. következtében:

Az előző sejt “I” erősséggel vegye is fel az anyagot a passzív transzport mellek:

dc = –P c0 dt

dc = (I –P c0) dt

c = c0 exp(-‐Pt)

c =I/P + c0 exp(-‐Pt) Aklv transzport nélkül nincs homeosztázis… Biofizika, 2012, Liliom Károly

11

A membránpotenciál kialakulása

• egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K+ és alacsony Na+ koncentráció van, • folyamatosan működő K-‐Na ionpumpa: a Na+ ionokat kifelé, a K+ ionokat befelé szállítja • szeleklv membránpermeabilitás: a sejtmembrán K+ ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na+ ionokra • a sejt besejében negalv töltéső, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak. Biofizika, 2012, Liliom Károly

12

Donnan-‐egyensúly ha I és II oldal közök nincs elektromos potenciál-‐különbség, az ionok koncentrációja kiegyenlítődik

ha I-‐be nem diffundáló, negalv töltésű makromolekula (A-‐) kerül, a K+ és Cl-‐ ionok aránya megváltozik: a K+ koncentrációja megnő az I oldalon

Adok ion elektrokémiai potenciálja: µ = µo + R*T*ln c + z*F*E Biofizika, 2012, Liliom Károly

F = Faraday-‐állandó, 1 mol elektron töltése F = e x NA = 96485 Coulomb 13


14


15


16

Na-‐K pumpa nélkül nincs membránpotenciál

-‐szivárgáskompenzáció -‐pumpapotenciál -‐ozmoMkus kompenzáció (3:2)

Pihenéskor a Na-‐K pumpa folyamatos működése adja az összes ATP fogyasztás 25%-‐át! Biofizika, 2012, Liliom Károly

17

Feszültségzár (voltage-‐clamp) technika

A feszültségmérő belső ellenállása igen nagy (giga-‐Ohm, hogy ne változtassa meg az áramot), vezérli az áraminjektáló egységet, hogy a referenciafeszültségtől való eltéréssel arányos áramot pumpáljon a sejtbe = a membránpotenciált a referencia-‐ feszültségen tartja = a membránon át folyó ionáramok közvetlenül mérhetők. Biofizika, 2012, Liliom Károly

18


19


20

Mennyi iont kell mozgatni?


21


22


23


24


25


26


27

Akciós potenciál terjedése


28

Aklv transzporterek


29


30

Az F lpusú transzport ATP-‐ázok reverzibilisen működnek


31

folytatása következik… Biofizika, 2012, Liliom Károly

32

BIOFIZIKA. Membránpotenciál és transzport. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

Recommend Documents