Intracelluláris ion homeosztázis I.-II. Február 15, 2011
Ca2+-csatorna
Na+/Ca2+ cserélő
PLAZMA
EC ~2 mM
1 Ca2+
1 Ca2+
Ca2+-ATP-áz
3 Na+
MEMBRÁN 2 H+
ATP ADP
2+
Ca
IC ~100 nM
citoszol kötött Ca 2+ Na+/Ca2+ cserélő SERCA Ca2+-ATP-áz
CR CSQ
ATP ADP 2 Ca2+
2 Na+ H+/Ca2+ cserélő
1 Ca2+
2 H+
2+
Ca -release csatorna
1 Ca2+
Ca2+ Független Ca2+
SR/ER
citoszol szabad Ca
2+
szállító (csatorna)
A citoszol tulajdonságai:
[Ca2+]i
•a sejt Ca2+ tartalmának 15-20%-a •a Ca2+ nagy része kötött formában membránok membrán fehérjék dr.Vereb kísérlete troponin parvalbumin kalmodulin •A citoszolikus szabad [Ca2+]~100-200 nM •stimulusgyors és szabályozott [Ca2+] •A [Ca2+] nagysága és időbeli lefolyása az EC tér, az IC raktárak valamint a citoszol közötti kölcsönhatástól függ •[Ca2+] következménye: a sejtek működésének megváltozása (pl. osztódás, izom összehúzódás)
plazmamembrán Ca2+ influx: elektromos ÉS kémiai gradiens által biztosított Ca2+ -csatorna
Na+ /Ca2+ cserélő
PLAZMA
EC
1 Ca2+
1 Ca2+
Ca2+ -ATP-áz 2 H+
ATP
3 Na+
ADP
Ca2+
Ca2+
Ca2+
MEMBRÁN
IC Ca2+
nyugalmi membrán potenciál
Ca2+ feszültség kapuzott csatorna
Pl.: szívizom, idegsejt
Ca2+ ligand kapuzott csatorna
Pl.: P2z purinerg receptor
Ca2+ másodlagos hírviv kapuzott csatorna Pl.: IP3 és IP4 aktivált csatorna
plazmamembrán Ca2+ efflux: elektromos ÉS kémiai gradiens ellenében Ca2+ -csatorna
Na+ /Ca2+ cserélő
PLAZMA
3 Na+ Ca
EC
1 Ca2+
1 Ca2+
2+
•antiport, elektrogén •a negatív membránpotenciál és a Na+ gradiens energiáját használja •alacsony affinitás, transzport maximum 3-5 M Ca2+ mellett •nagy kapacitás, főleg szívizomban jelentős
Ca2+ -ATP-áz
MEMBRÁN 2 H+
ATP ADP
IC
•P típusú ATP-áz, elektroneutrális •nagy affinitás, normál [Ca2+] mellett már működik •kis kapacitás (viszonylag kevés számú transzporter sejtenként) •kalmodulin által szabályozott: [Ca2+] Ca2+-CAM Ca2+pumpa [Ca2+]
Kiegészítő ábra a transzporter affinitás és kapacitás értelmezéséhez nyugalmi Ca2+ koncentráció
nagy affinitás
100
1,000
10,000
kis affinitás
100,000
Citoszolikus szabad Ca2+ koncentráció (nM)
transzport sebesség
maximális transzport sebesség %
nagy kapacitás
kis kapacitás
nyugalmi Ca2+ koncentráció
100 1,000 10,000 Citoszolikus szabad Ca2+ koncentráció (nM)
digoxin hatásmechanizmusa:
1 Ca2+
3 Na+ Na+/K+ ATP-ase 2 K+
EC
Na+/Ca2+ exchange
ATP
IC
3 Na+ ADP
digoxin, ouabain 1 Ca2+
3 Na+ Na+/K+ ATP-ase 2 K+
EC
Na+/Ca2+ exchange
ATP
3 Na+ ADP
2+ ↑ Na → Ca ↑ +
IC
Ca2+ felvétel a szarkoplazmatikus/endoplazmatikus retikulum raktárakba
SERCA Ca2+-ATP-áz
CR CSQ
ATP ADP 2 Ca2+
Ca2+-release csatorna
SR/ER
•P-típusú ATP-áz •nagy affinitás (KM~400nM) •nagy kapacitás (SR membrán fehérjék 80%-a)
Ca2+
lumen: Ca2+ raktározó fehérjék CSQ: kalszekvesztrin (izom) CR: kalretikulin (minden sejt) 20-50 Ca2+/molekula Kd~ 1-4 mM össz [Ca2+]~ 10 mM szabad [Ca2+]~ mM
Az ER Ca2+ release csatornák közös tulajdonságai (RYR és IP3) 4 alegység (glikoprotein) N-terminális feji rész: ligand kötés (citoszol) C-terminális homológ rész: csatorna funkció
Ca2+mobilizáció f(x)
Ca2+ raktár
[Ca2+] függő Ca2+ mobilizáció: 0.14 0.12 0.1
0.08 0.06 0.04
+
0.02 0 -10
-8
-6
-4
150
-2
0
300
2
4
6
450
8
10
[Ca2+]ic, nM
Ca2+ felszabadulás a szarkoplazmatikus /endoplazmatikus retikulum raktárakból: A Depolarizáció
B
C
Depolarizáció vagy ligand DHP receptor Ca2+ csatorna
Ligand
Receptor
IP3
Rianodin receptor Ca2+
Rianodin receptor
vázizom
+
IP3 receptor Ca2+
Szarkoplazmatikus retikulum
-
+
Endoplazmatikus /SR retikulum
szívizom/ idegsejtek
Ca2+ Endoplazmatikus retikulum
minden sejt
A mitokondrium Ca2+ forgalmának jellemzői: • [Ca2+]m~200 M, ami jóval az egyensúlyi ~0.1 M alatt van •a független szállító (csatorna) és a Ca2+ cseremechanizmusok közötti dinamikus egyensúly szabályozza a [Ca2+]m-t. •nagy kapacitású raktár •szoros kapcsolat a [Ca2+]ic és a [Ca2+]m-között. [Ca2+]ic a mitokondrium közelében lévő raktár aktiválódása esetén ~M, ami elegendő a csatorna aktiválásához (10 M felett max. a [Ca2+] felvétele a mitokondriumba.
belső m. Na+/Ca2+ cserél
1 Ca2+
2 Na+ +
1 Ca2+
2+
H /Ca cserél 2 H+
180 mV Független Ca2+ szállító (csatorna)
200 M belső m.
A Ca2+ tüskék keletkezésének mechanizmusa IP3
Agonista
A: IP3 képződés, diffúzió és receptorhoz kötődés Ca2+ felszabadulás az IP3 keletkezéshez közeli raktárakból
+
IP3 - R
Ca2+
A ER pool B: Ca2+diffúzió, Ca2+ release kiváltása IP3-kötött IP3R-ból, a Ca2+ hullám terjedése
+ [Ca2+] nM 500
+
B
+
C: megszűnési fázis 1: Ca2+felvétele a raktárakba 2: Ca2+ eltávolítás a membránon keresztül, 3:Ca2+ felszabadulás gátlása
Ca2+
+
100 60 s
-
+
+
+ -
-
C
A Ca2+ tüskék keletkezésének mechanizmusa IP3 Agonista
+
IP3 - R
Ca2+
A ER pool
+
+
B
+
[Ca2+] nM 500
Ca2+
+
100 60 s
-
+
+
+ -
-
C
A [Ca2+]ic ritmikus oszcillációja: frekvencia kódolt információ vasopressin koncentráció 0.4 nM
0.6 nM
0.9 nM
600
[Ca2+] (nM) 400
200
10
20
30
40
id(perc)
50
60
70
A kalcium jel dekódolása I.: kalmodulin
•4 Ca2+ kötőhely •kooperativitás a kötőhelyek közt •Ca2+ telítettségtől függő konformáció •Ca2+ kötést követően kölcsönhatás a célfehérjékkel •CAM kinázok: Ser, Thr oldalláncok foszforilálása szűk specificitású: glikogén foszforiláz kináz, MLC kináz multifunkcionális CAM kináz: CAM II. kináz membránfehérjék (ioncsatorna) foszforilálása citoszkeleton-sejtalak szabályozása sejtmag-sejtosztódás szabályozása
CAM II kináz szabályozás: molekuláris memória, dekóder Ca2+ független állapot (50-80% aktív)
protein foszfatáz
inaktív inhibítor domén
Pi
P katalitikus domén Ca2+ +Ca2+ Ca2+/kalmodulin
kalmodulin ADP
ATP
P
teljesen aktív
aktív
Ca2+ függő sejtválaszok és a Ca2+ emelkedés mechanizmusa
sejt
stimulus
Ca2+ emelkedés mech.
sejt válasz
idegvégződés
akciós pot.
fesz. kapuzott Ca2+ csatorna
neurotranszmitter szekréció
limfocita
antigén
IP3 - kapuzott Ca2+ csatorna
DNS szintézis, sejtosztódás
pancreas b sejt
acetilkolin
IP3 - IP3 receptor-i.c. raktár
inzulin szekréció
májsejt
vasopressin
IP3 - IP3 receptor-i.c. raktár
glikogén lebontás
fibroblast
PDGF
IP3 - IP3 receptor-i.c. raktár
DNS szintézis, sejtosztódás
limfocita
antigén
IP3 - IP3 receptor-i.c. raktár
DNS szintézis, sejtosztódás
Az intracelluláris ozmolaritást meghatározó tényezők
intracelluláris tér: proteinek és azok ellenionjai probléma: DONNAN hatás (cic>cec) ozmózis
m
intracelluláris tér: metabolitok és azok ellenionjai
plazammembrán
M
H2O
extracelluláris tér: anorganikus ionok
ozmoreguláció=térfogat szabályozás aquaporin csatornák a membránban
térfogatszabályozás izotóniás közegben:
az ozmoreguláció pumpa-szivárgás modellje
M: makromolekula m: metabolit
-
+
- - -
+-
M
-+-
+
+
- +- - -
szivárgás
+ +-
+
-
- -+ + + - + - + - HO + +
2 + + 3 Na + + - -+ + + ++ + + + + P + m - + + + + + + 2 K+ + + + + M + m + +- - + + + + - --- + + + -++ - + + + + + + -- + + + -- - + - + + + + -
+
-
A sejttérfogat szabályozása hipotóniás közegben: kísérleti tapasztalat
vízfelvétel ?
normalizált sejttérfogat
? 1.6
PBS
50% PBS
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 10
20
idő (perc)
30
40
A sejttérfogat szabályozása hipotóniás közegben: K+ ionok szerepe
vízfelvétel ? K+ 50% PBS
CTLL (Vtest=+50 mV)
nincs kálium csatorna
200 ms
CTL kálum csatornával transzfektálva Vtest=+80 mV
1 nA
Vtest=+20 mV
térfogat (mikron3)
100 pA
PBS
200 ms
idő (perc)
térfogatszabályozás anizotóniás közegben:
a szabályozó térfogatcsökkenés (RVD) mechanizmusa limfocitákban Limfocita izotóniás közegben
Limfocita hipotóniás közegben: vízvfelvétel H2O
membrán feszülés kapuzott Cl- csatorna
Cl-
ClK+
H2O
RVD: K+ és Cl- efflux, vízvesztés, volumen csökkenés
K+
depolarizáció aktivált K+ csatorna
térfogatszabályozás anizotóniás közegben:
a szabályozó térfogatnövekedés (RVI) mechanizmusa limfocitákban Limfocita izotóniás közegben
H2O
Na+
H2O
CO 2
H+
Na+/H+ antiport
Na+H+ HCO3CO 2 CAH Cl-
Limfocita hipertóniás közegben: vízvesztés, zsugorodás
HCO3-
RVI: Na+ és Cl- influx, vízbeáramlás, volumen növekedés
Cl-
HCO3-/Cl- antiport
Na+ H+
Na+↑
Cl HCO3
Cl–↑
H++ HCO3 CO2+H2O
A sejttérfogat szabályozásának lehetőségei: Hipotóniás környezet Elsődleges reakció
ozmózisos vízmozgás sejttérfogat változás sejt duzzadás
Rövid távú szabályzás
Hipertóniás környezet
sejt zsugorodás
ionháztartás gyors módosításasejttérfogat visszanyerése RVD, ionok vesztése
RVI, sejt duzzanat
Metabolikus szabályzás metabolitok koncentrációjának sejttérfogat fenntartása változása anabolikus folyamatok monomer polimer
katabolikus folyamatok polimer monomer
szerves anyagok vesztése membrán transzporttal: Taurin transzport
szerves anyagok akkumulációja membrán transzporttal: Taurin transzport
A citoszolikus pH szabályozása: kísérleti tapasztalat
NH3/NH4+
pHi
NH3 a sejtekbe bejutva protont vesz fel NH3NH4+, ami bázikussá teszi a pH-t
7.4
A sejtek H+-t akkumulálnak a pH fenntartására
7.0
Az NH3/NH4+ oldat eltávolítását követően a a citoszolban NH4+NH3 átalakulás és NH3 sejtekből történő kijutása, citoszolikus H+ felesleg
6.6 6.2 5.8 0
5
idő (perc)
10
maximális transzportsebesség %-a
A citoszolikus pH szabályozásának elve: egyensúlyi (steady-state) pH
sav leadás
bázis leadás
A savas
pH
lúgos
maximális transzportsebesség %-a
Az egyensúlyi (steady-state) pH változásának magyarázata
sav leadás
bázis leadás D 1
2 2’
C
1’
2’ 1’
B
A savas
pH
lúgos
Az egyensúlyi (steady-state) pH fenntartását biztosító legfontosabb transzporterek I.
maximális transzportsebesség %-a
100
50
Cl/HCO3 antiport
Na+/H+ antiport Na+
H+
Cl
6.8 7.2 intarcelluláris pH
HCO3
7.6
HCO3
H+
H+ Cl
1
2
3
Cl
Na+
intracelluláris tér
extracelluláris tér
Az egyensúlyi (steady-state) pH fenntartását biztosító legfontosabb transzporterek II.
Na+ HCO3
