MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
Membránový transport Soubor procesů umožňujících látkám různého typu překonat barieru biologické membrány.
• Buněčné membrány jsou polopropustné (semipermeabilní) • Volný přístup přes fosfolipidovou dvouvrstvu má v podstatě voda a jen některé jiné nepolární a malé molekuly. • Přenos přes lipidovou dvojvrstvu je zajištěn tzv. membránovými transportními proteiny (pumpami, přenašeči a kanály). • Jsou různým stupněm specializovány pro transport specifických molekul.
Propustnost lipidové dvojvrstvy Velikost molekul: Malé molekuly jako voda, kyslík, kysličník uhličitý mohou volně procházet přes membrány, na rozdíl od většiny větších molekul Rozpustnost v tucích: Látky rozpustné v tucích (nepolární, hydrofóbní)procházejí přes membrány snadno–glycerol, mastné kyseliny Náboj: Fosfolipidová dvojvrstva je pro veškeré nabité částice (ionty) nepropustná.
malé hydrofobní molekuly
O2 CO2 N2 benzen
malé nenabité polární molekuly
H2O glycerol ethanol
větší nenabité polární molekuly
Aminokyseliny Glukosa Nukleotidy
Ionty
H+,Na+ HCO3-,K+ Ca2+, ClMg2+ dvojná vrstva lipidů
Typy transportů Klasifikace z hlediska fyzikálního 1. Transport přímo přes membránu •
Difůze
•
Osmóza
2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových proteinů •
Kanály
•
Přenašeče
3. Transport prostřednictvím membránových váčků
•
Endocytóza
•
Exocytóza
Typy transportů
Klasifikace typů transportů Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport • Osmosa • Prostá difůze (látky rozpustné v lipidech, malé neutrální molekuly) • Usnadněná difůze (transport polárních látek, např. glukosa)
Klasifikace typů transportů Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Aktivní transport • Primární aktivní transport Nutný přísun ATP Proti elektrochemickému potenciálu, př. Na+-K+ pumpa a) Uniport b) Spřažený transport o Symport o Antiport • Sekundární aktivní transport (spřažený transport) Sám o sobě pasivní, spřažen s jiným systémem spotřebovávajícím energii př. symport glukoza/Na+ (Na+-K+ ATPasa) , antiport Na+/K+
Klasifikace typů transportů 2. Aktivní transport •
Transport prostřednictvím membránových váčků
Endocytóza o Transport větších molekul (proteiny, cholesterol) do buňky
o Vchlípení membrány dovnitř a její následné zaškrcení (vezikuly) a) Fagocytóza b) Pinocytóza
Exocytóza
o Transport větších molekul (hormony) z buňky prostřednictvím váčků (vezikulů)
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Pasivní transport – difůze = pohyb molekul z místa vyšší koncentrace do místa nižší koncentrace • Látky rozpustné v lipidech (malé neutální molekuly - O2, CO2, H2O) • Volný prostor lipidovou membránou • Koncentrační spád (gradient) - rozdíl mezi koncentracemi obou složek • Molekuly obou složek se mísí dokud nenastane rovnováha • Samovolný proces – nevyžaduje přísun energie z jiného zdroje
Pasivní transport – difůze Rychlost difůze • je přímo úměrná teplotě (při vyšší teplotě je difůze rychlejší) • je nepřímo úměrná velikosti molekul (větší molekuly difundují pomaleji) • je nepřímo úměrná tloušťce membrány • je přímo úměrná ploše membrány • závisí na rozpustnosti molekul v membránových lipidech
Pasivní transport - osmóza Osmóza • je specifickým příkladem difuze • je typ pasivního transportu, při kterém přestupuje rozpouštědlo (nejčastěji voda) přes polopropustnou membránu z prostoru s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více koncentrovaným roztokem.
Pasivní transport - osmóza Semipermeabilní membrána je propustná pro vodu ale ne pro rozpuštěnou látku.
Osmoza
Klasifikace transportních proteinů Klasifikace • enzymů (6 tříd, označení EC) • tranportních proteinů (9 tříd označení TC – Transport Classication) 1. Číslo – označuje třídu transportních proteinů 2. Písmeno – podtřída Obě číslo (1 a 2) se vztahují k mechanismu translokace nebo zdroji energie 3. Číslo označuje rodinu transportního proteinu 4. Číslo podrodinu Obě čísla (3 a 4) jsou dány primární strukturou proteinu 5. Číslo konkrétního proteinu
Typy transportních proteinů 1. Póry a kanály
1.A a-helikální kanály – ve všech buňkách, pohyb ve směru koncentračního, potenciálového spádu (př. 1.A.4.3.1 čichový, mechanicky regulovaný kanál pro Ca2+ ), a-šroubovice 1B b-hřebenové poriny – na energii nezávislý průchod, Skládaný list , tvorba b-soudků
1C Toxiny tvořící póry – peptidy, proteiny produkované jednou buňkou a pronikající do jiné buňky kde způsobují perforaci 1D Kanály syntetizované mimo ribosomy – řetězce L- a Daminokyselin a z laktátu a β-hydroxybutyrátu
Typy transportních proteinů 2. Transportéry poháněné elektrochemickým potenciálem • Systémy na bázi uniportu, symportu a antiportu bez využití energie chemické vazby. 3. Primární aktivní transportéry • Přenašeče poháněné hydrolýzou vazeb P-P • Transportní systémy těžící z volné energie disfosfátové vazby – • Transport látek proti jejich koncentračnímu nebo elektrochemickému spádu. • Některé proteiny jsou během transportního cyklu přechodně fosforylovány • Tyto přenašeče se vyskytují ve všech doménách organismů. • Transportéry poháněné dekarboxylací • Málo početné prokaryotní systémy využívající volnou energii dekarboxylace oxokyselin k transportu Na+.
Typy transportních proteinů • Transportéry poháněné přenosem methylové skupiny • Je známa jediná rodina takových přenašečů, a to z archebakterií. • Transportéry poháněné oxidoredukcí
• Systémy, kde zdrojem energie pro transport je oxidace redukovaného substrátu zprostředkovaná tokem elektronů. • Vyskytují se ve všech doménách organismů. • Světlem poháněné transportéry • Tato podtřída zahrnuje jedinou rodinu archebakterilních proteinů. • Homologní proteiny obsahující retinal se však vyskytují u plísní, kde mohou fungovat jako proteiny teplotního šoku, popřípadě jako molekulové chaperony.
Typy transportních proteinů 4. Skupinové translokátory • Fosfotransferasové systémy
• V této podtřídě jsou zahrnuty systémy, které katalyzují vektoriální enzymové reakce, kdy substrát je na startovní straně membrány a produkt, odlišný od substrátu, na cílové straně membrány.
5. Transmembránové přenašeče elektronů • Nově objevená skupina několika proteinů, které přenášejí elektrony pro udržení cysteinových zbytků v redukované formě, popřípadě fungují v součinnosti s oxidasami tvořícími superoxidy. • Dvouelektronové transportéry Jednoelektronové transportéry
Typy transportních proteinů Skupiny 6 a 7 prozatím nepoužité 8. Přídatné faktory v transportních pochodech • Pomocné transportní proteiny • Zahrnuje proteiny usnadňující transport přes biomembrány bez přímé účasti na transportu. • Jedná se o tvorbu membránového komplexu, o pomoc při využití energie, nebo regulaci transportu. 9. Neúplně charakterizované transportní systémy
• Transportéry s nejistou klasifikací • Systémy, jejichž specifita je známa, ale není známo jejich zařazení podle mechanismu transportu, resp. spřažení se zdrojem energie.
SCHEMA PROSTÉ A USNADNĚNÉ DIFŮZE Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou membránu je zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových transportních proteinů: kanálky a mobilními přenašeči
Kanály a přenašeče Kanály – prostá difůze • Spojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky • Transportují malé molekuly, především ioty a vodu • Transport probíhá velmi rychle Přenašeče – usnadněná difůze, aktivní transport • Nespojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky • Vyskytují se ve dvou konformacích - jsou otevřeny buď ven z buňky nebo dovnitř buňky • Transportují větší molekuly (glukóza, nukleotidy) • Transport je pomalejší, ale vysoce selektivní
Dvě třídy transportportních proteinů
Konformační změna “přenese” molekulu přes membránu.
Vodní pór umožňuje průchod molekul přes membránu.
Koncentrace iontů uvnitř a vně buňky se mohou lišit
Kanálky Otevřené kanály • Umožňují volný pohyb iontů oběma směry. • Nazývají se póry.
• Akvaporiny - otevřené kanály pro transport vody. Vrátkové kanály • Součástí kanálu jsou tzv. vrátka – speciální proteinová oblast, která uzavírá vstup do kanálu. • Otvírání vrátek je vyvoláno specifickými podněty a tím je regulován pohyb částic kanálem.
Kanálky Otevřené kanály Akvaporiny –
• hydrofilní pory propouštějící vodu • Intenzivní výskyt v erytrocytech a v ledvinách
Řízené iontové (vrátkové) kanály
Otevírání vrátek je regulováno • Elektrickým signálem (napětím). • Vazbou chemického mediátoru (intracelulárně nebo extracelulárně) • Fyzikálními vlivy (teplota, tlak)
Kanálky • Kanálky - membránové proteiny • Transport určitého typu molekul • po směru koncentračního gradientu • po směru elektrochemického potenciálu • Nevyžaduje pro svou práci ATP • Většina kanálů jsou tzv. iontové kanály
o Transportují výhradně anorganické ionty, především Na+, K+, Cl-a Ca2+. o Na zlomky sekund se otvírají a umožní tak transport iontů, pro které je jinak membrána nepropustná
Kanálky o Kanálem mohou být transportovány pouze ionty, pro které je daný kanál specifický. o Selektivita závisí na průměru, tvaru a typu aminokyselin ve vnitřní části kanálu
o Selektivita – např. kanálky pro K+ propustí na 10000 iontů K+ pouze 1 Na+ o Struktura – symetrická prstenčitá, 4-6 tvarově podobných domén, každá 2-6 a-helixů
Úloha K+ při tvorbě membránového potenciálu Jak může K+ kanál rozlišit mezi K+ and Na+ když oba mají stejný náboj a Na+ je menší K+? Odpověď: • Při průchodu iontu přes selekční filtr, se iont musí zbavit vodního obalu. • Molekuly kyslíku z karboxylových skupin mají částečný záporný náboj a mohou nahradit molekuly vody u K+, ale Na+ je příliš malý. • Tudíž Na+ zůstává přednostně asociován s vodou a hydratovaný iont je příliš veliký pro průchod selekčním filtrem.
Potenciálem řízené iontové kanál
• Změna propustnosti membrány pro ionty v důsledku změny konformace molekuly proteinu
• Silný negativní náboj na vnitřní straně buněčné membrány vede k uzavření kanálu. • Když negativní náboj začíná klesat na vnitřní straně membrány dojde k otevření iontového kanálu.
Potenciálem řízené iontové kanál • Na+ kanál – 3 stavový (klidový → aktivovaný → inaktivovaný)
• K+ kanál
– 2 stavový (klidový → aktivovaný)
• Ca2+ kanál – 3 typy : L (v srdeční a kosterní svalovině a umožňuje svalový stah), N (v srdci, na sympatických neuronech a na synaptických knoflících CNS, podílí se na vylučování neurotransmiterů ), T (podílí na excitaci neuronů) Vápníkové ionty, které po otevření buněčných kanálů začnou téci z cytosolu do buňky, nebo např. ven z mitochondrie (po koncentračním spádu), mohou mít v buňce důležitou signální funkci (a často pracují jako tzv. druzí poslové).
složen z mnoha podjednotek, na mnohé z nich je přitom možné zacílit různé blokátory s léčebnými účinky
Potenciálem řízené iontové kanál Napěťově ovládané Na+ iontové kanály jsou klíčové pro vznik a šíření akčního potenciálu.
Úloha K+ při tvobě membránového potenciálu
Chemicky řízené iontové kanálky
• Otevírání a uzavírání je dáno vazbou ligandu, zde acetylcholinem
Chemicky regulované kanály - neurotransmitery Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší nervové impulsy na chemických synapsích
Příklady chemicky řízených kanálů 1. Kanály řízené acetylcholinem - kationtový kanál, váže se na postsynaptické membráně nikotinové synapse 2. Kanály řízené excitačními aminokyselinami - L-glutamová a L-asparagová kyselina
3. Kanály řízené G-proteiny • Nepřímý účinek přes druhé posly (cAMP, cGMP) • Přímý účinek - působení na vápenaté, sodné a draselné kanálky
4. Chloridové kanály - inhibici chloridového kanálu způsobují dvě aminokyseliny. Kyselina γ-aminomáselná (GABA) a glycin. 5. IP3 řízené kanály - otevření Ca2+ kanálů
Pasivní transport – usnadněná difůze
• Přenašečové proteiny • Transport větších molekul • Transport po koncentrační gradientu
Podstata usnadnění difůze
Analogie s aktivační energií u chemických reakcí a jejím snížením působením enzymů
Kinetika transportu – usnadněná difůze Enzym • Vazebná místa pro substrát • Chemicky modifikuje substrát • Rychlost reakce je saturována při vysoké koncentraci substrátu
Přenašečový protein • Vazebná místa pro transportované molekuly • Transportuje molekuly • Rychlost transportu je saturována při vysoké koncentraci přenášené látky
Kinetika transportu – usnadněná difůze Obdoba kinetiky enzymů u zprostředkovaného transportu
Transport glukosy – usnadněná difůze zprostředkovaná mobilním přenašečem – specificita
Aktivní transport
Aktivní transport - energie dodávána zvenčí • primární - spřaženou chemickou reakcí (ATPasa, oxidoredukce) • sekundární - spřaženým exergonickým transportem jiné látky
Aktivní transport Transportní ATPasa – „iontová pumpa“ • Ca2+ ATPasa • Čerpá Ca2+ uvolněné při vyvolání kontrakce z cytoplazmy do sarkoplazmatického retikula
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa)
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa) • Transmembránový protein pracující jako buněčná pumpa. • Spotřebovává ATP, načež několikrát mění svou konformaci • Přesouvá ionty sodíku a draslíku přes buněčnou membránu, a to proti koncentračnímu gradientu • Sodík je tedy transportován ven z buňky, draslík je naopak pumpován dovnitř.
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa) Funkce • Udržování intracelulárně K+ (↑), Na+ (↓) extracelulárně K+ (↓), Na+ (↑)
• Udržování klidového a akčního potenciálu • Důležitá pro transport glukozy a aminokyselin (hnací síla)
• Inhibice srdečními glykosidy (digoxin, ouabain) • Kontraktilita srdce – blokování sodno-draselné pumpy – silnější kontrakce
Sodno-draselná pumpa
• Kotransport - přenáší zároveň dvě substance. • Za každé dva ionty draslíku přesunuté dovnitř buňky přenese tři ionty sodíku. • V důsledku toho se mimochodem vytváří v buňce záporný potenciál a považuje se tedy za elektrogenní
Sodno-draselná pumpa • Pracuje v určitém cyklu, trvajícím asi 10 milisekund. 1. Po vazbě tři iontů sodíku na vnitřní straně membrány se aktivuje ATPasová činnost enzymu, dojde k fosforylaci pumpy za spotřeby ATP. 2. Následně celá molekula změní konformaci a uvolní sodík ven z buňky na opačné straně membrány. 3. Tím se také uvolní místo pro ionty draslíku, přítomné v extracelulární tekutině. 4. Dva draselné ionty se navážou na sodno-draselnou pumpu, načež se sodno-draselná pumpa defosforyluje (odebere se fosfát z dříve navázaného ATP). 5. Po této defosforylaci se opět změní prostorové uspořádání molekuly, draslík je uvolněn do vnitřního prostoru buňky, čímž je umožněno navázat se třem iontům sodíku a celý cyklus se dostává na začátek.
Model čerpacího cyklu sodno-draselné pumpy
Model čerpacího cyklu sodno-draselné pumpy Klidový membránový potenciál eukaryotických buněk je výsledkem koordinované činnosti přenašečových proteinů a iontových kanálů. 1. Sodno-draselná pumpa koncentruje K+ uvnitř buňky a Na+ vně buňky (aktivní transport). 2. K+ výtokové kanály umožňují K+ difundovat ven z buňky po svém koncentračním gradientu (pasivní transport). 3. Negativní náboj zanechaný v cytoplasmě však brání odtoku K+, takže pouze velmi malé množství (1/100,000) K+ se dostane ven z buňky. 4. Odtok malého množství K+ je dostatečný k vytvoření membránového potenciálu (-70 mV) – positivní vně a negativní uvnitř.
Uniport-symport-antiport
Symport – pohon aktivního transportu druhé molekuly Na+ gradient vytvořený Na+/K+ ATPasou pohání transport glukózy do buňky pomocí Na+ -poháněného glukózového symporteru.
• Energeticky příznivý pohyb Na+ po svém elektrochemickém gradientu je spřažen s energeticky nepříznivým transportem glukózy proti svému koncentračnímu gradientu. Na+ a glukosa se dobře vážou na přenašeč jen pokud jsou spolu
• Přenos glukosy a Na+ do buňky
Na+-glukosový symport
Na+-glukosový symport
• Využití gradientu iontů pro sekundární transport • Sodno draselná pumpa a symport Na-glukosa
Na+-glukosový symport AKTIVNÍ TRANSPORT - PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ
Na+/K+-ATPasa a přenašeč glukozy symportem s Na+
Přenos glukosy přes střevní epitel • Aktivní transport– glukosový symport poháněný Na+ (glukosa do buňky) • Pasivní transport – uniport (glukosa z buňky)
Přenos glukosy přes střevní epitel
Transport HCl do žaludku
Transport HCl do žaludku
Mitochondriální transport • Výměna ATP-ADP
Mitochondriální transport - přenos citrátu
Oxidoredukční člunky • Problém oxidace cytosolického NADH • Glycerolfosfátový člunek • Ztráta (FADH2 místo NADH) – rychlost • Létací svaly hmyzu
Oxidoredukční člunky Malát-aspartátový člunek
Rostlinná vs. živočišná buňka
Transport přes membránu
Transport přes membránu
Transport přes membránu
Příklady přenašečových proteinů
Příklady přenašečových proteinů Pasivní transport Přímo přes membránu
O2, CO2
xxx
mastné kyseliny
xxx
glycerol
xxx
močovina
xxx
voda
xxx
ionty (Na+, K+, H+, Ca+)
Prostá difůze (kanály)
Aktivní transport
Usnadněná difůze (přenašeče)
Uniport
Spřažený transport (symport, antiport)
xxx
xxx
xxx
xxx
Sekundární transport
Memb. váčky
xxx xxx
glukóza
xxx
nukleotidy
xxx
aminokyseliny
xxx
xxx
proteiny
xxx
cholesterol
xxx
neuromediátory
xxx
Schéma exo- a endocytozy Transport membránových veziklů
Schéma endocytozy Transport membránových veziklů
Fagocytóza • Fagocytóza je endocytotický proces pohlcování pevných částic z okolního prostředí buňkami. • Buňky se schopností fagocytózy mají na povrchu jen tenkou plazmalemu, mohou měnit svůj tvar a vytvářejí tzv. panožky, což jsou výběžky jejich těla. • Panožkami částici obalí, vytvoří z plazmalemy váček vakuoly a vtáhnou ho do sebe. • Do váčku vyloučí enzymy a částici stráví.
Pinocytóza • • • • •
• • •
Pinocytóza druh endocytózy Buňka přijímá malé částice. Absorbci mimobuněčných tekutiny Někdy jsou takto přepravovány i plyny – např. kyslík a oxid uhličitý Není zaměřena na přepravovu specifických látek. Buňka přijímá okolní tekutinu včetně látek v ní rozpuštěných Proces pinocytózy vyžaduje adenosintrifosfát (ATP) Oproti fagocytóze se při pinocytóze vytváří velmi malé váčky Velikost obvykle 5–20 nanometrů..
