3. Membrana

Transport Skozi Celično Membrano

• Vsako celico obdaja plazmalema, ki ločuje notranjost od zunanjosti.
• V večceličnem organizmu zunanjost predstavlja "notranje okolje".
• Plazmalema je selektivni filter, prehodna je le za določene snovi.
• Selektivnost omogoča različno sestavo znotraj in zunaj celice.
• Na zunanji površini so strukture za signalizacijo med celicami.

Lipidi v Membranah

• Vse membrane so sestavljene iz lipidov in proteinov.
• Temelj je fosfolipidni dvosloj, ki lahko predstavlja 50% mase membrane.
• Funkcionalne lastnosti so odvisne od proteinov.
• Proteini predstavljajo različne deleže mase membrane.

Singer-Nicolsonov Model

• Singer-Nicolsonov model iz leta 1972, imenovan "tekoči mozaični model", poudarja mozaičnost zaradi prisotnosti proteinov, ki zapolnjujejo domene v membrani.

Zgradba Lipidnega Dvosloja

• Lipidni dvosloj je sestavljen iz fosfolipidov, holesterola in glikolipidov.
• Fosfolipidi (kot so fosfatidil-holin, -etanolamin, -serin, -inozitol) imajo amfipatične lastnosti.
• Amfipatične lastnosti narekujejo, da se v vodni raztopini organizirajo v micele (20 nm) in dvosloje (5 nm).
• Trigliceridi tvorijo kapljice v raztopini.

Gibljivost Fosfolipidov

• Posamezne lipidne molekule v dvosloju rotirajo aksialno in so fleksibilne.
• Lateralna difuzija (2 µm/s) daje membrani tekočinske lastnosti.
• Holesterol vpliva na gibljivost zaradi svoje rigidne steroidne zgradbe.
• Prenos med lipidnima dvoslojema ni energetsko favoriziran (flip-flop, encimi).

Asimetričnost Lipidov

• Fosfolipidi (glicerolni in sfingozidni) niso simetrično porazdeljeni v dvosloju.
• V eritrocitu je zunanja plast sestavljena pretežno iz fosfatidilholina in sfingomielina.
• Fosfatidiletanolamin in fosfatidilserin so v notranji plasti dvosloja.
• Asimetrična sestava se spreminja pri celični smrti (apoptozi), ko se fosfatidilserin pojavi v zunanji plasti.

Gradienti in Premiki Molekul

• Gradient je razlika med količinama na enoto dolžine.
• Gradienti omogočajo masne pretoke krvi, zraka, limfe.
• Tlak krvi je proporcionalen razliki tlaka med dvema točkama vzdolž obtočil in povezan z uporom žil.
• Snovi se lahko prenašajo tudi z difuzijo.

Difuzija

• Difuzija je proces transporta delcev snovi z mesta visoke na mesto nizke koncentracije.
• Brownovo gibanje je oblika difuzije za mikroskopske delce v suspenziji.
• Difuzija je učinkovit transport na kratke razdalje.

Zgodovina Difuzije

• Adolf Fick (1855) je razlagal, da se snovi transportirajo z difuzijo zaradi koncentracijskega gradienta. Izpeljal je enačbo za fluks snovi J = -DS(dc/dx).
• Robert Brown (1773-1858) je opazoval premikanje delcev v pelodnih zrnih pod mikroskopom.
• Albert Einstein (1905) je razvil statistični pogled na mehanizem difuzije, ki je posledica naključnih termičnih trkov med molekulami.

Avogadrovo Število

• Avogadrovo število (Na) je prvotno definirano kot število atomov v gramu plina vodika.
• Einstein je izračunal Avogadrovo število iz difuzije v sladkorni raztopini. Kasneje je izboljšal meritve in nato ugotovil še računsko napako.

Kilogram

• Kilogram je danes definiran na podlagi Planckove konstante.
• Planckova konstanta h je 6.62607015×10-34 J·s.
• Kibblejeva tehtnica omogoča merjenje mase s primerjavo elektromagnetne sile, ki temelji na Planckovi konstanti.

Permeabilnostni Koeficient

• Hitrost difuzijskega prenosa snovi je odvisna od debeline membrane in topnosti snovi.
• Kombinacija teh dejavnikov določa permeabilnostno konstanto (P, cm/s).
• Nenabit delec se lahko prenese čez plazmalemo vzdolž koncentracijskega gradienta.
• Za to se uporablja Fickova enačba.

Overtonova Pravila

• Overton je ugotovil, da je permeabilnost membrane za majhne, nenabite molekule sorazmerna lipidotopnosti topljenca.
• Permeabilnost membrane je inverzno proporcionalna molekulski masi molekule.
• Voda lahko prehaja celično membrano, tudi zaradi obstoja akvaporinov.
• Nabite molekule ne prehajajo membrane, razen skozi ionske kanale.

Pasivni Transport

• Pri pasivnem transportu se ne porablja energija.
• Snovi prehajajo čez membrano z difuzijo, če so v njej topne.
• V vodi topne snovi prehajajo skozi posebne strukture (facilitirana difuzija).
• Voda, čeprav polarna, prehaja prek membrane počasi.
• Membrana je semipermeabilna struktura.

Šibke Kisline in Baze

• Šibke kisline in baze ne disociirajo popolnoma v vodi, njihova nedisociirana oblika pa lahko prehaja membrano.
• Primer je amonijak (NH3), ki kot šibka baza prehaja membrano.
• V ledvicah se protonira v NH4+, ki ne prehaja več nazaj v celice.
• Okolje v ledvičnih tubulih predstavlja difuzijsko past, ki usmerja transport amonijaka iz telesa.

Elektrokemični Gradient

• Če je delec električno nabit, na njegov transport vpliva električno polje preko membrane.
• Napetostna razlika skeletne mišice je –70 do –90 mV.
• Električni in kemijski gradient lahko favorizirata (Na+ v celico) ali si oponirata (K+ iz celice).

Difuzija Vode (Ozmoza)

• Ozmoza je difuzija molekul vode prek bariere, kjer obstaja razlika v koncentraciji topljencev.
• Voda prehaja s strani z nižjo koncentracijo topljencev na stran z višjo koncentracijo.
• Ozmotsko koncentracijo izražamo z ozmoli, ozmolarnost pa je število ozmolov topljenca na liter topila.
• Ozmolarnost = (število delcev, ki izvirajo iz ene molekule topljenca) x molarnost.
• Ozmotski tlak (π) izračunamo: π = R*T*C.

Celični Volumen in Ozmotska Občutljivost

• Membrane celic so permeabilne za vodo, imajo tudi akvaporine.
• Živalske celice uravnavajo prehod vode z uravnavanjem transporta topljencev (ionov in aminokislin).
• Ozmotska občutljivost je enaka ozmolarnosti raztopine, kjer 50% celic lizira (za eritrocite je to 150 mOzm/l).

Transport Snovi Prek Membrane

• Pasivni transport poteka zaradi gradientov in ne porablja energije.
• Aktivni transport porablja energijo in lahko poteka proti višjim koncentracijam.

Proteini v Lipidnem Dvosloju

• Intrinzični (integralni) proteini (večina) so razporejeni v obeh plasteh.
• Ekstrinzični proteini so razporejeni le na površini.
• Asimetričnost proteinov je večja kot pri lipidih, kar je povezano s funkcijo.

Pasivni Transport in Facilitirana Difuzija

• Glukoza ne prehaja membrane, njen prenos je facilitiran.
• V primerjavi z običajno difuzijo je facilitirana difuzija hitrejša, se saturira in je občutljiva na inhibitorje.

Aktivni Transport

• Pri aktivnem transportu se neposredno porablja energija (iz presnovnih procesov).
• Ločimo primarni (npr. Na+/K+ATPaza) in sekundarni aktivni transport (uporablja elektrokemijski potencial, npr. Na+).

Plazmalema je dinamična struktura, ki uravnava prehajanje snovi v in iz celice. Lipidni dvosloj, sestavljen iz fosfolipidov in holesterola, zagotavlja fluidnost in selektivno prepustnost membrane. Proteini, vgrajeni v membrano, imajo različne funkcije, vključno s transportom ionov in molekul.