PF01(PG04) Prijenosni mehanizmi kroz membranu (iak) (3) PDF 2024

2024 Fiziologija stanice prof. dr. sc. Mirza Žižak Medicinski fakultet Sveučilišta u Puli prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 2 POGLAVLJE 04. TRANSPORT TVARI KROZ STANIČNU MEMBRANU...

2024 Fiziologija stanice prof. dr. sc. Mirza Žižak Medicinski fakultet Sveučilišta u Puli prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 2 POGLAVLJE 04. TRANSPORT TVARI KROZ STANIČNU MEMBRANU Uredio: Prof. dr. sc. Mirza Žižak Medicinski fakultet Sveučilište u Zagrebu  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 3 SADRŽAJ Prijenos tvari kroz stanične membrane 5 Stanična membrana 5 Difuzija 6 Difuzija kroz staničnu membranu 6 Razlika između olakšane i jednostavne difuzije 8 Što ograničava veličinu olakšane difuzije? 8 Osmoza 9 Primjer osmoze! 10 Osmotski tlak 11 Molarnost i molalnost 12 Osoba s normalnim volumenom krvi koja jede slanu hranu 16 Osoba s normalnim volumenom krvi koja unosi manje soli u organizam 16 Prijenos tvari (difuzija) posredovan proteinskim kanalima 17 1. Selektivna propusnost proteinskih kanala (pasivni kanali) 18 Pasivni kalijski kanali 18 Pasivni natrijski kanal 18 2. Kanali posjeduju vrata koja se mogu otvarati i zatvarati 19 1. Otvaranje i zatvaranje vrata ionskih kanala regulirano naponom 19 2. Otvaranje i zatvaranje vrata nadzirano kemijskim tvarima (ligandom regulirani kanali) 20 Raspodjela kanala u staničnim membranama 20 Prijenos tvari posredovan proteinskim nosačima 21 Primarno aktivni prijenos 21 Sekundarno aktivni prijenos 24 Kontratransport natrija i kalcija 25 Kontratransport natrija i vodika 25  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 4 Ishodi učenja Nakon obrade ove teme trebali bi biti u stanju: 1. Objasniti što je jednostavna difuzija i navedite čimbenike koji utječu na brzinu difuzije. 2. Navedti tri karakteristike olakšane difuzije koje ga razlikuju od jednostavne difuzije. 3. Identificirajte komponente pasivnog prijevoza i razlikujte pasivno od aktivnog prijevoza. 4. Definirajte pojmove osmoza, osmolalnost i osmotski tlak i navedite uvjete potrebne za pojavu osmoze. 5. Definirajte pojmove izotonično, hipotonično i hipertonično i objasnite zašto bolnice koriste 5% dekstroze i normalnu fiziološku otopinu kao intravenske infuzije. 6. Objasnite kako tijelo otkriva promjene u osmolalnosti plazme i opišite regulatorne mehanizme kojima se održava pravilan raspon osmolalnosti plazme. 7. Nacrtajte nosač koji prikazuje dvije karakteristike prijenosa posredovanog nosačem i objasnite kako se ova vrsta gibanja razlikuje od jednostavne difuzije. 8. U opisu opišite aktivni prijevoz, uključujući primarni i sekundarni aktivni prijevoz. Objasnite kako se aktivni prijevoz razlikuje od olakšane difuzije. 9. Objasnite djelovanje i značaj Na+/K+ pumpe i.Ca2+-pumpe  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 5 Prijenos tvari kroz stanične membrane Važni elektroliti i druge tvari nalaze se u: ▪ izvanstaničnoj tekućini ▪ staničnoj tekućini. Izvanstanična tekućina sadrži: ▪ veliku količinu natrijevih iona, ▪ samo malu količinu kalijevih iona. ▪ sadrži i veliku količinu klorida Unutarstanična tekućina: ▪ malu količinu natrijevih iona, ▪ veliku količinu kalijevih iona. ▪ sadrži i malu količinu klorida ▪ koncentracije fosfata i bjelančevina u unutarstaničnoj tekućini znatno su veće nego u izvanstaničnoj tekućini. Stanična membrana Stanična membrane je građena od lipidnog dvosloja u kojem se nalaze velik broj prijenosnih proteina koji plivaju u lipidima. ▪ Proteini koji prolaze kroz cijelu debljinu membrane (skupina integralnih proteina), nazivaju se transmembranski proteini ▪ Lipidni dvosloj odjeljuje izvanstanični od unutarstaničnog odjeljka te tako sprječava prolaženje kroz membranu molekulama vode i tvarima topljivih u vodi, dok tvari topljive u lipidima izravno difundiraju kroz lipidni dvosloj. ▪ općenito nije propusna za proteine, nukleinske kiseline i druge molekule potrebne za strukturu i funkciju stanice ▪ propusna je za mnoge druge molekule, dopuštajući dvosmjerni promet hranjivih tvari i otpada potrebnih za održavanje metabolizma. ▪ selektivno je propusna za određene ione Transmembranski proteini : ▪ proteinski kanali - formiraju putove kroz staničnu membranu – neke jer im je unutrašnji prostor cijelom svojom dužinom ispunjen vodom (formiraju kanal), što omogućuju slobodno kretanje vode i određenih iona ili molekula. ▪ proteinski nosači - prenose tvari s jedne na drugu stranu membrane tako što ih vežu, a to vezanje uzrokuje konformacijske promjene nosača koje omogućuju prijenos tvari kroz membranu ▪ proteinske pumpe ili crpke – prenose tvari s jedne na drugu stranu membrane nasuprot koncentracijskom gradijentu tih tvari. Za obavljanje svog rada koriste energiju iz ATP-a. ▪ proteini receptori - prenose informaciju s jedne (vanjske) na drugu (unutrašnju) stranu membrane koja aktivira kaskadni slijed reakcija.  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 6 Difuzija Nakon obrade ove teme trebali biste moći: ▪ definirati difuziju i opisati čimbenike koji utječu na brzinu difuzije ▪ definirati osmozu, opisati uvjete potrebne za njezino pojavljivanje i objasniti kako se osmoza odnosi na osmolalnost i osmotski tlak. ▪ objasniti prirodu i značaj hipotoničnih, izotoničnih i hipertoničnih otopina. Objasniti kako se održava homeostaza plazme osmolalnosti. Vodena otopina sastoji se od molekula otapala (vode) i otopljene tvari koje se otapaju u vodi. Molekule otopine (otapalo i otopljene tvari) su u stalnom nasumičnom gibanju kao rezultat njihove toplinske energije. Ako postoji razlika koncentracije ili gradijent koncentracije između dva područja u otopini, ovo nasumično gibanje nastoji eliminirati razliku koncentracije pri čemu molekule postižu ravnotežu tako što su difuznije raširene. Sve molekule i ioni u tjelesnim tekućinama, uključujući molekule vode i otopljenih tvari, neprestano se nasumično gibaju pri čemu se svaka čestica kreće svojim putem. Ovo nasumično gibanje, koje se događa kad su tvari otopljene u tekućem ili plinovitom mediju, nazivamo Braunovo gibanje. Gibanje tih čestica jest ono što fizičari zovu »toplinom« - što je gibanje jače, temperatura je viša. To gibanje nikada ne prestaje, osim na temperaturi apsolutne ništice. Kao rezultat nasumičnog molekularnog gibanja, molekule u dijelu otopine s većom koncentracijom kretat će se prema području niže koncentracije. Postojat će i kretanje u suprotnom smjeru, ali ne tako često. Kao rezultat takvog kretanja, doći će do neto kretanja iz područja veće u područje manje koncentracije sve dok ne nestane razlika u koncentracijama. Ovo neto kretanje naziva se neto difuzija. Neto difuzija je fizički proces koji se događa kad god postoji razlika u koncentraciji tvari kroz membranu, a membrana je propusna za tvar koja difundira. Ioni difundiraju na posve isti način kao i cijele molekule. Difuzija kroz staničnu membranu Budući da se stanična membrana sastoji prvenstveno od dvostrukog sloja fosfolipida, molekule koje su nepolarne, a time i topljive u lipidima, lako mogu prijeći s jedne strane membrane na drugu. ▪ nepolarne molekule, kao što su kisikov plin (O2) ili steroidni hormoni. lako difundiraju kroz staničnu membranu ▪ male polarne molekule koje posjeduju polarne kovalentne veze, i bez naboja su, kao što su CO2, etanol i urea, također mogu prodrijeti u fosfolipidni dvosloj ▪ do neto difuzije ovih molekula između unutarstaničnih i izvanstaničnih odjeljaka dolazi kada god postoje koncentracijski gradijenti  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 7 Difuzija tvari kroz membranu se može podijeliti i prema energetskim potrebama za prijenos: ▪ pasivni prijenos (ne treba energiju) ▪ aktivni prijenos (treba energiju) Pasivni prijenos (difuzija) je neto kretanje molekula i iona kroz membranu iz područja više u područje niže koncentracije (niz koncentracijski gradijent); ne zahtijeva metaboličku energiju. U pasivni prijenos uključujemo: 1. jednostavna difuzija 2. olakšana difuzija 1. Jednostavna difuzija označava nasumično gibanje molekula ili iona kroz otvore u membrani ili kroz međumolekularne prostore (kroz fosfolipidne slojeve stanične membrane), pri čemu tvari ne reagiraju s proteinskim nosačima u membrani. Tvari difundiraju procesom jednostavne difuzije kroz staničnu membranu na dva načina: 1. kroz međuprostore lipidnoga dvosloja ▪ Na taj način kroz membranu prolaze (diofundiraju) tvari koje su topljive u lipidima (nepolarne molekule) ▪ veličina difuzije tvari koje su topljive u lipidima kroz membranu upravno je razmjerna njihovim topljivostima u lipidima ▪ kisik, dušik, ugljikov dioksid i alkohol vrlo su topljivi u lipidima, stoga mogu direktno i brzo difundirati kroz staničnu membranu (podjednako kao što tvari otopljene u vodi difundiraju u vodenoj otopini). ▪ kroz staničnu membranu prenose se velike količine kisika, jer je topljivost O2 u lipidima toliko velika da se difuzija O2 odvija kao da ne postoji stanična membrana 2. kroz kanale koje formiraju transmembranski proteini ▪ dvosloj lipida stanične membrane je nepropustan za nabijene anorganske ione, kao što su Na+ i K+ ▪ ionski kanali kori prolaze kroz membranu omogućuju prolaz tih iona jednostavnom difuzijom ▪ Iako voda nije topljiva u lipidima, molekule vode mogu u ograničenoj mjeri prolaziti kroz staničnu membranu zbog svoje male veličine i nedostatka neto naboja ▪ u većini staničnih membrana, međutim, prolaz vode omogućuju specifični proteinski vodene kanale nazvani akvaporini ▪ Neto difuzija molekula vode (otapala) kroz staničnu membranu nazivamo osmoza.  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 8 2. Olakšana difuzija se naziva i difuzija posredovana nosačem, zato što tvar koja se prenosi tim načinom difundira kroz membranu pomoću posebnog proteinskog nosača. To znači da nosač olakšava difuziju tvari na drugu stranu. ▪ veće polarne molekule, kao što je glukoza, ne mogu proći kroz dvosloj lipida stanične membrane i stoga oni trebaju posebne proteine nosače u staničnoj membrani za transport ▪ glukoza, većina aminokiselina ili druga mala organska molekula veže se za svoje mjesto na proteinu nosača, koji se zatim konformacijski promijeni kako bi se vezana molekula oslobodila na drugoj strani membrane ▪ u različitim je tkivima otkriveno najmanje 14 članova obitelji membranskih proteina (nazvanih GLUT, engl. glucose transporters) koje prenose molekule glukoze. Razlika između olakšane i jednostavne difuzije ▪ veličina jednostavne difuzije kroz otvoreni kanal povećava se razmjerno koncentraciji tvari koja difundira, ▪ u olakšanoj difuziji s povećavanjem koncentracije tvari veličina difuzije dostiže maksimum, tzv. Vmax. ▪ ta razlika između jednostavne i olakšane difuzije vidi se na slici desno. Veličina jednostavne difuzije se pri povećanju koncentracije tvari povećava neprekidno i proporcionalno, dok se olakšana difuzija ne može povećati više od V max. Što ograničava veličinu olakšane difuzije? ▪ na slici desno vidimo bjelančevinski nosač s otvorom dovoljno širokim da prenosi specifičnu molekulu dijelom puta, ali ne cijelom debljinom membrane. ▪ u unutrašnjosti proteinskog nosača vidi se i receptor za vezanje za koji se veže molekula koja ulazi u otvoreni dio nosača ▪ tada u djeliću sekunde nastane konformacijska ili kemijska promjena nosača, i pora se otvori na suprotnoj strani membrane. ▪ kako je sila vezanja za receptor slaba (zbog toplinskoga gibanja) vezana se molekula odvoji i otpusti na suprotnoj strani membrane. ▪ brzina prijenosa molekula tim mehanizmom nikad ne može biti veća od brzine kojom bjelančevinski nosač može prelaziti iz jednog konformacijskog oblika u drugi. ▪ treba zamijetiti da taj mehanizam omogućuje kretanje, tj. difuziju molekule kroz membranu u oba smjera. Aktivni prijenos je neto kretanje molekula i iona kroz membranu iz područja niže u područja veće koncentracije. Budući da se aktivni prijenos odvija nasuprot koncentracijskom gradijentu, potrebna mu je metabolička energija (ATP) za svoj rad - često se proteini nazivaju pumpama ili crpkama.  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 9 Brzina difuzije Brzina difuzije kroz staničnu membranu, mjerena brojem difuznih molekula koje prolaze kroz membranu po jedinici vremena, ovisi o: 1. veličina razlike u koncentracijama kroz membranu ("strmina" koncentracijskog gradijenta) 2. propusnost membrane za tvari koje difundiraju, 3. temperatura otopine 4. površina membrane kroz koju tvari difundiraju. Jasno je da razlika koncentracija tvari s obje strane stanične membrane djeluje kao pokretačka snaga difuzije, što je ta razlika veća to je i difuzija brža. Međutim, bez obzira na razliku u koncentraciji, difuzija tvari kroz staničnu membranu se neće dogoditi ako membrana nije propusna za tu tvar. Prema tome, osim razlike u koncentraciji, brzina kojom tvar difundira kroz membranu ovisit će i o tome koliko je membrana propusna za tu tvar. Osmoza Osmoza je neto difuzija vode (otapala) kroz membranu. Da bi došlo do osmoze postoje dva uvjeta: (1) mora postojati razlika u koncentraciji otopljene tvari s obje strane selektivno propusne membrane (2) membrana mora biti propusna za otapalo (voda) i (relativno) nepropusna za otopljene tvari ▪ osmoza se bazira na tome da otopljene tvari koje ne mogu proći kroz membranu, mogu potaknuti osmotsko kretanje vode – za takve se tvari kaže da su osmotski aktivne. ▪ do difuzije vode dolazi kada otopina s jedne strane membrane ima veću koncentraciju molekula vode (razrjeđenija otopina) u odnosu na koncentraciju vode s druge strane membrane ▪ Zapamtite! tijekom osmoze dolazi do neto kretanja molekula vode sa strane veće koncentracije vode na stranu niže koncentracije molekula vode. ▪ Ukoliko otopljene tvari mogu prolaziti kroz membranu tada one ne potiču osmozu budući da će njihova neto difuzija dovesti do izjednačavanja koncentracija s obje strane membrane. Stanične membrane su propusne za vodu zahvaljujući posjedovanju specifičnih proteina koji služe kao vodeni kanali (akvaporini), koji omogućuju osmozu. U nekim stanicama su vodeni kanali, akvaporini, stalno prisutni u staničnoj membrani, dok se u drugim stanicama (primjer su tubularne stanice bubrega) prisutnost kanala akvaporina u staničnoj membrani može regulirati antidiuretskim hormonom (ADH).  prof. dr. sc. Mirza Žižak: Prijenos tvari kroz staničnu membranu 10 Primjer osmoze! Zamislite da se polupropusna membrana formira u sfernu vrećicu u kojoj se nalazi otopina glukoze od 360 g/L (grama po litri) i da se ta vrećica stavi u čašu koja sadrži otopinu glukoze od 180 g/L. ▪ dakle, imamo dvije otopine: jedna otopina (čaša) u početku sadrži 180 g/L otopine glukoze, a druga (vrećica građena od polupropusne membrane) 360 g/L glukoze. ▪ ako je membrana vrećice nepropusna za glukozu, a propusna za vodu, tada će se molekule vode kretati iz otopine s većom koncentracijom vode (razrijeđena otopina koja sadrži 180 g/L glukoze) u otopinu koja sadrži manju koncentraciju molekula vode (otopina koja sadrži 360 g/L glukoze) ▪ kako molekule vode difundiraju kroz membranu u vrećicu tako se otopina u vrećici sve više razrjeđuje (osmoza) → to je popraćeno povećanim volumenom vrećice. ▪ Neto kretanje molekula vode će se nastaviti sve dok se koncentracije obje otopine ne izjednače ▪ U našem primjeru to znači da će molekule vode prolaziti kroz polupropusnu membranu sve dok se se koncentracije glukoze (a time i vode) u obje u vrećice ne izjednače (sve dok koncentracija glukoze u obje otopine ne bude 270 g/L) Zašto je potrebno znati pojam osmoze u praktičnom radu? Što će se dogoditi ako se bolesniku infuzijom dade razrijeđena otopina (hipotonična otopina, dakle