Transport skozi celično membrano PDF

Transport skozi celično membrano Vsako celico obdaja plazmalema (celična membrana), ki ločuje notranjost od zunanjosti celice. V večceličnem organizmu raztopina v zunanjosti predstavlja t.i. “notranje okolje”. Plazmalema deluje kot selektivni filter: prehod...

Transport skozi celično membrano Vsako celico obdaja plazmalema (celična membrana), ki ločuje notranjost od zunanjosti celice. V večceličnem organizmu raztopina v zunanjosti predstavlja t.i. “notranje okolje”. Plazmalema deluje kot selektivni filter: prehodna le za nekatere snovi. Selektivnost prehodnosti membrane je temelj za različno sestavo znotraj- in zunajcelične raztopine. Na zunanji površini ima (praviloma) posebne strukture za signalizacijo med celicami. Lipidi Singer Nicolsonov model (1972), t.i. “tekoči mozaični model”. Model je v zadnjem času treba nekako dopolniti s poudarkom na mozaičnosti s prisotnostjo veliko proteinov, ki zapolnjujejo domene v membrani. Engelman (2005) Nature 438: 578-580.  Vse membrane sestojijo iz lipidov in proteinov. Temelj predstavlja fosfolipidni dvosloj. Delež lipidov je lahko 50% mase membrane. Večina funkcionalnih lastnosti membrane pa je odvisna od proteinov. Proteini lahko predstavljajo različne deleže mase membrane, odvisno od specifične funkcije membrane. Lipidni dvosloj je predvsem iz fosfolipidov (tudi holesterola, glikolipidov in drugih lipidov). Fosfolipidi (fosfatidil-holin,- etanolamin,-serin,-inozitol) imajo amfipatične lastnosti, kar narekuje, da se v vodni raztopini organizirajo na posebne načine: v micele (v premeru 20 nm) in v dvosloje (veliko večjih dimenzij, debelina je cca. 5 nm). Trigliceridi ustvarjajo kapljice v raztopini.  Gibljivost fosfolipidov Gibljivost posamezne lipidne molekule v dvosloju je razmeroma velika. Lahko rotira aksialno okrog svoje osi. Repi maščobnih kislin so pri telesni temperaturi upogibljivi (fleksija). Lateralna difuzija v dvosloju je tudi lastnost gibljivosti posameznih molekul (cca 2 um/s), ki dajejo membrani tekočinske lastnosti. Vsebnost holesterola vpliva na gibljivost posameznih molekul, saj je njegova steroidna zgradba veliko bolj rigidna od zgradbe maščobnih kislin. Prenos med lipidnima dvoslojema za fosfolipidno molekulo ni energetsko favoriziran (flip-flop, encimi). Asimetričnost lipidov Fosfolipidi (fosfatidilholin, fosfatidiletanolamin, fosfatidilserin, fosfatidil inozitol) – glicerolni. Sfingomielin – sfingozidni. Ti tipi lipidov niso porazdeljeni simetrično v lipidnem dvosloju. V eritrocitu je zunanja plast membrane sestavljena predvsem iz fosfatidilholina in sfingomielina. Večina fosfatidiletanolamina in ves fosfatidilserin je v notranji plasti dvosloja. Obstoj asimetrične lipidne sestave potrjuje šibko gibljivost posameznih lipidnih molekul med plastema dvosloja. Struktura membrane se pri celični smrti (apoptozi) spremeni. Fosfatidilserin se pojavi v zunanji plasti dvosloja – encimski proces?  Gradienti in premiki molekul Gradient tlaka med arterijami in venami Večja, kot je tlačna razlika, večji je pretok krvi. F (pretok) je proporcialen razliki (P1-P2), kjer sta P1 in P2 tlaka v različnih točkah vzdolž obtočil. Pretoku krvi po žilah lahko priredimo tudi upor R, ki je povezan s premerom žil. Gradient predstavlja razliko med dvema količinama na enoto dolžine. F= (P1-P2)/R Na podoben način lahko obravnavamo pretoke zraka v pljučih. Gradienti omogočajo masne pretoke krvi, zraka, limfe.. V nasprotju z masnim pretokom se snovi lahko Difuzija predstavlja učinkovit proces za transport snovi na prenašajo na različne razdalje tudi z difuzijo. kratke razdalje. Kroglast prostor celice s premerom 20 µm - ali je difuzijskso Difuzija je proces s katerim se delci snovi homogen? transportirajo z mesta visoke koncentracije na mesto z nizko koncentracijo, s čimer se gradient 1855 Adolf Fick razlagal, da se snovi transportirajo z difuzijo koncentracije zmanjšuje. zaradi konc. gradienta, ker na snov S delujejo interakcije (sile), ki so posledica različne sestave raztopine. Ta razlaga se je izkazala Ta način transporta snovi imenujemo tudi Brownovo kot neustrezna. gibanje (1828), predvsem ko je snov mikroskopski delec v suspenziji. J = -DsS(dcs/dx) , J: fluks snovi S, S: površina, dcs/dx: koncentracijski gradient snovi S na dolžinsko enoto x (gibalna sila), Ds: difuzijska konstanta (cm2/s). 8  Robert Brown (1773 – 1858), Škotski botanik Brown je z mikroskopom opazoval premikanje delcev v pelodnih zrnih. Ugotovil je, da se enako premika vsebina mrtvih (11 mesecev v etanolu) in živih zrn. „swarming motion“ – mrgoleče premikanje Adolf Eugen Fick (1829-1901) Nemški fiziolog, pri 26. letih je odkril „Fickov zakon difuzije“. Delal poskuse s kuhinjsko soljo. V posodi B je bila nasičena raztopina, v posodi zgoraj je bila čista voda, vmes gradient. V obliki tabele je objavil linearni gradient. A. Fick, Poggendorff’s Annalen. 94 (1855) A. Fick, Z. für rat. Medicine 6, (1855) 59-86. 288-301. 1905 Albert Einstein odkril in prvi objavil statistični pogled na mehanizem difuzije, ki je posledica naključnih termičnih trkov med molekulami (1014 trkov na sekundo). Kvadrat povprečnega premika delca od izhodišča je sorazmeren s časom. x2  C  t Georgiy Gamov (1904 -1968) v svoji knjigi ilustriral naključno hojo pijanega mornarja Kako daleč se bo nek delec premaknil z Brownovim gibanjem? Ne vemo. Znana je le verjetnost njegove oddaljenosti od izhodišča - Gaussova distribucija. Povprečni odklon premika delca je enak 2Dt v eni dimenziji, v dveh dimenzijah 4Dt, v treh pa 6Dt. D je difuzijska konstanta za neko snov. x2  2  D  t, Oddaljevanje delca od izhodišča je proporcionalno kvadratnemu korenu časa. Difuzijski prenos je zato učinkovit za transport na kratke razdalje. Konstanta D pove, kako so delci mobilni. Za Ca2+ so dimenzije celice razmeroma zelo velike, za H+ pa ne. Grof Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, 1776-1856, Torino Proces difuzije poteka tudi v plinu. Prenos kisika in ogljikovega dioksida poteka z difuzijo. V plinu je hitrost difuzije hitrejša in razdalje lahko zato večje. Avogadrov zakon: Pri enaki temperaturi in tlaku imajo plini enako število molekul na prostorninsko enoto. Avogadrovo število - NA je prvotno definirano kot število atomov v gramu plina vodika, Kasneje kot 12 g ogljika 12C. Singh et al. 2011: Certain investigations regarding variable physical Constants. IJRRAS 6 Einstein je iz difuzije v sladkorni raztopini izračunal NA, najprej v svojem doktoratu, potem izboljšal meritve in nato so odkrili še računsko napako. A. Einstein, Erratum to the 1906 paper, Ann. D. Physik 34, pp. 591 – 592 (1911).  Arnold Nicolaus, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Nemčija 1795 – Kilogram je masa litra vode pri 4 °C. 1799 – Prototip kilograma iz platine 1889 – V skladu z Metrsko konvencijo, nov prototip kilograma (IPK) iz zlitine platine in iridija. (Mednarodni urad za uteži in mere) 1950–1960 –Masa IPK postopoma upada v primerjavi s kopijami. 2019 – Kilogram je definiran na podlagi Planckove konstante in temeljnih fizikalnih konstant (kvantna mehanika). Planckova konstanta h (6.62607015×10−34) enota J⋅s, kar je enako kg⋅m2⋅s−1. Kibblejeva tehtnica omogoča merjenje mase s primerjavo elektromagnetne sile, ki temelji na Planckovi konstanti. Plini: CO2 O2 N2 Majhne ~nepolarne molekule: etanol urea Voda Velike polarne molekule: glukoza Ioni: K+ Na+ Ca2+ Cl- HCO3-  Permeabilnostni koeficient Na hitrost difuzijskega prenosa snovi prek membrane vpliva debelina membrane in topnost te snovi v membrani. Kombinacija teh dveh dejavnikov in pa difuzijska konstanta določa permeabilnostno konstanto (P, cm/s) za neko snov. Permeabilnostna konstanta je enaka. Čeprav membrana predstavlja bariero za prenos snovi, se bo nenabit delec lahko prenesel čez plazmalemo vzdolž koncentracijskega gradienta. Pri opisu tega lahko uporabimo Fickovo enačbo. Fickov zakon difuzije: porazdelitveni koeficinet K=Cm/Caq dn dc  DS dn c dt dx  KDS dt x difuzijski koeficient debelina membrane hitrost difuzije=neto fluks [mol/s] koeficient permeabilnosti P Overtonovi pravili Overton, švedski raziskovalec je meril permeabilnost lastnosti membrane (1962- 1963) in ugotovil: 1) permeabilnost membrane za majhne nenabite molekule topljenca je proporcionalna lipidotopnosti topljenca, 2) permeabilnost membrane je inverzno proporcionalna njihovi molekulski masi. Voda (polarna molekula) lahko prehaja celično membrano (je majhna). Večja permeabilnost za vodo je tudi posledica obstoja por v membrani, ki specifično prevajajo vodne molekule. Danes vemo, da obstajajo akvaporini, kanali za vodo. Nabite molekule, pa tudi če so izredno majhne, tudi ne prehajajo membrane. Ioni namreč prehajajo prek membrane le skozi ionske kanale (pore). koeficient permeabilnosti P: dn c  KDS dt x porazdelitveni koeficient Membrana (medij za difuzijo) S prerazporejanjem S prerazporejanjem v lipidih slabo topnih Brez prerazporejanja v lipidih topnih molekul molekul c1 c1 c1 c2 c2 c2 0 mM 0 mM 0 mM K=1 K=2 K=0,5 V času t1 se c2 iz nič V istem času t1 se c2 V istem času t1 se c2 zviša na ½ c1 zviša več zaradi zviša manj zaradi večjega fluksa manjšega fluksa porazdelitveni koeficient K=Cm/Caq The concentration (φ) profile of a BA inside a multi-lamellar vesicle at different times. r is the multi-lamellar vesicle radius. At t = 0 all the BA molecules are in the external aqueous medium (A). At intermediate times (B) one observes a nonlinear concentration gradient throughout the membrane which becomes linear in the late stages (steady-state C). At t = inf the BA concentrations in the external and internal aqueous medium become identical (D). Pasivni transport Pri pasivnem transportu se ne porablja energija. Snovi lahko prehajajo čez membrano z difuzijo, če so v njej topne. Lahko pa prehajajo tudi v vodi topne snovi, če so v membrani posebne strukture, ki omogočajo prenos (facilitirana difuzija). Izjema je voda, ki lahko, kljub temu, da je polarna, prehaja prek membrane, a le počasi. Membrana je semipermeabilna struktura. Tudi v slednjem primeru se snovi lahko prenesejo z difuzijo.  Šibke kisline in baze Difuzijska past Šibke kisline in baze ne disociirajo popolnoma v vodi. Nedisociirana oblika šibke kisline ali baze lahko prehaja membrano. To dejstvo lahko uporabimo, ko želimo v celice spraviti neko snov. Razmere v zunajcelični raztopini prilagodimo tako, da povečamo delež nedisociirane oblike šibke baze ali kisline. (Priprava zdravilnih substanc). Do pojava difuzijske pasti lahko pride, če imamo šibko kislino ali bazo, kjer nenabita oblika molekule lahko prehaja membrano, nabita pa ne. Primer: NH3, amonijak je primer šibke baze, ki lahko preide membrano. V ledvicah pri prehodu v lumen ledvičnega tubula preide v okolje, kjer je pH 6. Tu se protonira. NH4+ pa ne prehaja več nazaj v celice, ker ne prehaja membrane. Smer transporta amonijaka je zato usmerjena v ledvične tubule in iz telesa. Okolje (pH) v ledvičnih tubulih predstavlja difuzijsko past. Elektrokemični gradient Če je delec, ki prehaja membrano električno nabit, potem na transport te snovi poleg koncentracijskega gradienta vpliva tudi električno polje prek membrane. Napetostna razlika prek membrane skeletne mišice znaša –70 do –90 mV (negativni predznak je znotraj celice). Ta napetostna razlika vpliva, da se pozitivno nabiti delci premikajo v notranjost celice, hkrati pa oponira vstop negativnih ionov prek membrane. Na transport nabitih delcev prek membrane torej vpliva elektrokemični gradient. Električni in kemijski gradient lahko favorizirata (vstop Na+ v celico) ali pa si oponirata (izstop K+ iz celice). Lignji Znotrajceličnina Kri (mM) (mM) K+ 400 20 Na+ 50 440 Cl- 100 560 Ca2+ 0,0003 10 X- 350 - Sesalci Znotrajceličnina Kri (mM) (mM) K+ 139 4 -94 mV Na+ 12 145 +60 mV Cl- 4 116 -80 mV HCO3 - 12 29 Mg2+ 0,8 1,5 Ca2+ 0,0002 1,8 +130 mV X- 138 9  Difuzija vode (ozmoza) Ozmotska koncentracija, ozmotski tlak Kadar opazujemo difuzijo molekul vode, govorimo o ozmozi ali osmozi. Ozmoza predstavlja difuzijo molekul vode prek neke bariere, prek katere obstaja razlika v koncentraciji topljencev. Voda prehaja s strani, kjer je koncentracija topljencev nižja na stran, kjer je koncentracija topljencev višja. Ozmotsko koncentracijo prikažemo z ozmoli. V fizioloških razmerah uporabljamo miliozmole. Ozmolarnost pomeni število ozmolov topljenca na liter topila. Zveza med molarnostjo in ozmolarnostjo je: ozmolarnost = (število delcev, ki izvirajo iz ene molekule topljenca ) x molarnost Ta zveza velja le za razredčene “idealne” raztopine. Ozmotski tlak () izračunamo:  = R*T*C, kjer je R splošna plinska konstanta, T temperatura v stopinjah Kelvina in C koncentracija topljenca v ozmolih na liter raztopine. Ozmotski tlak plazme (0,31 Ozm/l) je tako enaka 7,9 atm pri 37 oC. Ozmotski tlak merimo z ozmometrom. Raztopine so lahko izotonične, hipo in hipertonične. Celični volumen Ozmotska občutljivost Membrane celic so permeabilne za vodo, tudi ker vsebujejo posebne kanale, ki prevajajo molekule vode. Rastlinske in bakterijske celice imajo na površini celično steno, ki preprečuje nabrekanje. Živalske celice pa nimajo te strukture in uravnavajo prehod vode na druge načine, z uravnavanjem transporta vode prek membrane. Mehanizmi potekajo z uravnavanjem transporta topljencev (ionov in aminokislin). Kaj se zgodi z eritrocitom, če ga damo v izotonično, hipo- in hipertonično raztopino? Eritrocit bo liziral (razpadel), če ga damo v raztopino, kjer je ozmolarnost 100 mOzm/l. Pri tako veliki razliki v ozmotskih tlakih, membrana razpade. Ozmotska občutljivost je enaka ozmolarnosti raztopine, kjer 50% celic lizira. Za eritrocit je to 150 mOzm/l. Ta test se uporablja za določanje sprememb v strukturi eritrocita, ki se lahko pojavijo pri boleznih (dedna sferocitoza). Prenos snovi prek membrane PASIVNI (posledica različnih gradientov, prenos snovi z višje na nižjo koncentracijo) AKTIVNI (tu se za transport porablja neposredno energija, prenos lahko poteka proti višjim koncentracijam. Proteini v lipidnem dvosloju Intrinzični (integralni) proteini: (večina, 70%) so razporejeni v obeh plasteh lipidnega dvosloja. Praviloma so glikoproteini. V notranjosti dvosloja imajo proteini nepolarne ostanke. Polarni ostanki pa so globlje v strukturi proteina (imajo aksialno, lateralno gibljivost, ki jo omejujejo interakcje monotipični s citoskeletom in drugimi proteini). Ekstrinzični proteini: razporejeni le na površini, hidrofilni po strukturi, pripojeni na lipide s šibkejšimi interakcijami. Asimetričnost proteinov v membrani je večja kot pri lipidih. Povezano s funkcijo. Spektrin - ekstrinzični protein notranje plasti membrane eritrocitov. Receptorji (lahko del integralnega Ogljikovi hidrati (od 2 do 10% mase proteina) - vezani na zunanji dvosloj membrane) so na zunanji strani membrane 31 membrane. (glikolipidi, glikoproteini). Specifičnost! Pasivni transport Facilitirana difuzija Glukoza ne prehaja membrane. Prenos te in drugih v lipidih netopnih snovi prehaja vzdolž gradienta z olajšano (facilitirano) difuzijo. V membrani so intrinzični proteini-prenašalci. V primerjavi z običajno difuzijo je facilitirana difuzija: veliko hitrejša, se saturira, je občutljiva na inhibitorje. Mehanizem transporta s prenašalci: vezava na eni strani in razvezava na drugi strani membrane. Relativno počasen mehanizem v primerjavi s tranportom prek ionskih kanalov (ti imajo tudi “vrata”). Specifičnost transporta s facilitirano difuzijo: glukozni transporter selektiven za še nekaj sladkorjev.  Ionski kanal z vrati – pospešena difuzija Shema transporta s prenašalcem – pospešena difuzija Transporterji se lahko zasitijo Aktivni transport - Primarni aktivni transport - Sekundarni aktivni transport Pri aktivnem transportu se neposredno porablja energija za prenos snovi prek membrane. Energija izvira iz presnovnih procesov, zato lahko aktivni transport inhibiramo z inhibitorji presnove. Ločimo primarni in sekundarni aktivni transport. Najboljši primer primarnega aktivnega transporta predstavlja Na+/K+ATPaza, ki ustvarja razliko v koncentraciji obeh ionov prek plazmaleme. Prisotna je v večini evkariontskih celic. Hidroliza molekule ATP prispeva k vnosu 2K+ in iznosu 3Na+. Tretjina vse energije v celici se porablja za vzdrževanje ionskih gradientov, tudi gradienta Ca2+. Kadar aktivni transport ni neposredno sklopljen z reakcijo, ki je donor energije, potem govorimo o sekundarnem aktivnem transportu. Običajno se za ta transport uporabi elektrokemijski potencial, običajno je to za Na+. Potovanje Na+ vzdolž gradienta prek simporta (kotransport) ali antiporta (izmenjevalnik) omogoča prenos prek membrane neki drugi molekuli. Ti mehanizmi prenehajo delovati, če gradient Na+ odpravimo ali dodamo Li+. Membranski transportni proteini Monomer in tetramer hAQP4. Voda rdeče, glicerol zeleno.