Sejtmembrán 2 előadás 04102024 PDF

A eukarióta sejt valódi sejtmaggal, gazdag belső membránstruktúrával (sejtorganellumokkal) és belső vázzal rendelkezik A sejtmembrán feladatai A sejtmembrán 3 feladata: 1. anyagfelvétel és – leadás (transzport) 2. a sejten kívülről származó ingerek felfogása, feldolgozása és továbbítása (jelát...

A eukarióta sejt valódi sejtmaggal, gazdag belső membránstruktúrával (sejtorganellumokkal) és belső vázzal rendelkezik A sejtmembrán feladatai A sejtmembrán 3 feladata: 1. anyagfelvétel és – leadás (transzport) 2. a sejten kívülről származó ingerek felfogása, feldolgozása és továbbítása (jelátvitel), 3. sejt-sejt, ill. sejt-sejtközötti állomány közötti kapcsolatok létrehozása 2 1 1. Transzport 1a.Anyagmozgás a sejtmembránon keresztül Az egyes ionok koncentrációja a sejten belül és kívül lényegesen különbözik egymástól A pozitív és negatív töltésű részecskéknek egyensúlyban kell lenniük mind a sejten belül, mind a sejten kívül Na+ – a leggyakoribb kation a sejten kívül (Cl- egyenlíti ki) K+ – a leggyakoribb kation a sejten belül (kb. sejten belüli anionok egyenlítik ki)  A különböző ionmegoszlást a sejten belül és kívül részben a kettős lipidréteg áteresztőképessége részben pedig a membrán transzportfehérjék biztosítják fehérjementes lipid kettős réteg a legtöbb a sejtmembrán viszont nem ! vízben oldódó molekula számára átjárhatatlan specializált membránfehérjék felelősek a kis vízben oldódó molekulák sejtmembránon való átjuttatásáért A sejtmembrán permeabilitása (áteresztő képessége) a különböző anyagokra nézve különböző = szemipermeábilis (féligáteresztő) Könnyen átereszt kicsi, apoláros hidrofób molekulákat , O2-t, CO2-t kicsi, töltéssel nem rendelkező poláros molekulákat (víz, alkohol (etanol), glicerin) Nehezen vagy nem enged át: ionokat és nagyobb poláros molekulákat (aminosavak, glukóz, nukleozidok, stb.) Az átjutás mértéke függ ▪ az anyag méretétől, ▪ az anyag töltésétől, polaritásától  Az anyagok átjutása a sejtmembránon: az átjutás mechanizmusa  egyes kicsi, töltéssel nem rendelkező molekulák képesek egyszerű diffúzióval a koncentrációgradiensnek megfelelően átjutni a membránon  a legtöbb oldott anyag egy transzport membránfehérje (csatorna vagy transzporter) segítségével: passzív transzport, aktív transzport Egyszerű Transzport membránfehérjék segítségével diffúzióval  Egyszerű diffúzió (a kettős lipdrétegen át zajló diffúzió)  egyes kismolekulájú töltéssel nem rendelkező részecskék oldódnak a membrán lipidfázisában, s így jutnak be a citoplazmába, vagy ki a sejtek közötti térbe  a részecskék egyenletes eloszlására törekszik  az áramlás mindig a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé történik  nem igényli fehérje molekulák közreműködését  ilyen módon jut át az O2, CO2, szteroid hormonok, alkohol stb. Ozmózis (vízmolekulák diffúziója a sejtmembránon keresztül) - a víz szabadon jut át a membránon  ha egy oldott anyag koncentrációja (ozmotikus nyomás) a sejten belül magasabb mint a sejten kívül, akkor a víz ozmózis útján a sejtbe hatol: a sejt duzzad  ha egy sejt magas sókoncentrációjú oldatba kerül, akkor víz lép ki belőle: a sejt zsugorodik ált. az extra- és intracelluláris oldat azonos ozmotikus nyomású: izotóniás pl. vörösvértest fiziológiás sóoldatban (0,9 % NaCl) pl. vörösvértest hipotóniás sóoldatban (< 0,9 % NaCl) pl. vörösvértest hipertóniás sóoldatban (> 0,9 % NaCl) pl. agyödéma ellen Átjutás transzport membránfehérjék segítségével A transzport membránfehérjéknek 2 csoportja van: Transzporterek Csatornák Transzporter: Csatorna:  egy sor konformációváltozáson megy át,  hidrofil pórust képez a membránban, hogy a kis hidrofil molekulákat átjuttassa ionok vagy más kis molekulák a membránon haladhatnak át  nyitott és zárt korformációval rendelkezik  a két konformáció közötti átmenetet (nyitást- csukást) rendszerint külső v. belső ingerek szabályozzák  Transzportfolyamatok osztályozása energiaigény szerint  passzív transzport ▪ energiát nem igényel ▪ a koncentrációgradiensnek megfelelően zajlik (koncentráció különbség kiegyenlítődik) ▪ közvetítő: minden csatorna és sok transzporter  aktív transzport ▪ energiát igényel ▪ a koncentrációgradiens ellenében zajlik (koncentráció különbséget hoz létre) ▪ közvetítő: egyes transzporterek (pumpák)  Csatornán át történő áthaladás (facilitált diffúzió I) (facilitált = segített)  a csatornákat integráns membránfehérjék alkotják, amelyek konformáció változása a csatornákat nyitja vagy csukja az átjutás szabályozott és szelektív  nyitott állapotban anyagáramlás a kémiai vagy elektrokémiai (kémiai+elektromos) gradiens irányába történik  energiát nem igényel, tehát passzív  így jutnak át ionok (Na+, K+, Ca2+, Cl- stb. csatornák), kisebb poláris molekulák, a víz (vízcsatornák)  Csatornán át történő áthaladás (facilitált diffúzió)  a nyitás/zárás szabályozása szerint  feszültségfüggő - a membrán 2 oldala közötti feszültségkülönbség szabályozza pl. idegsejtek, izomsejtek membránjában  ligandfüggő - a receptorhoz kötődő kémiai ligandum szabályozza; pl. hormonok  mechanoszenzitív vagy stresszfüggő - mechanikai hatásra (nyújtás, nyomás) nyílnak meg Vízcsatornák (aquaporinok)  specializált csatornák, amelyek lehetővé teszik a töltés nélküli vízmolekulák gyors és szelektív átáramlását a membránon (ionok nem jutnak át)  a víz átjutása 1000x gyorsabb mint diffúzióval pl egyetlen aquaporin-1 csatorna mp-ként egy alegység: 6 transzmembrán 3 milliárd víz molekulát képes átengedni szegmens egy csatorna: 4 egyforma alegység  a víz transzportja kétirányú (bidirekcionális), (homotetramer)  az irányt az ozmotikus viszonyok határozzák meg A vízcsatornák felfedezését  Jelentőség: 2003-ban Nobel díj pl. az agy vízháztartás egyensúlyának fenntartásában, (Peter Agre) a bőrön keresztül történő izzadtság kiválasztásában az aquaporin 2 hiánya a vese gyújtőcsatornáiban - „renalis diabetes insipidus” (csökkent vízreszorbció, polyuria) Transzporterek és funkcióik Transzporterek- mind passzív mind aktív transzportfolymatokat közvetíthetnek  minden transzporter szelektív, sok csak egyetlen molekulatípust szállít  minden sejtmembrán saját jellemző transzporter szerelvénnyel rendelkezik Pl.  a sejtmembrán (plazmamembrán) kb. transzportereket tartalmaz tápanyagok, mint glukóz, aminosavak és nukleotidok számára  a lizoszómamembrán H+ transzportert tartalmaz, a lizoszómán belüli savas pH biztosítására  a mitokondrium belső membránja transzportert tartalmaz a pyruvát számára (a glúkozból származó nyersanyag az ATP-szintézishez) és ATP-transzportert , az előállított ATP kivitelére  A transzporterek osztályozása az anyagtranszport irányítottsága szerint 1. uniporterek (uniport fehérjék) egyetlen molekulát szállítanak, rendszerint passzívan: facilitált diffúzióval pl. glukóz transzporter 2. kotranszporterek (kotranszport fehérjék) két- vagy többféle molekula mozgatását végzik. Két típus: 2a. szimporterek- ugyanabba az irányba szállítják a molekulákat pl. glukóz- és aminosav felvétele Na influxhoz kapcsoltan; Na+-Cl- kotranszporter 2b. antiporterek- egy molekulaféleséget a sejtbe, a másikat a sejtből az extracelluláris térbe szállítják pl. Na+-Ca2+ antiporter Transzporterek és passzív transzport – (facilitált diffúzió II) (facilitált = segített)  ATP felhasználás nélkül, tehát passzív  átjutás a koncentráció- vagy elektrokémiai- gradiens irányába történik a transzporter két konformációs állapotban fordulhat elő: A- a kötőhely a sejt külseje felé néz B- ugyanaz a kötőhely a sejt belseje felé néz  ilyen módon juthatnak át - metabolitok, tápanyagok, ionok, makromolekulák; - így veszik fel a szöveti sejtek a glukózt ! facilitált- a szállított anyag így gyorsabban jut át, mint a molekula méretéből, lipidoldékonyságából, koncentráció gradienséből következne Glukóz- transzporter (GLUT)  passzív transzportot közvetítő transzporter (facilitált diffúzió)  emlősök májsejtjeinek plazmamembránjában és sok más egyéb sejttípusban  egy polipeptidlánc, amely legalább 12x áthalad a membránon  a glukóz átfolyása mindkét irányban végbemehet, a koncentrációgradiensnek megfelelően pl. májsejtekben: étkezés után befele, éhezés esetén (glikogen lebontás a sejtben)- kifele Transzporterek és aktív transzport: pumpák, ATP-ázok  szállítás a koncentrációgradiens ellenében - energiát igényel (ATP hidrolizise)  a sejt belső ionösszetételének a fenntartásához és a sejten kívül alacsonyabb koncentrációban jelen levő oldott anyagok sejtbe való szállításához Példák: Proton (H+) pumpa Na+ K+ -ATP-áz  minden élő sejtben megtalálhatók  Na+ -t a sejtből ki,  K+ -t pedig a sejtbe be pumpálja Igen fontos :  mindkettőt az elektrokémiai gradiens  mitokondrium-, lizoszóma- membránban ellenében  vesecsatornák hámsejtjeiben,  gyomornyálkahártya egyes sejtjeiben Ca2+- pumpa  biztosítja a sejten belüli alacsony Ca2+ koncentrációt  i.c. Ca2+ konc. igen alacsony 10-4 mM.  e.c. Ca2+ konc. jóval magasabb: 1-2 mM. egy ciklus eredménye:  előfordul: plazmamembránban, ER-membránjában 3 Na+ sejten kívülre és 2 K+sejtbe való szállítása főleg izomsejtekben, idegsejtekben, csontsejtekben Összefoglalás A transzportfolyamatokban részt vevő membránfehérjék osztályozása Membránátrendeződéssel járó transzport Endocitózis és Exocitózis  Endocitózis és Exocitózis  olyan anyagok sejtbe való bejutása – endocitózis -, ill. sejtből való kijutása – exocitózis, - amelyek pl. méretüknél fogva a membrán síkján nem képesek áthatolni (makromolekulák, baktériumok stb.).  a szállított anyagok membránnal körülvett hólyagocskákba (vezikulákba) csomagolva jutnak át a sejthatáron  a folyamatok során a membránok átrendeződnek, ezért energiaigényesek (ATP)(aktív transzport)  csak állati sejtekre jellemzőek  két folyamat azonos módon valósul meg, de ellentétes anyagmozgást jelent Endocitózis  a külvilág felől a sejt belsejébe vezető, membránbefűződéssel és – leválással járó, vezikulák által közvetített anyagfelvétel  az anyag vezikuláris transzporttal eljut a lizoszómáig, ahol lebontásra kerül, és komponensei a citoszolba jutnak hasznosítás céljából. Az endocitózis típusai  pinocitózis (sejtivás) - a környező testfolyadék és az abban oldott anyagok felvétele.  fagocitózis (sejtfalás) - nagyméretű (>0,2 µm) részecskék bekebelezése Endocitózis (Pinocitózis) - aszerint is, hogy milyen típusú burok játszik közre a vezikula képződésében klatrin-burkos vezikulák lefűződésével járó kaveolákkal járó , ill. más, klatrin-kaveola független pinocitózis a mindennapi nyelvjárásban: endocitózis = pinocitózis Klatrin-burkos vezikulák lefűződésével járó endocitózis Az endocitózis első szakasza Klatrin-burkos vezikulák lefűződésével járó endocitózis Az endocitózis első szakasza Klatrin-független endocitózis Transzport kaveolák segítségével  klatrin-burok nélküli mikrodomének, pl. az ún. kaveolák speciális esetekben dinamin közreműködésével leválhatnak a citoszolba, és a korai endoszómával egyesülhetnek TEM-kép SEM-kép  fő fehérjéi a kaveolinok  Szerep:  kaveolák minden sejt - elsősorban membránfehérjék transzportja plazmamembránjában - bizonyos jelátviteli folyamatokban résztvevő jelen vannak fehérjék összetartásába  Transzport kaveolák segítségével  a kapillárisok endotélsejtjeiben, ahol igen nagy endothélsejt arányban vannak jelen, fontos szerepet játszanak a kapilláris permeabilitásának biztosításában pl. úgy, hogy az apikális és a bazális felszín kaveolái egybenyílnak, csatornát képezve  Transzcitózis  elsősorban polarizált sejtekre jellemző  a sejt a fehérjéket bazolaterális membránban endocitózissal felveszi és az apikális membránba továbbítja  ellentétes irányban is működik Pl. emlősökben az anya IgG ellenanyagai a placentán transzcitózissal jutnak át a magzat keringésébe az anyatejből származó anyai antitestek (ellenanyagok) az újszülött bélhámsejtein keresztül (apikális-bazalis irány) jutnak az újszülött vérkeringésébe Fagocitózis  szilárd részecskék, nem oldott anyag felvétele  specializált sejtek (fagociták pl. makrofágok, fehér vérsejtek) funkciója  csak speciális ingerek hatására beinduló folyamat pl. antitestek a baktériumok felszínén, módosult oligoszacharidcsoportokat hordozó glikoproteinek öregedő sejteken  a bekebelezett anyag a nagyméretű, fagoszómába kerül, amely lizoszómákkal olvad össze (fagolizoszóma), és tartalmát a lizoszomális enzimek megemésztik Saját sejtalkotók megemésztése Fagocitózis Szerepe:  egysejtűekben ez a táplálékszerzés egyik módja  soksejtűekben elsősorban a környezetben elpusztult sejtek „eltakarítása” és a védekezés Exocitózis nagy molekulák kiürítése: Biológiai jelentősége: mirigysejtek váladék ürítésében (emésztőenzimek, hormonok) idegsejtek ingerületátvivő anyagának (neurotranszmitterek) ürítésében egysejtűekben salakanyag leadásában inzulin felszabadulása intracelluláris vezikulák révén a pankreász beta-sejtjeiből A sejtmembrán 3 feladata: 1. anyagfelvétel és – leadás (transzport) 2. a sejten kívülről származó ingerek felfogása, feldolgozása és továbbítása (jelátvitel), 3. sejt-sejt, ill. sejt-sejtközötti állomány közötti kapcsolatok létrehozása 2 1 A sejten kívülről származó ingerek felfogása, feldolgozása és továbbítása Sejtek közötti kommunikáció Jelátvitel Sejtek közötti kommunikáció esetén a jeladó sejt egy bizonyos jelmolekulát képez, amit a célsejt felismer (tudomásul vesz) jeladó sejt pl. specializált ideg- és mirigysejtek Minden sejt lehet jeladó és célsejt is. célsejt (jelfogó) pl. idegsejtek, izomsejtek, mirigysejtek  A sejtek közötti jelátvitel szakaszai 1. A jelmolekula szintézise a jeladó sejt által és kibocsátása az extracelluláris térbe (v. kifejezése a membránban ) 2. Transzport: a jelmolekula eljuttatása a célsejthez 3. Recepció: a jelmolekula érzékelése a célsejt által, specifikus receptor segítségével 4. Transzdukció: a jelmolekula kötődése a célsejten található specifikus receptorhoz a célsejtben szubcelluláris reakciókat vált ki (intracelluláris jelátviteli események) 5. Válasz: a jelre adott specifikus sejtválasz, amely sejt alakjának/ mozgásának, metabolikus folyamatainak v. génkifejezésének megváltozásában nyilvánul meg 6. Befejezés: a jelmolekula v. receptor inaktiválása (pl. lebontása v. újrafelvétele), mely a válasz leállítását eredményezi Jelmolekulák = ligandok = elsődleges hírvivők  feladata a sejtek közötti információ szállítása  a legtöbb jelmolekuka endogén (jeladó sejtek választják ki és rendszerint exocitózissal teszik szabaddá)  főbb típusai : hormonok, növekedési és differenciálódási faktorok, citokinek, neurotranszmitterek, nitrogén monoxid (NO), stb. Idegen jelmolekulák  az egyes jelutakra kívülről származó (exogén) természetes és szintetikus anyagok is hathatnak pl. mérgek, drogok, nikotin, koffein, gyógyszerek stb.  ezekkel a szerekkel kívülről irányíthatjuk a sejtjeink kommunikációját, azaz, a szervezetünk működését Jelmolekulák = ligandok = elsődleges hírvivők (endogén) Sejtfelszíni receptorokon ható idegen jelmolekulák (exogén) Transzport: a jelmolekulák útja változó hosszúságú lehet Közeli kommunikáció Távoli kommunikáció Közeli kommunikáció: a. indirekt (közvetett) Parakrin jelátvitel: a jeladó sejt a jelmolekulát az extracelluláris térbe juttatja és ez egyszerű diffúzióval jut el a szomszédságában levő célsejtekhez Autokrin jelátvitel: a jelmolekulát termelő sejt és a célsejt ugyanaz a jelmolekula és receptora egyazon sejten fejeződik ki Pl. növekedési faktorok gyakran daganatok kialakulásában is fontos tényező Transzport: a jelmolekulák útja változó hosszúságú lehet Közeli kommunikáció: b. direkt (közvetlen) Kontakt-függő -1 Juxtakrin jelátvitel: egy sejt felületi jelmokelulája a szomszédos sejt felületi receptorfehérjéjéhez kötődik pl. immunszinapszis, az egyedfejlődés során Kontakt-függő -2 Gap-junction (rés- kapcsolat): kis molekulák ionok, aminosavak, víz, nukleotidok) közvetlen anyagforgalma „pórusokon” keresztül: pórusátmérő < 2nm pl. szívizomsejtek között: elektromos szinapszis Transzport: a jelmolekulák útja változó hosszúságú lehet Közeli kommunikáció Távoli kommunikáció Távoli kommunikáció Endokrin jelátvitel: nagy a távolság a jelmolekulát termelő sejt és a célsejt között, a jelmolekulák (olykor transzport fehérjékhez kötötten), a keringésen keresztül jutnak el a célsejtekhez. Pl. hormonok Neurokrin v. szinaptikus jelátvitel: a jelmolekulák az axonok mentén távol levő célsejtekhez jutnak el Recepció: receptorok  feladata a jelek felfogása (IN) és ezek átalakítása másféle jelekké (OUT)  receptorok és ligandok kapcsolata „kulcs–zár” viszony A sejten belül való elhelyezkedésük alapján: 1. receptorok nélküli jelút 2. intracelluláris (citoplazmatikus vagy nukleáris) receptorok 3. sejtfelszíni receptorok citoplazmában v. direkt a sejtmagban 1. Receptor nélküli jelút Bizonyos oldott gázak áthaladnak a plazmamembránon és közvetlenül intracelluláris enzimeket aktiválnak, igen gyors választ eredményezve (néhány másodperc vagy perc) Pl. a nitrogén monoxid (NO)- az érfal simaizom sejtjeire való hatása – ellazulás (értágulás) Nitroglicerin – az angina pectoris enyhítésére– NO képződik belőle a szervezetben: szívkoszorúerek tágulása Viagra - impotencia elleni gyógyszer – hatóanyaga meghosszabbítja az NO hatását, tartós értagulat 2. Intracelluláris receptorok által közvetített jelútak  lipofil molekulák, mint a szteroid hormonok (kortizol, ösztrogén és tesztoszteron), a pajzsmirigy hormonok (pl. tiroxin), a retinolsav átjutnak a sejtmembránon, és intracelluláris (nukleáris) receptorokhoz kapcsolódnak  specifikus gének expresszióját befolyásolják  az i.c. receptorok tulajdonképpen inaktív transzkripciós faktorok (amelyeket a hormon kapcsolódása aktivál) pl. a kortizol (glukokortikoid) jelútja a mellékvesekéregben termelődik, “stressz” hatására áthatol a plazmamembránon …… meghatározott célgének átírását serkenti vagy gátolja 3. Sejtfelszíni receptorok által közvetített jelútak  a jelmolekulák túlnyomó többsége túl nagyméretű vagy hidrofil, ezért nem képes átjutni a célsejt membránján pl. vízoldékony hormonok: inzulin, glukagon, növekedési faktorok, epinefrin, hisztamin, zsíroldékony hormonok: prosztaglandinok  ezek a jelmolekulák sejtfelszíni transzmembrán receptorokhoz kapcsolódnak  a sejtfelszíni receptorok érzékelik, átalakítják, majd tovább küldik jelet a sejt belseje felé: = a transzdukció kezdete Sejtfelszíni receptorok a jeleket intracelluláris jelútakon keresztül továbbítják Transzdukció intracelluláris fehérjék, másodlagos hírvivők végzik  a jel intracelluláris továbbítása: „molekuláris staféta-futás” a hír az i.c jelút egyik jelmolekulájáról (fehérjéjéről) a másikra adódik  ez mindaddig folytatódik, míg a végrehajtó (effektor) fehérjéhez (célfehérjéhez), jut, amely aztán kiváltja a választ pl. a sejtvázat új helyzetbe hozza vagy egy gént be- vagy kikapcsol Válasz: a jelre adott sejtválasz specifikus , amely sejt alakjának/ mozgásának, metabolikus folyamatainak v. génkifejezésének megváltozásában nyilvánul meg kb. sejttípusok ugyanarra a jelre igen kb. választ adhatnak Válasz: Ugyanaz a jelmolekula különböző sejtekben különböző választ válthat ki Pl. acetilkolin - a szívizomsejtben csökkenti a kontrakció- erejét és frekvenciáját - a nyálmirigyben a szekréciót fokozza, bár a receptorok ugyanazok - a vázizomban fokozza az izomsejt összehúzódását itt egy másik receptorfehérjéhez kötődik Mások képesek azonban néhány sejt típusban ugyanazt a hatást kiváltani (pl. glukagon és epinefrin)  A sejt válasza egy extracelluláris jelre lehet gyors és lassú  bizonyos reakciók mint sejtnövekedés-sejtosztódás a génexpresszió változásait és új fehérjék szintézisét feltételezik, ezért viszonylag lassan (órák) alakulnak ki ide tartoznak: intracelluláris receptorokon ható jelmolekulák  más válaszok mint mozgásváltozás, szekréció vagy anyagcsere-változások meglévő, kész fehérjéket használnak a válaszhoz, nem igénylik a génexpresszió megváltozását, ezért gyorsabban játszódnak le Befejezés: a jelmolekula (4) vagy receptor inaktiválása (bevonás (1), lebontás (2), inaktiválás (3), gátlás (5), mely a válasz leállítását eredményezi = a célsejt deszenzitizációja