מצגת 4 - מעבר חומרים דרך הממברנה PDF
Document Details
Uploaded by GallantVorticism
Tags
Summary
This presentation discusses the different methods of transporting materials across cell membranes. It covers topics such as passive and active transport, various membrane proteins, and the electrochemical gradient. It also includes examples of active transport mechanisms and how they function.
Full Transcript
מעבר חומרים דרך הממברנה תאים חיים וגדלים בעזרת חילוף חומרים עם הסביבה הממברנה התאית עשויה ליפידים וחוסמת מעבר חומרים מסוימים. אך התא חייב לקבל חומרי מזון מהסביבה כמו סוכרים ולהוציא רעלים. ממברנת הת...
מעבר חומרים דרך הממברנה תאים חיים וגדלים בעזרת חילוף חומרים עם הסביבה הממברנה התאית עשויה ליפידים וחוסמת מעבר חומרים מסוימים. אך התא חייב לקבל חומרי מזון מהסביבה כמו סוכרים ולהוציא רעלים. ממברנת התא מעבירה מולקולות קטנות מומסות במים. רוב החומרים עוברים דרך חלבוני הובלה ממברנלים ) (membrane transport proteinsאשר מאפשרים מעבר סלקטיבי של חומרים: -חלבונים נשאים ) (carrier proteinsמעבירים מולקולות אורגניות קטנות ויונים אנאורגנים ע"י הנעת אזורים בחלבון ושינוי קונפורמציה )=מבנה מרחבי( של החלבון. -חלבוני תעלה ) (channel proteinsשלרוב נקראים תעלות יונים ,יוצרים תעלה הידרופילית ולכן יונים אנאורגניים יכולים לעבור ע"י דיפוסיה. תאים שומרים על ריכוז יונים פנימיים השונה מריכוז היונים מחוץ לתאים הבדלי הריכוזים חשובים לפעילות ושרידות התא. ריכוז הנתרן גבוה מחוץ לתא וריכוז האשלגן גבוה בתוך התא. יונים אלו טעונים חיובית וכדי לשמור על שווי משקל חשמלי בין צידי הממברנה התא שומר על ריכוזי Cl-גבוהים מחוץ לתא המנטרלים את הנתרן. אניונים מסוימים מנטרלים את האשלגן )טעון חיובית( בתוך התא. ממברנת התא לא חדירה ליונים ומומסים הממברנה ההידרופובית מהווה מחסום למעבר מומסים ויונים. אך כל מולקולה יכולה לעבור את הממברנה בהינתן מספיק זמן! קצב מעבר המולקולה דרך ממברנות נקבע ע"י תכונות המולקולה: מולקולות קטנות לא טעונות כמו חמצן ופחמן דו חמצני עוברות בקלות דרך ממברנות בתא. מולקולות קוטביות לא טעונות עוברות גם הן יחסית בקלות דרך הממברנה :לדוגמה ,מים ) 18דלטון( ואתנול ) 46דלטון( עוברים בקלות.גליצרול ) 92דלטון( עובר פחות טוב ,וגלוקוז ) 180דלטון( כמעט ולא עובר. ממברנת התא כמעט ולא חדירה ליונים ומולקולות טעונות. לכן ,מולקולות רבות עוברות את הממברנה בעזרת חלבוני הובלה. חלבוני הובלה מתחלקים לשני סוגים: נשאים ותעלות חלבוני הובלה נמצאים בתאים רבים ומאפשרים הובלת חומרים סלקטיבית דרך ממברנות.הרכב החלבונים בממברנה יקבע את סוג החומרים שיעבור דרכה. חלבוני הובלה חוצים את הממברנה מספר פעמים וכך יוצרים מעבר הידרופילי המאפשר למולקולות לעבור מבלי לבוא במגע עם הממברנה ההידרופובית. תעלות מבדילות בין מומסים שונים על פי גודל ומטען ומאפשרות למולקולות קטנות מספיק ובעלות המטען המתאים לעבור. לעומת זאת ,חלבונים נשאים מאפשרים מעבר חומרים מתאימים ע"י קישור לחלבון הנשא ,שינוי הקונפורמציה של החלבון הנשא ומעבר של החומר. מומסים חוצים את הממברנה במעבר פסיבי ואקטיבי כיצד נקבע כיוון מעבר החומרים דרך חלבוני ההובלה? - passive transportחומרים יעברו מריכוז גבוה לנמוך בעזרת תעלות או נשאים מסוימים באופן פסיבי ללא צורך בהשקעת אנרגיה. - active transportכדי להעביר חומרים כנגד ריכוזם החלבון צריך לבצע עבודה הדורשת אנרגיה.סוג זה של מעבר נעשה בעזרת חלבוני נשא המנצלים אנרגיה למעבר החומר. דוגמה לנשא אקטיבי בתאי שריר שלד ישנו מאגר סידן באזור ב ERהנקרא ).Sarcoplasmic Reticulum (SR כאשר שריר מקבל אות ,יש מעבר סידן פסיבי דרך תעלה מה SR-לתוך הציטוזול. בכדי להחזיר את המצב לקדמותו )מאגר סידן ב (SRיש מעבר הובלה אקטיבית של סידן חזרה דרך חלבון נשא. חלבון זה חוצה את הממברנה עם 10סלילי אלפא. המנגנון :זרחון התעלה גורם לשינוי מרחבי של אזור האקטיבציה של החלבון.שינוי זה גורם לארגון מחדש של סלילי האלפא המאלץ יוני סידן שנקשרו לעבור לתוך ה.SR- דוגמה לנשא פסיבי דוגמה לנשא פסיבי הוא נשא גלוקוז הנמצא בממברנת התא של תאי כבד. נשא זה חוצה את הממברנה 12פעמים ויכול להימצא בשתי קונפורמציות ועובר ביניהם באופן הפיך ואקראי: בקונפורמציה אחת הנשא חושף את אזור קשירת הגלוקוז לחוץ התא ובשנייה חושף אזור זה לתוך התא. הגלוקוז עובר מאזור בו ריכוזו גבוה לאזור בו ריכוזו נמוך. כאשר ריכוז הגלוקוז גבוה מחוץ לתא הוא עובר לתא ע"י קישור לנשא. כאשר ריכוז הגלוקוז בדם נמוך ההורמון גלוקגון מעביר אות לתאי הכבד ליצור גלוקוז ע"י שבירה של גליקוגן.ריכוז הגלוקוז בתא עולה וגלוקוז נקשר לנשא ומועבר אל מחוץ לתא. הכוח המניע מעבר פסיבי של מומסים טעונים תלוי בשני משתנים: -חשמלי -ריכוז החומר אשר יחד יוצרים את המפל האלקטרוכימי ).(electrochemical gradient לעיתים ריכוז החומר ומטענו פועלים להעברה פסיבית של החומר לאותו כיוון כמו במקרה של נתרן שריכוז גבוה מחוץ לתא ומטענו חיובי )מטען תוך התא ברוב המקרים שלילי( . לעיתים למטען וריכוז החומר השפעות הפוכות ,כמו במקרה של אשלגן שמטענו חיובי אך ריכוזו מחוץ לתא נמוך )יחסית לתוך התא( ולכן המפל האלקטרוכימי של אשלגן קטן. חומרים עוברים כנגד המפל האלקטרוכימי בעזרת הובלה אקטיבית תאים מעבירים חומרים כנגד המפל האלקטרוכימי בכדי לשמור על ההרכב היוני התוך תאי. תאים מעבירים חומרים באופן אקטיבי בשלוש דרכים: .1הובלה מצומדת -חומר בריכוז נמוך מועבר לאזור בו ריכוזו גבוה ,באותו הזמן שבו חומר שריכוזו גבוה מועבר לאזור בו ריכוזו נמוך. .2משאבות אשר מונעות ע"י - ATPמעבר החומר במעלה ריכוזו נמצא בצימוד להידרוליזה של .ATP .3תעלות מונעות ע"י אור -מעבר החומר מצומד לאנרגית אור )מצוי בעיקר בבקטריות(. תאים משתמשים בהידרוליזה של ATP בכדי להוציא נתרן אל מחוץ לתא משאבת נתרן-אשלגן :Na+-K+ pump משאבה זו פועלת להורדת ריכוז הנתרן בתא ) 10-30יותר נמוך בתא( )הנתרן חודר לתא דרך תעלות אחרות( ולהעלאת ריכוז האשלגן בתא ) 10-30יותר גבוה בתוך התא(. משאבה זו משתמשת ב 30%מתצרוכת ה ATPבתא. המשאבה מפרקת ATPל ADP-ומשתמשת באנרגיה להעביר נתרן. המשאבה היא גם אנזים .ATPase משאבה זו מצמדת מעבר נתרן אל מחוץ לתא במעבר אשלגן אל פנים התא. משאבת נתרן-אשלגן מונעת ע"י הוספה זמנית של זרחן נתרן נקשר בתוך התא ומפעיל את ה .ATPase ATPמתפרק ל ADPוקבוצת הזרחן יוצרת קשר עתיר אנרגיה במשאבה. הזירחון גורם לשינוי קונפורמציה ולשחרור הנתרן ובו זמנית לקישור האשלגן. קישור האשלגן מזרז את שחרור הזרחן והמשאבה חוזרת לקונפורמציה הקודמת.האשלגן משתחרר https://www.youtube.com/watch?v=GT HWig1vOnY&ab_channel=Oboeplaye לתוך התא. r511 מעגל זה שאורך כ 10-אלפיות השניה ,יכול לחזור על עצמו. המשאבה עובדת בשלבים וכאשר חסר יון מסוים התהליך נעצר ,מה שמונע בזבוז .ATP )עוד( קצת טרמינולוגיה לפני שממשיכים... מעבר שני חומרים לכיוון אחד דרך הממברנה = symport מעבר בכיוונים נגדיים = antiport מעבר חומר אחד = uniport נשא נתרן-גלוקוז משתמש במפל האלקטרוכימי של הנתרן בכדי להכניס גלוקוז יוני הנתרן ומולקולת הגלוקוז נקשרים לנשא כיחידים ,אך נקשרים ביעילות גדולה יותר יחדיו. הנתרן משנה את מבנה החלבון לבעל זיקה גבוהה יותר לגלוקוז ולהפך. מאחר וריכוז הנתרן גבוה יותר מחוץ לתא ,מעבר הגלוקוז הוא לתוך התא. איזון אוסמוטי – חשוב לכל התאים מעבר מים מריכוז נמוך של מומסים לריכוז גבוה נקרא אוסמוזה ).(osmosis מעבר מים לתוך התא יגרום לו להתנפח עד כדי פיצוץ.מה עושים? .1בבע"ח :התא שואב מומסים לא רצויים אל מחוץ לתא כדי לשמור על איזון אוסמוטי. העבודה נעשית בעיקר ע"י משאבת נתרן-אשלגן אשר בעקיפין מונעת גם מעבר לתוך התא של כלור ע"י שמירה על פוטנציאל הממברנה.אם משאבה זו לא עובדת התא סופג נתרן וכלור ועלול להתפוצץ. .2בצמחים :דופן התא מאפשרת לשאת הבדלים אוסמוטיים גדולים.תאי הצמח יוצרים לחץ נגדי )לחץ טורגור( המונע כניסה נוספת של מים ומעניק נוקשות לתאי הצמח. .3בפרוטוזואה :עודף מים נאגר בבועיות ומשתחרר אל מחוץ לתא.התא מאפשר לבועיות להתמלא במומסים ומים עוברים באוסמוזה לתוכם.התא מרוקן את המומסים לתוך הציטופלסמה ע"י משאבה לפני ריקון הבועית אל מחוץ לתא. תעלות יונים לתעלות היונים תכונות המבדילות אותם מנקבוביות יונים כלליים )כגון ה :(porins (1תעלות יונים הן סלקטיביות -מאפשרות מעבר יונים הנקבע ע"פ גודל ,צורת וקוטר התעלה וחומצות האמיניות הטעונות לאורכה )למשל, תעלות צרות לא יאפשרו מעבר יונים גדולים ובעלי מטען דומה(. היונים יוצרים מגע זמני עם החומצות האמיניות לאורך התעלה. ישנו קצב מעבר מקסימלי של יונים דרך התעלה. (2תעלות היונים לא פתוחות כל הזמן.הן נפתחות ונסגרות במהירות. רוב התעלות הם ,gatedכלומר גירוי מעורר אותם להיות במצב פתוח או סגור ע"י שינוי קונפורמציה. תפקיד התעלות הוא להעביר יונים בעזרת מפל אלקטרוכימי. תהליך זה אינו מצומד להעברת מומסים. מעבר יונים גורם להיווצרות אות חשמלי ומשנה את פוטנציאל הממברנה.תעלות אחרות אשר רגישות לשינויים אלו במתח החשמלי נפתחות גם הן וכך יכול אות חשמלי לעבור מאזור אחד לשני כמו בתא עצב. תעלות יונים נבדלות ע"י היונים שהן מעבירות אך גם ע"י התנאים שמאפשרים את פתיחתן פתיחת Voltage-gated channelsנשלטת ע"י פוטנציאל הממברנה. פתיחת Ligand-gated channelsנשלטת ע"י קישור מולקולה )ליגנד( לתעלה. פתיחת Stress-activated channelsנשלטת ע"י כוח מכני המופעל על הממברנה. פוטנציאל הממברנה נקבע על פי החדירות ליונים ספציפיים מעבר יונים דרך תעלות יוצר זרם חשמלי.הצטברות יונים בצד אחד של הממברנה שאינו מאוזן ע"י מטען הפוך בצד השני של הממברנה -יוצר פוטנציאל ממברנלי. מטען שלילי בתוך התא מאוזן במצב מנוחה בעיקר ע"י מטען חשמלי של אשלגן. ריכוז גבוה של אשלגן אפשרי בעזרת משאבת נתרן-אשלגן אשר שואבת אשלגן לתוך התא. פוטנציאל המנוחה בממברנה ישנן תעלות אשלגן מסוג K+ leak channelsאשר עוברות ממצב פתוח לסגור ללא קשר למצב התא ומאפשרות מעבר אשלגן באופן חופשי. האשלגן ינוע עד אשר המטען החשמלי הפועל על יוני האשלגן יאזן את הכוח המופעל ע"י הבדלי הריכוזים.במצב זה יש עדיין ריכוז גבוה יותר של אשלגן בתוך הת א . חישוב מתח הממברנה משוואת נרנסט משמשת למציאת הפוטנציאל החשמלי של ממברנת התא ביחס ליון אחד ,אם ריכוז היון בתוך ומחוץ לתא ידוע. אם תעלות אחרות נפתחות כמו תעלות נתרן ,ונתרן עובר לתוך התא בגלל מפל הריכוזים אז פוטנציאל הממברנה נעשה פחות שלילי. פוטנציאל הפעולה נוצר ע"י תעלות נתרן מבוקרות מתח פוטנציאל פעולה נוצר ע"י שינויי מתח מקומיים הנקראים דה-פולריזציה :מתח הממברנה נעשה פחות שלילי. דה-פולריזציה חזקה מספיק גורמת לפתיחה זמנית של תעלות נתרן מבוקרות מתח voltage gated Na+ channelsמה שמאפשר כניסת נתרן לתא דרך תעלות אלו במורד מפל הריכוזים האלקטרוכימי. כניסת נתרן לתא גורמת לדה-פולריזציה נוספת הפותחת תעלות נתרן נוספות ולכניסת נתרן נוספת לתא ולדה-פולרזציה נוספת... תהליך זה נמשך כך שתוך מילישניה פוטנציאל הממברנה עובר מ -60ל +40מיליוולט. מתח זה קרוב לשיווי המשקל האלקטרוכימי של נתרן כך שאין יותר כוח הדוחף את הנתרן לצאת או להיכנס לתא )ריכוז היון והמתח על הממברנה הפוכים ושווים בכוח שהם מפעילים על היון(. התקדמות פוטנציאל הפעולה אזור מסוים בתא שעובר דה-פולריזציה יכול להפעיל אזור סמוך שבו יופעלו תעלות הנתרן וכך מתקדם פוטנציאל הפעולה. החזרה לפוטנציאל מנוחה במצב זה התא נמצא עם פוטנציאל ממברנה גבוה וסיגנל תמידי. מצב זה מתוקן ע"י היכולת של תעלת הנתרן להיכנס אוטומטית למצב של אינאקטיבציה שבו היא לא מעבירה נתרן יותר למרות שפוטנציאל הפעולה עדיין חיובי. ממברנת התא נעזרת בתעלות אשלגן מבוקרות מתח voltage-gated K+בכדי לחזור למתח במצב מנוחה )פוטנציאל מנוחה(.תעלות אלו נפתחות גם הן ע"י דה- פולריזציה אך בקצב איטי יותר מתעלות הנתרן.תעלות אלו נשארות פתוחות כל עוד ממברנת התא בדה-פולריזציה.במצב זה כאשר פוטנציאל הפעולה מגיע לשיא אשלגן מתחיל לזרום במורד מפל האלקטרוכימי. מעבר היונים דרך תעלות האשלגן מביא את פוטנציאל הממברנה למצב של פוטנציאל המנוחה מהר יותר מאשר אם זרימת האשלגן הייתה מתרחשת רק דרך תעלות זליגת אשלגן. How does it sound? תעלות סידן מבוקרות מתח הופכות אותות חשמליים לאותות כימיים בקצוות תאי העצב אקסוציטוזה השחרור של הבועיות מתאפשר בעזרת תעלות סידן מבוקרות מתח .voltage-gated Ca2+ channels כאשר פוטנציאל הפעולה מגיע לקצה האקסון הוא פותח תעלות אלו ומאפשר מעבר סידן במורד המפל האלקטרוכימי. עליה בסידן בציטופלסמה של קצות העצב מאפשרת את מיזוג הבועיות עם הממברנה הפרה-סינפטית ושחרור הנוירוטרנסמיטרים למרווח הסינפטי. נוירוטרנסמיטרים אלו מפעילים קולטנים בתא הפוסט-סינפטי וגורמים להפעלתו. הקולטן לאצטילכולין בסינפסת עצב-שריר הנוירוטרנסמיטר בסינפסת עצב-שריר הוא אצטילכולין ).(acetylcholine אצטילכולין נקשר לקולטן פוסט-סינפטי אשר בנוי מחמש יחידות הבונות תעלה בעזרת סלילי אלפא. חומצות אמיניות שליליות בקצה התעלה מאפשרות ליונים טעונים חיובית בלבד לעבור )כגון נתרן ואשלגן(. תרופות פסיכואקטיביות שונות פועלות על תעלות שהם קולטנים לנוירוטרנסמיטרים רוב התרופות המשפיעות על אינסומניה ,חרדה ,דיכאון, סכיזופרניה וכו' פועלות על הסינפסות ורובן על תעלות שהן קולטנים לנוירוטרנסמיטרים. ברביטורטים ) (barbituratesוסמים מרגיעים כגון וואליום, הליקון וטמזפאם ) (temazepamלדוגמה נקשרים לקולטני .GABAקשירתם לקולטנים מאפשרים פתיחה קלה יותר ע"י GABAוגורמים לתא להיות רגיש יותר לפעילות של .GABA פרוזק מעכב ספיגת סרוטונין ) (serotoninמהסינפסה ומעלה את ריכוזו. מספר הנוירוטרנסמיטרים גדול וישנם קולטנים רבים ל,GABA לאצטילכולין ,לגלוטמט וכו'. מושגים חשובים: איזו מולקולה או יון יעברו במהירות וביעילות הרבה ביותר בדיפוזיה דרך ממברנת התא? אMg2+ - ב -גלוקוז ג -חומצה נוקלאוטידית ד -חמצן איזה סוג של נשא מעביר גלוקוז לתוך התא כנגד מפל הריכוזים שלו ,תוך שימוש באנרגיה ממעבר של יון אחר? אglucose uniport - בNa+-glucose antiport - גK+-glucose symport - דNa+-glucose symport - הK+-glucose antiport - בשיא פוטנציאל הפעולה ועם תחילת הירידה לכיוון פוטנציאל מנוחה )ירידה מ 30 מיליוולט למינוס 70מיליוולט(: א -נפתחות תעלות אשלגן תלויות מתח ב -נסגרות תעלות אשלגן תלויות מתח ג -נפתחות תעלות נתרן מכל הסוגים ד -מתרחשת דה-פולריזציה של הממברנה דה-פוספורילציה )הורדת הזרחן( ממשאבת נתרן-אשלגן תגרום באופן ישיר ל: א -הכנסת אשלגן לתא ב -הוצאת אשלגן מהתא ג -הכנסת נתרן לתא ד -הוצאת נתרן מהתא