*Ivana FELLNEROVÁ, PřF UP Olomouc*

Transkript

1

2 Faktory ovlivňující transport přes membrány Velikost molekul: Malé molekuly jako voda, kyslík, kysličník uhličitý mohou volně procházet přes membrány, na rozdíl od většiny větších molekul. Rozpustnost v tucích: Látky rozpustné v tucích (nepolární, hydrofóbní) procházejí přes membrány snadno glycerol, mastné kyseliny Náboj: Fosfolipidová dvojvrstva je pro veškeré nabité částice (ionty) nepropustná. Existence kanálů a přenašečů Tyto proteinové přenašeče transportují jsou nezbytné pro přenos polárních nabitých a v tucích nerozpustných molekul přes membránu

3 Membranový transport: přehled A: Klasifikace z hlediska fyzikálního 1. Transport přímo přes membránu Difůze Osmóza 2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových proteinů Kanály Přenašeče 3. Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza B: Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport Osmosa Prostá difůze Usnadněná difůze 2. Aktivní transport Primární aktivní transport Uniport Spřažený transport Symport Antiport Sekundární aktivní transport Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza

4 A. Membranový transport z hlediska fyzikálního Pomocí transportních proteinů 1. Přímo přes membránu Prostřednictvím membránových váčků kyslík glycerol CO 2 voda Mastné kyseliny ethanol Ionty Aminokyseliny Glukóza Nukleotidy neurotronsmitery viry LDL,HDL proteiny difůze / osmóza KANÁL usnadněná difůze PŘENAŠEČ přenašečový transport Fagocytóza Endo-/Exocytóza

5 B. Membránový transport na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport Pasivní transport ATP 2. ATP Osmóza Prostá difůze Usnadněná difůze Aktivní transport Aktivní transport voda P kanály přenašeče přenašeče

6 DIFŮZE = pohyb molekul z místa vyšší koncentrace do místa nižší koncentrace

7 Základní pravidla prosté difůze: Molekuly se pohybují z místa vyšší koncentrace do místa nižší koncentrace. Rozdíl mezi koncentracemi obou složek nazýváme koncentrační spád (gradient). Molekuly obou složek se mísí dokud nenastane rovnováha Čím větší je rozdíl v koncentracích dvou složek větší, tím rychleji se molekuly pohybují ATP Difůze je samovolný proces nevyžaduje přísun energie z jiného zdroje, využívá pouze kinetickou energii mísících se molekul Nízká teplota Difůze je nepřímo úměrná velikosti molekul. Větší molekuly difundují pomaleji. Pomalá difůze Difůze je přímo úměrná teplotě. Při vyšší teplotě je difůze rychlejší Rychlá difůze Vysoká teplota

8 Pravidla specifická pro difůzi přes membrány: Rychlost difůze závisí na rozpustnosti molekul v membránových lipidech je přímo úměrná ploše membrány je nepřímo úměrná tloušťce membrány rozpustné méně rozpustné nerozpustné

9 Difůze molekul vody přes semipermeabilní membránu nazýváme OSMÓZA Rozpuštěná látka voda Semipermeabilní membrána je propustná pro vodu ale ne pro rozpuštěnou látku.

10 Jak poznáme, že mezi dvěma roztoky probíhá osmóza? Jak určíme směr pohybu molekul vody? Srovnáním koncentrace obou biologických roztoků (%, g/l) Nižší koncentrace Vyšší koncentrace Stejná koncentrace Osmóza Osmóza neprobíhá

11 Pokud srovnáváme koncentraci dvou roztoků s rozdílnými rozpuštěnými látkami, je v souvislosti s osmotickými ději správné používat termín OSMOLARITA (Osm) = počet osmoticky aktivních částic (molekul, resp. iontů) v 1 litru roztoku U disociujících látek: 1 OsM = 1 M x počet iontů počet molekul U nedisociujících látek: 1 OsM = 1 M 1 mol = 6.02 x molekul ( Avogadrova konstanta)

12 Roztok A semipermeabilní membrána Roztok B H 2 O H 2 O 50 Částic v 1 litru roztoku Vyšší osmolarita (více částic v litru roztoku) 10 Částic v 1 litru roztoku Nižší osmolarita (méně částic v litru roztoku) Voda se vždy bude pohybovat z roztoku B do roztoku A Hyperosmotický k roztoku B Hyposmotický k roztoku A

13 Rozpuštěná látka H 2 O rozpouštědlo Nižší osmolarita (méně částic na objem. jednotku) Vyšší osmolarita (více částic na objem. jednotku) Kg (pound) Voda je (na základě koncentračního gradientu) nasávána do válce přes semipermeabilní membránu

14 Rozpuštěná látka H 2 O rozpouštědlo Nižší osmolarita (méně částic na objem. jednotku) Vyšší osmolarita (více částic na objem. jednotku) Kg (pound) OSMOTICKÝ TLAK Voda je (na základě koncentračního gradientu) nasávána do válce přes semipermeabilní membránu Sílá, která zvedá závaží, se nazývá..

15 Membranový transport: přehled A: Klasifikace z hlediska fyzikálního 1. Transport přímo přes membránu Difůze Osmóza 2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových proteinů Kanály Přenašeče 3. Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza B: Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport Osmosa Prostá difůze Usnadněná difůze 2. Aktivní transport Primární aktivní transport Uniport Spřažený transport Symport Antiport Sekundární aktivní transport Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza

16 kanály ATP Prostá difůze Spojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky Tvoří vodou vyplněný pór Transportují malé molekuly, především ioty a vodu Transport probíhá velmi rychle přenašeče ATP Aktivní transport Nikdy přímo nespojují vnější prostředí s vnitřním ATP Usnadněná difůze Vyskytují se ve dvou konformacích jsou otevřeny buď ven z buňky nebo dovnitř buňky Transportují větší molekuly [glukóza, nukleotidy] Transport je pomalejší ale vysoce selektivní

17 ATP Prostá difůze Kanály: Otevřené kanály Umožňují volný pohyb iontů oběma směry. Nazývají se póry. Otevřené kanály pro transport vody se nazývají akvaporiny. Vrátkové kanály Součástí kanálu jsou tzv. vrátka speciální proteinová oblast, která uzavírá vstup do kanálu. Otvírání vrátek je vyvoláno specifickými podněty a tím je regulován pohyb částic kanálem. Membrána Intracelulární prostor Vrátka otevřena Vrátka uzavřena

18 Vrátkové kanály - regulace ATP Simple diffusion Otvírání vrátek je regulováno následujícími mechanismy: A. Elektrickým signálem B. Vazbou chemického mediátoru (Intracelulárně nebo extracelulárně) C. Fyzikálními vlivy [teplota, tlak] A. Elektricky regulován B. Chemicky regulován C. Mechanicky regulován Změna polarity membrány ligand mediátor teplota tlak

19 Většina kanálů jsou tzv. Iontové kanály Funkce iontových kanálů: transportují výhradně anorganické ionty, především, K +, Cl - aca 2+ na zlomky sekund se otvírají a umožní tak transport iontů, pro které je jinak membrána nepropustná Typické vlastnosti iontových kanálů: Bacteriální K+ kanál Tvoří selektivní filtr, který kontroluje, jaké ionty mohou přes kanál projít a které ne. Iontově specifické: Kanálem mohou být transportovány pouze ionty, pro které je daný kanál specifický. Selektivita závisí na průměru, tvaru a typu aminokyselin ve vnitřní části kanálu Vrátkové: Iontové kanály se otvírají pouze na krátkou dobu, většinu času jsou uzavřeny

20 a jejich role při vzniku NERVOVÉHO SIGNÁLU

21 TRANSPORTNÍ MEMBRÁNOVÉ PROTEINY Na + Na + Na Jsou zodpovědné za vznik elektrického impulzu (AP akční potenciál) a tím šíření nervového vzruchu...

22 Nerovnoměrná distribuce iontů na membráně Hlavním kationtem vně buňky je sodíkový iont. Vysoká koncentrace vně buňky a K + uvnitř buňky je v buňce zajišťován tzv. sodno-draselnou pumpou Na+ K+ pumpa neustále transportuje ven z buňky ak + dovnitř buňky. K činosti pumpy je potřeba energie Uvnitř buňky je náboj mírně negativní: většina organických molekul [ bílkoviny] uvnitř buňky má negativní náboj; ten je vyrovnán sodíkovými kationty K+, hlavním intracelulárním kationtem

23 + - kationty vně buňky a anionty uvnitř buňky jsou vzájemně přitahovány, ale jsou oděleny membránou Pokud by se membrána stala pro tyto ionty dočasně propustná Ionty by se rychle pohybovaly směrem po koncentračním spádu. Buněčná membrána plní funkci přehradní hráze: Membrána odolává elektrochemickým silám, které navzájem ionty přitahují Ionty [podobně jako voda za přehradní hrází] mají potenciální energii. Separací + a - nabitých částic je na membráně vytvořen elektrický potenciál

24 Membránový potenciál Vyjadřuje rozdíl mezi: + - nábojem vně buňky nábojem uvnitř buňky Buňka v klidovém stavu [transport iontů přes membránu je v rovnováze], má tzv. klidový membránový potenciál. Membránový potenciál je vyjádřen rozdílem napětí (volty, milivolty) vně a uvnitř membrány uvádí se v záporných hodnotách vzhledem k zápornému náboji uvnitř buňky. pohybuje se v rozpětí -20mV až -200 mv, v závislosti na organismu a typu buňky.

25 Elektricky řízené kanály a membránový potenciál Elektricky řízené kanály mají speciální proteinovou doménu, která je mimořádně citlivá na změny elektrického membránového potenciálu. Elektrické změny nad prahem citlivosti způsobí otevření kanálu Otevřený kanál umožní rychlý průtok iontů membránou. Tok iontů je zaznamenán jako elektrický proud, který náhlé změní polaritu membrány. Na + Na + Na Tento elektrický signál na membráně neuronů je nazýván nervový impulz nebo akční potenciál [AP] AP je obvykle vyvolán elektricky řízenými Na+ kanály AP umožňuje rychlý přenos nervového signálu mezi vzdálenějšími místy. Změna membránového potenciálu

26 + Na _ _ ++ _ + _ + kanál _ pčenašeč + - ENERGIE

27 _ _ kanál _ pčenašeč _ depolarizace membrány _

28 Porucha činnosti a vznik nemoci CYSTICKÁ FIBRÓZA

29 Cystická fibróza Dědičné onemocnění Postihuje nejvíce plíce a slinivku břišní Vyznačuje se produkcí abnormálně hustého mukózního sekretu Hustý mukózní sekret ucpává vývod pankreatu Hustý mukózní sekret ucpává dýchací cesty, ztěžuje dýchání a je příčinou častých infekcía Mukózní sekret omezuje vývod pankreatické šťávy a tím zhoršuje trávení a vstřebávání živin vývod pankreatu slinivka žaludek

30 CYSTICKÁ FIBRÓZA porucha chemicky regulovaného kanálu, který transportuje Cl- ionty ven z buňky Důsledek: Nepropustnost plazmatické membrány pro Cl - Tím je porušen i transport sodíku NaCl se akumuluje v dýchacích cestách. Slané prostředí navíc inhibuje defensin obrannou látku dýchacích cest proti vstupu baktérií. Vytvářejí se fibrózní cysty na plicích a v pankreatu, kde blokují sekreci enzymů.

31 Přenašeče ATP ATP Přenašeče mají jedno nebo více specifických vazebných míst pro přenášenou částici. Vazebné místo se střídavě otevírá na jednu stranu Membrány a následně na druhou stranu.. Nikdy netvoří přímé spojení mezi extracelulárním a intracelulárním buněčným prostorem Přenašeče se vyskytují ve dvou prostorových formách (konformacích): Forma A : vazebné místo pro přenášenou částici je otevřeno ven z buňky Forma B : vazebné místo pro přenášenou částici je otevřeno dovnitř buňky A B

32 Přenašeče: Typ a počet transportovaných částic ATP ATP Uniport přenašeč, který transportuje pouze jeden typ částice Spřažený transport přenašeč transportuje dva typy molekul najednou Symport: molekuly jsou transportovány stejným směrem Antiport: molekuly jsou transportovány v opačném směru uniport symport antiport

33 ATP Přenašeče Usnadněná difůze Transport nevyžaduje energii Probíhá po koncentračním spádu (z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). ATP Aktivní transport Přenašečový transport, který vyžaduje energii Probíhá proti koncentračnímu spádu (z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). Takové přenašeče nazýváme pumpy. ATP Usnadněná difůze ATP Aktivní transport - pumpa Dolů z kopce Do kopce P

34 Na+ K+ pumpa Neustále pumpuje Na+ ionty ven z buňky K+ dovnitř buňky A vytváří tak trvalý gradient, který je využíván k dalším Procesům v těle

35 Existuje několik cest, kterými je glukóza přiváděna do buněk

36 GLUKÓZA: Transport pasivní - usnadněnou difůzí ATP Transport glukózy z krve do buněk probíhá usnadněnou difůzí. (Aktivní spřažený glukózovy transport viz dále)] Rychlost usnandněné difůze glukózy přes membránu buněk je přímo závislá na koncentraci glukózy v plazmě (glykémii). Pokud je koncentrace glukózy v plazmě abnormálně nízká [hypoglykémie], pak transport glukózy především do mozkových buněk může být nedostačující. Těžká hypoglykémie např. u diabetiků předávkovaných inzulinem může vést k bezvědomí (hypoglykemický šok) nebo dokonce ke smrti.

37 GLUKÓZA: Transport aktivní spřažený Na+ transport ATP Sekundární aktivní transport: Na+ jsou transportovány po směru koncentračního spádu a s sebou strhnou glukózu proti směru koncentračního spádu Primární aktivní transport: Na+ a K+ jsou aktivně pumpovány Proti směru koncentračního spádu A vytváří tak trvalý gradient V koncentraci Na+ a K+

38 Glukózový přenašečový protein je součástí buněčných membrán a zásadním způsobem ovlivňují metabolismus glukózy v těle Při funkčních poruchách těchto membránových molekul dochází k onemocnění např. Diabetes mellitus cukrovka, úplavice cukrová

39 INZULIN GLUT 4 (přenašeč pro glukózu) Udržení fyziologické GLYKÉMIE (6 mmol/l) Další GLUT 4 BUNĚČNÁ MEMBRÁNA INZULÍNOVÝ RECEPTOR - STIMULACE Transport glukózy do buňky Přemístění váčku k membráně a zabudování glukózových přenašečů do membrány GLUT 4 váček Signální dráha inzulinu k membránovému váčku s GLUT 4 přenašeči Normální stav

40 GLUT 4 (přenašeč pro glukózu) vysoká GLYKÉMIE GLUT 4 (přenašeč pro glukózu) BUNĚČNÁ MEMBRÁNA INZULÍNOVÝ RECEPTOR NEDOSTATEK inzulinu Příjem glukózy buňkou je omezen Nedostatečná stimulace receptoru k inzulínu Glukózové přenašeče nejsou transportovány do membrány - NEDOSTATEK PŘENAŠEČU GLUT 4 váček SIGNÁL JE NEDOSTATEČNÝ DIABETES I typu IDDM (insulin dependent Diabetes mellitus)

41 GLUT 4 (přenašeč pro glukózu) vysoká GLYKÉMIE GLUT 4 (přenašeč pro glukózu) BUNĚČNÁ MEMBRÁNA INZULÍNOVÝ RECEPTOR NADBYTEK inzulinu Příjem glukózy buňkou je omezen Snížená citlivost receptoru k inzulínu Glukózové přenašeče nejsou transportovány do membrány - NEDOSTATEK PŘENAŠEČU GLUT 4 váček SIGNÁL JE NEDOSTATEČNÝ DIABETES II typu IIDM (insulin independent Diabetes mellitus)

42 Membranový transport: přehled A: Klasifikace z hlediska fyzikálního 1. Transport přímo přes membránu Difůze Osmóza 2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových proteinů Kanály Přenašeče 3. Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza B: Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport Osmosa Prostá difůze Usnadněná difůze 2. Aktivní transport Primární aktivní transport Uniport Spřažený transport Symport Antiport Sekundární aktivní transport Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza

43 ATP Membrane-bound vesicle Endocytosis It is essential function, always taking place. The cellular uptake of particles, that are too large to cross the membrane Cells use two basic mechanisms to move larger particles in or out of the cell. Phagocytosis cell eatting process occurs only in certain type of white blood cells called phagocytes It can be: 1. nonselective [pinocythosis process when extracellular fluid droplets enter cell] 2. highly selective allows only specific molecules to enter the cell [receptor mediated endocythosis] Exocytosis - opposite of endocytosis. Cell uses it to export proteins synthesized within the cell and to get rid of waste, left in lysosomes. Process by which cells engulfs a foreigner particle [or bacteria] into vesicles. Vesicles fuses with lysosome and digest enzyme destroy the particles.

44 SNAREs proteins SNAREs are transmembrane proteins which help direct transport vesicles to their target membrane. v-snares are marker protein on the vesicles t-snares are marker protein on the target membrane v-snares bind to complementary t-snares on the target membrane SNAREs proteins play a central role in membrane fusion Pairing of complementary v-snares and t-snares forces the two lipid bilayers fuse

45 Synapse: Endocytosis / exocytosis Protein exocytosis

46 Receptor mediated endocytosis ATP By receptor mediated endocytosis are transported protein hormones, growth factors, antibodies, cholesterol. Protein receptors on the cell surface bind to their specific ligand Cell membrane creates little pit and small vesicles which separate from membrane Abnormalities in receptor-mediated removal of cholesterol Cholesterol must be bind to lipoprotein LDL for transport in the blood. Cholesterol is taken into cell by LDL-receptor endocythosis. Genetic defect [hypercholesterolemia] decreases number of LDL receptors. Cholesterol cannot be normally transport into the cell and remains in the plasma. High blood level of LDL-cholesterol develop atherosclerosis

47 LDL lipoprotein ( = low density lipoprotein; ZLÝ cholesterol ) přivádí cholesterol do buněk HDL lipoprotein ( = high density lipoprotein; HODNÝ cholesterol ) odvádí cholesterol z periferie do jater Přebytečný cholesterol je vylučován formou žlučových kyselin HDL receptor LDL LDL-receptor Cholesterol z potravy Recyklace cholesterolu LDL-receptor JATERNÍ BUŇKY HDL cholesterol SOMATICKÁ BUŇKA

48 Membranový transport: přehled A: Klasifikace z hlediska fyzikálního 1. Transport přímo přes membránu Difůze Osmóza 2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových proteinů Kanály Přenašeče 3. Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza B: Klasifikace na základě energetických požadavků 1. Pasivní transport Osmosa Prostá difůze Usnadněná difůze 2. Aktivní transport Primární aktivní transport Uniport Spřažený transport Symport Antiport Sekundární aktivní transport Transport prostřednictvím membránových váčků Fagocytóza Endocytóza Exocytóza

49 Membrane transport process according energy requirement ATP ATP

50 Active transport Secondary active transport = coupled transport Primary active transport Hydrolysis of ATP is directly required for the function of carrier protein ATP ATP energy is used as primary source Couples the kinetic energy of one molecule moving down its concentration gradient to the movement of another molecule against its concentration gradient Symport: Transported molecules go in the same direction across the membrane Antiport: molecules go in opposite direction ATP 1. ATP energy Is primarily used for pumping ions against concentration gradient [most commonly Na+ out of the cell] ADP + P i [inorganic phosphate] 2. Energy of ions moving down its concentration gradient is secondary used to move another molecules against concentration gradient. Secondary energy Antiport: K + pump Uniport: H + pump Ca + pump The most common secondary active transport systems are driven by the sodium concentration gradient.

51 Primary active transport: Model of proton pump M + [A] [B] [C] [D] [A] Carrier protein binds the cationt on the inside of the cell [B] Carrier protein is phosphorylated by ATP [C] Phosphorylation leads to conformational change that expose the cation to the outside of the cell and make cation to diffuse away [D] Release of the phosphate ion from the protein into the cytosol an restore the initial configuration so new cycle pumping can to start

52 K + pump Na + Na+ Na+ K + K + K + K + K + K +

53 Secondary active transport: [A] [B] [C] [D] [A] Initially concentration: The binding site of carrier protein is exposed to outside environment and can bind a proton [B] this binding results in conformational change that permits a molecule of S-substrate to be bound [C] The binding of substrate cause another conformational change that expose the binding sites inside of the cell [D] Release of a proton and substrate to the cell s interior restore the original conformation of carrier and allows a new pumping cycle to begin

54

55

56 Energy requirement ATP No energy Energy from ATP ATP diffusion Endocytosis Simple diffusion Facillited diffusion Secondary Active transport Primary Active transport Exocytosis Phagocytosis Molecule goes Through lipid bilayer Transport requires membrane proteins Physical requirement Membrane-bound vesicles

57 Příklady vybraných látek a způsobu jejich transportu přes membránu Pasivní transport Aktivní transport přímo přes prostá difůze usnadněná difůze unipo rt spřažený transport sekundár ní membránový mi membrán u (kanály) (přenašeče) (symport, antiport) transport váčky O 2, CO 2 mastné kyseliny glycerol močovina xxx xxx xxx xxx voda xxx xxx ionty (, K +, H +, Ca +) xxx xxx xxx glukóza xxx xxx xxx xxx nukleotidy aminokyseliny xxx xxx proteiny cholesterol neuromediátory xxx xxx xxx

58 difusion Through membrane Simple d. [channels] facilitate d. [channels] uniport cotransport Secondary Active tr. Membrane vesicles H 2 O x x ions x x x x

59 Hlavní funkce cytoplasmatické membrány Fyzikální bariéra: odděluje vnitřní obsah buňky od vnějšího prostředí. Regulace: membrána aktivně kontroluje pohyb molekul v obou směrech Biomembrany jsou selektivně permeabilní. Komunikace mezi buňkou a okolním prostředí: Buněčná membrána obsahuje receptory kterými buňka rozpoznává změny v okolí a reaguje na ně. Stavební a podpůrná funkce: Proteiny buněčného cytoskeletu zajišťují tvar buňky. Membránové proteiny tvoří mezibuněčná spojení