Lékařská chemie přednáška č. 3 vnitřní prostředí organismu transport látek v membráně Václav Babuška Vaclav.Babuska@lfp.cuni.cz
Vnitřní prostředí organismu Procento vody v organismu 2
Vnitřní prostředí organismu Obsah vody v různých tkáních % VODY KREV 83% SVALY 76% KŮŽE 72% KOSTI 22% TUKY 10% ZUBNÍ SKLOVINA 2% 3
Vnitřní prostředí organismu Distribuční prostory Celková tělesná voda - 60% hmotnosti těla Extracelulární tekutina 20% hmotnosti těla Intracelulární tekutina 40% hmotnosti těla Intersticiální tekutina 15% hmotnosti těla Plazma 5% hmotnosti těla 4
Vnitřní prostředí organismu Distribuční prostory hmotnost (100 %) 70 kg CTV (60 %) 42 l ECT (20 %) 14 l ICT (40 %) 28 l plazma krevní = IVT (5 %) 3,5 l intersticiální tekutina = IST (15 %) 10,5 l transcelulární tekutina nepočítá se do CTV 5
Voda a její vlastnosti kovalenční sloučenina vodíku a kyslíku, úhel 105 polární charakter v důsledku rozdílné elektronegativity 6
Voda a její vlastnosti voda má větší hustotu než led => led plave na vodě vysoké molární výparné teplo => termoregulace, tlumení výkyvů teploty akumulace tepla a jeho uvolnění 7
Iontové složení tělesných tekutin Ca 2+ Mg 2+ SO 4 2-, HPO 4 2-, laktát, ketokyseliny plazma x sérum 8
SODÍK Na + (137 145 mmol/l) hlavní kationt ECT podílí se velkou měrou na osmolalitě s vodou prudce reaguje za vzniku NaOH DRASLÍK K + (3,6 4,8 mmol/l) hlavní kationt ICT, vázán na bílkoviny a polysacharidy působí při přenosu nervového vzruchu ovlivňuje svalovou dráždivost, hlavně u myokardu s vodou tvoří rozpustný KOH, s kyselinami draselné soli HOŘČÍK Mg 2+ (0,8 1,1 mmol/l) polovina uložena v kostech, 2% ECT, zbytek ICT hlavně ve svalech v plazmě většina ionizována, zbytek vázán na albumin kofaktor enzymů kinás využívajících ATP k fosforylaci snižuje nervosvalovou dráždivost, podporuje fibrinolýzu 9
VÁPNÍK Ca 2+ (2,2 2,6 mmol/l) v těle uložen (až 1kg dle osifikace) v kostech a zubech jako fosforečnan, hydroxyapatit, uhličitan neustálá remodelace kostí v ECT v ionizované formě fyziologicky aktivní metabolismus Ca regulován hormonálně (parathormon, kalcitonin) vstřebávání vápníku Ca.resorpční protein závislý na kalcitriolu nutný pro kontrakci, hemokoagulaci, fotorecepci příprava nesrážlivé krve s citrátem, šťavelanem nebo EDTA nerozpustný šťavelan vápenatý součástí ledvinových kaménků 10
CHLÓR, CHLORID Cl - (98 109 mmol/l) vysoce reaktivní plyn, těžší než vzduch, toxický, leptá spojivky a sliznice s vodíkem tvoří chlorovodík ve vodě rozpustný na kyselinu HCl sodná sůl kys. chlorovodíkové -> NaCl hlavní zdroj Na + a Cl -, fyziol. rozt. HCl produkována žaludeční sliznicí Cl - je hlavní aniont ECT, podílí se na osmolalitě ve fagocytech Cl - tvoří s peroxidem vodíku kyselinu chlornou HYDROGENUHLIČITANY HCO - 3 (22 26 mmol/l) vzniká z vody a CO 2 účinkem karboanhydrasy součást hlavního pufru FOSFÁTY (0,7 1,6 mmol/l) PROTEINÁTY ( 16 mmol/l) REZIDUÁLNÍ ANIONTY (< 10 mmol/l) 11
Difuze a osmóza DIFUZE o molekuly se pohybují po spádu svého koncentračního gradientu o mezi dvěma roztoky není umístěna žádná membrána OSMÓZA o molekuly se pohybují po spádu svého koncentračního gradientu o mezi dvěma roztoky je umístěna polopropustná membrána, kterou prochází jen molekuly vody 12
Difuze a osmóza OSMOTICKÝ TLAK o tlak vyvinutý na koncentrovanější roztok, aby byl kompenzován tok vody přes membránu π = c. R. T o roztoky izotonické, hypotonické, hypertonické o osmolalita plazmy 275 295 mmol/kg vody o teoretický výpočet => osmolalita = 2.(Na + + K + ) + 5 o membránou lidských buněk volně prochází voda a molekuly plynů (O 2, N 2, CO 2, NH 3, NO, N 2 O), nízkomolekulární nepolární látky (steroidy, uhlovodíky) a některé polární látky (močovina, ethanol) o nepropustná pro elektricky nabité ionty (Na +, K +, HCO 3- aj.) a velké polární molekuly (sacharidy apod.) 13
Struktura membrány membrána odděluje buňku od okolí rozděluje buněčné kompartmenty membrána je lipidová dvojvrstva (4-13nm) funkce membrány o komunikace mezi buňkami o transport proteinů o skladování různých látek a jejich následné vylučování 14
Transport látek v membráně selektivní transport látek přes membránu regulace buněčného objemu udržování optimální hladiny iontů a ph vylučování toxických látek z buňky tvorba iontového gradientu => základ excitability o pasivní přenos - nevyžaduje energii - difuze ve směru koncentračního spádu o aktivní přenos - využívá energii ATP - může transportovat proti koncentr. spádu - jednosměrný s vysokou specifitou ATP o sekundární aktivní přenos - nevyžaduje nutně energii - využívá gradient vytvořený aktivním transportem 15
Pasivní transport 1 2 3 koncentrační a elektrochemický GRADIENT 1) prostá difuze - malé molekuly, bez náboje, rozpustné v lipidech ( O 2, N 2, CO 2 ) 2) usnadněná difuze proteinovým kanálem 3) usnadněná difuze proteinovým transportérem 16
Typ transportu 1) Uniport - látka je transportována přes membránu individuálně (např. glukosa) 2) Symport - dvě různé látky transportovány najednou jedním směrem (např. Na + a glukosa) 3) Antiport - dvě látky přestupují v opačném směru (např. Cl - a HCO 3- ) 17
Aktivní transport = pumpy ATP ADP + P i vyžaduje dodání energie energie získávána většinou hydrolýzou ATP někdy se nazývá ATPasový systém 18
Pasivní transport - příklady Sodíkový kanál umožňuje rychlý průnik sodíkových iontů do buňky je úzký a propouští jen hydratované sodíkové ionty pro draslíkové ionty a další elektrolyty je nepropustný vstup je kontrolován negativně nabitými skupinami je důležitou funkční jednotkou nervových tkání, umožňuje neuronům převzetí signálu a jeho propagaci existují toxiny schopné sodíkový kanál selektivně uzavřít tetrodotoxin - smrticí jed čtverzubců rodu Takifugu saxitoxin - produkován mořskými obrněnkami a modrozelenou řasou 19
Pasivní transport - příklady Vápníkový kanál umožňuje průchod vápníku přes membránu je řízen buď napětím na membráně nebo ligandem existují různé typy L, N, P/Q, T L-typ -> kosterní a srdeční svaly, hladké svaly cév je citlivý na inhibitory = blokátory Ca 2+ kanálu -> nifedipin, verapamil blokací kanálu se sníží průchod Ca 2+ iontů -> snížení krevního tlaku nifedipin verapamil 20
Aktivní transport - příklady Sodíko-draslíková pumpa = Na + -K + ATPasa složena ze 4 podjednotek (a,a,b,b) čerpá sodík z cytosolu a draslík do buňky proti konc. spádu, cyklus trvá 10 ms asymetrický přenos 3 Na + za 2 K + každý cyklus vyžaduje hydrolýzu 1 ATP trvale udržuje gradient hlavních iontů vnitřního prostředí vzniklý gradient je hnací silou mnoha transportních mechanismů 21
Aktivní transport - příklady Sodíko-draslíková pumpa - blokátory je citlivá na kardiotonické steroidy náprstníku a strofantu digoxin strofantin ouabain použití při terapii srdečních chorob částečnou inhibicí pumpy zpomalí dosažení gradientu nutného pro zahájení kontrakce, prodloužení z několika ms až na sekundu srdce nemůže reagovat na patologické impulsy ke kontrakci a dochází k vyloučení extrasystol 22
Aktivní transport - příklady Vápníková pumpa = Ca 2+ ATPasa nízká koncentrace Ca 2+ v cytoplazmě vápník je soustředěn v kompartmentech (sarkoplazmatické retikulum ve svalových buňkách) pumpa čerpá vápník jednak z buňky do ECT a rovněž z cytosolu do kompartmentů sarkoplazmatického retikula uvnitř retikula je vápník vázán na bílkovinu kalsekvestrin (1b:40Ca 2+ ) na 1 hydrolyzovanou molekulu ATP se přenesou 2 ionty Ca 2+ 20 000 pump na 1mm 2 retikula cytoplazma má 10-5 mol/l Ca 2+ retikulum má 10-2 mol/l Ca 2+ 23
Aktivní transport - příklady Protonová pumpa = H + -K + ATPasa v parietálních buňkách žaludeční sliznice přenáší vodíkový iont výměnou za iont draslíku inhibitory: omeprazol 24
Nexus gap junction spojení sousedních buněk stejného typu umožňuje přechod metabolitů, iontů, živin a signálních molekul mezi buňkami bez kontaktu s ECT 20 000 spojů na 1mm 2 povrchu b. za normálního stavu otevřeny některé stavy (např. zvýšení Ca 2+ nebo H + časté při poškození buňky) vyvolají uzavření rotačním pohybem izolace zdravých buněk od poškozených 25
Aquaporiny transport vody membránou objeveny v roce 1992, američan Peter Agre - 2003 Nobelova cena za chemii mnohem rychlejší průchod vody membránou než prostou difuzí zvyšují permeabilitu membrány pro vodu 26
Vezikulární transport Endocytóza proces absorbce materiálu buňkou z vnějšího prostředí prostřednictvím membránového váčku podle velikosti pohlcovaného materiálu se dělí na fagocytózu, pinocytózu a receptorem aktivovanou endocytózu 27
Vezikulární transport Exocytóza proces uvolňování (sekrece) materiálu buňkou do svého okolí dochází ke splynutí transportního váčku (vezikulu) s povrchem membrány váček vzniká odškrcením membrány endoplazmatického retikula nebo z Golgiho aparátu, ve kterých většina sekretovaných látek vzniká načasování, místo vzniku a směr pohybu váčku stejně jako místo jeho fúze jsou striktně a složitě řízené procesy slouží k vylučování nepotřebných látek nebo látek užitečných v okolí buňky (hormony), vystavení bílkovin a receptorů v membráně, zvětšení povrchu 28
Transportní antibiotika jednoduché peptidy pronikající do mikroorganismu, kde znemožňují dosažení koncentračního gradientu Valinomycin sférický peptid z 12 aminokyselin s hydrofilní dutinkou proniká do lipofilní struktury membrány přenáší dehydratovaný iont K + po koncentračním spádu Gramicidin b-helixový peptid z 15 aminokyselin spojením 2 molekul vznikne mokrý kanál průchozí pro většinu iontů, ruší gradient 29