2. A biológiai membrán, transzport a membránon keresztül. Energiatermelés a membránban (kemoszintézis, fotoszintézis, légzés)

Átírás

1 2. A biológiai membrán, transzport a membránon keresztül. Energiatermelés a membránban (kemoszintézis, fotoszintézis, légzés) szeptember 17. Lippai Mónika lippai@elte.hu

2 A biológiai membrán

3 A sejtek határoló felületeit kett s lipidréteg alkotja Lipid vezikula transzmissziós ELMI képe

4 A kett s réteg f lipidkomponensei I. A membrán tulajdonságait meghatározzák az amfipatikus foszfolipidek. Közülük leggyakoribbak a foszfogliceridek.

5 A különféle foszfatidil-inozitolok jelként szolgálhatnak a membránhoz köt d fehérjék számára, és meghatározhatják a membrán identitását Az egyes foszfoinozitid fejeket megfelel fehérjedomének szelektíven fel tudják ismerni. Ezen az elven bizonyos membránterületeken fehérjék specifikus csoportjai gyűlhetnek össze. Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

6 A kett s réteg f lipidkomponensei II. A foszfolipid szfingomielin (a). és a szteránvázas koleszterin (b)

7 Az amfipatikus lipidmolekulák vizes oldatban csak meghatározott struktúrákba rendez dhetnek

8 A kett s lipidmembrán folyékony benne a lipidek képesek a membránban több irányban mozogni A különböz mozgásformák sebessége nem egyforma

9 A telítetlen zsírok mennyisége befolyásolja a kett s membrán permeabilitását és fluiditását A telítetlen zsírok a biológiai membránokban arra is szolgálnak, hogy alacsony h mérsékleten is megmaradjon a fluiditás

10 A biológiai membránok vizsgálata: fagyasztva törés (freeze fracture)

11 A biológiai membránok vizsgálata: fagyasztva törés (freeze fracture)

12 A sejtmembrán küls (extracelluláris) felszíne és a lipid kett sréteg bels felszíne, integráns fehérjék lenyomatával

13 A biológiai membránok felépítése aszimmetrikus, és tömegük ~felét fehérjék alkotják A membránban lehetnek integráns és perifériás fehérjék, amelyek a membránhoz kapcsolható folyamatokat biztosítják. Csak a küls felszínen található cukor-oldallánc!

14 Bélhámsejtekben a mikrobolyhok felszínén található glikokalix A cukor-oldalláncok együttesét glikokalixnak is nevezik. Szerepe: védelem, sejt-sejt kommunikáció, sejtfelismerés.

15 Bélhámsejtekben a mikrobolyhok felszínén található glikokalix

16 Egy speciális membránszervez dés: a mielinhüvely

17 Az együtt működ fehérjék gyakran lipid tutajokba (raft) tömörülnek A lipidraftok speciális összetételűek, és akadályozzák a bennük található fehérjék szabad diffúzióját.

18 Az együtt működ fehérjék gyakran lipid tutajokba (raft) tömörülnek lipid szfingolipid lipidhez köt d raft protein integráns raft fehérje integráns fehérje koleszterin

19 A membránfehérjék (és a biológiai membránok) f funkciói - A membránon keresztül történ transzportfolyamatok biztosítása - Energiatermelés (mitokondrium, kloroplaszt) - A külvilág fel l érkez jelek fogadása, feldolgozása, továbbítása: receptorok - Kapcsolódás a szomszédos sejtekhez vagy az extracelluláris mátrixhoz: sejtkapcsoló struktúrák - Kapcsolódás a sejtvázhoz - A sejtidentitás kialakítása

20 A lipidmembrán szabadon átjárható a kis molekulatömegű hidrofób és poláris részecskék számára (pl. O 2, CO 2, víz) Ugyanakkor a mesterséges, tiszta lipidmembrán minden ion és nagyobb molekulák számára átjárhatatlan.

21 Transzport mesterséges lipid membránon át Minél jobban oldódik lipidekben a molekula, annál könnyebben jut át a membránon.

22 Anyagáramlás/szállítás a biológiai membránon át szállított molekula csatornafehérje transzporter (carrier) fehérje pumpa (ATP-áz) DIFFÚZIÓ PASSZÍV TRANSZPORT AKTÍV TRANSZPORT A biológiai membránok a transzportfehérjék segítségével áteresztenek sok iont és metabolitot is. A passzív transzport esetében a mozgás irányát a koncentráció- és/vagy töltéskülönbség határozza meg. Az aktív transzport energia felhasználásával az elektrokémiai koncentráció-grádienssel szemben szállít.

23 A biológiai membránok a transzportfehérjék segítségével áteresztenek sok iont és metabolitot is Extracelluláris tér csatorna Intracelluláris tér transzporter A csatornák és a transzporterek esetében a mozgás irányát a koncentrációés/vagy töltéskülönbség határozza meg.

24 A csatornák többségének működése szabályozott, valamilyen jel (legtöbbször feszültségváltozás, molekulaköt dés) hatására nyílik A csatornák csak ionokat engednek át. Egyes esetekben csak egyfélét, máskor többfélét is.

25 A transzporterek három csoportba oszthatók uniporter szimporter antiporter Az uniporterek mindig az alacsonyabb koncentráció felé szállítanak, egyféle anyagot A szimporterek azonos irányba szállítanak, az egyik anyagot koncentráció-grádiens mentén, a másikat azzal szemben Az antiporterek ellentétes irányba szállítanak, az egyik anyagot koncentrációgrádiens mentén, a másikat azzal szemben

26 A pumpák energia (ATP)-befektetéssel szállítanak koncentrációgrádiens ellenében A Na + /K + ATP-áz (pumpa) egy ATP költségén 3 Na + -ot visz ki és 2 K + -ot hoz be a sejtbe

27 A pumpák energia (ATP)-befektetéssel szállítanak koncentrációgrádiens ellenében Extracelluláris tér Intracelluláris tér A Na + /K + ATP-áz egy ATP költségén 3 Na + -ot visz ki és 2 K + -ot hoz be a sejtbe

28 Az ioncsatornák és a pumpák működése révén a plazmamembrán két oldalán feszültségkülönbség jön létre ez a membránpotenciál

29 A transzportfehérjék működése teszi lehet vé a tápanyagfelvételt a bélhámsejteken keresztül. Egy példa: a Na+/glükóz transzporter és a glükóz uniporter

30 A különböz funkciójú transzportfehérjék szeparálódása szükséges a tápanyagfelvételhez BÉL- ÜREG Na + /glükóz szimporter apikális felszín glükóz ALACSONY glükóz-konc. szoros sejtkapcsolat a szomszédos sejtek plazmamembránja a sejtek közötti tér glükóz uniporter glükóz MAGAS glükózkonc. bazolaterális felszín az alaphártya alatti tér BÉLHÁM- SEJT glükóz ALACSONY glükóz-konc. VÉRKERINGÉS

31 A membránfehérjék (és a biológiai membránok) funkciói - A membránon keresztül történ transzportfolyamatok biztosítása - Energiatermelés (baktériumok, mitokondrium, kloroplaszt) - A külvilág fel l érkez jelek fogadása, feldolgozása, továbbítása: receptorok - Kapcsolódás a szomszédos sejtekhez vagy az extracelluláris mátrixhoz: sejtkapcsoló struktúrák -Kapcsolódás a sejtvázhoz -A sejtidentitás kialakítása

32 A sejtek energetikája

33 Az élet két alapvet feltétele: 1. az él lények testét felépítő szerves anyagok megléte Autotrófok: azok az él lények, akik szervetlenb l (CO 2 ) is képesek szerves anyagokat el állítani. Heterotrófok: csak szerves vegyületekb l tudják saját szerves anyagaikat el állítani. 2. az életfolyamatokhoz szükséges energia Származhat fényből, valamint szervetlen vagy szerves vegyületek oxidálásából Mindezek alapján megkülönböztethetünk fotoautotróf, kemoautotróf, kemoheterotróf él lényeket, s t, vannak fotoheterotróf baktériumok is!

34 Akár szerves, akár szervetlen anyagok oxidálásából, akár fotonokból jön az energia, ATP-ben raktározódik

35 Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008 Az energianyerés alapsémája az él világban membránhoz kötött folyamatok! nagy energiájú elektron H + -ionok (protonok) ATP-szintáz sejthártya kis energiájú elektron protonpumpa 1. fázis: az elektronok transzportjából származó energia protonpumpát üzemeltet 2. fázis: a protongrádienst az ATP-szintáz használja ki ATP generálására

36 Hogyan jöhettek létre az els él lények? A kezdetekben: Az sóceán szerves anyagai lehettek az épít anyagok, és az energiaforrás is heterotróf életműködést lehet vé téve. Egyfajta si elektrontranszportlánc segítségével a bonyolultabb molekulák kötéseiben rejl energiát protongrádiens kialakítására, azt pedig ATP képzésére hasznosították már ekkor is! Kés bb: A kész szerves anyag fogytával a kemoszintetizáló él lények éltek tovább. k egyrészt szerves anyagok el állításához is fel tudták használni a szervetlen anyagokat: ugyanis a CO 2 -t képesek H 2 -vel és energia befektetésével nagyobb energiájú, redukált szerves anyaggá alakítani: CO 2 + H 2 X + ENERGIA CH 2 O + H 2 O + X Ugyanakkor magához az energianyeréshez is szervetlen anyagokat használtak: nagy energiájú redukált vegyületeket oxidálva jutottak elektronhoz, majd elektrontranszportláncuk működtetésével ATP-hez.

37 napfény ételek A nagy energiájú elektronok biztosítják a membrán két oldalán létrejöv elektrokémiai grádienst nagy energiájú elektron A mitokondriumban: O 2 felhasználásával történ ATP-termelés: oxidatív foszforiláció transzmembrán elektrokémiai H + -grádiens aktív membrántranszport ATP-termelés baktériumok ostorának mozgatása energia-átalakító folyamatok a membránban OXIDATÍV FOSZFORILÁCIÓ Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008

38 Energianyerés szervetlen vegyületekb l: kemoszintézis - Anaerob körülmények között: H 2 S S + energia (anaerob kénbaktériumok) - Aerob körülmények között - S + O 2 SO 2 + energia aerob kénbaktériumok - NH 3 + O 2 NO 3 + energia nitrifikáló baktériumok - CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O + energia metánbaktériumok - H 2 + O 2 H 2 O + energia durranógáz baktériumok - Fe 2+ Fe 3+ + energia vasbaktériumok (2Fe(OH) 2 + O 2 H 2 O + Fe 2 O 3 + energia )

39 Energianyerés fotonokból: fotoszintézis A fényhasznosítás legegyszerűbb típusa: bakteriorodopszin ( sbaktériumban) Foton hatására protonokat szivattyúznak ki a sejtb l, a visszaáramló H + energiáját ATPszintézisre használják (ATP-szintáz!). Szénforrásként viszont aminosavakat használnak - heterotrófok, azaz életműködésükhöz szerves anyagot igényelnek.

40 Fotoszintézis bakterioklorofillal: CO 2 -fixáláshoz kötve anaerob körülmények között CO 2 + H 2 X + ENERGIA CH 2 O + H 2 O + X (1) zöld kénbaktériumok H 2 S H 2 + S (2) bíbor kénbaktériumok H 2 S H 2 + S (3) bíbor nemkénbaktériumok H 2, etanol, tejsav, stb. Bakterioklorofill

41 Fotoszintézis bakterioklorofillal: CO 2 -fixáláshoz kötve aerob körülmények megteremtése vízbontás révén A nagy redoxpotenciállal rendelkez elektron forrása a H 2 O. A vízbontás során O 2 szabadul fel. A cianobaktériumok találták fel 3-3,3 milliárd éve. Miután az elektron szállítása során keletkez reduktív vegyület (NADPH) képes a CO 2 redukálására, szerves vegyület is szintetizálódhat. Összegezve: 6CO H 2 O * + energia (2824 kj/mol) C 6 H 12 O 6 + 6O 2* + 6H 2 O Ez az eukarióta (növényi) fotoszintézis alapja is! A folyamat révén - aerob, hatékony légzés, b séges energiatermelés - az ózonpajzs kialakulása, élet a földfelszínen - A CO 2 kivonódott a Föld légköréb l, csökkent a h mérséklet sztromatolitok

42 A növényi fotoszintézis mechanizmusa Pigmentrendszer

43 Fotoszintézis Abszorpció klorofill-b fikoeritrin β-karotin fikocianin A napsugárzás intenzitása a földfelszínen klorofill-a Hullámhossz (nm)

44 Nemciklikus fotofoszforiláció: növényekben, cianobaktériumokban

45 Ciklikus fotofoszforiláció: baktériumokban és speciális körülmények között növényekben

46 ATP-termelés

47 A fotoszintézis fény- és sötétreakciói

48 Kapcsolat a fotoszintézis fény- és sötétreakciói között STROMA

49 A Calvin-Benson ciklus eseményei Nobel-díj: Melvin Calvin 1961

50 Energianyerés szerves anyagokból Szerves anyagok lebontása egymásba kapcsolódó enzimatikus lépések során A glükózban raktározott energiát vagy - a glükolízis és a fermentáció, vagy - a glükolízis és a sejtlégzés folyamán szabadítják fel - A felszabaduló energia ATP-ben raktározódik - Hosszabb távra az él lények makromolekulákban tárolnak energiát. Szerves anyag Energiatartalom (kj/g) Szénhidrát 17,2 Fehérje 17,2 Zsír 39,9

51 Glükolízis A leg sibb energia-felszabadító mechanizmus - a citoszolban történik - a folyamat során egy glükóz molekulából két pirosz l sav és NADH képz dik - el készít lépés vagy a fermentációra, vagy a sejtlégzésre - A folyamatban mindössze két ATP képz dik - energiahozama 586 kj/mol (~5,5%) Fermentáció Anaerob körülmények között a pirosz l savból - etanol képz dik (éleszt k) - tejsav képz dik (izomsejtek, izomláz)

52 A pirosz l sav további hasznosulása O 2 jelenlétében: Szent-Györgyi-Krebs ciklus Nobel-díj: 1937

53 A mitokondrium Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008

54 Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008 A mitokondriumok a sejten belül a nagy energia- (ATP-) igényű helyeken csoportosulnak SZÍVIZOMSEJT SPERMIUM FARKA mitokondrium az ostor mozgását biztosító mikrotubulus-váz aktin-miozin komplex az izomsejtben

55 A Szent-Györgyi-Krebs ciklusban - a pirosz l sav fokozatosan lebomlik, miközben CO 2 hasad ki, és NADH és FADH 2 képz dik - eukariótákban a ciklus a mitokondriumok mátrixában zajlik, prokariótákban a citoszolban - a NADH/FADH 2 elektronját a mitokondrium bels membránjába illetve a baktériumok sejthártyájába ágyazott légzési lánc els tagjának adja át

56 a mitokondrium bels membránja a mitokondrium küls membránja ATP-szintáz citromsavciklus elektrontranszportlánc KI BE KI koenzim A pirosz l sav pirosz l sav zsírsav zsírsav A folyamatok a mitokondriumban Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008

57 A protongrádiens transzportfolyamatokat is biztosít küls membrán az ADP-ATP-cserét a töltés-különbség hajtja bels membrán MÁTRIX a pirosz l sav importját a protongrádiens hajtja pirosz l sav a foszfát importját a proton-grádiens hajtja pirosz l sav Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008

58 Légzési lánc küls membrán H + H + Cyt c H + H + H 2 O NAD + NADH+H + O 2 Szent-Györgyi- Krebs ciklus FAD O 2 H 2 O ADP + P i FADH 2 H + H + ATP szintetáz ATP mátrix bels membrán H + H + a két membrán közötti tér

59 Az elektrontranszport folyamata a mitokondriumban és a kloroplasztban MITOKONDRIUM H + -grádiens KLOROPLASZT H + -grádiens zsírok, szénhidrátok H + - pumpa H + - pumpa H + - pumpa citromsavciklus fény II. fotorendszer H + - pumpa fény I. fotorendszer CO 2 - fixálás szénhidrátok termékek A mitokondriumban kémiai fűt anyagból származik a nagy energiájú elektron, amelyet aztán lépésekben történ energiavesztés után vesz fel az oxigén. Közben proton pumpálódik a membránon keresztül. termékek A kloroplasztban a fotonok adnak energiát az elektronnak, amely végül NADPH-nak adódik át. Az energiavesztés itt is protonpumpálásra fordítódik Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008

60 Az ATP-szintáz szerkezete A pirossal ábrázolt részek forognak, másodpercenként nagyjából százszor, fordulatonként három lépésben. A forgást a membránok közötti térb l a mátrixba áramló protonok energiája biztosítja. Fordulatonként három ATP molekula képz dik. Alberts: Molecular Biology of The Cell, 2008 F 1 -ATP-áz transzmembrán protoncsatorna (F 0 ) INTERMEMBRÁN TÉR bels membrán MÁTRIX

61 ADP Az ATP-képz dés lépései ATP P i ADP és a P i az ATP-szintáz környezetében Az ADP és a P i beköt dése ATP ATP Az ADP és a P i között kovalens kötés alakul ki ATP, benne makroerg kötéssel Az ATP szabaddá válik 1/3 fordulat 1/3 fordulat 1/3 fordulat Az öt ábrarész az ATP-szintáz stabil, nem forgó részét illusztrálja felülr l, a bels membrán irányából. A hat alegység párosával képez három, különböz fázisban lév funkcionális egységet, az ATP képz dése a fels harmadra koncentrálva követhet a legjobban. Az ábrák közepén a cip a forgó rész egymást követ elmozdulásait érzékelteti. Az egyes alegységek színváltozása konformáció-változást jelez, ami háromféle állapotot hoz létre egymás után, majd ismétl dik.

62 ATP-szintáz a két membrán közötti tér Egy ATP-szintáz molekula nagyjából 0,1 μm átmér jű. A kékkel ábrázolt részek forognak, másodpercenként nagyjából százszor, fordulatonként három apró lépésben. A forgást a membránok közötti térb l a matrixba áramló protonok energiája biztosítja. Fordulatonként három ATP molekula képz dik. tengely ATP bels membrán álló rész ATP mátrix ATP

63 Összesítés - A glükóz energia tartalma 2870 kj/mol. - A glükóz sejtekben történ lebontása folyamán 36 ATP molekula képz dik, amelyek energia tartalma 1807 kj. - A folyamat hatékonysága 63%. Végeredmény: C 6 H 12 O 6 6CO 2 + 6H 2 O + 36 ATP

64 Érdekességek az ATP szerepér l - Az ember napi energiaigénye nagyjából tízezer kj. Az energia forrása az a ATP. - Egy ember napi ATP igénye nagyjából mól, vagyis kilogramm ATP! - Egy emberben csak kb. 0,2 mólnyi ATP van. Az ATP-molekulák gyorsan képz dnek és bomlanak le, egy ATP molekula naponta szer alakul oda-vissza. - Egy sejt másodpercenként nagyjából tízmillió ATP molekulát használ el. - Egy sejt percenként kétszer-háromszor újítja meg ATP készletét.

65 Bökken k - A sejtlégzés során az O 2 vízzé redukálódik. Az esetek 0,1-2%-ában az O 2 redukciója nem teljes, ami miatt O 2, ún. szuperoxid gyökök képz dnek. Az O 2 gyökök enzimeket tudnak inaktiválni, és tönkreteszik a lipideket. - A mitokondriumokból kiszivárgó O 2 szuperoxid gyökök H 2 O 2 -vé alakulnak. - A H 2 O 2 könnyen OH-vá, er sen reakcióképes hidroxil-gyökké alakul. - Az OH gyökök minden olyan molekulával reagálnak környezetükben, amelyek oxidálhatóak, így mutációkat is indukálhatnak a mtdns-ben. -A mtdns mutációinak olyan következményei vannak, mint a sejthalál, az izom- és az idegrendszer megbetegedései, vagy az öregedés. - A mtdns-ben indukált mutációk alapján állapíthatunk meg a származási viszonyokat.