Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál

Átírás

1 Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál A biológiai membránok fő komponense. Foszfolipidek foszfolipid = diglicerid + foszfát csoport + szerves molekula (pl. kolin). Poláros fej (hidrofil) Apoláros farok (hidrofób) vízoldékony zsír Foszfatidil - kolin 1

2 Irving Langmuir Amerikai fizikai kémikus 1932 kémiai Nobel-díj 1917 a zsírok egyrétegű elrendeződése a víz felszínén - poláros feji rész (hidrofil) víz felé orientált - apoláros farki rész (hidrofób) távol esik a vizes fázistól Irving Langmuir, "The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids. II," Journal of the American Chemical Society 39 (1917): Irving Langmuir 2

3 Kettős lipidréteg Gorter & Grendel vörösvértestek felszínének és lipid tartalmának összehasonlítása A membrán kétszer annyi lipidet tartalmaz mint amennyi indokolt lenne kettős lipidréteg EC Poláros fejek intra- és extracelluláris irányba mutatnak Farki részek azonos irányba rendeződnek IC Folyékony Mozaik modell S.J. Singer és Garth Nicolson Folyékony Mozaik modellje Foszfo-lipid kettősréteg Folyékony (folyadékszerű) membrán komponensek oldalirányú szabad mozgása Mozaik különböző makromolekulákból, mozaikszerűen összerakott szerkezet Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science Feb 18;175(23):

4 Sejtmembrán szerkezete Laterális diffúzió Foszfolipid molekula (~40-60%) Poláros fej (hidrofil) Flip-flop apoláros (hidrofób) farok ~ 5 nm rotáció Fehérje molekula (~30-50%) A membrán fehérjék feladatai Ion csatornák (pl. Na + /K + ATPáz) Transzporterek (Aquaporin - H 2 O transzport) Szerkezeti elemek Intracelluláris kapcsolódások - citoszkeleton Extracelluláris kapcsolódások - szívizomsejtek Receptor (inzulin receptor) Jeltovábbítás (akciós potenciál) 4

5 Az intra- és extra-cellulári tér fő összetevői Víz Ionok Kationok (K +, Na +, Ca 2+ ) Anionok (Cl -, H 2 PO 4 és HPO 4 2 ionok) Fehérjék Főleg intracellulárisan Többnyire negatívak (ph! izoelektromos pont) Ionok koncentrációja béka izomsejt esetén Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm 5

6 Membrán potenciál 0V U nyugalmi : -30mV _ -100 mv A sejtmembrán két oldala között kialakuló elektromos potenciálkülönbség (V). Mikroelektróda Intracelluláris tér Extracelluláris tér A töltött részecskék mozgását befolyásoló erők Kémiai potenciál: (Willard Gibbs ) A kémiai potenciálja egy termodinamikai rendszernek azzal az energiamennyiséggel egyenlő amennyivel a rendszer teljes energiája megnőne, ha növelnénk a rendszerben lévő alkotóelemek számát. Koncentráció grádiens diffúzió: részecskék mozgása a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely felé diffúziós potenciál. Elektromos potenciál: Az elektromos térben lévő töltött részecskére vonatkozó energiamennyiség. Az elektromos tér erőt fejt ki a töltött részecskére (ionok, fehérjék) elektromos áram: töltött részecskék mozgása. Elektro-kémiai potenciál 6

7 Bernstein kálium hipotézise (1902) Julius Bernstein ( ) - Német fiziológus 1./ A sejtmembrán szelektíven átjárható a kálium ionra nézve 2./ Az intracelluláris kálium cc. magas 3./ Az extracelluláris kálium cc. alacsony Bernstein,J.(1902).Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Strome. Pflugers Arch.ges. Physiol. 92, Bernstein kálium hipotézise K + : 100 mm Cl - : 100 mm K + : 5 mm Cl - : 5 mm 7

8 Bernstein kálium hipotézise A pozitív iont nagyobb mennyiségben tartalmazó oldal negatívvá válik!! [K + ] [K + ] [Cl - ] [Cl - ] K + grádiens Elektromos grádiens Hogy lehet Bernstein hipotézisét kvantitatív úton megközelíteni? 8

9 Walther Hermann Nernst Német fiziko-kémikus ( ) N = a koncentrációgrádiens kialakításában résztvevő mólok száma R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet X 1 / X 2 = koncentráció grádiens N = az elektromos potenciálkülönbség kialakításában résztvevő töltött részecskék móljainak száma z = valencia F = Faraday szám E= elektromos térerő (V) 9

10 Egyensúlyi feltétel Egyensúlyi potenciál Nernst-egyenlet: Mekkora elektromos potenciál (E) képes egyensúlyban tartani a kialakult koncentráció grádienst (X 1 /X 2 ). A befelé és kifelé történő ionáramok dinamikus egyensúlyban vannak. 10

11 Nernst- egyenlet Ionkoncenrációk béka izomsejt esetén Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm [K + ] E mv = -58/1 log (139/2.5) = mv [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = mv [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = mv = 30.8 mv E mv =-92mV 11

12 Mi történik, ha a sejtmembrán többféle iontípusra is átjárható? Frederick George Donnan ( ; Ír kémikus) Donnan egyensúly v. Donnan megoszlás: Eltérő mozgékonyságú ionok szemipermeábilis hártyán való átdiffundálása diffúziós potenciál Az egyik ion nem tud átlépni a membránon (pl. intracelluláris fehérjék) egyensúlyi koncentráció különbség 12

13 Donnan egyensúlyi szabálya Diffuzibilis ionok: K +,Cl - A Donnan egyensúly csak akkor érvényes ha az ionok passzív módon jutnak át a sejtmembránon! Mi történik ha a Donnan szabály nem érvényesül? 13

14 Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet (Goldman egyenlet) David E. Goldman (USA) Alan Lloyd Hodgkin (England) Bernard Katz (England). A sejtmembránon keresztüli potenciál meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a sejtek milyen mértékben képesek átereszteni egyes ionokat (PERMEABILITÁS!). Goldman egyenlet A Goldman egyenlet N számú pozitív és M számú negatív ion figyelembe vételével: E m = membrán potenciál P ion = az egyes ionokra vonatkozó permeabilitás [ion] out = extracelluláris koncentráció [ion] in = intracelluláris koncentráció R = egyetemes gázállandó T = abszolút hőmérséklet F = Faraday állandó - Minden ion szerepét figyelembe veszi. - Jól egyezik a valósággal. 14

15 Goldman egyenlet A membránpotenciál egy kompromisszum eredménye, melynek során az egyensúlyi potenciálokat, a membránpermeabilitások súlyozott értékeit és az abszolút ionkoncentrációkat egyaránt figyelembe vesszük. Vége! 15