Intracelluláris ion homeosztázis I.-II. Február 15, 2011

Átírás

1 Intracelluláris ion homeosztázis I.II. Február 15, 2011

2 Ca 2 csatorna 1 Ca 2 1 Ca 2 EC ~2 mm PLAZMA Na /Ca 2 cserélő Ca 2 ATPáz MEMBRÁN Ca 2 3 Na ATP ADP 2 H IC ~100 nm citoszol kötött Ca 2 CR CSQ SERCA Ca 2 ATPáz Ca 2 release csatorna ATP ADP 2 Ca 2 Ca 2 2 Na 2 H Na /Ca 2 cserélő H /Ca 2 cserélő 1 Ca 2 1 Ca 2 SR/ER citoszol szabad Ca 2 Független Ca 2 szállító (csatorna)

3 A citoszol tulajdonságai: [Ca 2 ] i a sejt Ca 2 tartalmának 1520%a a Ca 2 nagy része kötött formában membránok membrán fehérjék troponin parvalbumin kalmodulin A citoszolikus szabad [Ca 2 ]~ nm stimulus gyors és szabályozott [Ca 2 ] A [Ca 2 ] nagysága és időbeli lefolyása az EC tér, az IC raktárak valamint a citoszol közötti kölcsönhatástól függ [Ca 2 ] következménye: a sejtek működésének megváltozása (pl. osztódás, izom összehúzódás) dr.vereb kísérlete

4 plazmamembrán Ca 2 influx: elektromos ÉS kémiai gradiens által biztosított Ca 2 csatorna 1 Ca 2 1 Ca 2 EC PLAZMA Na /Ca 2 cserélő Ca 2 ATPáz MEMBRÁN Ca 2 3 Na ATP ADP 2 H IC Ca 2 Ca 2 Ca 2 nyugalmi membrán potenciál Ca 2 Ca 2 feszültség ligand kapuzott kapuzott csatorna csatorna Pl.: szívizom, idegsejt Pl.: P 2z purinerg receptor Ca 2 másodlagos hírviv kapuzott csatorna Pl.: IP 3 és IP 4 aktivált csatorna

5 plazmamembrán Ca 2 efflux: elektromos ÉS kémiai gradiens ellenében Ca 2 csatorna 1 Ca 2 1 Ca 2 EC PLAZMA Na /Ca 2 cserélő Ca 2 ATPáz MEMBRÁN Ca 2 3 Na ATP ADP 2 H IC antiport, elektrogén a negatív membránpotenciálés a Na gradiens energiáját használja alacsony affinitás, transzport maximum 35 M Ca 2 mellett nagy kapacitás, főleg szívizomban jelentős P típusú ATPáz, elektroneutrális nagy affinitás, normál [Ca 2 ] mellett már működik kis kapacitás (viszonylag kevés számú transzporter sejtenként) kalmodulin által szabályozott: [Ca 2 ] Ca 2 CAM Ca 2 pumpa [Ca 2 ]

6 Kiegészítő ábra a transzporter affinitás és kapacitás értelmezéséhez nagy kapacitás maximális transzport sebesség % nyugalmi Ca 2 koncentráció nagy affinitás kis affinitás transzport sebesség kis kapacitás nyugalmi Ca 2 koncentráció 100 1,000 10, ,000 Citoszolikus szabad Ca 2 koncentráció (nm) 100 1,000 10,000 Citoszolikus szabad Ca 2 koncentráció (nm)

7 digoxin hatásmechanizmusa: 3 Na 1 Ca 2 EC Na /K ATPase Na /Ca 2 exchange 2 K ATP ADP 3 Na IC digoxin, ouabain 3 Na 1 Ca 2 EC Na /K ATPase Na /Ca 2 exchange 2 K ATP ADP 3 Na IC Na Ca 2

8 Ca 2 felvétel a szarkoplazmatikus/endoplazmatikus retikulum raktárakba CR SERCA Ca 2 ATPáz ATP ADP 2 Ca 2 Ptípusú ATPáz nagy affinitás (K M ~400nM) nagy kapacitás (SR membrán fehérjék 80%a) CSQ Ca 2 release csatorna Ca 2 SR/ER lumen: Ca 2 raktározó fehérjék CSQ: kalszekvesztrin (izom) CR: kalretikulin (minden sejt) 2050 Ca 2 /molekula K d ~ 14 mm össz [Ca 2 ]~ 10 mm szabad [Ca 2 ]~ mm

9 Az ER Ca2 release csatornák közös tulajdonságai (RYR és IP 3 ) 4 alegység (glikoprotein) Nterminális feji rész: ligand kötés (citoszol) Cterminális homológ rész: csatorna funkció Ca 2 raktár Ca 2 mobilizáció f(x) [Ca 2 ]függő Ca 2 mobilizáció: [Ca 2 ] ic, nm

10 Ca 2 felszabadulás a szarkoplazmatikus /endoplazmatikus retikulum raktárakból: A B C Depolarizáció DHP receptor Depolarizáció vagy ligand Ca 2 csatorna Ligand Receptor IP 3 Rianodin receptor Ca 2 Rianodin receptor IP 3 receptor Ca 2 Ca 2 Szarkoplazmatikus retikulum vázizom Endoplazmatikus /SR retikulum szívizom/ idegsejtek Endoplazmatikus retikulum minden sejt

11 A mitokondrium Ca 2 forgalmának jellemzői: [Ca 2 ] m ~200 M, ami jóval az egyensúlyi ~0.1 M alatt van a független szállító (csatorna) és a Ca 2 cseremechanizmusok közötti dinamikus egyensúly szabályozza a [Ca 2 ] m t. nagy kapacitású raktár szoros kapcsolat a [Ca 2 ] ic és a [Ca 2 ] m között. [Ca 2 ] ic a mitokondrium közelében lévő raktár aktiválódása esetén ~ M, ami elegendő a csatorna aktiválásához (10 M felett max. a [Ca 2 ] felvétele a mitokondriumba. 2 Na 2 H Na /Ca 2 cserél H /Ca 2 cserél Független Ca 2 szállító (csatorna) belső m. 1 Ca 2 1 Ca mv 200 M belső m.

12 A Ca 2 tüskék keletkezésének mechanizmusa IP 3 Agonista A: IP 3 képződés, diffúzió és receptorhoz kötődés Ca 2 felszabadulás az IP 3 keletkezéshez közeli raktárakból Ca 2 ER pool IP 3 R A B: Ca 2 diffúzió, Ca 2 release kiváltása IP 3 kötött IP 3 Rból, a Ca 2 hullám terjedése [Ca 2 ] nm 500 Ca 2 C: megszűnési fázis 1: Ca 2 felvétele a raktárakba 2: Ca 2 eltávolítás a membránon keresztül, 3:Ca 2 felszabadulás gátlása B s C

13 A Ca 2 tüskék keletkezésének mechanizmusa IP 3 Agonista Ca 2 IP 3 R A ER pool [Ca 2 ] nm 500 Ca 2 B s C

14 A [Ca 2 ] ic ritmikus oszcillációja: frekvencia kódolt információ 600 vasopressin koncentráció 0.4 nm 0.6 nm 0.9 nm [Ca 2 ] (nm) id (perc)

15 A kalcium jel dekódolása I.: kalmodulin 4 Ca 2 kötőhely kooperativitás a kötőhelyek közt Ca 2 telítettségtől függő konformáció Ca 2 kötést követően kölcsönhatás a célfehérjékkel CAM kinázok: Ser, Thr oldalláncok foszforilálása szűk specificitású: glikogén foszforiláz kináz, MLC kináz multifunkcionális CAM kináz: CAM II. kináz membránfehérjék (ioncsatorna) foszforilálása citoszkeletonsejtalak szabályozása sejtmagsejtosztódás szabályozása

16 CAM II kináz szabályozás: molekuláris memória, dekóder Ca 2 független állapot protein P inaktív (5080% aktív) i foszfatáz inhibítor domén P katalitikus domén Ca 2 Ca 2 kalmodulin Ca 2 /kalmodulin ADP ATP P teljesen aktív aktív

17 Ca 2 függő sejtválaszok és a Ca 2 emelkedés mechanizmusa sejt stimulus Ca 2 emelkedés mech. sejt válasz idegvégződés akciós pot. fesz. kapuzott Ca 2 csatorna neurotranszmitter szekréció limfocita antigén IP 3 kapuzott Ca 2 csatorna DNS szintézis, sejtosztódás pancreas b sejt acetilkolin IP 3 IP 3 receptori.c. raktár inzulin szekréció májsejt vasopressin IP 3 IP 3 receptori.c. raktár glikogén lebontás fibroblast PDGF IP 3 IP 3 receptori.c. raktár DNS szintézis, sejtosztódás limfocita antigén IP 3 IP 3 receptori.c. raktár DNS szintézis, sejtosztódás

18 Az intracelluláris ozmolaritást meghatározó tényezők intracelluláris tér: proteinek és azok ellenionjai probléma: DONNAN hatás (cic>cec) ozmózis m intracelluláris tér: metabolitok és azok ellenionjai plazammembrán M H2O extracelluláris tér: anorganikus ionok ozmoreguláció=térfogat szabályozás aquaporin csatornák a membránban

19 térfogatszabályozás izotóniás közegben: az ozmoreguláció pumpaszivárgás modellje 2 K 3 Na szivárgás H 2 O M M m m P M: makromolekula m: metabolit

20 A sejttérfogat szabályozása hipotóniás közegben: kísérleti tapasztalat vízfelvétel?? normalizált sejttérfogat PBS 50% PBS idő (perc)

21 A sejttérfogat szabályozása hipotóniás közegben: K ionok szerepe vízfelvétel? K PBS 50% PBS 100 pa 1 na CTLL (V test =50 mv) nincs kálium csatorna 200 ms CTL kálum csatornával transzfektálva V test =80 mv V test =20 mv térfogat (mikron 3 ) 200 ms idő (perc)

22 térfogatszabályozás anizotóniás közegben: a szabályozó térfogatcsökkenés (RVD) mechanizmusa limfocitákban Limfocita izotóniás közegben H 2 O Limfocita hipotóniás közegben: vízvfelvétel Cl Cl H 2 O membrán feszülés kapuzott Cl csatorna RVD: K és Cl efflux, vízvesztés, volumen csökkenés K K depolarizáció aktivált K csatorna

23 térfogatszabályozás anizotóniás közegben: a szabályozó térfogatnövekedés (RVI) mechanizmusa limfocitákban Limfocita izotóniás közegben H 2 O Limfocita hipertóniás közegben: vízvesztés, zsugorodás Na H Cl HCO 3 CO 2 H 2 O CO 2 CAH Na Na H H HCO 3 HCO 3 Cl Cl Na /H antiport RVI: Na és Cl influx, vízbeáramlás, volumen növekedés Na Cl H HCO 3 HCO 3 /Cl antiport CO 2 H 2 O

24 A sejttérfogat szabályozásának lehetőségei: Hipotóniás környezet Hipertóniás környezet Elsődleges reakció ozmózisos vízmozgás sejttérfogat változás sejt duzzadás sejt zsugorodás Rövid távú szabályzás ionháztartás gyors módosítása sejttérfogat visszanyerése RVD, ionok vesztése RVI, sejt duzzanat Metabolikus szabályzás metabolitok koncentrációjának sejttérfogat fenntartása változása anabolikus folyamatok monomer polimer katabolikus folyamatok polimer monomer szerves anyagok vesztése membrán transzporttal: Taurin transzport szerves anyagok akkumulációja membrán transzporttal: Taurin transzport

25 A citoszolikus ph szabályozása: kísérleti tapasztalat ph i NH 3 /NH 4 NH 3 a sejtekbe bejutva protont vesz fel NH 3 NH 4, ami bázikussá teszi a pht A sejtek H t akkumulálnak a ph fenntartására Az NH 3 /NH 4 oldat eltávolítását követően a a citoszolban NH 4 NH 3 átalakulás és NH 3 sejtekből történő kijutása, citoszolikus H felesleg idő (perc)

26 A citoszolikus ph szabályozásának elve: egyensúlyi (steadystate) ph maximális transzportsebesség %a sav leadás A bázis leadás savas ph lúgos

27 Az egyensúlyi (steadystate) ph változásának magyarázata maximális transzportsebesség %a sav leadás 1 C 2 2 D A B bázis leadás savas ph lúgos

28 Az egyensúlyi (steadystate) ph fenntartását biztosító legfontosabb transzporterek I. 100 maximális transzportsebesség %a 50 Na Na /H antiport H Cl Cl /HCO 3 antiport HCO intarcelluláris ph

29 Az egyensúlyi (steadystate) ph fenntartását biztosító legfontosabb transzporterek II. extracelluláris tér HCO 3 1 H 2 Na H Cl 3 Cl Na HCO 3 intracelluláris tér