A sejtmembrán fiziológiája (TT.: 2., 3.)

Átírás

1 A sejtmembrán fiziológiája (TT.: 2., 3.) Karcsúné Dr. Kis Gyöngyi Szeged, szeptember 6. TT2: A sejtmembrán passzív transzportfolyamatai Membrán jellemzői: #felépítés #molekuláris_szerkezet (#lipidek #fehérjekomponensek) Transzportfolyamatok: #diffúzió#ioncsatornák_és_ jellemzőik #ozmózis 1

2 TT3: A sejtmembrán aktív transzportfolyamatai #Primer pumpák #Transzporter_típusok #Transzportfolyamatok_polarizált_sejtekben #Vezikuláris_transzport A membrán funkciói Diffúziós barrier korlátozott (szabályozott) anyagtranszport Elektromos szigetelés - ellenállás és kapacitás is egyben Kommunikáció jel felfogás és továbbítás (receptorok, ioncsatornák, másodlagos hírvivők) Sejt identitás -sejt specifikus makromolekulák (pl.:mhc, vércsoport antigének) Sejtek közötti kapcsolatok -sejtadhéziós molekulák (pl.: immun válasz, gyulladás) Metabolikus jelentőség -membrán eredetű lipidmediátorok : phosphatidilinozitol(ip 3 ) diacylglycerol, (inozitoltrifoszfát) arachidonsav: prosztaglandinok, leukotriének, endogén cannabinoidok 2

3 A plazmamembrán felépítése egy kis történeti háttér 1665: Robert Hooke elsőkét használja a cellula (latin) szót 1839: Sejt,mint működési egység (Schleiden& Schwann) 20. század eleje: sejtmembrán kémiai természete, kettős réteg Davson& Danielli: globuláris fehérje burkolat A plazmamembrán molekuláris szerkezete 1972: Singer& Nicolson, folyékony mozaik modell Lipid kettős réteg 3

4 A) Lipid kettősréteg Amfipatikus molekula foszfatidsav 6-7 nm Éterlipidek: Pl. plazmalogén, vérlemezke aktiváló faktor 4

5 Foszfolipidekaszimmetrikus megoszlása a membrán kettősrétegben, humán vörösvértestben Foszfolipid funkciók Határfelület biztosítása - transzport Másodlagos hírvivők előanyagai(pl. arachidonsav, IP 3, DAG foszfolipázoksegítségével Enzimek kihorgonyzása (pl. acetilkolinészterázta glikozil-foszfatidilinozitol Antioxidáns (pl. plazmalogén a peroxiszómában) Apoptózis: foszfatidilszerin külső rétegre Membránpotenciál alakításában szerep (pl. negatív foszfatidil-szerin a belső rétegben) 5

6 Glikolipidek Kizárólag a külső monorétegben Lipid aszimmetria Antigének (pl. vércsoport), receptorok (pl. bakteriális toxinok), sejtadhézió (pl. neuron-myelin gangliozidokkal) Gangliozidok: ceramid-oligoszacharidok-sziálsav glikoszfingolipid Mesterséges lipid membrán Invitrovizsgálat (transzportmechanizmusok) planáris bilayer Diagnosztika, terápia - liposzóma 6

7 A membrán dinamikus struktúra Biológiai membránokat alkotó molekulák mozgásai: rotáció, laterális diffúzió, flip-flop, zsírsavláncok elhajlása (fél)folyadék ~ fluiditás Függ: Belső rendezettség lipidösszetétel; telítetlen zsírsavláncokban a kettős kötésnél elhajlás folyékonyabb ) (poikilotherm állatok alacsony hőmérsékleten); rigidebb (gélszerű): sok telített zsírsav külső hőmérséklet Koleszterintartalom: merev szteránváz, hosszú távú hőmérsékletadaptáció, laterális membrán fluiditást szabályozza, patológiás: arterioszklerózis Laterális diffúzió A molekuláknak a membrán kétdimenziós síkjában történő elmozdulása, lipidmolekulák helycseréje (10 7 /s), más membránalkotók (fehérje) akadályozza Rotáció, flip-flop Rotáció: az egész molekula saját tengely körüli forgómozgása Flip-flop: egy lipidmolekulának az egyik membránfélből a másikba történő átkerülését jelenti (fehérje ritkán) foszfolipid transzlokátor(flippáz) 7

8 B) A membrán fehérje komponensei Közvetlen környezet (fejcsoport és zsírsav-összetétel) fehérje funkcióképessége Perifériás: a membrán poláros fejcsoport-régiójával, integráns fehérjével asszociálódó Belső rétegre helyeződnek, sejtalak fenntartó és intracelluláris szignál továbbító funkció Integráns: a membrán apoláris régiójába is belenyúló a membrán teljes síkját átíveli: transzmembrán fehérje extracelluláris, transzmembrán, intracelluláris domének Ált. glikoproteinek A fehérjék hidrofób aminosav oldalláncai és a zsírsavláncok közötti apoláros kölcsönhatások rögzítik az integráns fehérjéket A membrán fehérjék (és a lipoidok) transzport vezikulák segítségével recirkulálnak Intracelluláristranszport folyamatok biztosítják a fehérjék célzott mozgását Trafficking, transzlokáció Lipidrafts membrán tutajok: speciális összetételű (magas szfingolipid, glikolipid, koleszterin, fehérjék) membrándomének (detergens inszolubilis glikolipid (DIG)-mikrodomén); funkciója: laterális szervezettség biztosítása, bizonyos jelátviteli folyamatokhoz szükséges elemek együtt tartása 8

9 Fehérjék intracelluláris útvonalai Membránfunkció befolyásolása A gyógyászatban használt hatóanyagok túlnyomó része befolyásolja a sejtmembrán funkcióit pl.: helyi érzéstelenítők, általános érzéstelenítők, antiepileptikus és anitarrhythmiásszerek, vízhajtók, pszichoaktív hatóanyagok, stb. Lidocain, kokain Na csatorna blokkoló Antibiotikumok pl. polymyxin Alkohol: rövid távon növeli a fluiditást, hosszú távú alkalmazása rigidebbéteszi (koleszterin beépítés) + reaktív oxigén gyökök! 9

10 Membrán transzportrendszerek Membrán transzport alapfolyamatok Diffúzió, permeábilitás Primer pumpák Hegymeneti ( uphill ) transzport (gradienssel szemben), ionmozgatás ATP hidrolízissel Passzív karrierek Völgymeneti ( downhill ) transzport (gradiens irányába), ciklikus konformációváltozás Transzmembrán ioncsatornák Ion- és vízmozgás az ozmotikus gradiens irányába Vezikuláris transzport Endocitózis, exocitózis, transzcitózis Diffúzió Részecskék passzív mozgása folyadékkal vagy gázzal kitöltött terekben Sejtmembránon keresztül: Hajtóerő: koncentrációkülönbség (ionok: elektrosztatikus erő) Fick törvény: J=dQs dqs/dt=-d*a*dc/x dqs/dt: diffúziós ráta (membrán fluxus; M/cm 2 /s): egységnyi idő alatt egységnyi területen áthaladó anyagmennyiség; D: diff. konstans oldatban; A:diff. felszín; dc: koncentráció különbség; x: membrán vastagsága Permeábilitás: passzív áthatolási ráta adott körülmények között, nem elektrolitokra: dqs/dt=p(c 1 -C 2 ) (ahol P permeabilitási állandó (cm/s) függ a hőmérséklettől, membrán vastagságától és anyag méretétől, lipid oldékonyságától) Szabadon áramlik a biológiai membránokon keresztül: gázok (O 2, CO 2, NO, N 2 O), töltés nélküli kis molekulák (éter, etil-alkohol) Vízoldékony molekulák és ionok (töltés miatt) NEM! Élettani jelentőség: alveolusok gázcseréje, endothélsejteknél mikrocirkuláció, enterális tápanyagfelszívódás 10

11 Transzport molekulák Általános jellemzők: Specificitás(szelektív permeábilitás, szubsztrátspecificitás) Szaturáció(transzportsebesség függése a csatornák/karrierek számától (lásd. Michaelis-Menten kinetika) Hőmérsékletfüggőség Szabályozhatóság/aktiválhatóság-gátolhatóság (gating: csatorna alegység konformációjának változása, kovalens/nem-kovalens modifikációk, génexpressziós változások, transzlokáció) Kompetitív gátlás, nem kompetitív gátlás Ioncsatornák és pórusok (porinok, perforin, MACkomplement rsz.) Passzív karrierek és aktív pumpák Hajtóerők: Passzív: koncentráció vagy elektrokémiai gradiens Aktív: metabolikus energia (ATP hidrolízis) A) Passzív karrierek Csak a gradiensnek megfelelő irányba lehetséges ( downhill ) Típusai: uniporterek: pl. glükóz-transzporter Szimporter(kotranszport): több ion/molekula azonos irányba, pl. Na-glükóz kotranszporter Antiporter(kotranszport, exchanger): ionok/molekulák ellenkező irányba pl. Cl - -HCO 3- exchanger Iontranszport esetén: elektrogén(nettó töltésáramlás egyik irányba) elektroneutrális(nincs nettó töltésáramlás) 11

12 Uniporterek Facilitált diffúzió, pl. GLUT V max arányos a rendelkezésre álló karrierek számával, sebességével Nem glükózspecifikus, más monoszacharidokkal kompetitív gátlás Kompetitív gátlás: V max nem vált., K m nő Nem kompetitív gátlás: V max csökken, K m nem változik Antiporterek Klorid-hidrokarbonát kicserélő vvt-ben: Alacsony kalcium szint biztosítása: 12

13 Szimporterek Akkor működik ha minden anyag rendelkezésre áll Pl. Na-glükóz-, Na-foszfát-, Na-K-2Clkotranszporterek vesében Transzmembrán csatornák vízcsatornák, AQUAPORINOK Transzmembrán fehérjék, melyeken víz áramlik át a koncentrációgradiensnek megfelelően A sejtmembrán alap, illetve fokozott (szabályzás!) vízpermeábilitását biztosítják Állandóan nyitottak (gating növényekben) 2004 Winner of Visualization Challenge in Science and Engineering, Organized by the National Science Foundation and Science Magazine. 13

14 Speciális diffúzió: ozmózis 1748 Jean-Antoine Nollet abbé, bor hűtése húgyhólyagban 1865 van t Hoff Hajtóerő: kémiai potenciálkülönbség (oldott anyag kémiai potenciálja a töményebb oldatban kisebb) Egyensúlyban a nettó oldószer mozgás 0 Ozmotikus nyomás: (~ami szükséges lenne az oldószer effektív mozgásának megakadályozásához (Hgmm vagy Pa)) P= R*T*n/V (van t Hoff) Folyadékoszlop emelkedése (hidrosztatikai nyomás) ellene hat az oldószer beáramlásának, egyenlőségig emelkedik az oszlop 1 osmol: 1 molnyi molekulaszám (6*10 23 ) Vér ozmotikus koncentrációja: 290 mosm/l OzmolaLitás: molális koncentráció (osm/kg H 2 O)vs. OzmolaRitás: moláris koncentráció (osm/l), hőmérséklet! Ionizált anyagok esetén a disszociált anyagok számát kell figyelembe venni [mmol/l~meq(mval)/l]! Tonicitás: oldat jellemzője a belemerített sejtválasz alapján vörösvértest (AQP1), gyakorlat! Oldatok közötti viszony: izo-, hipo-, hiperozmotikus Filtráció Semipermeabilis hártya Hajtóerő: nyomásgradiens (kolloidozmotikus (onkotikus) nyomás: makromolekulák által fenntartott ozmotikus nyomás) Sejt 2 oldala között Pl. szűrletképzés (vese glomerulus), szöveti anyagcsere (kapillárisok) 14

15 Transzmembrán csatornák - ioncsatornák Sejtek ioncsatorna-összetétele változó: funkcionális jellemzők, excitábilis és nem excitábilis sejtek Vezetőképességük nagy ( ion/s) Transzmembrán fehérjék, ionok a grádiensükmentén áramlanak át rajtuk Részei: pórus, szelektivitás szűrő, kapuzó alegység(ek) (gating) Rektifikáció: a vezetőképesség az áramlás irányától függ Csatornák aktiválása szerint: Feszültségfüggő (nátrium, kálcium, szívben, idegrendszerben) Ligandfüggő(nikotinerg-acetilkolin receptor, vázizom) Mechanoszenzitív ( tapintás) Kemoszenzitív (pl. ASICs, alacsony extracelluláris ph, idegrendszer) Termoreceptorok (hőérzékenyek) Intracelluláris szignálra érzékenyek (pl. G-fehérje aktiváció) Leaky/szivárgó: folyamatos áramlás, tartósan nyitott állapot Ioncsatornák jelentősége a gyakorló orvoslásban Számos hatóanyag közvetlenül az ioncsatornákon hat: Feszültségfüggő Na + csatorna: helyi érzéstelenítők (Lidocain), antiarithmiás és antiepilepsziás szerek IonotrópAchreceptor: izomlazítók ATP-függő K+ csatornák: orális antidiabetikusszerek GABA A receptor (ligandfüggő Cl - csat.): altatók, szorongás gátlók Öröklött funkciózavarok (mutáns ioncsatornák/karrierek): Channelopathy Veleszületett szívritmuszavarok (longqt syndrom) K + csatorna Myotonia(az izomrelaxáció zavara): Cl - csatorna Renálisdiabetes insipidus(csökkent vízreabszorpció, polyuria): Aquaporin-2 hiány Cysticus fibrosis: CFTR Protein (Cystic Fibrosis Transepithelial conductanceregulator -Cl - transzporterzavara) 15

16 Példák Ligandfüggő: nikotinergacetilkolin receptor vázizomban: Feszültségfüggő (idegrendszer): Intracelluláris aktiválás G-fehérje által: Pl. m-ach-r & K + -csatorna szívben, Frv. Transzmembrán csatornák antibiotikumok, antimikotikumok és toxinok Gramicidin Nystatin(perforált patch clamp módszerben alkalmazzák) Streptococcus pneumoniae, pneumolysin 16

17 Passzív transzportfolyamatok - összegzés B) Aktív transzporterek - Primer pumpák ATPáz aktivitásuk van (ATP szükséges) P-típusú ATPázok: működésük soránfoszforilálódnak, V-típusú: vakuoláris(nem foszforilálódnak, pl. H + -pumpa sejtorganellumban) Koncentrációgradienssel szemben, hegymenet ( uphill ) Pl. Na-K pumpa 17

18 Plazmamembránban Primer pumpák Intracelluláris organellum membránjában Aktív transzporterek ABC transzporterek ATP Binding Cassette szekvenciarészlet, transzmembrán és ATPkötő domén(citoszolban) CFTR: egyetlen, ami ioncsatorna MDR (multidrugtransporterek): toxikus hatású hidrofób anyagokat (xenobiotikumokat) pumpálnak ki a sejtekből, csekély mértékű specificitás: kémiailag kevéssé hasonló vegyületek széles körét képesek kipumpálni, daganatterápia-rezisztencia 18

19 Aktív transzportok polarizált sejtek Másodlagos és harmadlagos aktív transzport 2 membrán 3 kompartment Tight junction szoros kapcsolat transzcelluláris paracelluláris Az orvosi élettan tankönyve, Digitális Tankönyvtár Aktív transzportok polarizált sejtek Vezikuláristranszportok: endocitózis(pinocitózis, fluid-fázis endocitóziskevésbé specializált és nagyobb mennyiségű folyadék felvételét jelenti, pl. tireocita, fagocitózis), exocitózis, transzcitózis pinocitózis Fagocitózis JamesRothman, Randy Schekman, and Thomas Südhof were awarded the 2013 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their discoveries of machinery regulating vesicle traffic, a major transport system in our cells. 19