Membránszerkezet Nyugalmi membránpotenciál 2011.11.15. 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
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): 1848-1906. Irving Langmuir 2
Kettős lipidréteg 1925 - 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 1972 - 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 http://www.molecularexpressions.com/cells/plasmamembrane/plasmamembrane.html Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 1972 Feb 18;175(23):720-31. 3
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
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
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 - 1876) 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
Bernstein kálium hipotézise (1902) Julius Bernstein (1839-1917) - 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, 521 562. Bernstein kálium hipotézise K + : 100 mm Cl - : 100 mm K + : 5 mm Cl - : 5 mm 7
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
Walther Hermann Nernst Német fiziko-kémikus (1864 1941) 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
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
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) = - 101.2 mv [Na + ] E mv = -58/1 log (20/120) = + 45.1 mv [Cl - ] E mv = -58/1 log (3.8/120) = + 86.9 mv = 30.8 mv E mv =-92mV 11
Mi történik, ha a sejtmembrán többféle iontípusra is átjárható? Frederick George Donnan (1870-1956; 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
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
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
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