BIOFIZIKA 2012 10 15 Membránpotenciál és transzport Liliom Károly MTA TTK Enzimológiai Intézet liliom@enzim.hu
A biofizika előadások temamkája 1. 09-03 Biofizika: fizikai szemlélet, modellalkotás, biometria 2. 09-10 SZÜNET 3. 09-17 Az érzékelés biofizikája 4. 09-24 Mikrostruktúrák 5. 10-01 Zárthelyi dolgozat 1 6. 10-08 Sejtmembránok, lipid- fehérje kölcsönhatások 7. 10-15 Membránpotenciál, transzport biológiai membránokban 8. 10-27 szombat Interaktom, szabályozási rendszerek, rendszerbiológia 9. 10-29 Zárthelyi dolgozat 2 10. 11-05 Metodika- 1: Morfológia, lokalizáció, kölcsönhatás (mikroszkópia) 11. 11-12 Metodika- 2: Szerkezetmeghatározás (krisztallográfia, NMR, CD) 12. 11-19 Metodika- 3: Kölcsönhatás és szerkezet jellemzése: spektroszkópia 13. 11-26 Metodika- 4: Kölcsönhatások valósidejű követése: SPR, QCM 14. 12-03 Zárthelyi dolgozat 3 Pótzárthelyi - 2012. 12. 11. 10h- 12h Biofizika, 2012, Liliom Károly 2
Biofizika, 2012, Liliom Károly 3
Transzport biológiai membránokban A különböző membrán vezikulumok képződése és egymásba alakulása nem csak az organellumok regenerálását, hanem anyagtranszportot is jelent: - Anyagfelvétel: endocitózis, pinocitózis, fagocitózis - Anyagleadás: exocitózis, szekréció vezikulák Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül: - a szállítás mechanizmusa szerint lehet szállító molekula nélküli (egyszerű diffúzióval vagy csatorna- fehérjén át), illetve szállító molekulával segítek - a transzport energiaigénye szerint lehet passzív vagy aklv Biofizika, 2012, Liliom Károly 4
Transzport biológiai membránokban - Az anyag kizárólag a koncentrációgrádiensnek megfelelően mozog, a transzport sebessége függ a hőmérséklekől, a molekula méretétől, polaritásától (gázok, szteroidok, + alkohol, víz); - Aklv transzporterek: a közvetlenül ATP- függő pumpa- fehérjék mellek a ko- transzporterek (anmporterek és szimporterek) is aklv transzporterek, hiszen működésükhöz az energiát az ATP- függő pumpák által létrehozok koncentráció- grádiensből merímk = másodlagos aklv transzporterek. Biofizika, 2012, Liliom Károly 5
Diffúzió passzív transzport Anyagáram- erősség = I V = n/ t Anyagáram- sűrűség = J = I V / A = n/ A t Fick I. tv.: J = D c/ x tehát az anyagáram- sűrűség egyenesen arányos a koncentrációgradienssel, D a diffúziós együkható, ami az anyag diffúziós képességének mértéke. Tipikus D- értékek: Laterális diffúzió a membránban: lipidekre 10 8 10 12 m 2 /s, fehérjékre 10 13 10 17 m 2 /s Biofizika, 2012, Liliom Károly 6
Diffúzió passzív transzport Fick I. tv.: J = D c/ x = D m (c km - c bm )/d m = P m c m = P m ß c = P c P, m/s ß=c m (0)/c b =c m (d m )/c k P a permeabilitási együkható és ß a parlciós együkható Na+ ionokra P = 10-12 m/s = 10-3 nm/s, tehát a 6 nm vastag membránt majdnem két óra alak küzdik le a lipidmembrán ionokra alig, nagyobb töltök molekulákra prakmkusan nem átjárható! Biofizika, 2012, Liliom Károly 7
Facilitált diffúzió B A + B AB B T ahol A a karrier fehérje, B a transzportálódó molekula A v = db T /dt = k 2 AB, ahol B T a transzportált molekula stacionárius állapotban dab/dt= k 1 A B k - 1 AB k 2 AB = 0 és az anyagmegmaradási egyenlet szerint A + AB = A 0 innen AB = A 0 B/(B+(k - 1 + k 2 )/k 1 ) = A 0 B/(K M + B) v = k 2 AB = k 2 A 0 B/(K M + B) = v max B/(K M + B) v max facilitált vagyis a facilitált diffúzió intenzívebb az egyszerű diffúziónál és Michalis- Menten kinemkát követ, jellemzője még, hogy szeleklv és gátolható. v max 2 v passzív Tipikus karrier- fehérjék a GLUT glükóz transzporterek Biofizika, 2012, Liliom Károly K M 8 [B]
ioncsatornák és ionofórok Ionofórok = gyakran anmbiomkumok, pórust képeznek a membránban calcimycin, valinomycin, colicin monensin calcimycin valinomycin + K + Biofizika, 2012, Liliom Károly 9
ioncsatornák és ionofórok Ionszeleklv csatornák Csatorna transzporter összehasonlítás: a csatorna a gradiens irányában enged át és sokkal gyorsabb (106 ion/sec) a csatornák nem telíthetők nyitásuk/zárásuk ligand vagy feszültség (membránpotenciál) függő. Strpeptomyces lividans K+ csatorna A nikomnos acemlkolin receptor működése Biofizika, 2012, Liliom Károly 10
Passzív vs aklv transzport c 0 P 1 > P 2 > P 3 c 02 P 3 I/P P 1 P 2 t c 01 t Legyen a koncentráció a sejten belül c 0, kívül 0, ekkor Fick I. tv. következtében: Az előző sejt I erősséggel vegye is fel az anyagot a passzív transzport mellek: dc = P c 0 dt dc = (I P c 0 ) dt c = c 0 exp(- Pt) c =I/P + c 0 exp(- Pt) Aklv transzport nélkül nincs homeosztázis Biofizika, 2012, Liliom Károly 11
A membránpotenciál kialakulása egyenlőtlen ioneloszlás a membrán két oldalán: a sejt belsejében magas K + és alacsony Na + koncentráció van, folyamatosan működő K- Na ionpumpa: a Na + ionokat kifelé, a K + ionokat befelé szállítja szeleklv membránpermeabilitás: a sejtmembrán K + ionokra nézve sokkal átjárhatóbb, mint Na + ionokra a sejt besejében negalv töltéső, nem diffundáló ionok (fehérjék, nukleinsavak) vannak. Biofizika, 2012, Liliom Károly 12
Donnan- egyensúly ha I és II oldal közök nincs elektromos potenciál- különbség, az ionok koncentrációja kiegyenlítődik ha I- be nem diffundáló, negalv töltésű makromolekula (A - ) kerül, a K + és Cl - ionok aránya megváltozik: a K + koncentrációja megnő az I oldalon Adok ion elektrokémiai potenciálja: µ = µ o + R*T*ln c + z*f*e Biofizika, 2012, Liliom Károly F = Faraday- állandó, 1 mol elektron töltése F = e x N A = 96485 Coulomb 13
Biofizika, 2012, Liliom Károly 14
Biofizika, 2012, Liliom Károly 15
Biofizika, 2012, Liliom Károly 16
Na- K pumpa nélkül nincs membránpotenciál - szivárgáskompenzáció - pumpapotenciál - ozmomkus kompenzáció (3:2) Pihenéskor a Na- K pumpa folyamatos működése adja az összes ATP fogyasztás 25%- át! Biofizika, 2012, Liliom Károly 17
Feszültségzár (voltage- clamp) technika A feszültségmérő belső ellenállása igen nagy (giga- Ohm, hogy ne változtassa meg az áramot), vezérli az áraminjektáló egységet, hogy a referenciafeszültségtől való eltéréssel arányos áramot pumpáljon a sejtbe = a membránpotenciált a referencia- feszültségen tartja = a membránon át folyó ionáramok közvetlenül mérhetők. Biofizika, 2012, Liliom Károly 18
Biofizika, 2012, Liliom Károly 19
Biofizika, 2012, Liliom Károly 20
Mennyi iont kell mozgatni? Biofizika, 2012, Liliom Károly 21
Biofizika, 2012, Liliom Károly 22
Biofizika, 2012, Liliom Károly 23
Biofizika, 2012, Liliom Károly 24
Biofizika, 2012, Liliom Károly 25
Biofizika, 2012, Liliom Károly 26
Biofizika, 2012, Liliom Károly 27
Akciós potenciál terjedése Biofizika, 2012, Liliom Károly 28
Aklv transzporterek Biofizika, 2012, Liliom Károly 29
Biofizika, 2012, Liliom Károly 30
Az F lpusú transzport ATP- ázok reverzibilisen működnek Biofizika, 2012, Liliom Károly 31
folytatása következik Biofizika, 2012, Liliom Károly 32