RM TRANSPORT PRZEZ BLONY

Transport

Jolanta Niewiarowska Zakład Molekularnych Mechanizmów Komórkowych

ZDOLNOŚĆ SUBSTANCJI DO PRZENIKANIA PRZEZ BŁONĘ CZĄSTECZKI APOLARNE: O2, C02,N2, BENZEN

MAŁE NIENAŁADOWANE CZĄSTECZKI POLARNE: H2O, GLICERYNA, MOCZNIK

DUŻE NIENAŁADOWANE CZĄSTECZKI POLARNE : GLUKOZA, SACHAROZA

JONY, np.: Na+, K+, H+, Cl-, Ca2+, HCO3-

TRANSPORT PRZEZ BŁONY

BEZ ZMIANY STRUKTURY BŁONY (małe cząsteczki) BIERNY: 1. 2. 3. 4.

ZE ZMIANĄ STRUKTURY BŁONY (duże cząsteczki)

CZYNNY:

FILTRACJA 1. POMPA SODOWO-POTASOWA BEZNOŚNIKOWY 2. POMPA ZALEŻNA OD Ca 2+ (DYFUZJA PROSTA) 3. POMPA PROTONOWA NOŚNIKOWY 4. BEZ UDZIAŁU ATP (DYFUZJA UŁATWIONA) OSMOZA WBREW GRADIENTOWI STĘŻEŃ

ZGODNIE Z GRADIENTEM STĘŻEŃ

1. 2.

ENDOCYTOZA: fagozytoza pinocytoza EGZOCYTOZA

Filtracja Polega na przedostawaniu się przez błonę wody i substancji w niej rozpuszczonych, których średnica jest mniejsza od średnicy porów w błonie.

Proces ten zachodzi dzięki różnicy ciśnień hydrostatycznych występujących po obu stronach błony.

Przykład: pierwszy etap tworzenia moczu w nerkach

ULTRAFILTRACJA

DIALIZA

– USUWANIE Z KRWI NIEPOTRZEBNYCH SUBSTANCJI NISKOCZĄSTECZKOWYCH ULTRAFILTRACJA - CIŚNIENIE KRWI JEST WYŻSZE NIŻ DIALIZATU – POWSTAJE RÓŻNICA CIŚNIEŃ, WODA PRZECHODZI DO DIALIZATU I JEST PRZEZ NIEGO PORYWANA

DYFUZJA PROSTA

Przebiega zgodnie z zasadą dążności do wyrównania stężeń

Przykład:

Cząstki przechodzą przez błonę z obszaru o większym stężeniu do miejsca o stężeniu mniejszym, tym szybciej, im wyższa różnica stężeń.

TRANSPORT GAZÓW (O2, N2 i CO2) oraz MAŁYCH CZĄSTECZEK (etanol, mocznik)

DYFUZJA PROSTA dwuwarstwa lipidowa

c

(TRANSPORT GAZÓW (O2, N2 i CO2) ORAZ MAŁYCH CZĄSTECZEK (etanol, mocznik))

c = c1 - c2

roztwór 1

c1

roztwór 2

c2

PRAWO FICKA:

dN D   P  S  c P  dt X

gdzie:

N - liczba moli substancji t - czas P - przepuszczalność błony S - powierzchnia, przez którą przemieszcza się substancja D - współczynnik dyfuzji c - różnica stężeń po obu stronach strony błony X - grubość błony

TRANSPORT SUBSTANCJI PRZEZ BŁONĘ NA DRODZE DYFUZJI PROSTEJ ZALEŻY OD RÓŻNICY STĘŻEŃ ORAZ PRZEPUSZCZALNOŚCI BŁONY SZYBKOŚĆ PRZEMIESZCZANIA SIĘ SUBSTANCJI Z ROZTWORÓW WODNYCH DO DWUWARSTWY HYDROFOBOWEJ ZALEŻY OD ICH HYDROFOBOWOŚCI; WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI D JEST PROPORCJONALNY DO ZDOLNOŚCI ROZPUSZCZENIA SUBSTANCJI W SILNIE HYDROFOBOWYM WNĘTRZU BŁONY: D dla fosfolipidów jest 100 - 1000 x niższy niż dla H2O, gdyż ich lepkość jest 100 - 1000 x wyższa

WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI

D= gdzie:

kT 6 Phr

m2 [D] =[ s ]

k=

R NA

T - temperatura h - współczynnik lepkości r - promień cząsteczki R - stała gazowa NA - liczba Avogadro

CZAS I WSPÓŁCZYNNIKI DYFUZJI CZĄSTECZEK PRZEZ DWUWARSTWĘ LIPIDOWĄ [5 nm]

CZĄSTECZKI

BŁONA [5nm] D [m2/s] CZAS

WODA NIEELEKTROLITY GLUKOZA JONY

5 x 10-14 5 x 10-17 5 x 10-19 5 x 10-22

0,5 ms 0,5 s 50 s 14 h

WARSTWA H2O [5 nm] D [m2/s] CZAS

10 -9 10 -9 10 -9 10 -9

13 ns 13 ns 13 ns 13 ns

Ciśnienie osmotyczne

ciśnienie, jakie musi panować w naczyniu z roztworem, oddzielonym błoną półprzepuszczalną od czystego rozpuszczalnika, aby ten ostatni nie wnikał do roztworu Różnica ciśnień powstaję w przypadku roztworu wieloskładnikowego, gdy przynajmniej jeden ze składników nie może przenikać przez błonę półprzepuszczalną.

W komórkach różnica ciśnień między wnętrzem i otoczeniem powstaje dzięki mechanicznemu napięciu błony komórkowej

p = CmRT

Prawo Van’t Hoffa – ciśnienie osmotyczne jest wprost proporcjonalne do stężenia i temperatury

Roztwory o tym samym ciśnieniu osmotycznym – ROZTWORY IZOTONICZNE Roztwór o wyższym ciśnieniu od porównawczego – R. HIPERTONICZNY Roztwór o niższym ciśnieniu – R. HIPOTONICZNY

CIŚNIENIE ONKOTYCZNE (koloidowe ciśnienie osmotyczne krwi)

to ciśnienie wywierane przez roztwór koloidalny białek zawartych w osoczu krwi.

Jest to siła, z jaką ściągana jest do wnętrza naczyń krwionośnych woda z przestrzeni międzykomórkowych.

Ciśnienie onkotyczne:  zależy od różnicy zawartości białek w osoczu (7-9%) i płynie międzykomórkowym (1-2%)  jest mechanizmem przeciwstawiającym się przechodzeniu wody z elektrolitami z osocza do tkanek (dzięki temu zawartość wody w organizmie rozkłada się prawidłowo co zapobiega obrzękom*) ( * gdy zawartość białek w osoczu spada do 3% woda przechodzi z naczyń do tkanek, wywołując obrzęki)

DYFUZJA UŁATWIONA

POLEGA NA PRZENOSZENIU CZĄSTECZEK Z ZEWNĄTRZ KOMÓREK DO ICH WNĘTRZA ZA POMOCĄ PRZENOŚNIKÓW, KTÓRYMI NAJCZĘŚCIEJ SĄ BIAŁKA NOŚNIKOWE LUB INTEGRALNE BŁONY

DYFUZJA UŁATWIONA POLEGA NA PRZENOSZENIU CZĄSTECZEK Z ZEWNĄTRZ KOMÓREK DO ICH WNĘTRZA ZA POMOCĄ PRZENOŚNIKÓW, KTÓRYMI NAJCZĘŚCIEJ SĄ BIAŁKA NOŚNIKOWE LUB INTEGRALNE Różnice pomiędzy dyfuzją prostą a ułatwioną:

   

ZNACZNIE WIĘKSZA SZYBKOŚĆ SPECYFICZNOŚĆ (przenoszone są pojedyncze cząsteczki lub odpowiednie jony) CHARAKTERYZYJE JĄ SZYBKOŚĆ MAKSYMALNA MOŻNA JĄ KOMPETYCYJNIE HAMOWAĆ

BŁONA k-4

C

So

Si

C k+

środowisko zewnątrzkomórkowe

k+

k-1

1

4

So + C So + C

k+2

SC

k-1

Km

k-2

SC

Vmax

C + Si C + Si

k+ 3

k-2

SC k+1

k-3

Km

SC k+2

środowisko wewnątrzkomórkowe

DYFUZJA PROSTA

V

DYFUZJA UŁATWIONA

V

Vmax

Vmax

So - Si

2

Km

So - Si V=

Vmax 1 + [So]/Km

, gdzie V - szybkość transportu substancji do wnętrza komórki Vmax - max szybkość transportu S do komórki So – stężenie substancji na zewnątrz komórki Km - stężenie substancji, dla której szybkość transportu do komórki jest równa połowie szybkości maksymalnej

MODELE DYFUZJI UŁATWIONEJ Z UDZIAŁEM: a) PRZENOŚNIKÓW - antybiotykowych - białek błonowych nośnikowych z

w

z

w

PRZENOŚNIKI JONÓW: WALINOMYCYNA NONAKTYNA ENIATYNA NIGERYCYNA

b)

KANAŁÓW - antybiotykowych - białek integralnych błony

(transport cząsteczek obojętnych i jonów)

z

w

PRZEWODNICTWO JONOWE PRZENOŚNIKI ANTYBIOTYKOWE roztwór wodny

roztwór wodny

„MAŁA

KARUZELA” (walinomycyna)

„DUŻA

BŁONA

KARUZELA” (antybiotyki rozpuszczające się w wodzie)

WALINOMYCYNA ENIATYNA NONAKTYNA NIGERYCYNA

PRZEWODNICTWO JONOWE cd. KANAŁY ANTYBIOTYKOWE

nienaturalne wielkość 0,4 – 0,5 nm mało selektywne szybkość przenoszenia kationów – 107/s

GRAMICYDYNA ALAMETYCYNA MONAZOMYCYNA NYSTATYNA ALAMETYCYNA

GRAMICYDYNA

NATURALNE KANAŁY JONOWE GŁÓWNE CECHY NATURALNYCH KANAŁÓW JONOWYCH: BARDZO DUŻA SZYBKOŚC PRZENOSZENIA SUBSTANCJI (100x WIEKSZA NIŻ Z UDZIAŁEM BIAŁEK NOŚNIKOWYCH) – 106 JONÓW/s

ZBUDOWANE SĄ Z WIELU HOMOLOGICZNYCH PODJEDNOSTEK LUB DOMEN (większość z 4, 5 lub 6) POR PRZEBIEGA ZGODNIE Z OSIĄ SYMETRII KANAŁU STOPIEŃ SELEKTYWNOŚCI ZALEŻY OD ŚREDNICY NAJWĘŻSZEJ CZĘŚCI PORU WSZYSTKIE KANAŁY MAJĄ STANY OTWARTE I ZAMKNIĘTE ( PRZEDE WSZYSTKIM TE DRUGIE) I TYM SIĘ RÓŻNIĄ OD PORÓW WODNYCH CZYNNIKAMI OTWIERAJĄCYMI KANAŁY SĄ: ZMIANY NAPIĘCIA PO OBU STRONACH BŁONY ZWIĄZANIE ODPOWIEDNIEJ CZĄSTECZKI SYGNAŁOWEJ BODŹCE MECHANICZNE

OTWIERANE PRZEZ ZMIANY NAPIĘCIA: KANAŁY: SODOWE POTASOWE WAPNIOWE CHLORKOWE AKTYWACJA: DEPOLARYZACJA LUB HIPERPOLARYZACJA BŁONY

 ZBUDOWANY Z 4 PODJEDNOSTEK  ŚREDNICA - 0,5 nm  TRANSPORTUJE Na+ 8x SZYBCIEJ NIŻ K+

KANAŁ SODOWY

FILTR SELEKTYWNOŚCI – SÓD REAGUJE Z GRUPĄ KARBOKSYLOWĄ Meisler, M. H. et al. J. Clin. Invest. 2005;115:2010-2017

AKTYWACJA KANAŁU Na

George, A. L. J. Clin. Invest. 2005;115:1990-1999

POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY aksonu kałamarnicy (-60 mV) Jon

Stężenie jonów wewnątrz komórki [mM]

Stężenie jonów na zewnątrz komórki [mM]

Potencjał równowagowy [mV]

K+ Na+ ClA-

400 50 52 385

20 440 560 -

-75 +55 -60 -

KANAŁY AKTYWOWANE CHEMICZNIE:

POPRZEZ PRZYŁĄCZENIE LIGANDU  KANAŁ ZALEŻNY OD ACETYLOCHOLINYW BŁONIE POSTSYNAPTYCZNEJ ZNAJDUJE SIĘ RECEPTOR DLA ACETYLOCHOLINY  CZAS OTWARCIA 1 ms 





KANAŁY AKTYWOWANE MECHANICZNIE:

NAPRĘŻENIA MECHANICZNE ZAMIENIAJĄ SYGNAŁY MECHANICZNE NA ELEKTRYCZNE KOMÓRKI RZĘSATE W BŁONIE PODSTAWNEJ NARZĄDU CORTIEGO

Ruch błony podstawnej w górę i dół wywołuje cykliczne zbliżanie układu Cortiego i błony pokrywkowej – rzęski przeginają się raz w jedną raz w drugą stronę. Przeginanie to połączone jest z otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych znajdujących się w rzęskach

SZCZELINY (transport cząsteczek < 1kDa)

SĄ KANAŁAMI ŁĄCZĄCYMI KOMÓRKI (2,5 x 7,75 nm) UMOŻLIWIAJĄ ODŻYWIANIE SIĘ KOMÓREK ODDALONYCH OD NACZYŃ KRWIONOŚNYCH (soczewka oka, tkanka kostna) ZBUDOWANE SĄ Z 12 CZĄST. KONEKSYNY, BIAŁKA O m.cz. 32 kDa TWORZĄCYCH KONEKSON UMOŻLIWIAJĄ TRANSPORT W OBU KIERUNKACH CZYNNIKAMI ZAMYKAJĄCYMI KANAŁY SĄ: WYSOKIE STĘŻENIE JONÓW WAPNIA I NISKIE pH

TRANSPORT AKTYWNY zachodzi wbrew gradientowi stężeń dostarcza komórce substancje do reakcji enzymatycznych, zapewnia odpowiednie ciśnienie osmotyczne jest znacznie wolniejszy niż przez kanały w pompach por jest dostępny tylko z jednej strony błony w pompach źródło energii pochodzi z rozkładu ATP (ATPaza hydrolizuje 100 cząst. ATP/s

Przykład: transport aminokwasów, cukrów, jonów sodowo – potasowych

POMPA SODOWO-POTASOWA c K+ JEST 20-40 x WYŻSZE WEWNĄTRZ KOMÓRKI NIŻ NA ZEWNĄTRZ, c Na+ JEST 20-40 x WYŻSZE NA ZEWNĄTRZ KOMÓRKI NIŻ W JEJ WNĘTRZU GRADIENT STĘŻEŃ TYCH JONÓW:  KONTROLUJE OBJĘTOŚĆ KOMÓRKI  WARUNKUJE POBUDZENIE NERWÓW I MIĘŚNI  JEST SIŁĄ NAPĘDZAJĄCĄ AKTYWNY TRANSPORT CUKRÓW I AMINOKWASÓW

POMPA Na – K JEST DIMEREM PODJEDNOSTEK O m.cz. 35kDa I 112kDa, Z CENTRUM AKTYWNYM HYDROLIZUJĄCYM ATP

POMPA SODOWO-POTASOWA cd.

CECHY POMPY:

 UTRZYMUJE GRADIENT STĘŻEŃ K i Na  DO DZIAŁANIA WYMAGA ENERGII POCHODZĄCEJ Z +

+

HYDROLIZY ATP DO ADP (ok. 30% , a w erytrocytach nawet 50% energii wytworzonej w komórkach jest zużywane na jej działanie)

 JEST ATPazą ZALEŻNĄ OD OBECNOŚCI JONÓW SODU I POTASU

 JEST FOSFORYLOWANA W OBECNOŚCI Na DEFOSFORYLOWANA W OBECNOŚCI

+

,A

K+

 NA KAŻDĄ CZĄSTECZKĘ HYDROLIZOWANEGO ATP, 3 Na USUWANE NA ZEWNĄTRZ, A 2 KOMÓRKI

K+

SĄ DOSTAJĄ SIĘ DO WNĘTRZA +

BLOKERY POMPY: STEROIDY KARDIOTONICZNE otrzymane z naparstnicy (zwiększają kurczliwość mięśnia sercowego: w wyniku zahamowania działania pompy więcej sodu pozostaje w komórkach, a niższy gradient powoduje zmniejszenie usuwania jonów wapnia z komórki)

POMPA ZALEŻNA OD Ca2+ wapń w cytosolu – 100 nM na zewnątrz komórki – 1,5 mM

JEST ATPazą O m.cz. 100 kDa, 1 CZĄSTECZKA HYDROLIZOWANEGO ATP TRANSPORTUJE 2 JONY WAPNIA  DO DZIAŁANIA WYMAGA RÓWNIEŻ Mg 2+  MA BARDZO DUŻE POWINOWACTWO DO Ca 2+, CO POZWALA NATYCHMIAST USUWAĆ JE Z CYTOSOLU DO RETIKULUM SARKOPLAZMATYCZNEGO (gdy c Ca 2+ wzrasta, działa dużo aktywniej, aż do momentu, gdy spadnie do 10 -6 M  USUNIĘTE JONY SĄ WYŁAPYWANE PRZEZ KALMODULINĘ I KALSEKWESTRYNĘ (silnie kwaśne białko, 1 cząsteczka. wiąże 43 Ca 2+)

ANALOGIE Z POMPĄ SODOWO-POTASOWĄ:  WYSTĘPUJE W 2 GŁÓWNYCH KONFORMACJACH: E1 I E2  2 JONY WAPNIA WIĄŻĄC SIĘ Z FORMĄ E1 URUCHOMIAJĄ FOSFORYLACJĘ  FOSFORYLACJA WARUNKUJE POWSTANIE E2, DEFOSFORYLACJA WYMUSZA KONFORMACJĘ E1  MIEJSCA WIĄZANIA JONÓW ULEGAJĄ EWERSJI, A ICH POWINOWACTWO PO PRZEJŚCIU E1 W E2 ZMNIEJSZA SIĘ 1000x

WYMIENNIK Na+ - Ca2+ E pochodzi z pompy sodowo-potasowej

CECHY WYMIENNIKA:

MA MNIEJSZE POWINOWACTWO DO Ca

NIŻ ATPaza ZALEŻNA OD Ca2+ , ALE JEGO EFEKTYWNOŚĆ W WYDALANIU Ca2+ JEST ZNACZNIE WIĘKSZA (2000 JONÓW/s, PODCZAS GDY POMPA - 30 JONÓW/s) 2+

NA KAŻDY WYDZIELONY Ca DO KOMÓRKI WCHODZĄ 3 Na ENERGIA DO JEGO DZIAŁANIA POCHODZI Z ELEKTROCHEMICZNEGO 2+

+

GRADIENTU Na+

ZMNIEJSZA POZIOM

WAPNIA W CYTOSOLU DO 10-6 M, DALEJ DZIAŁA ATPaza

POMPA PROTONOWA Wnętrze żołądka

Krew Cl-

ClCl-

HCO3antyport (HCO3- , Cl-)

HCO3-

białko transportujące Cl-

H+

(białko pasma 3)

A W H2O

CO2

CO2

ATP

pompa protonowa zależna od ATP ADP

c [H+] w żołądku jest 106 x wyższe niż w komórkach

TRANSPORT BEZ UDZIAŁU ATP UNIPORT

SYMPORT

np. transport glukozy w erytrocytach

ANTYPORT

Transport jonów chlorkowych do żołądka: (HCO3-) wewn. + (Cl-)zewn. = (HCO3-) zewn + (Cl-)wewn Transport jonów chlorkowych w erytrocytach: (HCO3-) wewn. + (Cl-)zewn. = (HCO3-) zewn + (Cl-)wewn. Wymiana jonów w mięśniu sercowym: (Na+) zewn. + (Ca2+)wewn. = (Na+) wewn. + (Ca2+)zewn.

Gradient sodowy uruchamia transport glukozy ( k. nabłonka jelita i nerki)

TRANSPORT ZE ZMIANĄ STRUKTURY BŁONY

ENDOCYTOZA

EGZOCYTOZA

TRANSPORT ZE ZMIANĄ STRUKTURY BŁONY

ENDOCYTOZA

FAGOCYTOZA

TRANSPORT DUŻYCH MAKROCZĄSTEK LUB KOMÓREK PRZEZ KOMÓRKI SSAKÓW: MAKROFAGI, MONOCYTY I NEUTROFILE OCZYSZCZANIE ORGANIZMÓW Z PATOGENÓW: BAKTERII, DROŻDzY I ZŁOGÓW KOMÓRKOWYCH

MIKROPINOCYTOZA

TRANSPORT SUBSTANCJI ROZPUSZCZAONYCH W ROZTWORZE, np. OSOCZU KRWI

INDUKOWANA MOŻE BYĆ PRZEZ CZYNNIKI WZROSTU, np. PDGF DOCHODZI DO FUZJI PŁYNÓW POPRZEZ TWORZENIE KOLAPSÓW I REORGANIZACJĘ CYTOSZKIELETU KOMÓRKOWEGO

PĘCHERZYKI KAWEOLINOWE 60 nm

ZBUDOWANE ZE SFINGOLIPIDÓW I CHOLESTEROLU TRANSPORTUJĄ BIAŁKA OSOCZA DO TKANEK

PĘCHERZYKI KLATRYNOWE 120 nm

TRANSPORT PRAWIE WSZYSTKICH SUBSTANCJI ODŻYWCZYCH I NIEZBĘDNYCH DO HOMEOSTAZY KOMÓRKI

ENDOCYTOZA NIEZALEŻNA OD KLATRYNY I KAWEOLINY

90 nm

WYSTĘPUJE NAJCZĘSCIEJ W NEURONACH I KOMÓRKACH WYDZIELAJĄCYCH SUBSTANCJE NERWOWE