1

1. PRIJENOS TVARI KROZ STANIČNU MEMBRANU

Farmaceutsko-biokemijski fakultet Sveučilišta u Zagrebu

Zavod za biofiziku

doc. dr. sc. Erim Bešić

SADRŽAJ PREZENTACIJE

Organizacija i struktura bioloških membrana

1. Prijenos tvari kroz membranu1.1 Pasivni prijenos tvari

1.1.1 Jednostavna difuzija

1.1.2 Mikroskopska slika difuzije

1.1.3 Difuzija kroz lipidni dvosloj

1.1.4 Osmoza

1.1.5 Difuzija kroz ionske kanale

1.1.6 Olakšana difuzija

1.2 Aktivni prijenos tvari

BIOLOŠKE MEMBRANE

→ supramolekularne strukture s mnogo funkcija

• barijera za toksične molekule• pomažu nakupljanju hranjivih tvari• osiguravaju prijenos energije• olakšavaju stanično kretanje• sudjeluju u reprodukciji• posreduju u interakcijama između stanica• osiguravaju prijenos energije• utječu na prijenos tvari i informacija

ORGANIZACIJA I STRUKTURA BIOLOŠKIH MEMBRANA→ lipidni dvosloj

model tekućeg mozaika

→ 2D lipidna otopina proteina

LIPIDI

glicerofosfolipidi fosfosfingolipidi glikoglicerolipidi glikosfingolipidi steroli

PROTEINI

periferni integralni uronjeni transmembranski

fosfolipid

glikolipid

kolesterol

integralniprotein

oligosaharid

hidrofobniα-heliks

STRUKTURA STANIČNE MEMBRANE

7 nm

2

LATERALNA DIFUZIJA LIPIDA

STANIČNE MEMBRANE SU DINAMIČKI SISTEMI

vrlo sporo

brzo

malo vjerojatno

vrlo vjerojatno

transverzalna difuzija lipida (flip‒flop)

lateralna difuzija lipida

LATERALNA i TRANSVERZALNA asimetrija raspodjele lipida i proteina

heterogenost u raspodjeli različitih vrsta lipida → lipidne domene

različitost sastava lipida i proteina u unutarnjem (citoplazmatskom) i

vanjskom (plazmatskom) sloju

UDJELI POJEDINIH FOSFOLIPIDA UMEMBRANSKIM SLOJEVIMA

50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50

% od ukupnih fosfolipida

ukupni fosfolipidi

sfingomijelin

fosfatidilkolin

fosfatidiletanolamin

fosfatidilserinuronjeni proteini

razdvojeni lipidni dvosloj

transverzalna asimetrija

lateralna asimetrija

UNUTARNJI SLOJ VANJSKI SLOJ

KEMIJSKI SASTAV IZVANSTANIČNE I UNUTARSTANIČNE TEKUĆINE

izvanstanična tekućina citoplazma

c (Na+)izvan = 14,2 c (Na+)unutar

c (K+)unutar = 35 c (K+)izvan

c (Cl‒)izvan = 25,75 c (Cl‒)unutar

c (Ca2+)izvan = 2,4⋅104 c (Ca2+)unutar

c (Mg2+)unutar = 48,3 c (Mg2+)izvan

Σ (‒)unutar = Σ (‒)izvan

Σ (+)unutar = Σ (+)izvan

MEMBRANE ODRŽAVAJU RAZLIČITOST

• membrana osigurava različit sastav izvanstanične i unutarstanične tekućine

• u plazmi je velika koncentracija Na+ iona, a u citoplazmi K+ iona

→ u nepobuđenoj stanici ovi koncentracijski gradijenti čine membranu polarnom (negativnost iznutra)

→ u pobuđenoj stanici dolazi do brze promjene polarnosti membranemijenjanjem njene propusnosti za Na+ i K+ → nastanak i širenje akcijskog potencijala u neuronima

• zajednička svojstva svih staničnih membrana:

1) elektroneutralnost → molarne koncentracije pozitivnih i negativnih čestica jednake su i u plazmi i u citoplazmi

2) izoosmolarnost → jednaki su osmotski tlakovi u plazmi i citoplazmi kada je stanica u osmotskoj ravnoteži, tj. kada nema neto protoka vode

3

1. PRIJENOS TVARI KROZ MEMBRANU

1) PASIVNI PRIJENOS TVARI → za prijenos nije potreban utrošak energije

A) JEDNOSTAVNA DIFUZIJA

→ neposredni prijenos tvari zbog razlike u gradijentu koncentracije

prijenos kroz lipidni dvosloj

prijenos kroz ionske kanale

B) OLAKŠANA (POTPOMOGNUTA) DIFUZIJA

→ prijenos velikih molekula, polarnih molekula i iona posredovan prijenosnim proteinima (proteini‒nosači)

2) AKTIVNI PRIJENOS TVARI

→ prijenos tvari potpomognut proteinima‒nosačima čija konformacijska promjena zahtijeva utrošak metaboličke energije (ATP)

SHEMATSKI PRIKAZ OSNOVNIH MEHANIZAMA PRIJENOSA TVARI KROZ STANIČNU MEMBRANU

ionski kanalproteini‒nosači

olakšana difuzija

AKTIVNI PRIJENOS

energija

PASIVNI PRIJENOS

jednostavna difuzija

nasumično toplinsko gibanje

t

1.1.1 Jednostavna difuzija

• difuzija je proces prijenosa čestica koji sis-tem iz neravnoteže (nejednolike raspodjele koncentracije) dovodi u ravnotežu (jednoliku raspodjelu koncentracija)

• uspostavljanje koncentracijske ravnoteže po-sljedica je 2. zakona TD jer je pritom vrijednost entropije sistema najveća

• s obzirom da sistem nastoji uspostaviti kon-centracijsku ravnotežu, smjer gibanja čestica je iz područja veće koncentracije u područje ma-nje koncentracije

1.1 PASIVNI PRIJENOS TVARI 1. Fickov zakon difuzije

xdcdSDJ ⋅⋅−=

J – maseni protok (kg/s)

D – koeficijent difuzije (m2/s)

S – površina kroz koju čestice difundiraju (m2)

dc/dx – gradijent koncentracije (kg/m4)

predznak minus → rezultantni tok suprotnog je smjera od gradijenta koncentracije

xcSDJ

ΔΔ⋅⋅−=

za jednoliku promjenu koncentracije s udaljenošću (konstantan gradijent) vrijedi

x2 x1

c2

c1

c

x

koncentracijski profil

x1 x2 x

J

4

1.1.2 Mikroskopska slika difuzije

TkuD ⋅⋅=

molekulsko‒kinetička teorija za čestice oblika kugle vrijedi (Einstein‒Stokesova formula)

D – koeficijent difuzijeu – pokretljivost η – viskoznost medija

r – polumjer česticaη⋅⋅π⋅= ru 6

1

η⋅⋅π⋅⋅= rTkD 6

→ brže difundiraju male čestice

→ difuzija je brža u sredstvu manje viskoznosti

ZADATAK.

Koliki je koeficijent viskoznosti vode ako koeficijent difuzije čestica oblika kugle polumjera 0,6 nm pri njihovoj difuziji kroz vodu na 37 oC iznosi 3,5⋅10-4 mm2/s?

sm103,5m100,66

K310,15KJ101,38

6 2109

23

⋅⋅⋅⋅⋅⋅π⋅

⋅⋅⋅⋅=

⋅⋅π⋅⋅=

−−

−

DrTkη

sPa101,081

sm

mN101,081

smJ101,081 3

33

33 ⋅⋅=⋅⋅=⋅= −−−η 2

14 sati14 sati10000 (1 cm)10000 (1 cm)8,3 min8,3 min1000 (1 mm)1000 (1 mm)

5 s5 s10010050 ms50 ms10100,5 ms0,5 ms11

vrijeme potrebno za vrijeme potrebno za difuzijudifuziju

difuzijska difuzijska udaljenost / udaljenost / μμmm

prosječno vrijeme potrebno da molekule otopljene u vodi (D = 10‒5 cm2/s) difuzijom prijeđu određenu udaljenost

→ udaljenost koju difuzijom prijeđe makroskopsko mnoštvo čestica u vremenu t

→ približna procjena vremenske ljestvice procesa difuzije

tDx 2=Einsteinova formula

1.1.3 Difuzija kroz lipidni dvosloj

→ što je veća topljivost tvari u lipidima, to će biti brža njena difuzija kroz lipidni dvosloj

→ prijenos molekula topljivih u lipidima (masti, alkoholi) i malih neutralnih molekula

1.1.4 Osmoza

→ osmoza je protok vode kroz polupropusnu membranu iz odjeljka gdje je koncen-tracija otopljene tvari manja u odjeljak gdje je koncentracija otopljene tvari veća

otopina šećera veće

koncentracije

otopina šećera manje koncentracije

polupropusna membrana

OSMOZA

MOLEKULE VODE

MOLEKULE ŠEĆERA

molekule vode prolaze molekule šećera ne prolaze

→ uzrokovana je difuzijom, tj. nastojanjem sistema da izjednači koncentracije u oba odjeljka (uspostavljanje koncentracijske ravnoteže)

→ osmoza traje dok se parcijalni tlakovi vode u oba odjeljka ne izjednače → tada se izjednače i koncentracije otopljenih čestica u odjeljcima

→ ako je posuda popustljivih stijenki, doći će do povećanja volumena odjeljka u koji je voda osmozom ušla i smanjenja volumena odjeljka iz kojeg je voda osmozom izašla → ako nije, doći će do povećanja parcijalnog tlaka vode u odjeljku u koji je voda ušla ili smanjenja parcijalnog tlaka vode u odjeljku iz kojeg je voda izašla → osmotski tlak π

TRci ⋅⋅⋅=π

van’t Hoffov zakon

c – molarna koncentracija

i – broj iona nastalih disocijacijom molekulaotopljene tvari

5

i = 1 → šećer ne disocira

→ van’t Hoffov zakon vrijedi približno za rijetke otopine

→ točniji oblik sadrži eksperimentalno određen korekcijski faktor θ (osmotski koeficijent) θcTRi=π

ZADATAK.

Za koliko se poveća osmotski tlak otopine priređene otapanjem 5 g šećera molarne mase 360 g/mol u 400 mL vode ako se njezina temperatura poveća s 5 oC na 50 oC?

Pa101,3m

mN101,3mJ101,3 4

34

34 ⋅=⋅⋅=⋅=πΔ

TRVMmiTRV

niTRci Δ⋅⋅

⋅=Δ⋅⋅⋅=Δ⋅⋅⋅=πΔ

K45KmolJ8,314

m100,4molg360

g5133

⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅

⋅=πΔ−

2

1) koncentracija otopljenih čestica u plazmi veća je od koncentracije otopljenih čestica u citoplazmi → voda osmozom izlazi iz stanice dok se koncentracije čestica u citoplazmi i plazmi ne izjednače → smanjenje parcijalnog tlaka vode u stanici → stanica se skuplja (smanjuje joj se volumen)→ plazma (izvanstanična tekućina) je hipertonična

2) koncentracija otopljenih čestica u plazmi manja je od koncentracije otopljenih čestica u citoplazmi → voda osmozom ulazi u stanicu dok se koncentracije čestica u citoplazmi i plazmi ne izjednače → povećanje parcijalnog tlaka vode u stanici → stanica bubri (povećava joj se volumen)→ plazma (izvanstanična tekućina) je hipotonična

3) koncentracija otopljenih čestica u plazmi jednaka je koncentraciji otopljenih čestica u citoplazmi→ parcijalni tlak vode u plazmi jednak je parcijalnom tlaku vode u citoplazmi → nema osmotskog protoka vode → plazma (izvanstanična tekućina) je izotonična

→ proteini‒kanali stvaraju pore u membrani → prijenos vode, glukoze, iona

→ proteini‒kanali (pore) za prijenos iona (Na+, K+) → ionski kanali

1.1.5 Difuzija kroz ionske kanale

→ dvije vrste ionskih kanala:

1) pasivni kanali→ stalno otvoreni ionski kanali → propusni ionski kanali

2) aktivni kanali→ ionski kanali koji se otvaraju i zatvaraju na vanjsku pobudu (npr. promjena napona, vezivanje liganda, istezanje) → strogo su selektivni, tj. omogućuju prijenos točno određenih iona

1) pasivni kanali

→ Na/K propusni kanali → stalno su otvoreni → iako su većeg promjera, K+ lakše prolaze od Na+ (hidratantna ovojnica im je manja)

2) aktivni kanali

A) naponsko (voltažno) ovisni kanali → otvaranje i zatvaranje selektivno propusnih natrijskih i selektivno propusnih kalijskih ionskih kanala ovisi o razlici potencijala između dviju strana membrane → osnova za nastanak i širenje akcijskog potencijala u neuronu!

B) kanali ovisni o ligandu → selektivno propusni ionski kanali čije stanje otvorenosti ili zatvorenosti regulira neposredno vezivanje određene molekule na protein‒kanal → osnova za širenje akcijskog potencijala preko sinapse

C) kanali ovisni o istezanju

6

1) naponsko ovisni selektivni natrijski kanali → iznutra su negativno nabijeni

→ K+ kroz ove kanale ne može proći zato što je unutrašnjost selektivno propusnog Na‒kanala oblikom i rasporedom naboja ”dizajnirana” samo za natrijevu ovojnicu

→ imaju vrata koja se otvaraju ili zatvaraju u ovisnosti o vrijednosti napona između dviju strana membrane (membranski potencijal)

→ otvaraju se tijekom faze depolarizacije, a zatvaraju tijekom faze repolarizacije akcijskog potencijala

2) naponsko ovisni selektivni kalijski kanali → uži su od natrijskih kanala i nisu iznutra električno nabijeni

→ K+ kroz njih prolazi zajedno sa svojom hidratantnom ovojnicom, a Na+ kroz njih ne može proći jer mu je hidratantna ovojnica znatno veća

→ također imaju vrata koja se otvaraju i zatvaraju u ovisnosti o vrijednosti napona između dviju strana membrane

→ otvaraju se tijekom faze repolarizacije akcijskog potencijala, a zatvaraju nakon prestanka akcijskog potencijala

Naponsko ovisni ionski kanali

izvan

unutar

izvan

unutar

selektivno propusni natrijski kanali selektivno propusni kalijski kanali

→ metoda ”priljubljene” elektrode (patch electrode) → Sigworth & Neher (1980) → novija elektrofiziološka metoda za istraživanje aktivnosti ionskih kanala

→ vrlo glatka (dobro ispolirana) mikroelektroda primjenom velikog podtlaka tijesno se ”priljubi” (”zabrtvi”, ”zakrpa”) za površinu membrane

→ ”priljubljenom” elektrodom moguće je istraživati aktivnost nekoliko ionskih kanala u dijelu membrane obuhvaćenom elektrodom (danas je ovom tehnikom moguće proučavati samo jedan, izolirani ionski kanal!)

→ dvije su vrste naponsko ovisnih selektivnih natrijskih kanala → aktivacijski (brzi) kanali i inaktivacijski (spori) kanali

→ za razliku od Na‒kanala, samo je jedna vrsta K‒kanala → aktivacijski kanali koji se počnu otvarati kada se Na‒kanali počnu zatvarati

1.1.6 Olakšana difuzija

→ proteini‒nosači → povećavaju propusnost membrane za određeni ion tako što ga vežu, u kompleksu s ionom difundiraju kroz membranu i otpuštaju ga s druge strane membrane

→ neto prijenos čestica usmjeren je iz područja veće prema području manje koncentracije (nije potrebno ulagati energiju za prijenos)

→ s obzirom da je broj raspoložovih prijenosnih proteina ograničen i da svaki prijenos zahtijeva vrijeme tijekom kojeg protein mijenja svoje konformacijsko stanje, difuzija potpomognuta proteinima‒nosačima slijedi saturacijsku kinetiku→ neto difuzijski protok kroz membranu ne može biti veći od određene, maksimalne veličine

→ difuzija čestica kroz membranu u kompleksu s proteinom‒nosačem

MONESIN

→ protein‒nosač za Na+

VALINOMICIN

→ protein‒nosač za K+

Proteini‒nosači za olakšanu difuziju K+ i Na+ kroz membranu

7

1.2 AKTIVNI PRIJENOS TVARI

→ prijenos čestica kroz staničnu membranu iz područja manje u područje veće koncentracije protivno difuzijskom (preciznije elektrokemijskom gradijentu!), uz utrošak energije

→ kroz membranu se aktivno prenose ioni natrija, kalija, klora, kalcija, željeza, joda, uratni ioni, neki ugljikohidrati i većina aminokiselina

1) primarni aktivni prijenos→ energiju potrebnu za prijenos protivno elektrokemijskom gradijentu osigurava fosforilacija adenozin trifosfata na adenozin difosfat ATP → ADP + Pi→ prijenos iona u/izvan stanice ionskim crpkama

2) sekundarni aktivni prijenos→ energija za aktivni prijenos osigurava se posredno, stvaranjem ionskog koncentracijskog gradijenta, koji je prethodno ostvaren primarnim aktivnim prijenosom → sinport i antiport (prijenos molekule u/izvan stanice zajedno s Na+ potpomognut proteinima‒nosačima)

→ prijenos se odvija posredstvom proteina‒nosača

Na‒K crpka → izbacuje 3 Na+ iz stanice i ubacuje 2 K+ u stanicu

→ primarni aktivni prijenos ostvaruje se radom ionskih crpki

lipidni dvosloj

Važnost Na‒K crpke

→ suprostavljajući se stalnom ulasku Na+ u stanicu i izlasku K+ iz stanice, Na‒K crpka osigurava:

1) smanjenje pozitivnih iona u stanici

2) smanjenje ukupnog broja iona u stanici

→ 1) i 2) osiguravaju koncentracijske i električne gradijente (elektrokemijski gradijent), što uzrokuje membranski potencijal stanice u mirovanju i mogućnost nastanka i provođenja akcijskog potencijala duž živčanih stanica kada se one pobude

→ stanična ”proizvodnja” proteina i drugih molekula (za koje je stanična membrana nepropusna) povećava koncentraciju čestica u citoplazmi i na taj način osmozom ”vuku” vodu u stanicu → stalnim smanjenjem broja čestica (iona) u citoplazmi Na‒K crpka sprječava rasprsnuće stanice i osigurava njenu izotoničnost

8

iako stanična membrana predstavlja barijeru za mnoge molekule (npr. toksične tvari), prisutan je stalni prijenos određenih molekula i iona kroz staničnu membranu

ovaj se prijenos može odvijati:

1) procesima jednostavne difuzije (kroz lipidni dvosloj i kroz ionske kanale) i olakšane difuzije posredovane proteinima‒nosačima, pri čemu je prijenos tvari usmjeru elektrokemijskog gradijenta i pritom nije potreban utrošak energije (pasivan prijenos tvari)

2) aktivnim prijenosom ostvarenim ionskim crpkama, pri čemu stanica troši metaboličku energiju jer je prijenos usmjeren suprotno elektrokemijskom gradijentu

koncentracija Na+, K+, Cl‒ i dr. nije jednaka unutar i izvan stanične membrane, što je posljedica različite propusnosti membrane za različite ione, kao i rada Na‒K crpke

SAŽETAK

2. Arthur C. Guyton, John E. Hall:

”Medicinska fiziologija”, Medicinska naklada, Zagreb, 2003.

1. Robert M. Berne, Matthew N. Levy:

”Fiziologija”, treće izdanje, Medicinska naklada Zagreb, 1996.

→ knjižnica FBF-a

LITERATURA

3. Davor Eterović:

”Biofizički temelji fiziologije”→ www2.mefst.hr → katedre → Medicinska fizika i biofizika →”Biofizički temelji fiziologije” (pdf, 24.1 MB) str. 1‒34

5. Sunčana Kukolja Taradi:

”Prijenos tvari i obavijesti kroz staničnu membranu” (ppt‒prezentacija)

→ www.mef.hr/handouti/PrijenosTvari/Index.htm

4. Jerka Dumić:

”Biološke membrane” (ppt‒prezentacija)

http://www.pharma.hr/download.aspx?file=/Upload/sec_003/ins_014/BK_10_%20Bioloske%20membrane_C.pdf

6. Janko N. Herak:

”Osnove kemijske fizike”, Farmaceutsko‒biokemijski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2001.