Embed Size (px)
Citation preview
2018.09.04.
1
Sejtélettan Sejtélettan -- membránfiziológiamembránfiziológia
A sejtmembrán felépítése és A sejtmembrán felépítése és funkciói.funkciói. Transzportfolyamatok.Transzportfolyamatok.
Sántha Péter
2018.09.06.
Tanulási támpontok: 2-3
Sejtek: a szervezet morfológiai és funkcionális alapegységei
Plazmamembrán (sejtmembrán): határhártya a intracellulárisés az extracelluláris folyadékterek között
Folyamatos anyag-, energia- és információ áramlás a membránonkeresztül („Interface”)
Plazmamembrán rendkívül dinamikus rendszer
A gyógyászatban használt hatóanyagok túlnyomó része befolyásolja a sejtmembrán funkcióit
pl.: helyi érzéstelenítők, általános érzéstelenítők, antiepileptikus ésanitarrhythmiás szerek, vízhajtók, pszichoaktív hatóanyagok, stb.
2018.09.04.
2
A plazmamembrán klasszikus „fluid mosaic” modellje(Singer és Nicholson, 1972 )
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
A plazmamembrán felépítése I. – lipidek - lipoidok
Amphiphyl lipid molekulák által képzett lipid kettősréteg:
foszfolipidek: foszfatidilkolin, foszfatidilszerin, foszfatidiletanolamin, stb.sphingomyelinglikolipidek: gangliozidokkoleszterin
Spontán membrán képződés (mesterséges membránok)+ micellák, liposzómák
A lipidmembrán permeabilitása: hirofób anyagok >> hidrofil anyagok
Plaszticitás: deformáció, lefűződés, összeolvadás
„Lipid Raft“-ok: koleszterinben és glikolipidekben gazdag membrán szigetek(raftok): „Detergent Resistant Lipid Microdomain“
2018.09.04.
3
Mesterséges lipid membrán és lipid struktúrák
Detergensek megbontják a struktúrák integritását (pl. vörösvértest – hemolízis)
A plazmamembrán lipid komponenseinek aszimmetrikus megoszlása
2018.09.04.
4
Mesterséges membránban kialakuló lipid raftok atomerő (atomic force) mikroszkópos képe
Robert M. Henderson et al. Physiology 2004;19:39-43
©2004 by American Physiological Society
A lipid raftok
Jelentőségük: platform egyes fehérjék felszíni sűrűségének növelésére, fehérjekomplexek kialakulására és stabilizálására (jelátvitel, endo-/exocitózis, stb.)
2018.09.04.
5
A plazmamembrán alkotói II. - fehérjék (a tömeg 25-70%-a)
A fehérjék hidrofób aminosav oldalláncai és a zsírsav láncok közötti apolároskölcsönhatások rögzítik az integráns membrán fehérjéket
-transzmembrán domének – hidrofób aminosav oldalláncok dominálnak(Val, Leu, Ile stb.)
A membrán fehérjék (és a lipoidok) transzport vezikulák segítségével recirkulálnak
Intracelluláris transzport folyamatok biztosítják a fehérjék célzott mozgását„Trafficking”, transzlokáció
Laterális diffúzió: a membrán alkotó molekulák mozgása a membrán síkjában„Single Particle Imaging/Tracking”de: a laterális diffúziót különböző kölcsönhatások akadályozhatják:más membrán fehérjék, citoszkeleton, membránszkeleton(„Confinement”)
Példa: az 1. típusú glükóz transzporter (GLUT-1) szerkezete
A 12 transzmembrán domén helikális szerekzetébena hidrofób aminósavak dominálnak
2018.09.04.
6
A vörösvértestek membránszkeletonja
Funkciók: •A sejtek alakjának biztosítása, polaritás biztosítása (pl. epithel sejtek)•Sejt szintű mozgásformák •Intracelluláris transzport (citózisok, trafficking)
2018.09.04.
7
Stimulus által indukált transzlokáció(pl. TRPV1 ioncsatorna)konfokális „live cell imaging”
A membránfehérjék „életciklusa”
Fehérjék transzlokációja(példa):
A sejtmembrán 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 lipid mediátorok :phosphatidil inozitol (IP3) – diacylglycerol, (inozitol trifoszfát)arachidonsav: prosztaglandinok, leukotriének, endogén cannabinoidok
2018.09.04.
8
Anyagáramlás a IC és az EC folyadéktér között – transzmembrán transzport folyamatok
Szabad diffúzióIoncsatornán és pórusokon keresztül történő transzportFacilitált diffúzió (karrier/transzporter mediált passzív transzport)
Karrier mediált aktív transzport (pumpák)
Exo- és endocytózis (vezikuláris transzport)
Transzepitheliális transzport (később a vese élettana kapcsán)
Szabad transzmembrán diffúzió
Diffúzió: részecskék passzív mozgása folyadékkal vagy gázzal kitöltött terekben
Hajtóerő: koncentráció különbségek (+ ionok esetében elektrosztatikus erők)- tendencia a helyi koncentráció különbségek kiegyenlítésére
Kinetikai leírás (a diffúzió sebessége): Fick diffúziós törvénye
Diffúziós modell (biológiai membránokra alkalmazva):
2 kompartment, permeábilis barrierrel elválasztva
2018.09.04.
9
Fick törvénye:
dm/dt = -D x ∆c x A/d
Élettani jelentőség:
Sejtélettan+légzési gáztranszport (alveolus)mikrocirkuláció (endothél)enterális tápanyagfelszívódásstb.
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
dm/dt: diffúzió sebességeD: diffúziós konstansA: diffúziós felszínd: diffúziós membrán vastagsága∆c: koncentráció különbség
Diffúziós konstans függ:
hőmérséklettől
A diffundáló anyag és a diffúziós barrier fiziko-kémiai tulajdonságaitól:Zsír- és vízoldékonyság(víz/olaj megoszlási hányados)Plazmamembrán esetében magas permeabilitás:Gázok (O2, CO2, NO), etilalkohol, urea, lipidek
nagyméretű vízoldékony molekulák és ionok:nagyon csekély permeabilitás
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
2018.09.04.
10
HypotoneLösung
HypertoneLösung
Ozmózis: a diffúzió speciális esete
Ozmotikus nyomás
Posm=R x T x n/V
A vérplazma ozmotikus koncentrációja:~300 mosmol/L
Posm: 660 KPa (7x atmoszf. nyomás!)
OzmolaritásOzmolalitás (osmol/kg H2O)
Tonicitás (reflexiós koeffciens)
Kolloidozmotikus (onkotikus) nyomás:makromolekulák (kolloidok) által fenn-
tartott ozmotikus nyomás:Πplazma = 25 Hgmm
A legegyszerűbb „ozmométer” a szervezetben: vörösvértestek
A sejtek „ozmotikus rezisztenciája”
0.9% NaCl oldat5.5% Glukóz oldatKrebs, Ringer, Tyrode stb. oldatok
Mesterséges izotóniás oldatok:
2018.09.04.
11
Plazmafehérjék által közvetített transzport folyamatok
Ioncsatornák és pórusok (porinok, perforin, komplement MAC)„Karrier” molekulák, pumpákHajtóerő lehet passzív: koncentráció grádiens
elektrokémiai grádiens (Nernst potenciál)aktív trp.: metabolikus energia (ATP)
Általános tulajdonságok:
Specifikus: szelektív permeabilitás, szubsztrátspecifikus kötésSzaturáció: A transzport sebessége függ az aktív karrierek/csatornák
mennyiségétől (hasonlóság az enzim reakciók kinetikájáhozMichaelis Menten tv.)(Tmax): maximális transzport ráta
Hőmérséklet függőségAktiválható/szabályozható: „Gating“ (csatorna alegységek konformáció váltása)
Kovalens/nem-kovalens modifikációkgén expresszió változás, transzlokáció
Szelektív gátolhatóság szelektív farmakonokkal gátolható (aktiválható)(pl. kompetitív kötés, csatorna gátlás)
Csatornák:
Vezetőképesség nagy: 106-108 ion/s (Siemens (S): pS = 10-12 S)
A csatornák részei: pórus, szelektivitás „szűrő”, kapuzó alegység(ek)
Ionszelektivitás: szelektív és nem szelektív ioncsatornák (pl. NMDA receptor)
Rektifikáció: a csatorna vezetőképessége függhet az áram irányától is
A csatornák aktivitása (nyitás/zárás) általában szabályozott: kapuzás (Gating)feszültségfüggő csat. (transzmembrán potenciál)ligandfüggő csat. (transzmitter, mediátor)feszülés érzékeny csat. (mechano- és ozmoreceptorok)hőmérséklet érzékeny csat. (termoreceptorok)intracelluláris szignálra érzékeny csat. (g-fehérje, foszforiláció, stb.)
Szivárgó (leaky) csatornák–tartósan (nyugalomban is) nyitott csatornák
Víz transzport: aquaporin család – a sejtmembrán alap illetve fokozott (szabályozható) vízpermeabilitását biztosítják (pl. vese – ADH hatás)
2018.09.04.
12
Az ioncsatorna működés funkcionális modellje – kölcsönhatása transzportált ion és a csatorna között
A csatorna molekula konformáció váltása biztosítja
az ionok áthaladását (nem csupán vízzel telt cső!)
Sch
mid
t/T
hew
s: P
hys
iolo
gie
des
Men
sch
en 2
7. A
ufl
age
1997
Ion potenciális energiája
IC ECA kalcium csatornák szelektivitás filtere:4 glutaminsav karboxi csoportja
Példa I.: ligandfüggő ioncsatorna- nikotinerg acetylcholin (Ach) receptorionotróp receptor: a receptor fehérjeegyben ioncsatorna is(motoros véglemez, vegetatív ganglion)
2018.09.04.
13
Példa II.: feszültségfüggő ioncsatorna TTX (tetrodotoxin) érzékeny Na+-csatorna
(axolemma, izomrostok)
Példa III: g-fehérje (receptor) kapcsolt ioncsatorna: muszkarinerg Ach receptor(szív, zsigeri simaizomsejtek, szekretoros hámsejtek)
Metabotróp receptor: a ligand kötés másodlagos hírvivőket aktivál
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
2018.09.04.
14
Példa IV.: Hőmérséklet függő ioncsatornák
A hőmérséklet hatására aktiválódó ioncsatornák
Fájdalmas meleg (>43 °C) receptor(„capsaicin” is aktiválja – paprika hatóanyaga)
hideg (<25 °C) receptor (menthol is aktiválja – borsmenta)
elsődleges érző neuronok, fájdalom és hőérzékelés
Nagy und Rang J.Neusci. 2002
IUPHAR-database: www.iuphar-db.org
2013 aug.: 22722015 aug.: 50552017 aug.: 5807
2018.09.04.
15
Az ioncsatornák osztályozása (IUPHAR DATABASE)
Az ioncsatornák jelentősége a gyakorló orvoslásban
• Számos hatóanyag közvetlenül az ioncsatornákon hat:Feszültségfüggő Na+ csatorna: helyi érzéstelenítők, antiaritmiás és antiepilepsziás szerekIonotróp Ach receptor: izomlazítókATP-függő K+ csatornák: orális antidiabetikus szerekGABA-A receptor (ligand függő Cl- csat.): altatók, szorongás gátlók
• Öröklött funkciózavarok (mutáns ioncsatornák/karrierek):„Channelopathy”
Veleszületett szívritmuszavarok (long QT syndrom) – K+ csatornaMyotonia (az izomrelaxáció zavara): Cl- csatorna Renális diabetes insipidus (csökkent vízreabszorpció, polyuria): Aquaporin-2 hiányCysticus fibrosis: CFTR Protein (Cystic Fibrosis Transepithelial conductance Regulator - Cl- transzporter zavara)
A szöveti sejtek elektromos (és egyéb funkcionális) tulajdonságai nagyban függnek az általuk expresszált ioncsatornák típusaitól és ezek mennyiségétől
2018.09.04.
16
Karrier-mediált transzport :
Enzim analógia: S(bent)⇔S+karrier⇔S(kint)Transzport sebessége mérsékelt: <104 (pumpák 102) ion(molekula)/s
Passzív trp. (facilitált diffúzió): csak az elektrokémai grádiensnek megfelelő iránybalehetséges („downhill”)
Aktív trp. (primer, szekunder, tercier): az elektrokémai grádienssel szemben is folyhat(„uphill”) metabolikus energia (ATP) felhasználásával
Primer aktív trp.: pumpák, ATPáz aktivitássalSzekunder/tercier aktív trp.: passzív transzporterek és ionpumpák kapcsolt transzport
rendszert képeznek
Uniporter: 1 molekula transzportja (pl. GLUT1-12: glukóz transzporter család)Szimporter: több ion/molekula egyirányú transzportjaAntiporter: több ion/molekula ellentétes irányú transzportja
A transzportált anyagok sztöchiometrikus aránya ionok transzportja esetén:Elektrogén transzport: nettó töltésáramlás egy irányba (pl. Na/K ATPáz: 3 Na+ vs. 2 K+)Elektroneutrális transzport: nincs nettó töltésáramlás (pl.: H+/K+ pumpa: 1:1 arány)
Transzmembrán transzportfolyamatokban résztvevő fehérjék
(Ion) csatornák Transzporterek
Uniporterek Kotranszporterek(szimporterek, antiporterek)
Passzív (elsődleges) aktív
Pumpák(ATP-ázok)
Nav1.1 (Voltage-gated Na+ channel)
GLUT 2(glucose transp.)
Na+-K+-Cl--symporterCl--HCO3--antiporter
Na+-K+-ATPaseCa2+-ATPaseMDRPs
Csatornák Transzporterek
SLC transzporterekSolute Carrier Superfamily (48 tip.)
F, P,V típusú ATP-ázokABC transzporterek
Fu
nkc
ion
ális
felo
sztá
sS
tru
ktu
ra-a
lap
úfe
losz
tás
Pél
dák
2018.09.04.
17
Transzport kinetika: hasonló az enzim kinetikában tanultakhoz(Michaelis-Menten egyenlet)
Vmax: arányos a rendelkezésreálló karrier molekulák számával
Függ a karrierek „sebességétől” is(hőmérséklet, modulátor faktorok)
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
Diffúzió
Transzporter (pumpa)
A transzportált molekula/ion koncentrációja
Példa.: facilitált diffúzió – glukoz transzporter (GLUT)
2018.09.04.
18
Példa II.: primer aktív transzport – Na+/K+ ATPáz (pumpa)elektrogén antiport
Jens C Skou – kémiai Nobel díj (1997)
ATP hiány hatása a sejtek Na+ transzportjára
(DNP: dinitro-fenol)Szelektív gátlóanyag:szívglikozidok (Digoxin, Ouabain)
Digitalis lanata – gyapjas gyűszűvirágSchmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
ECF
ICF
Példa III.: Szimport és antiport mechanizmusok
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
NCX: Na-Ca Exchanger SGLT: Na-Glucose Linked (Luminal) Transporter(Robert K. CRANE; Nobel díj: 1960)
2018.09.04.
19
Példa IV.: szekunder és tercier aktív transzport folyamatok a vesetubulusban
Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997
Tub
ulu
s lu
men
Tub
ulu
s lu
men
Per
itu
bu
lári
s ka
pill
áris
Per
itu
bu
lári
s ka
pill
áris
amino-savak
SGLT: Sodium-GlucoseLuminal Transporter(vese, vékonybél)
GLUT
