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.