Biochemie 19 transport

MEMBRÁNOVÝ
TRANSPORT
Membránový transport
Soubor procesů umožňujících látkám různého typu překonat barieru
biologické membrány.
• Buněčné membrány jsou polopropustné (semipermeabilní)
• Volný přístup přes fosfolipidovou dvouvrstvu má v podstatě voda
a jen některé jiné nepolární a malé molekuly.
• Přenos přes lipidovou dvojvrstvu je zajištěn tzv. membránovými
transportními proteiny (pumpami, přenašeči a kanály).
• Jsou různým stupněm specializovány pro transport specifických
molekul.
Propustnost lipidové dvojvrstvy
Velikost molekul:
Malé molekuly jako voda, kyslík,
kysličník uhličitý mohou volně
procházet přes membrány, na rozdíl od
většiny větších molekul
Rozpustnost v tucích:
Látky rozpustné v tucích (nepolární,
hydrofóbní)procházejí přes membrány
snadno–glycerol, mastné kyseliny
Náboj:
Fosfolipidová dvojvrstva je pro veškeré
nabité částice (ionty) nepropustná.
malé
hydrofobní
molekuly
O2
CO2
N2
benzen
malé
nenabité
polární
molekuly
H2O
glycerol
ethanol
větší
nenabité
polární
molekuly
Aminokyseliny
Glukosa
Nukleotidy
Ionty
H+,Na+
HCO3-,K+
Ca2+, ClMg2+
dvojná vrstva
lipidů
Typy transportů
Klasifikace z hlediska fyzikálního
1. Transport přímo přes membránu
•
Difůze
•
Osmóza
2. Transport prostřednictvím specializovaných membránových
proteinů
•
Kanály
•
Přenašeče
3. Transport prostřednictvím membránových váčků
•
Endocytóza
•
Exocytóza
Typy transportů
Klasifikace typů transportů
Klasifikace na základě energetických požadavků
1. Pasivní transport
• Osmosa
• Prostá difůze (látky rozpustné v lipidech, malé neutrální
molekuly)
• Usnadněná difůze (transport polárních látek, např. glukosa)
Klasifikace typů transportů
Klasifikace na základě energetických požadavků
1. Aktivní transport
• Primární aktivní transport
 Nutný přísun ATP
 Proti elektrochemickému potenciálu, př. Na+-K+ pumpa
a) Uniport
b) Spřažený transport
o Symport
o Antiport
• Sekundární aktivní transport (spřažený transport)
 Sám o sobě pasivní, spřažen s jiným systémem
spotřebovávajícím energii
 př. symport glukoza/Na+ (Na+-K+ ATPasa) , antiport Na+/K+
Klasifikace typů transportů
2. Aktivní transport
•
Transport prostřednictvím membránových váčků

Endocytóza
o Transport větších molekul (proteiny, cholesterol) do buňky
o Vchlípení membrány dovnitř a její následné zaškrcení
(vezikuly)
a) Fagocytóza
b) Pinocytóza

Exocytóza
o Transport větších molekul (hormony) z buňky
prostřednictvím váčků (vezikulů)
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Klasifikace typů transportů
Pasivní transport – difůze
= pohyb molekul z místa vyšší koncentrace do místa nižší koncentrace
• Látky rozpustné v lipidech (malé neutální molekuly - O2, CO2, H2O)
• Volný prostor lipidovou membránou
• Koncentrační spád (gradient) - rozdíl mezi koncentracemi obou
složek
• Molekuly obou složek se mísí dokud nenastane rovnováha
• Samovolný proces – nevyžaduje přísun energie z jiného zdroje
Pasivní transport – difůze
Rychlost difůze
• je přímo úměrná teplotě (při vyšší teplotě je difůze rychlejší)
• je nepřímo úměrná velikosti molekul (větší molekuly difundují
pomaleji)
• je nepřímo úměrná tloušťce membrány
• je přímo úměrná ploše membrány
• závisí na rozpustnosti molekul v membránových lipidech
Pasivní transport - osmóza
Osmóza
• je specifickým příkladem difuze
• je typ pasivního transportu, při kterém přestupuje rozpouštědlo
(nejčastěji voda) přes polopropustnou membránu z prostoru
s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více
koncentrovaným roztokem.
Pasivní transport - osmóza
Semipermeabilní membrána
je propustná pro vodu ale ne pro rozpuštěnou látku.
Osmoza
Klasifikace transportních proteinů
Klasifikace
• enzymů (6 tříd, označení EC)
• tranportních proteinů (9 tříd označení TC – Transport Classication)
1. Číslo – označuje třídu transportních proteinů
2. Písmeno – podtřída
Obě číslo (1 a 2) se vztahují k mechanismu translokace nebo zdroji
energie
3. Číslo označuje rodinu transportního proteinu
4. Číslo podrodinu
Obě čísla (3 a 4) jsou dány primární strukturou proteinu
5. Číslo konkrétního proteinu
Typy transportních proteinů
1. Póry a kanály
1.A a-helikální kanály – ve všech buňkách, pohyb ve směru
koncentračního, potenciálového spádu (př. 1.A.4.3.1 čichový,
mechanicky regulovaný kanál pro Ca2+ ), a-šroubovice
1B b-hřebenové poriny – na energii nezávislý průchod, Skládaný list ,
tvorba b-soudků
1C Toxiny tvořící póry – peptidy, proteiny produkované jednou
buňkou a pronikající do jiné buňky kde způsobují perforaci
1D Kanály syntetizované mimo ribosomy – řetězce L- a Daminokyselin a z laktátu a β-hydroxybutyrátu
Typy transportních proteinů
2. Transportéry poháněné elektrochemickým potenciálem
• Systémy na bázi uniportu, symportu a antiportu bez využití energie
chemické vazby.
3. Primární aktivní transportéry
• Přenašeče poháněné hydrolýzou vazeb P-P
• Transportní systémy těžící z volné energie disfosfátové vazby –
• Transport látek proti jejich koncentračnímu nebo
elektrochemickému spádu.
• Některé proteiny jsou během transportního cyklu přechodně
fosforylovány
• Tyto přenašeče se vyskytují ve všech doménách organismů.
• Transportéry poháněné dekarboxylací
• Málo početné prokaryotní systémy využívající volnou energii
dekarboxylace oxokyselin k transportu Na+.
Typy transportních proteinů
• Transportéry poháněné přenosem methylové skupiny
• Je známa jediná rodina takových přenašečů, a to z
archebakterií.
• Transportéry poháněné oxidoredukcí
• Systémy, kde zdrojem energie pro transport je oxidace
redukovaného substrátu zprostředkovaná tokem elektronů.
• Vyskytují se ve všech doménách organismů.
• Světlem poháněné transportéry
• Tato podtřída zahrnuje jedinou rodinu archebakterilních
proteinů.
• Homologní proteiny obsahující retinal se však vyskytují u plísní,
kde mohou fungovat jako proteiny teplotního šoku, popřípadě
jako molekulové chaperony.
Typy transportních proteinů
4. Skupinové translokátory
• Fosfotransferasové systémy
• V této podtřídě jsou zahrnuty systémy, které katalyzují
vektoriální enzymové reakce, kdy substrát je na startovní straně
membrány a produkt, odlišný od substrátu, na cílové straně
membrány.
5. Transmembránové přenašeče elektronů
• Nově objevená skupina několika proteinů, které přenášejí elektrony
pro udržení cysteinových zbytků v redukované formě, popřípadě
fungují v součinnosti s oxidasami tvořícími superoxidy.
• Dvouelektronové transportéry Jednoelektronové transportéry
Typy transportních proteinů
Skupiny 6 a 7 prozatím nepoužité
8. Přídatné faktory v transportních pochodech
• Pomocné transportní proteiny
• Zahrnuje proteiny usnadňující transport přes biomembrány bez
přímé účasti na transportu.
• Jedná se o tvorbu membránového komplexu, o pomoc při využití
energie, nebo regulaci transportu.
9. Neúplně charakterizované transportní systémy
• Transportéry s nejistou klasifikací
• Systémy, jejichž specifita je známa, ale není známo jejich zařazení
podle mechanismu transportu, resp. spřažení se zdrojem energie.
SCHEMA PROSTÉ A USNADNĚNÉ DIFŮZE
Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou
membránu je zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových
transportních proteinů: kanálky a mobilními přenašeči
Kanály a přenašeče
Kanály – prostá difůze
• Spojují přímo vnější a
vnitřní prostředí buňky
• Transportují malé
molekuly, především
ioty a vodu
• Transport probíhá
velmi rychle
Přenašeče – usnadněná difůze, aktivní transport
• Nespojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky
• Vyskytují se ve dvou konformacích - jsou otevřeny buď ven z buňky
nebo dovnitř buňky
• Transportují větší molekuly (glukóza, nukleotidy)
• Transport je pomalejší, ale vysoce selektivní
Dvě třídy transportportních proteinů
Konformační změna “přenese”
molekulu přes membránu.
Vodní pór umožňuje
průchod molekul přes
membránu.
Koncentrace iontů uvnitř a vně buňky se mohou lišit
Kanálky
Otevřené kanály
• Umožňují volný pohyb iontů
oběma směry.
• Nazývají se póry.
• Akvaporiny - otevřené kanály
pro transport vody.
Vrátkové kanály
• Součástí kanálu jsou tzv. vrátka
– speciální proteinová oblast,
která uzavírá vstup do kanálu.
• Otvírání vrátek je vyvoláno
specifickými podněty a tím je
regulován pohyb částic
kanálem.
Kanálky
Otevřené kanály
Akvaporiny –
• hydrofilní pory propouštějící vodu
• Intenzivní výskyt v erytrocytech a v
ledvinách
Řízené iontové (vrátkové) kanály
Otevírání vrátek je regulováno
• Elektrickým signálem (napětím).
• Vazbou chemického mediátoru (intracelulárně nebo extracelulárně)
• Fyzikálními vlivy (teplota, tlak)
Kanálky
• Kanálky - membránové proteiny
• Transport určitého typu molekul
• po směru koncentračního gradientu
• po směru elektrochemického potenciálu
• Nevyžaduje pro svou práci ATP
• Většina kanálů jsou tzv. iontové kanály
o Transportují výhradně anorganické ionty, především Na+, K+, Cl-a
Ca2+.
o Na zlomky sekund se otvírají a umožní tak transport iontů, pro
které je jinak membrána nepropustná
Kanálky
o Kanálem mohou být transportovány pouze ionty, pro které je
daný kanál specifický.
o Selektivita závisí na průměru, tvaru a typu aminokyselin ve
vnitřní části kanálu
o Selektivita – např. kanálky pro K+ propustí na 10000 iontů K+
pouze 1 Na+
o Struktura – symetrická prstenčitá, 4-6 tvarově podobných domén,
každá 2-6 a-helixů
Úloha K+ při tvorbě membránového potenciálu
Jak může K+ kanál rozlišit mezi K+ and Na+ když oba mají stejný
náboj a Na+ je menší K+?
Odpověď:
• Při průchodu iontu přes
selekční filtr, se iont musí
zbavit vodního obalu.
• Molekuly kyslíku
z karboxylových skupin mají
částečný záporný náboj a
mohou nahradit molekuly
vody u K+, ale Na+ je příliš
malý.
• Tudíž Na+ zůstává přednostně
asociován s vodou a
hydratovaný iont je příliš
veliký pro průchod selekčním
filtrem.
Potenciálem řízené iontové kanál
• Změna propustnosti membrány pro ionty v důsledku změny
konformace molekuly proteinu
• Silný negativní náboj na vnitřní straně buněčné membrány vede
k uzavření kanálu.
• Když negativní náboj začíná klesat na vnitřní straně membrány
dojde k otevření iontového kanálu.
Potenciálem řízené iontové kanál
• Na+ kanál – 3 stavový (klidový → aktivovaný → inaktivovaný)
• K+ kanál
– 2 stavový (klidový → aktivovaný)
• Ca2+ kanál – 3 typy : L (v srdeční a kosterní svalovině a umožňuje
svalový stah), N (v srdci, na sympatických neuronech a na
synaptických knoflících CNS, podílí se na vylučování
neurotransmiterů ), T (podílí na excitaci neuronů)
Vápníkové ionty, které po otevření buněčných kanálů začnou téci z
cytosolu do buňky, nebo např. ven z mitochondrie (po koncentračním
spádu), mohou mít v buňce důležitou signální funkci (a často pracují
jako tzv. druzí poslové).
složen z mnoha podjednotek, na mnohé z nich
je přitom možné zacílit různé blokátory s
léčebnými účinky
Potenciálem řízené iontové kanál
Napěťově ovládané Na+ iontové kanály jsou klíčové pro vznik a šíření
akčního potenciálu.
Úloha K+ při tvobě membránového potenciálu
Chemicky řízené iontové kanálky
• Otevírání a uzavírání je dáno vazbou ligandu, zde acetylcholinem
Chemicky regulované kanály - neurotransmitery
Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší nervové impulsy
na chemických synapsích
Příklady chemicky řízených kanálů
1. Kanály řízené acetylcholinem - kationtový kanál, váže se na
postsynaptické membráně nikotinové synapse
2. Kanály řízené excitačními aminokyselinami - L-glutamová
a L-asparagová kyselina
3. Kanály řízené G-proteiny
• Nepřímý účinek přes druhé posly (cAMP, cGMP)
• Přímý účinek - působení na vápenaté, sodné a draselné
kanálky
4. Chloridové kanály - inhibici chloridového kanálu způsobují dvě
aminokyseliny. Kyselina γ-aminomáselná (GABA) a glycin.
5. IP3 řízené kanály - otevření Ca2+ kanálů
Pasivní transport – usnadněná difůze
• Přenašečové proteiny
• Transport větších molekul
• Transport po koncentrační gradientu
Podstata usnadnění difůze
Analogie s aktivační energií u
chemických reakcí a jejím
snížením působením enzymů
Kinetika transportu – usnadněná difůze
Enzym
• Vazebná místa pro substrát
• Chemicky modifikuje substrát
• Rychlost reakce je saturována při vysoké koncentraci substrátu
Přenašečový protein
• Vazebná místa pro transportované molekuly
• Transportuje molekuly
• Rychlost transportu je saturována při vysoké koncentraci
přenášené látky
Kinetika transportu – usnadněná difůze
Obdoba kinetiky enzymů u zprostředkovaného transportu
Transport glukosy – usnadněná difůze
zprostředkovaná mobilním přenašečem – specificita
Aktivní transport
Aktivní transport - energie dodávána zvenčí
• primární - spřaženou chemickou reakcí (ATPasa, oxidoredukce)
• sekundární - spřaženým exergonickým transportem jiné látky
Aktivní transport
Transportní ATPasa – „iontová pumpa“
• Ca2+ ATPasa
• Čerpá Ca2+ uvolněné při vyvolání kontrakce z cytoplazmy do
sarkoplazmatického retikula
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa)
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa)
• Transmembránový protein pracující jako buněčná pumpa.
• Spotřebovává ATP, načež několikrát mění svou konformaci
• Přesouvá ionty sodíku a draslíku přes buněčnou membránu, a
to proti koncentračnímu gradientu
• Sodík je tedy transportován ven z buňky, draslík je naopak
pumpován dovnitř.
Sodno-draselná pumpa (Na+/K+ ATPasa)
Funkce
• Udržování intracelulárně K+ (↑), Na+ (↓)
extracelulárně K+ (↓), Na+ (↑)
• Udržování klidového a akčního potenciálu
• Důležitá pro transport glukozy a aminokyselin (hnací síla)
• Inhibice srdečními glykosidy (digoxin, ouabain)
• Kontraktilita srdce – blokování sodno-draselné pumpy – silnější
kontrakce
Sodno-draselná pumpa
• Kotransport - přenáší zároveň dvě substance.
• Za každé dva ionty draslíku přesunuté dovnitř buňky přenese tři
ionty sodíku.
• V důsledku toho se mimochodem vytváří v buňce záporný potenciál a
považuje se tedy za elektrogenní
Sodno-draselná pumpa
• Pracuje v určitém cyklu, trvajícím asi 10 milisekund.
1. Po vazbě tři iontů sodíku na vnitřní straně membrány se aktivuje
ATPasová činnost enzymu, dojde k fosforylaci pumpy za spotřeby
ATP.
2. Následně celá molekula změní konformaci a uvolní sodík ven
z buňky na opačné straně membrány.
3. Tím se také uvolní místo pro ionty draslíku, přítomné
v extracelulární tekutině.
4. Dva draselné ionty se navážou na sodno-draselnou pumpu,
načež se sodno-draselná pumpa defosforyluje (odebere se fosfát
z dříve navázaného ATP).
5. Po této defosforylaci se opět změní prostorové uspořádání
molekuly, draslík je uvolněn do vnitřního prostoru buňky, čímž
je umožněno navázat se třem iontům sodíku a celý cyklus se
dostává na začátek.
Model čerpacího cyklu sodno-draselné pumpy
Model čerpacího cyklu sodno-draselné pumpy
Klidový membránový potenciál
eukaryotických buněk je výsledkem
koordinované činnosti přenašečových
proteinů a iontových kanálů.
1. Sodno-draselná pumpa koncentruje
K+ uvnitř buňky a Na+ vně buňky
(aktivní transport).
2. K+ výtokové kanály umožňují K+
difundovat ven z buňky po svém
koncentračním gradientu (pasivní
transport).
3. Negativní náboj zanechaný v cytoplasmě však brání odtoku K+, takže
pouze velmi malé množství (1/100,000) K+ se dostane ven z buňky.
4. Odtok malého množství K+ je dostatečný k vytvoření membránového
potenciálu (-70 mV) – positivní vně a negativní uvnitř.
Uniport-symport-antiport
Symport – pohon aktivního transportu druhé molekuly
Na+ gradient vytvořený Na+/K+ ATPasou pohání transport glukózy
do buňky pomocí Na+ -poháněného glukózového symporteru.
• Energeticky příznivý pohyb Na+ po svém elektrochemickém
gradientu je spřažen s energeticky nepříznivým transportem
glukózy proti svému koncentračnímu gradientu. Na+ a glukosa se
dobře vážou na přenašeč jen pokud jsou spolu
• Přenos glukosy a Na+ do buňky
Na+-glukosový symport
Na+-glukosový symport
• Využití gradientu iontů pro sekundární transport
• Sodno draselná pumpa a symport Na-glukosa
Na+-glukosový symport
AKTIVNÍ TRANSPORT - PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ
Na+/K+-ATPasa a přenašeč glukozy symportem s Na+
Přenos glukosy přes
střevní epitel
• Aktivní transport– glukosový
symport poháněný Na+
(glukosa do buňky)
• Pasivní transport – uniport
(glukosa z buňky)
Přenos glukosy přes střevní epitel
Transport HCl do žaludku
Transport HCl do žaludku
Mitochondriální transport
• Výměna ATP-ADP
Mitochondriální transport - přenos citrátu
Oxidoredukční člunky
• Problém oxidace cytosolického NADH
• Glycerolfosfátový člunek
• Ztráta (FADH2 místo NADH) – rychlost
• Létací svaly hmyzu
Oxidoredukční člunky
Malát-aspartátový člunek
Rostlinná vs. živočišná buňka
Transport přes membránu
Transport přes membránu
Transport přes membránu
Příklady přenašečových proteinů
Příklady přenašečových proteinů
Pasivní transport
Přímo přes
membránu
O2, CO2
xxx
mastné kyseliny
xxx
glycerol
xxx
močovina
xxx
voda
xxx
ionty (Na+, K+,
H+, Ca+)
Prostá
difůze
(kanály)
Aktivní transport
Usnadněná
difůze
(přenašeče)
Uniport
Spřažený transport
(symport, antiport)
xxx
xxx
xxx
xxx
Sekundární
transport
Memb.
váčky
xxx
xxx
glukóza
xxx
nukleotidy
xxx
aminokyseliny
xxx
xxx
proteiny
xxx
cholesterol
xxx
neuromediátory
xxx
Schéma exo- a endocytozy
Transport membránových veziklů
Schéma endocytozy
Transport membránových veziklů
Fagocytóza
• Fagocytóza je endocytotický proces
pohlcování pevných částic z
okolního prostředí buňkami.
• Buňky se schopností fagocytózy
mají na povrchu jen tenkou
plazmalemu, mohou měnit svůj
tvar a vytvářejí tzv. panožky, což
jsou výběžky jejich těla.
• Panožkami částici obalí, vytvoří z
plazmalemy váček vakuoly a
vtáhnou ho do sebe.
• Do váčku vyloučí enzymy a částici
stráví.
Pinocytóza
•
•
•
•
•
•
•
•
Pinocytóza druh endocytózy
Buňka přijímá malé částice.
Absorbci mimobuněčných tekutiny
Někdy jsou takto přepravovány i
plyny – např. kyslík a oxid uhličitý
Není zaměřena na přepravovu
specifických látek. Buňka přijímá
okolní tekutinu včetně látek v ní
rozpuštěných
Proces pinocytózy vyžaduje
adenosintrifosfát (ATP)
Oproti fagocytóze se při pinocytóze
vytváří velmi malé váčky
Velikost obvykle 5–20 nanometrů..