Almen cellebiologi Membrantransport

Transkript

1 Almen cellebiologi 2007 Membrantransport Kap. 12, s Forelæsning 1 Stine Falsig Pedersen sfpedersen@aki.ku.dk /room 527 1

2 De næste tre forelæsninger: 1. - Membranen og membran-transport proteiner generelt - Pumper og andre carrier proteiner 2. - Ion-kanaler og membranpotentialet 3. - Ionkanalers roller i nervesystemet fysiologi og patofysiologi 2

3 De næste tre forelæsninger: 1. - Membranen og membran-transport proteiner generelt - Pumper og andre carrier proteiner 2. - Ion-kanaler og membranpotentialet 3. - Ionkanalers roller i nervesystemet fysiologi og patofysiologi 3

4 Ca 50% af plasma-membranens vægt udgøres af membran-proteiner Engelman 2005 Nature 438:

5 Plasma-membranens proteiner medierer funktioner, som lipid-dobbeltlaget ikke kan varetage Membranproteiners funktioner Transport Struktur: adhesion, cytoskelet Signalering: receptorer, enzymer Hvad skal der til, for at et molekyle kan transporteres over en membran? 5

6 Lipid-dobbeltlaget er en semi-permeabel membran Mest permeabelt for små, hydrofobe (non-polære) molekyler Meget permeabelt for små (vand), men ikke for store (aminosyrer, glucose) uladede polære molekyler Impermeabelt for ioner Der er altså brug for transportmekanismer til alt det, der ikke kan passere ved simpel diffusion! Alberts Fig

7 Hvorfor interessere sig for membrantransport?! Boron and Boulpaep (2002) Medical Physiology 7

8 Hver membran i cellen har et specifikt sæt af transportproteiner Hvert organel har netop de transportører, der er relevante for dens specifikke behov F.eks. : optag af næringsstoffer over plasmamembranen, optag af H + i lysosomerne, og optag af pyruvat og efflux af ATP fra mitochondrierne. 8

9 Membran-transport proteiner er enten carriers eller kanaler Carrier Kanal Carrier proteiner: Binder ion/molekyle, og undergår konformations-ændringer, der resulterer i translokation over cellemembranen Kanal proteiner: Vandig pore gennem plasmamembranen, hvorigennem bestemte ion/molekyle transporteres, når poren er åben (uregulerede kanaler kaldes også porer) Hvad er hurtigst: carrier- eller kanal-medieret transport? 9

10 Drivkraften for transport er den elektrokemiske gradient Bidrag fra concentrationsgradienten: ΔG concentration : RT ln Cx i /Cx o Bidrag fra ladningen og membranpotentialet: ΔG ladning : z F V m, R= gaskonstanten, T= temperaturen i K, Cx= koncentration af x, F = Faradays konstant, og V m = membranpotentialet Den elektrokemiske gradient = drivkraften for transport bliver derfor: Δμ x : ΔG concentration + ΔG ladning = RT ln Cx i /Cx o + z F V m 10

11 Transport over membranen er passiv eller aktiv Passiv transport: transport med en favorabel drivkraft, dvs nedad den elektrokemiske gradient (den samlede drivkraft hidrørende fra koncentrations- og ladningsforskel) for det transporterede molekyle Aktiv transport: transporten opad den elektrokemiske gradient kræver derfor energi-tilførsel Kanaler kan kun mediere passiv transport derfor er der også brug for carriers Carriers kan både mediere aktiv og passiv transport 11

12 Passiv og aktiv transport hvem gør hvad? Passiv transport Aktiv transport kan være: Primært aktiv: drevet af ATP hydrolyse eller lys Sekundært aktiv: drevet af transport af en anden ion/molecule nedad Δμ Passiv Sekundært aktiv Primært aktiv 12

13 Pumper også kaldet ATPaser 13

14 Aktiv transport kan drives på tre måder Transport af molekyle opad dets elektrokemiske gradient, koblet til transport af et andet molekyle nedad dets elektrokemiske gradient (sekundært aktiv transport) 2. Transport opad elektrokemisk gradient, drevet af ATP-hydrolyse 3. Transport opad elektrokemisk gradient, drevet af lys-energi primært aktiv transport Bemærk at en pumpe er et carrier-, og ikke et kanal-protein! 14

15 Primært aktiv transport I: Lys driver H + transport via bacteriorhodopsin H + pumpe fra Halobacterium halobium. Hver bakteriorhodopsin protein indeholder et retinal molekyle, som, når det rammes af lys, undergår en konformationsændring og afgiver en H +, som passerer gennem proteinet ud til extracellulær siden. Cyklus afsluttes med at retinal regenereres ved at optage en ny H + fra cytosolen. 15

16 Primært aktiv transport II: ATP-hydrolyse driver Na +,K + ATPasen (Na +,K + pumpen) 3 Na + ioner ud for hver 2 K + ind, dvs, transporten er elektrogen. ATP-hydrolyse er drivkraft via autofosforylering: P-type ATPase Ca. 30% af en celles energiforbrug går til Na +,K + ATPasen 16

17 Na +,K + ATPasens transportcyklus Bemærk at selvom en pumpe transporterer Na + i den ene retning og K + i den anden retning kaldes den stadig en pumpe, og ikke en antiporter! 3 Na + binding intracellulært stimulerer ATP-hydrolyse og autofosforylering konformationsændring 3 Na + transporteres ud 2 K + bindes extracellulært fosfat frigøres konformationsændring 2 K + frigives inde i cellen en ny cyklus kan starte 17

18 Na +,K + ATPasen er essentiel for normal cellefunktion: Opretholder lav [Na + ] i og høj [K + ] i (opbygger iongradienter, der driver sekundært aktiv transport) Opretholder steady state cellevolumen Bidrager til membranpotentialet 18

19 Na +,K + ATPasen skaber bl.a. grundlaget for sekundært aktiv transport Na +,K + pumpen opretholder en lav Na + koncentration i eukaryote celler. De fleste sekundært aktive transportsystemer er derfor koblet til transport af Na + ind i cellen. Na + : 140 mm K + : 5 mm Cl - : 110 mm Na + :15 mm K + : 140 mm Cl - : 15 mm 3 Na + 2 K + ~ 19

20 Den frie Ca 2+ koncentration inde i cellen [Ca 2+ ] i holdes også meget lav i steady state, for at Ca 2+ kan fungere som second messenger COMPONENT INTRACELLULAR CONCENTRATION (mm) EXTRACELLULAR CONCENTRATION (mm) Cations Na K Na +,K + pumpen Mg Ca Ca 2+ pumpen H ( M or ph 7.2) ( M or ph 7.4) Anions* Cl Ca 2+ pumper spiller en vigtig rolle i kontrol af [Ca 2+ ] i.. 20

21 En anden P-type ATPase pumper Ca 2+ ud af cytoplasma og ind i SR Ca 2+ -pumpen i det sarcoplasmatiske reticulum (SR) kaldes SERCA. Den stimuleres når [Ca 2+ ] i cytoplasma er høj. SERCA fjerner Ca 2+ fra cytosolen ved at pumpe det ind i SR, så muskelen bliver klar til at svare på et nyt signal. SERCA har 10 transmembrane α-helices. Dens 3D struktur er løst ved røntgenkrystallografi. 21

22 Andre carrier proteiner end pumper 22

23 Carrier-medieret transport kan være uniport, symport, eller antiport Uniport: Symport (cotransport): Antiport (exchange): ét molekyle transporteres de transporterede molekyler flyttes i samme retning de transporterede molekyler flyttes i hver sin retning 23

24 Uniport eksempel: glucosetransportørerne GLUT Glucose transportører af GLUT familien GLUT1 findes i plasmamembranen hos så godt som alle celler. Forskellige isoformer findes feks i lever- (GLUT2) og muskel- (GLUT4) celler Transporterer glucose nedad dets koncentrationsgradient, dvs ind hvis blod glucose er høj, ud hvis cytoplasma glucose er høj (altså PASSIV transport) 24

25 Carrier-medieret transport kan være uniport, symport, eller antiport Uniport: Symport (cotransport): Antiport (exchange): ét molekyle transporteres de transporterede molekyler flyttes i samme retning de transporterede molekyler flyttes i hver sin retning 25

26 Cotransportører (symporters) Cotransportør proteiner Transport af et el. flere molekyler opad en elektrokemisk gradient, drevet af transport samme vej af et molekyle(r) nedad en elektrokemisk gradient: altså SEKUNDÆRT AKTIV transport Oftest drevet af den indadrettede Na + -gradient 26

27 Cotransportører eksempel: SGLT Na + -glucose cotransportøren, SGLT Findes feks i den apikale membran i epithelceller i tarmen og i nyrens proximale tubuli Transporterer glucose ind i cellen opad glucoses koncentrationsgradient, drevet af indadrettet Na + transport, dvs nedad Na + s koncentrationsgradient 27

28 Men hvad så når glucosen skal videre ud i kroppen? Tarm-lumen Blod-side Na + Glucose Glucose Hvad er dette? Na + Glucose Glucose En glucose-uniporter transporterer glucose ud af cellen nedad glucoses (elektro)- kemiske gradient Na + Glucose Glucose 28

29 Epitheler har tight junctions Epitheler har tight junctions, som dels holder epithelet sammen til et mere eller mindre tæt lag, og dels muliggør assymmetrisk fordeling af membranproteiner i den enkelte celle. 29

30 Tight junctions er vigtige for transcellulær transport Tight junctions imellem epithelcellerne muliggør asymmetrisk fordeling af transportproteinerne Der er altså forskellige sæt transportproteiner på cellens apikale og basolaterale side - dette muliggør transcellulær transport Glucosegradienten over epithelet opretholdes også af tight junctions, fordi de begrænser diffusion imellem cellerne 30

31 Glucose-transport over tarm-epithelcellen er et eksempel på transcellulær transport Transportproteinernes forskellige fordeling i cellen muliggør transcellulær transport Na +,K + ATPasen producerer en indadrettet Na + gradient Glucoseoptag ind i tarmepithelcellen drives af kobling til Na + optag Fra epithelcellen til blodsiden er glucosetransporten passiv Tarm-lumen Blod-side Glucosegradienten og den assymmetriske fordeling af transportproteinerne opretholdes af tight junctions 31

32 Hele regnskabet... For hver gang SGLT kører kommer 1 glucose og 1 Na + ind. Na +,K + ATPasen skal altså køre en gang for hver 3 gange SGLT kører. De 2 K + der kom ind via ATPasen recycles via basolaterale K + kanaler. 3 Cl - følger passivt med paracellulært. 32

33 Carrier-medieret transport kan være uniport, symport, eller antiport Uniport: Symport (cotransport): Antiport (exchange): ét molekyle transporteres de transporterede molekyler flyttes i samme retning de transporterede molekyler flyttes i hver sin retning 33

34 Exchangers (antiportere) Exchanger proteiner Transport af et el. flere molekyler opad en elektrokemisk gradient, drevet af transport modsat vej af et molekyle(r) nedad en elektrokemisk gradient: altså SEKUNDÆRT AKTIV transport Oftest drevet af den indadrettede Na + -gradient Oftest elektroneutrale (cation-cation eller anion-anion) 34

35 Eksempel: Na + /H + exchangeren NHE1 NHE1 transporterer H + ud af cellen ved hjælp af den indadrettede Na + gradient den er altså sekundært aktiv NHE1 er bl.a. vigtig i opretholdelse af cellens volumen og ph Struktur-model af Na + /H + exchanger-proteinet Na + 3 Na + 2 K + H + ~ 35

36 Na + /H + exchangeren er en vigtig regulator af intracellulær ph Opretholdelse af cellulær ph er afgørende for normal cellefunktion Cellulær forsuring aktiverer transportører, der medierer H + udsmidning, f.eks. NHE1 Cellen forsures experimentelt Hæmmer NHE Cellen regulerer ph Cellen kan ikke regulere ph Ca. hvad er intra- og extracellulært ph i pattedyrsceller? 36

37 Opretholdelse af osmotisk balance er essentiel for cellen Osmose: bevægelse af vand nedad dets koncentrationsgradient, dvs fra et område med højere vandkoncentration (= lavere koncentration af opløste stoffer) til et område med lavere vandkoncentration (= højere koncentration af opløste stoffer) Cellemembranen er meget mere permeabel for vand end for ioner 37

38 Optag af vand over cellemembranen drevet af osmose kan få cellen til at svulme og springe Fordi celler er meget permeable for vand, vil de svulme hvis koncentrationen af opløste stoffer er lavere udenfor end i cellen Disse opløste stoffer kaldes osmolytter, og er både salte, og organiske stoffer, og makromolekyler (DNA, proteiner) 38

39 Intracellulær vandbalance Fordi celler indeholder (mest negativt) ladede makromolekyler, der ikke kan komme ud af cellen, men som vil tiltrække modsat ladede opløste ioner, vil celler altid indeholde flere osmolytter end deres omgivende miljø Celler vil altså uundgåeligt optage vand, svulme og sprænges, hvis ikke noget modvirkede dette 39

40 Forskellige organismer har udviklet forskellige strategier for at undgå denne form for osmotisk svulmning Dyreceller pumper ioner ud ved hjælp af Na +,K + ATPasen (som jo smider 3 Na + ud, for hver 2 K +, den tager op) Planteceller har stive vægge Protozoer pumper vand ud 40

41 Optag af vand over cellemembranen drevet af osmose kan få cellen til at svulme og springe Så hvad sker der mon hvis man smider en rød blodcelle ned i noget vand? 41

42 Osmotisk svulmning og skrumpning af røde blodceller Hvis osmolyt-koncentration er lavere udenfor end indeni cellen (hypoton opløsning), vil cellen svulme fordi vand går ind i cellen nedad sin koncentrationsgradient Hvis osmolyt-koncentration er højere udenfor end indeni cellen (hyperton opløsning), vil cellen skrumpe fordi vand går udad cellen nedad sin koncentrationsgradient 42

43 Osmotisk svulming efter ændringer i intra- eller extracellulær osmolyt koncentration modvirkes også af membrantransport proteiner Svulmet Normal Skrumpet Na + Cl - K + Amino syrer H 2 O H 2 O H + Cl - K + Na + K + 2Cl - 43

44 Planter, svampe, og bakterier bruger H + gradienter istedet for Na + gradienter til at drive sekundært aktiv transport Disse H + gradienter opretholdes af H + pumper, der kan være lysdrevne (bakteriorhodopsin) eller ATP-hydrolyse-drevne som Na +,K + ATPasen En anden type H + pumper (V-type H + ATPaser), som findes i dyreceller, pumper H + ind i feks lysosomer, hvis funktion kræver at deres lumen er surt 44

45 Opsummering - I 1. Lipid-bilag er semipermeable: vand og små non-polære molekyler passerer ved diffusion, ioner og store polære uladede molekyler gør ikke 2. Stoffer, der ikke kan passere ved diffusion transporteres af membranproteiner 3. Drivkraften for transport over cellemembranen er den elektrokemiske gradient 4. Transport nedad elektrokemisk gradient = passiv transport kan ske via carriers eller kanaler Transport opdad en elektrokemisk gradient = aktiv transport kan kun ske via carriers 5. Aktiv transport kan være primært aktiv = direkte ATP-hydrolyse koblet, eller sekundært aktiv = drevet af en transport af et andet molekyle nedad dets elektrokemiske gradient 45

46 Opsummering - II 6. Na +,K + ATPasen er en P-type primært aktiv transportør, som er afgørende for cellers funktion 7. Sekundært aktiv transport sker via cotransportører (symporters) eller exchangere (antiporters) 8. Celler har flere osmolytter end det omgivende miljø (Gibbs-Donnan ligevægten), og dyreceller pumper derfor (v.h.a. Na +,K + ATPasen) konstant ioner ud for ikke at svulme 9. Membrantransportsystemer spiller vigtige fysiologiske roller i f.eks. kontrol af cellulært [Ca 2+ ], ph, og volumen, og i transcellulær transport 46