KOLOKWIUM V BIOCHEMIA(1).docx

KOLOKWIUM IV

KANAŁY I POMPY BŁONOWE

1.       Kanały i pompy błonowe:

- lipidowa warstwa nieprzepuszczalna dla jonów i cząsteczek polarnych;
- dwie klasy białek błonowych umożliwiających przepuszczalność: pompy i kanały;

- pompy:

a) wykorzystywanie ATP lub światła, jako źródła energii do transportu jonów lub cząsteczek w kierunku termodynamicznie niekorzystnym;
b) transport aktywny;
c) przetworniki energii – przekształcają jedną formę energii w drugą;
d) dwa rodzaje pomp zależnych od ATP: ATPaza typu P oraz pompa posiadająca kasetę wiążącą ATP(białka ABC);

e)podlegają zmianom konformacyjnym podczas wiązania i hydrolizy ATP – skutek: jon może być transportowany przez błonę;

f)pompy jonowe mogą utrzymywać stałe gradienty określonych jonów w poprzek błony;

- inny mechanizm transportu aktywnego – wykorzystuje gradient jednego jonu do transportu drugiego;

- transporter II-go rzędu – permeaza laktozowa E. coli, odpowiedzialna za transport odnośnego cukru z otoczenia komórki;

- ekspresja białek transportujących decyduje jakie metabolity będą pobierane z otoczenia do komórki;

- regulacja poziomu ekspresji transportera jako podstawowa metoda kontroli metabolizmu;

- kanały:

a) umożliwiają szybki przepływ jonów w kierunku termodynamicznie korzystnym;

b) transport bierny lub dyfuzja ułatwiona;

c) kanały jonowe umożliwiają szybki przepływ jonów przez błonę zgodnie z gradientem stężeń;

d) zdolne do swobodnego przepuszczania niektórych jonów przy jednoczesnym hamowaniu innych;

e) bramkowane kanały jonowe – kluczowy element działania układu nerwowego;

- połączenia szczelinowe – umożliwiają przepływ metabolitów i jonów pomiędzy komórkami; odpowiedzialne m. in. Za skurcz komórek mięśnia bijącego serca;

2.       Ekspresja białek transportujących:

- w dużej mierze określa metaboliczną aktywność danego typu komórek;

- każdy rodzaj komórek zawiera specyficzny zestaw białek transportujących w błonie komórkowej;

- zestaw białek transportujących decyduje o składzie jonowym wnętrza komórki oraz o składzie cząsteczek pobieranych z otoczenia komórki;

- asortyment białek transportujących określa właściwości komórki – przeprowadzanie tylko tych reakcji chemicznych, dla których zostały pobrane substraty;

- metabolizm glukozy:

a) wzór ekspresji białek należących do rodziny homologicznych transporterów glukozy (GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, GLUT5), decyduje o tym, jakie tkanki mogą wykorzystywać glukozę;

b) GLUT3 – ekspresja tylko w neuronach i kilka innych typów komórek;

c) GLUT3 – wiąże glukozę dość silnie;

3.       Transport cząsteczek przez błony – aktywny lub bierny:

- dwa czynniki określające, czy cząsteczka przejdzie przez błonę: przepuszczalność błony dla danej cząsteczki oraz dostępność źródła energii;

- cząsteczki lipofilowe:

              a) cząsteczki rozpuszczalne w dwuwarstwach lipidowych;

              b) mogą przedostawać się przez błonę komórkową ;

c) przykład – hormony steroidowe: przedostają się przez błony zgodnie z gradientem swojego stężenia na drodze dyfuzji prostej;

d) II zasada termodynamiki – cząsteczki poruszają się ze strefy o dużym stężeniu do strefy o małym stężeniu;

e) wzrost entropii wspomaga transport przez błonę;

- gdy cząsteczka jest polarna – brak swobodnego przechodzenia przez błonę;

- jony sodu – dodatnio naładowane, nie mogą pokonać hydrofobowego wnętrza błony;

- jony sodu przedostają się przez kanały  tworzone w hydrofobowej barierze przez białka błonowe;

- dyfuzja ułatwiona (transport bierny) – ułatwiona przez kanały w błonie; energia zasilającą ruch jonów pochodzi z gradientu jonów;

- kanały wykazują specyficzność substratowa wobec pewnych jonów;

- powstawanie gradientu sodowego – transport aktywny:

              a) przemieszczanie (pompowanie) sodu wbrew gradientowi stężeń;

b) przemieszczenie jonów z niskiego do wysokiego stężenia prowadzi do spadku entropii – wymagane dostarczenie energii swobodnej;

c) białka transportujące zdolne do wykorzystywania energii w celu przemieszczenia cząsteczek w górę gradientu stężeń;

d) energia wykorzystywana do transportu cząsteczek musi pochodzić z innego źródła niż gradient stężeń;

4.       Określanie energii swobodnej gradientu stężeń:

- energia swobodna osiąga najmniejszą wartość, gdy wszystkie stężenia są równe;

- aby uzyskać gradient stężeń, konieczny jest nakład energii swobodnej;

- zmiana energii swobodnej podczas transportu cząsteczki rozpuszczalnej i nienaładowanej:

ΔG=RTln(c2/c1)=2,303 RTln(c2/c1);

- dla cząsteczki naładowanej: generowanie różnicy potencjałów elektrycznych; suma składnika stężeniowego i składnika elektrycznego – potencjał elektrochemiczny; zmiana energii wyrażona wzorem: ΔG=RTln(c2/c1)+ZFΔV,
gdzie Z – ładunek elektryczny transportowanej cząsteczki, ΔV – różnica potencjałów po obu stronach błony, F – stała Faradya (96,5 kj*V-1*mol-1);

- ΔG dodatnia – transport aktywny;

- ΔG ujemna – transport bierny;

5.       Wykorzystywanie energii hydrolizy ATP do pompowania jonów przez błony:

- kontrola stężenia soli przez komórki, aby uniknąć niekorzystnych oddziaływań z dużym stężeniem jonów takich jak wapń i żeby ułatwić przebieg specyficznych procesów;

- pompa sodowo-potasowa(ATPaza Na+-K+) – enzymy wytwarzające gradient jonowy;

- w większości komórek – duże stężenie jonów potasu i małe stężenie jonów sodu;

- hydroliza ATP dostarcza energii do transportu aktywnego Na+ na zewnątrz i K+ do wewnątrz;

- powstawanie gradientu jonowego;

- hydroliza ATP – zachodzi tylko w obecności jonów Na+ i K+; wymaga też obecności jonów Mg2+;

- gradient sodowo-potasowy w komórkach eukariotycznych kontroluje objętość komórki, obdarza neurony i komórki mięśni pobudliwością elektryczną, napędza aktywny transport cukrów i aminokwasów;

- ATPazy Ca2+ - transportują jony wapnia z cytoplazmy do retikulum sarkoplazmatycznego w komórkach mięśniowych;

- ATPazy H+-K+ - występują w żołądku; odpowiedzialne za pompowanie odpowiedniej ilości protonów do żołądka, powodujących spadek pH w żołądku;

-ATPazy typu P: ATPazy Ca2+; ATPazy H+-K+; przyjmują bardzo ważną, ufosforylowaną formę przejściową;

- podczas przechodzenia w postać przejściową, grupa fosforanowa jest przyłączana do konserwatywnej reszty asparaginianowej w łańcuchu bocznym ATPazy;

6.       Sprzęganie fosforylacji ze zmianami konformacyjnymi, do pompowania jonów wapnia przez błonę, przez ATPazy typu P:

- każda pompa może występować w dwóch różnych stanach konformacyjnych:

              a) pierwszy – miejsca wiązania jonów są eksponowane na jedną stronę błony;

              b) drugi – miejsca wiązania jonów są eksponowane po przeciwnej stronie błony;

- pompowanie jonów w jednym kierunku przez błonę – energia swobodna musi być dostarczana w taki sposób, by można było ją sprzęgać z przejściem pomiędzy stanami konformacyjnymi;

- ATPazy Ca2+ (Sr ATPazy Ca2+ lub SERCA):

a) szczegółowe określenie właściwości na podstawie struktur krystalicznych dla pięciu różnych stanów konformacyjnych;

b) stanowi 80% białek błonowych retikulum sarkoplazmatycznego;

c) odgrywa ważna rolę w skurczu mięśnia;

d) skurcz mięśnia wywołany gwałtownym wzrostem poziomu Ca2+ w cytozolu;

e) rozkurcz mięśnia zależy od szybkiego przeniesienia Ca2+ w cytozolu do retikulum sarkoplazmatycznego –komponent wyspecjalizowany w magazynowaniu wapnia przez SERCA;

- pierwsza struktura białka SERCA – konformacja, w której związany jest Ca2+, ale nie ma nukleotydu;
- SERCA – pojedynczy polipeptyd o masie 110kDa z domeną transbłonową zbudowaną z 10 helis α;
- domena transbłonowa zawiera miejsca wiązania dwóch jonów wapnia;
- każdy z jonów wapnia związany jest koordynacyjnie z siedmioma atomami tlenu, pochodzącymi z grup karbonylowych szkieletu głównego, reszt Glu, Asn, Asp, Thr, i cząsteczek wody;

- duża część cytoplazmatyczna – stanowi prawie połowę masy cząsteczki, składa się z trzech różnych domen:

              a) domena N – wiąże nukleotyd ATP;

              b) domena P – przyjmuje grupę na konserwatywnej reszcie asparaginianowej;

              c) domena A – może słuzyc jako nastawnik domeny N;

- SERCA – strukturalnie niezwykle dynamiczne;

- SERCA bez związanego Ca2+ z analogiem fosfoasparaginy – domeny N i P otaczają ściśle analog fosfoasparaginy, domena A ulega znacznej rotacji w stosunku do jej pozycji ze związanym Ca2+ , bez analogu fosfoasparaginy;

-szczegółowy mechanizm pompowania Ca2+ przez białko SERCA:

a) rozpoczęcie cyklu katalitycznego, gdy enzym znajduje się w stanie nieufosforylowanym z dwoma związanymi jonami wapnia (E1);

b) w konformacji E1 białko SERCA może wymieniać jony wapnia, ale tylko na te, które są po stronie cytoplazmatycznej;

c) w E1 enzym może wiązać ATP;

d) domeny N, P i A ulegają dalszym zmianom, otaczając cząsteczkę ATP – nie dochodzi do większych zmian konformacji domeny transbłonowej;

e) jony wapnia uwięzione wewnątrz enzymu;

f) przeniesienie grupy fosforanowej z ATP na ASP 351;

g) gdy uwalniane jest ADP – enzym zmienia całkowitą konformację , włączając w to konformację domeny transbłonowej (E2 lub E2 – P w stanie ufosforylowanym);

h) ewersja – proces przejścia od E1 do E2;

i) w E2 – P miejsca wiązania ulegają rozerwaniu, wapń uwalniany po przeciwnej stronie błony – przetransportowanie jonów;

j) reszta fofsoasparaginianowa ulega hydrolizie – uwalniany jest fosforan;

k) destabilizacja E2 i ewersja do E1;

- związanie dwóch jonów wapnia po cytoplazmatycznej stronie błony zamyka cykl;

- ATPaza Na+-K+  - tetramer α2β2;

- podjednostka α – homolog białka SERCA, zawiera kluczową resztę asparaginianu;

- podjednostka β – nie bierze bezpośrednio udziału w transporcie jonów;

- mechanizm analogiczny – zachodzi przy wiązaniu trzech jonów Na+ po cytoplazmatycznej stronie błony w E1 i dwóch jonów K+ w konformacji E2;

7.       Hamowanie pompy Na+ - K+ przez blokowanie jej defosforylacji:

- digitoksygenina i strofandyna G (uabaina) – inhibitory należące do tej samej klasy – steroidy kardiotoniczne (silne działanie na mięsień sercowy);

- podane od zewnątrzkomórkowej strony błony, hamują defosforylację formy E2 – P   ATPazy;

- digitalis – mieszanina steroidów kardiotonicznych otrzymywanych z wysuszonych liści naparstnicy; zwiększa siłę skurczu mięśnia sercowego; dobry lek w schorzeniach polegających na przekrwieniu serca;

- hamowanie pompy sodowo-potasowej prowadzi do podwyższenia stężenia sodu wewnątrz komórki, a obniżenie gradientu Na+ powoduje zmniejszenie szybkości usuwania z komórki jonów wapnia przez wymiennik sód-wapń;

- konsekwencje: wzrost stężenia Ca2+ w komórce (zwiększenie kurczliwości mięśnia sercowego);

8.       ATPazy typu P – ewolucja i funkcj...