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...
Beretek