Membraantransport (0)

Loeng 10
Membraantransport
1. Membraantranspordi
termodünaamika
2. Passiivne transport: difusioon
3. Vahendatud passiivne transport:
poorid, kandjad
4. Aktiivne transport: primaarne,
sekundaarne
Membraantranspordi termodünaamika
Lahuses membraaniga eraldatud kotike (rakk) mis ei sea takistust
antud aine liikumisele.
Aine kontsentratsioon väljas Cout ja sees Cin.
Liikumisega Cout Cin kaasnev vabaenergia muutus on antud seosega:
G = RT ln(Cin/Cout)
Tasakaaluolekus G = 0 ja Cout = Cin
Tasakaaluolek (G = 0) võib erineda olukorrast Cout = Cin juhul kui:
1. Membraanil esineb membraanpotentsiaal ja transporditav aine on laenguga
2. Membraantranspordiga on ühendatud mingi teine protsess mida
iseloomustab G `
3. Rakus sees toimub transporditava aine modifitseerimine või sidumine
Passiivne transport: difusioon
Passiivse transpordi aluseks on molekulide soojusliikumisest tingitud juhuslik
liikumine läbi membraani
Difusiooni korral on kõik liikumissuunad võrdsed ja lõpptulemuseks on
kontsentratsioonide ühtlustumine mõlemal pool membraani Cout = Cin
Molekulid erinevad oluliselt oma läbi membraani difundeerumise kiiruse poolest.
Mingi aine difusiooni kiirus läbi membraani J (mol cm-2 s-1) on antud seosega:
J = -P(Cin - Cout)
P ­ läbivuskoefitsient (cm s-1)
P = KD1/l
K ­ jaotuskoefitsient ­ lahustuvus
membraanis jagatud lahustuvus vees
D1 ­ aine difusioonikonstant membraanis
(cm2 s-1)
l ­ membraani paksus (cm)
Siin on kontsentratsiooni ühikuteks
(mol/cm3)
Membraanpotentsiaal
Kui membraani erinevatel külgedel on ülekaalus erimärgilised laengud, siis esineb
membraanil elektriline potentsiaal ehk membraanpotentsiaal (V)
Laenguarvuga Z iooni liikumisega läbi membraanpotentsiaali kaasneb
vabaenergia muutus G `= ZF
F ­ Faraday arv ehk ühe mooli elementaarlaengute laeng F = 96 500 C/mol
või 96,5 kJ mol-1 V-1
Arvestades ka kontsentratsiooni gradienti saame väljast sisse mineval suunal
G = RT ln(Cin/Cout) + ZF
= in ­ out
Kui sees on ülekaalus negatiivne laeng, siis on negatiivne
Kui sees on ülekaalus positiivne laeng, siis on positiivne
Rakumembraanide on ligikaudu ­100 mV (-0,1V)
Tasakaalolek on membraanpotentsiaali poolt mõjutatud ja Cout ei võrdu Cin ning
RT ln(Cin/Cout) = -ZF
Termodünaamiliselt soodsa reaktsiooni ühendamine membraantranspordiga
G = RT ln(Cin/Cout) + G`
Tasakaaluolekus G = 0 ja RT ln(Cin/Cout) = -G`
ATP hüdrolüüsi standardne G` on ca -30 kJ/mol, selle arvel on võimalik luua membraanile
( puudumisel) mingi aine 150 000 kordne kontsentratsiooni gradient (Cin/Cout)
Kontsentratsiooni gradiendi hoidmine membraanil nõuab pidevat ainete transporti vastu
nende kontsentratsiooni gradienti ja selleks tuleb kulutada energiat ­ aktiivne transport
Rakud kulutavad ca 25% oma ATP-st soovitud kontsentratsiooni gradientide
hoidmiseks membraanidel
Transporditava aine modifitseerimine või sidumine
Mingi aine võib olla seotud teiste ainetega, mis esinevad ainult ühel pool membraani
Membraani eri külgedel võrdsustub vaba aine kontsentratsioon
Näiteks: vaba O2 kontsentratsioon võrdsustub mõlemal pool erütrotsüütide
membraani. Rakkudes sees on aga suur osa O2 seostunud hemoglobiiniga ja seega on
kogu O2 kontsentratsioon erütrotsüütides sees palju suurem kui väljaspool rakke
Rakkudesse transpordituna võib toimuda aine modifitseerimine selliselt,
et aine ei ole enam võimeline membraani läbima
Vahendatud passiivne transport ­ kiirendatud difusioon
· Pooride vahendatud
· Kandjate vahendatud
Poorid ja kandjad ainult kiirendavad ainete difusiooni läbi
membraani
Tasakaaluolekus esineb ikkagi olukord, kus Cout = Cin
Ei ole võimalik ainete transport vastu kontsentratsiooni gradient
ehk tegemist on passiivse transpordiga
Pooride vahendatud passiivne transport ­ ioonkanalid ja permeaasid
· Ioonkanalid
Ei ole lihtsalt auk membraanis - läbilaskvus on ioonide suhtes spetsiifine
Näiteks: erütrotsüütide membraanis paiknev anioonkanal võimaldab samaaegselt
ühe HCO3- iooni liikumisega rakust välja ühe Cl- iooni sisenemist rakku
Membraani läbilaskvus HCO3- ja Cl- suhtes on suurenenud 107 korda
· Permeaasid
Glükoos on erütrotsüütides primaarne
energiaallikas
Rakku transpordiks kasutatakse glükoosi
permeaasi vahendatud difusiooni
Spetsiifiline glükoosi suhtes
Glükoosi kontsentratsioon mõlemal pool
membraani on ca 5 mM
Mittespetsiifilised ionofoorid ­ augud membraanis
· Toksiinid
· Antibiootikumid
Ei ole läbiminevate ainete suhtes spetsiifilised
Moodustavad peremeesraku membraanidesse auke, mille kaudu toimub ainete
valimatu liikumine läbi membraani
Tulemus ­ kaob ainete õige jaotus membraanil ja rakk sureb
Staphylococcus aureuse -toksiin (-hemolüsiin)
Kandjate vahendatud passiivne transport
Antibiootikumide hulgas esineb spetsiifilisi ionofoore
Streptomyces sp valinomütsiin
Järjestus - (D-valiin)-(L-laktaat)-(L-valiin)-(D-hüdroksü-
isovaleraat) - kolmes korduses
Kera välispind hüdrofoobne ­
soodustab liikumist membraani
sisekeskkonnas
Kera sisemus hüdrofiilne ­ loob
soodsa keskkonna K+ ioonile
On K+ suhtes 20 000 korda afiinsem,
kui Na+ suhtes
Rikub membraanil valitseva K+
ioonide gradiendi
Difusioonimehhanismide eristamine
Kas passiivne difusioon või vahendatud passiivne difusioon?
Vahendatud difusioon on:
· Spetsiifiline
· Küllastatatav
Kas pooride või kandjate
vahendatud difusioon?
Kandjate vahendatud
difusioon on tugevalt sõltuv
temperatuurist. Väga aeglane
juhul, kui T Võrdle jõe ületamine, kas silla
või praami abil
Aktiivne transport: transport vastu kontsentratsiooni gradienti
Lihasrakkude sarkoplasmaatilise retiikulumi membraanil säilitatakse 30 000
kordne Ca2+ kontsentratsiooni gradient
Ca2+ pumpamisega sarkoplasmaatilisse retiikulumi tuleb ületada energeetiline
barjäär: G = RT ln(Cin/Cout) = 26,6 kJ/mol
Ühe Ca2+ iooni pumpamiseks sarkoplasmaatilisse retiikulumi tuleb kulutada
ligikaudu ühe ATP molekuli hüdrolüüsi energia
· Primaarne aktiivne transport ­ ATP hüdrolüüsi energiat
kasutatakse otseselt
· Sekundaarne aktiivne transport ­ ATP hüdrolüüsi energiat
kasutatakse kaudselt
Primaarne aktiivne transport - ioonpumbad
Rakkudes on K+ kontsentratsioon suurem ja Na+ kontsentratsioon väiksem, kui
rakuvälises keskkonnas
K+ ja Na+ gradient säilitatakse ATP hüdrolüüsi energiast sõltuva naatrium
kaalium pumba ehk Na+-K+ ATP-aasi abil
Pumba töötsükkel hõlmab 2 K+ iooni pumpamist rakku ja 3 Na+ iooni
pumpamist rakust välja
Naatrium kaalium pump on üheks liikmeks suures, aktiivset transporti
vahendavate ATP-aaside klassis
Ioonpumbad töötavad pöörduvalt ­ ioonide allavoolu kontsentratsioon
gradienti toimuva isevoolulise liikumise energia arvelt on võimalik sünteesida
ADP-st ja Pi-st ATP
Tagurpidi töötavad ioonpumbad genereerivad valdava osa elusorganismide
ATP-st
Mida Na+-K+ ATP-aas peab tegema?
Kas ühe molekuli ATP hüdrolüüsi energiast piisab 3 Na+ iooni
pumpamiseks rakust välja ja 2 K+ pumpamiseks rakku?
Na+ sees 10 mM, väljas 140 mM
K+ sees 100 mM, väljas 5 mM
Membraanpotentsiaal suunal väljast sisse -70mV
Temperatuur 37°C (310K)
Ühe mooli Na+ pumpamiseks rakust välja:
Ginout = RT ln([Na+]out/[Na+]in) + ZNa+ Finout = 6800 J/mol + 6750 J/mol
= 13550 J/mol = 13,55 kJ/mol.
Kolme mooli Na+ pumpamiseks rakust välja:
Ginout = 3 x 13,55 kJ/mol = 40,65 kJ/mol
NB! Ebasoodsa membraanpotentsiaali ületamiseks kulub sama palju energiat,
kui ebasoodsa kontsentratsioonigradiendi ületamiseks
Mida Na+-K+ ATP-aas peab tegema?
Ühe mooli K+ pumpamiseks rakku:
Goutin = RT ln([K+]in/[K+]out) + ZK+ Foutin = 7720 J/mol - 6750 J/mol = 970
J/mol = 0,97 kJ/mol
Kahe mooli K+ pumpamiseks rakku:
Goutin = 2 x 0,97 kJ/mol = 1,94 kJ/mol
NB! Membraanpotentsiaal soosib K+ pumpamist rakku
Gtotal = 40,65 kJ/mol + 1,94 kJ/mol = 42,59 kJ/mol
Rakus valitsevatel tingimustel on ATP hüdrolüüsi G reeglina
vahemikus ­45 kJ/mol kuni ­50 kJ/mol
Pumba kasutegur vahemikus 85% kuni 95%
Kuidas Na+-K+ ATP-aas töötab?
Pump võib esineda kahe
konformatsioonilise vormina:
Sisekeskkonda avatud ­ kõrge afiinsus
Na+ suhtes
Väliskeskkonda avatud ­ kõrge
afiinsus K+ suhtes
Valgu fosforüleerimine põhjustab
sisse avatud konformatsiooni
ülemineku välja avatud
konformatsiooniks
Kardiotoonsed steroidid nagu
ouabaiin ja digitoksiin seostuvad
pumbale ja lukustavad selle välja
avatud konformatsiooni
Kotransport süsteemid: sekundaarne aktiivne transport
ATP hüdrolüüsi energia arvel töötavad ioonpumbad genereeivad
membraanile ioonide gradiente (primaarne aktiivne transport)
Ioongradiendid asuvad tasakaaluolekust kaugel ja kujutavad endast
potentsiaalseid energiaallikaid
Ioongradientides sisalduvat energiat on võimalik kasutada minite teiste
ioonide transportimiseks vastu nende kontsentratsiooni gradienti ­
sekundaarne aktiivne transport
Sekundaarne aktiivne transport kasutab kokkuvõttes ikkagi ATP
hüdrolüüsi energiat kuid teeb seda kaudselt
· Kaks molekuli liiguvad samas suunas ­
sümport
· Kaks molekuli liiguvad vastupidises
suunas ­ antiport
Näiteks: Peensoole rakkude membraanides
paiknev naatrium-glükoos kotransport
süsteem (sümport)
Modifitseerimise poolt vahendatud transport
Passiivse difusiooni või vahendatud passiivse difusiooni teel rakku sisenenud
ühend modifitseeritakse nii, et ta ei ole enam võimeline membraani läbima
Modifitseeritud ühend saab rakus sees akumuleeruda
Leiab kasutust paljude bakterite poolt suhkrute transportimiseks rakku
Modifitserimine hõlmab suhkrute fosforüleerimist
E. coli fosfotransferaasi süsteem ­ glükoos fosforüleeritakse transmembraanse
valgu membraani läbivas pooris
Kaks kärbest ühe hoobiga ­ glükoos sisenes rakku ja glükoos-fosfaat on
glükoosi katabolismiraja lähteühendiks
Kuna glükoosi fosforüleerimine toimub ATP arvelt, siis kasutatakse ka siin
kaudselt ATP hüdrolüüsi energiat
Ioonpumbad võivad töötada ka tagurpidi
Õigetpidi töötav ioonpump genereerib, ATP hüdrolüüsi energia arvelt
membraanile ioonide gradiendi
Tagurpidi töötav pump funktsioneerib kui energia generaator ­ membraanil
esineva ioonide gradiendi energia arvelt sünteesitakse ADP-st ja
anorgaanilisest fosfaadist ATP
Looduses sünteesitakse valdav osa ATP-st membraanidel esineva prootonite
H+ gradiendi arvelt
Prootongradiendi genereerimiseks membraanidele kasutavad:
loomad ­ toitainete oksüdatsioonist tulenevat energiat
taimed ­ valgusenergiat