28. Transport przez błony - warunki energetyczne

Siłą sprawczą procesu transportu przez błonę jest różnica stężeń (gradient chemiczny) lub, w przypadku cząsteczek naładowanych, różnica stężeń i potencjału elektrycznego po obu stronach błony (gradient elektrochemiczny). Oczywiście, samorzutny transport będzie zachodził tylko w tym kierunku, w którym zmiana energii swobodnej ΔG<0. ΔG dla transportu ze strony A na stronę B wyraża się wzorem ΔG=RT*ln(Cb/Ca) w przypadku cząsteczek nienaładowanych i ΔG=RT*ln(Cb/Ca) + ZFΔV, gdzie R-stała gazowa, T-temperatura w K, Cb-stężenie po stronie B, Ca-stężenie po stronie A, Z-ładunek transportowanej cząsteczki, F-stała Faradaya i ΔV-różnica potencjałów między stroną B i A.

Jeśli wychodzi na to, że ΔG jest dodatnie, a i tak trzeba coś przetransportować musi odbywać się to w sposób aktywny, czyli najczęściej z pomocą białek hydrolizujących ATP (transportery pierwotne) albo wykorzystujących gradient innych cząsteczek, np. H+ (transportery wtórne).

29.Transport aktywny, dyfuzja ułatwiona i dyfuzja prosta.

Dwuwarstwa lipidowa jest zasadniczo przepuszczalna tylko dla cząstek hydrofobowych np. gazów i w pewnym stopniu dla małych cząstek polarnych (woda, etanol).

Dyfuzja prosta to przenikanie cząsteczek przez dwuwarstę lipidową bez żadnych transporterów czy nośników białkowych. Odbywa się zgodnie z gradientem stężeń i dotyczy głównie małych niepolarnych cząsteczek, choć niektóre małe i polarne też jej ulegają. W ten sposób przez błonę przechodzą rozpuszczone w środowisku gazy np. N2, CO2, O2 i na przykład etanol. Do pewnego stopnia także mocznik i woda mogą poruszać się przez błonę na zasadzie dyfuzji prostej, ale jest to transport bardzo powolny.

Dyfuzja ułatwiona zachodzi z pomocą kanałów białkowych, zwiększających przepuszczalność błony dla danych substancji. Dzieje się to ponieważ biała te, zbudowane najczęściej z wielu transbłonowych alfa helis (i najczęściej multimeryczne) tworzą hydrofilowe kanały w poprzek błony które chronią polarne cząsteczki przed niekorzystnym oddziaływaniem z zrębem hydrofobowym dwuwarstwy. W przypadku dyfuzji ułatwionej transport zachodzi zgodnie z gradientem elektrochemicznym - kanały białkowe dają tylko możliwość transportu, ale nie wpływają na jego kierunek. Oznacza to, ze jest to transport bierny - niezużywający energii. Białka biorące udział w tym procesie to np. akwaporyna i kanały jonowe. Mogą one być specyficzne (akwaporyna, kanały na konkretne jony) albo niespecyficzne (poryny bakteryjne). W przypadku kanałów jonowych wyróżnia się też takie, które otwarte są cały czas (niebramkowane), jak i takie które otwierają się pobudzone bodźcem mechanicznym, elektrycznym albo chemicznym (bramkowane).

Transport aktywny to odpowiedź komórki na dodatnią zmianę energii swobodnej(:P). Pozwala on na przenoszenie cząsteczek w poprzek membrany w kierunku niezgodnym z ich gradientem elektrochemicznym. Może się on odbywać przez pompy ATP (ATP-azy, transportery pierwotne) albo białka nośnikowe (transportery wtórne). Pierwsze posiadają zdolność hydrolizy ATP i wykorzystania uwolnionej energii do transportu aktywnego. Drugie wykorzystują gradient innych cząstek aby uzyskać energię do transportu. Transporter wtórne mogą działać na zasadzie uniportu - transportują jedną cząsteczkę zgodnie z gradientem stężenia (jest więc to dyfuzja ułatwiona, a nie transport aktywny) - symportu - transportują wtedy dwie cząsteczki w tym samym kierunku - albo antyportu - wtedy transportują dwie cząsteczki w przeciwnych kierunkach. Zawsze jedna cząsteczka transportowana jest zgodnie z gradientem elektrochemicznym, a druga przeciw niemu.

Różne rodzaje transportu przedstawiono na rysunku poniżej (oprócz dyfuzji prostej, ale to wiadomo jak wygląda).

30. Klasyfikacje zjawisk transportowych.

Nie jestem pewnie o co chodzi w tym pytaniu, ale wydaje mi się, że o to samo co w poprzednim. Tzn, że są klasyfikacja może być ze względu na:

• wydatek energii - bierny lub aktywny (zgodny z gradientem lub przeciwny gradientowi)

• sposób transportu - ułatwiony (z pomocą kanałów lub transporterów) lub prosty (przez dwuwarstwę)

• ko-transport - uniport, symport i antyport (opisane w poprzednim punkcie)

31. ATP-azy błonowe - rodzaje i rola.

ATPazy błonowe to integralne białka błonowe transportujące substancje przez błony z wykorzystaniem energii z hydrolizy ATP. Wszystkie mają domenę hydrolizy ATP po cytozolowej stronie. Warto wspomnieć, że nie hydrolizują ATP, jeśli nic nie transportują. Tak więc nie zużywają energii na marne. Wyróżniamy 4 klasy pomp ATP: P, F, V, które transportują tylko jony i ABC transportery, które mogą transportować różne drobnocząsteczkowe substancje. ATPazy P to np. pompa sodowo/potasowa i pompy wapniowe w błonie ER mięśni oraz pompy tworzące gradient pH w błonach bakterii, grzybów i roślin. ATPazy F i V są podobne i pompują wyłącznie protony. V utrzymują niskie pH niektórych przedziałów komórkowych np. wakuoli i lizosomów, a F zwane są inaczej syntazami ATP i ich głównym zadaniem jest synteza ATP (czyli na dobrą sprawę działają do tyłu). ABC transportery to duża superrodzina białek, z której każde białko transportuje specyficznie jedną substancję albo substancje zawierające jedną grupę (np. cukry, fosfolipidy itp.). Występują we wszystkich organizmach od bakterii do ludzi. Wszystkie typy ATPaz zostaną szerzej omówione w odpowiednich zagadnieniach. Obrazek przy zag. 33.

32. ATPaza Na+/K+

ATPaza Na+/K+, zwana pompą sodowo/potasową to ATPaza klasy P (o których szerzej w nast. zagadnieniu) będąca tetrameram dwóch podjednostek alfa i dwóch beta (o tych podjednostkach też w nast.) Jej głównym zadaniem jest transport jonów K+ do komórki i Na+ na zewnątrz komórki. Na każdą zhydrolizowaną cząsteczkę ATP pompa ta przenosi 3 jony Na+ i dwa jony K+. Jej działanie opiera się na zmianie konformacji pod wpływam fosforylacji. W stanie nieufosforylowanym (E1) posiada trzy miejsca wiązania Na+ z dużym powinowactwem i dwa miejsca wiązania K+ z małym powinowactwem (wszystkie 5 po stronie cytoplazmy). Stała Km dla Na+ w tym stanie to 0,6mM, a jego stężenie w komórce to około 12mM, więc jony Na+ się bardzo ładnie wiążą. Powoduje to hydrolizę ATP i ufosforylowanie pompy, która przechodzi w stan E2. W tym stanie miejsca wiązania jonów znajdują się blisko zewnątrzkomórkowej strony błony, a powinowactwo do jonów NA+ gwałtownie spada i oddysocjowują sobie po jednym. Jednocześnie powinowactwo do K+ rośnie (stała jest koło 0,2mM, a stężenie zewnątrzkomórkowe koło 4mM) i K+ łączą się z pompą. Powoduje to defosforylację i powrót do stanu E1. Miejsca wiązania K+ znów osłabiają powinowactwo, które staje się tak słabe, że jony oddysocjowują, mimo że ich stężenie w komórce jest duże. I cały cykl zaczyna się od nowa. Działanie pompy sodowo/potasowej jest konieczne, żeby utrzymać normalny potencjał błonowy, ponieważ na każdą cząsteczkę ATP jest wyrzucany z komórki jeden ładunek dodatni netto. Poza tym synteza białek wymaga wysokiego stężenia K+, a gradient jonów Na+ jest wymagany do importu np. aminokwasów. Około 20% energii w organizmie człowieka (o ile dobrze pamiętam) idzie na utrzymanie działania pomp sodowo/potasowych. Obrazek poniżej

33. P, F i V ATPazy

Spośród trzech klas ATPaz transportujących jedynie jony, Fi V są podobne, a P nieco inne.
ATPazy klasy P są fosforylowane w czasie swojej pracy, stąd nazwa. Wszystkie zawierają dwie podjednostki alfa, z których każda ma jedno miejsce wiązania ATP. Niektóre mają też podjednostki beta, które są regulatorowe. W czasie pracy co najmniej jedna podjednostka alfa jest fosforylowana i to ona przenosi jony. Sekwencja wokół fosforylowanej reszty jest homologiczna dla wszystkich P-ATPaz. Przykładem tych białek jest pompa sodowo/potasowa oraz Ca2+-ATPaza z retikulum sarkoplazmatycznego, której cykl pracy (podobny do już przedstawionej pompy sodowo potasowej i typowy dla wszystkich P-ATPaz) został przedstawiony na powyższym obrazku.

F i V ATPazy są bardzo podobne strukturalnie i w ogóle nie podobne do P ATPaz. Są znacznie bardziej skomplikowane i posiadają wiele podjednostek, zarówno integralnych, jak i peryferyjnych. Transportują jedynie jony H+. F ATPazy w normalnych warunkach działają „do tyłu” stanowiąc kanały dla jonów H+ i wykorzystując energię ich gradientu do produkcji ATP.

V i F ATPazy posiadają dwie duże domeny: hydrofilową cytozolową V1 i błonową hydrofobową V0. Związanie i hydroliza ATP przez podjednostki B z V1 powoduje pompowanie protonów przez kanał utworzony z podjednostek A i C z V0. Sama ATPaza nie jest fosforylowana.

V ATPazy służą do zapewniania kwaśnego środowiska takim organellom jak lizosomy czy wakuole. Jednak nie są tego w stanie zrobić same z siebie, bo transportując protony powodują powstanie potencjału błonowego, który szybko hamuje napływ nowych protonów. Dlatego np. w lizosomach są kanały dla jonów Cl-, które powodują napływ do światła lizosomu jednego jonu chlorkowego na jeden wpompowany proton.

34. Transportery ABC, ich funkcje oraz rola w niektórych schorzeniach.

Transportery ABC są szeroką rodziną białek transportujących małe cząsteczki przez błony biologiczne, a każdy z nich jest specyficzny względem jakiejś substancji lub grupy chemicznej. Wszystkie zawierają rdzeniowy region z dwiema transmembranowymi domenami T, które wiążą transportowaną cząsteczkę i odpowiadają za specyficzność, i dwiema cytozolowymi domenami A zawierającymi miejsce wiązania ATP (ATP Binding Casette - ABC, stąd nazwa) i wykazującymi dużą homologię we wszystkich ABC-transporterach. Domeny te mogą być czterema oddzielnymi polipeptydami, jak u bakterii, albo dwoma lub jednym polipeptydem podzielonym na kilka domen.

Niektóre mogą posiadać dodatkowe podjednostki zewnątrzkomórkowe wiążące transportowaną cząstkę, albo cytozolowe - regulatorowe.

ABC transportery mają różnorodne funkcje. U bakterii występują permeazy, które odpowiadają za aktywny transport do wnętrza komórki wielu substancji odżywczych takich jak aminokwasy, cukry i witaminy. Jest to szczególnie ważne dla bakterii wolno żyjących, ponieważ stężenia tych związków w otoczeniu są niezwykle małe i każda molekuła jest cenna.

U eukariotów pierwsze ABCtransportery wykryto w komórkach rakowych, które wykazywały odporność na wiele leków. Okazało się, że posiadały one białko MDR1 - multidrug-resistance i to na podwyższonym poziomie. Ten transporter wypompowuje leki, głównie małe i hydrofobowe cząsteczki wchodzące do komórki na drodze dyfuzji prostej znacznie zmniejszając ich stężenie w cytozolu. Obecnie znanych jest około 50 ssaczy ABC transporterów, występujących głównie w komórkach wątroby, jelita i nerek. Ich fizjologiczną rolą jest transport toksyn i odpadów do żółci, światła jelita i do moczu. Komórki rakowe powstałe z tych tkanek często wykazują wzmożoną ekspresję ABC transporterów, przez co np. komórki hepatoma są praktycznie odporne na wszystkie próby chemioterapii.

Oprócz roli w raku ABCtransportery mają swój udział w chorobach genetycznych związanych z ich dysfunkcją np. mukowiscydozą (mutacja w transporterze CFTR), adrenolekodustrofii (zmutowany ABCD1 nie pobiera długołańcuchowych kwasów tłuszczowych do peroksysomów, one się akumulują w cytoplazmie i uszkadzają komórki) i chorobie Tangiersa (zmutowany ABCA1 nie transportuje fosfolipidów i może też cholesterolu).

---