forelesning 1 og_2_torsdag

Oppsummering

• Homøostase• Diffusion• Ficks lov• Osmose• Osmolaritet/osmolalitet• Osmotisk trykk

Diffusjon gjennom membranens lipidlag

Diffusjon gjennomvannfylte porer og kanaler

Transport med bærer-proteiner i membranen

cytoplasma

1

2

3

Diffusjon gjennom cellens lipidlag uten transportprotein:

• Ikke ladete, fettløselige• Gasser (eks. CO2, O2)

• Noen endogene stoffer (eks. steroide hormoner)

• Mange medisiner (eks. anestesimidler)• Fra høy til lav konsentrasjon (MED

gradient)

1

Diffusjon gjennom kanaler:2

Kjennetegn på diffusjon gjennom kanaler:

• Høy til lav konsentrasjon• Kanalen foretrekker noen ioner fremfor

andre (f.eks. Na-kanaler, Cl, K, Ca)• Diskriminerer på størrelse og polaritet• Rask (transportkapasitet/konduktans)• Åpen hele tiden (lekkasjekanal) eller….

• En elektrisk impuls• Binding av signalmolekyl (eks. Ca2+)• Strekk i cellemembranen (svelling,

cellebevegelse)

• Aktiveringen er forbigående (åpningstid, åpningssannsynlighet)

- eller åpnes av:

Transmittorstoff

Na+

Na+-kanal

Illustrasjon av nerveende inneholdende vesikler med transmittorstoff. Transmittorstoff diffunderer fra nerveende og binder seg til kanaler på nabocelle. Kanalene åpnes. (Copyrightet illustrasjon)

Acetycholin-reseptor

Kanaler - repetisjon

• Transporthastighet• Selektivitet• Åpningstid• Åpningssannsynlighet

Gap junctions

Porer

• Alltid åpne• Poriner i mitokondriemembran• Perforin frisatt fra lymfocytter (cytotoksiske

pore-formende proteiner)• Nukleært porekompleks• Vannkanaler

Hvordan går vann gjennom cellemembranen?

• Vannkanaler (aquaporiner)

• Vannfylte kanaler for ioner

• Hydrasjonsskall rundt ioner

• Noe vann diffunderer mellom fosfolipidene

13 aquaporiner hos pattedyr

• Hver og en viser unik fordeling mellom celletyper (eks. AQP5 i spyttkjertler)

• AQP0, 1, 2, 3 …, 12

aquaporin-monomer

Vannkanalen er en tetramer

Utsiden hydrofob - innsiden hydrofil

3 X 109 H20-molekyler/monomer/sek!!!

-3Å trang(vann er 2.8 Å)

Tajkhorshid, E., Nollert, P., Jensen, M.O., Miercke, L.J., O'Connell, J., Stroud, R.M., and Schulten, K. (2002). Science 296, 525-530

Siste kategori av membrantransport….

*fasilitert diffusjon (ett stoff, ned konsentrasjonsgradient)

-eks: glukosetransportør (GLUT)

*koplet transport (pumper, kotransportører, utvekslere)

Transport via bærerproteiner3

• Selektiv• Sjelden/aldri åpen i begge ender• Kan frakte stoffer NED (passiv) eller MOT

konsentrasjonsgradient (aktiv)• Transport kan mettes• Transportproteinet forandrer form• Aktiv (bruker ATP som energikilde)• Passiv (drives av elektrokjemisk potensial)

Transport via bærerproteiner3

Na+/K+-ATPasen

Pumpe, utveksler, aktiv

Hvorfor er Na+/K+-ATPasen så viktig?

• Gjør cytosol fattig på Na+ og rik på K+

• Holder innsiden av cellen negativt ladet i forhold til utsiden (fjerner plussladninger fra cytosol)

• Lettere for Na+ å strømme inn i cellen via andre tranportproteiner (f.eks. Na+/glukose kotransport)

• Og lettere for +-ladninger å strømme inn i cellen

Aktiv og sekundær aktiv transport:

Transport kan bli mettet

Hva skjer her?

Hva betyr funn av glukose i urin?

Kotransportører/utvekslere

- Kotransport: Na+/glukose

kotransportør

- Utveksler:

Na+/K+-ATPasen

- Elektronøytral

(Na+,K+,2Cl- kotransportør, Na+/H+ utveksler) eller elektrogen

GlukoseNa+

utside

innsideNa+

K+

utside

innside

Oppsummering transport så langt:

• Diffusion uten kanal• Diffusjon med kanal/pore• Transport med bærerprotein (med/mot

gradient,aktiv/passiv/kotransportør/utveksler)

Endocytose

Fagocytose

(celledebris,

bakterier,

m.m.)

Pinocytose Reseptormediert

endocytose

(eks. kolesterol-

opptak)

……… mer i uke 9

Eksocytose

Eks: fordøyelsesenzymer fra bukspyttkjertel, slim fra spyttkjertler, nervetransmittor

Men hva er drivkraften???

• I cellen: mest K+ og organiske anioner

• Utenfor cellen: mest Na+, Cl- og Ca2+

• elektronøytralt på begge sider (like mange pluss- som minusladninger)

• K+ lekker stadig ut• + -ladninger forsvinner fra

innsiden• Innside av membran minus i

forhold til utside• Bygger opp spenningsforskjell

over membranen• = membranpotensial Spenningsforskjell = -60 mV

• Hva om membranen bare var permeabel for K+?

Diffusjon til vi har

elektrokjemisk likevekt

= likevektspotensial for K+

• http://lessons.harveyproject.org/development/nervous_system/cell_neuro/memb_potl/K_electrode/Nernst.html

I virkeligheten:

• Er cellen noe permeabel for andre uorganiske ioner (eks. Na+, Ca2+)

• Og siden – mer Na+ og Ca2+ på utsiden enn på innsiden– innsiden negativ i forhold til utsiden

• Så vil Na+ og Ca2+ diffundere inn i cytoplasma• Balanse opprettholdes av transportmekanismer i

cellemembranen

Så drivkraften er:

• Konsentrasjonsforskjeller• Elektriske spenningsforskjeller

• ELEKTROKJEMISK POTENSIAL (ioner)

Elektrokjemisk potensialΔμ(X+)=μi(X+)-μo(X+)=RTln[X+]i + zF(Ei-Eo)

Δμ = elektrokjemisk potensialforskjell R = ideelle gasskonstantT = absolutt temperatur[X+]i = konsentrasjon av X+ på innsiden av cellen[X+]o = konsentrasjon av X+ på utsidenz = ionets ladningF = Faradays konstantEi-Eo = elektrisk potensialforskjell over membranen

[X+]o

Ved elektrokjemisk likevekt:• skjer det ingen netto forflytning av ionet over

cellemembranen• konsentrasjonsforskjellen og den elektriske

potensialforskjellen for ionet er balansert

RTln[X+]i + zF(Ei-Eo) = 0

Ei-Eo = -RT ln[X+]i

zF [X+]o

Nernst-likningen

[X+]o

Walther Nernst (1864-1941)

Et eksempel der vi bruker Nernst-likningen:

Ei - Eo = -60 mV log [K+]i = -60 mV log 100 = -60 mV [K+]o 10z

\Ved likevekt må innsiden være -60 mV i forhold til utsiden. Dette er likevektspotensialet for K+ (i dette eksempelet).

+1

[K+]i=100 mM[K+]o=10 mM

Men hva kan vi bruke Nernst- likningen til?

• Til å forutsi hvilken retning ioner vil gå: inn eller ut av cellen

• Vi sammenlikner målt membranpotensial med det vi får fra Nernst-likningen

Hvert ion…

-vil prøve å nå elektrokjemisk likevekt

-summen av bevegelsene til disse ladete partiklene = membranpotensialet

-de ionene som membranen er mest permeabel for, vil ha størst effekt på membranpotensialet

• http://faculty.washington.edu/chudler/ap.html

Gibbs-Donnan likevekt: skjevfordeling av minusladninger• Negativt ladete partikler i cytoplasma som

ikke kan trenge gjennom cellemembranen• Bla. proteiner• Gjør innsiden av cellen litt mer negativt

ladet enn den ellers ville ha vært• Legger ca. -10 mV til membranpotensialet

Joshia Gibbs

1839-1903Frederick Donnan

1870-1956

Gibbs-Donnan likevekt

Membran gjennom-trengelig for K+, Cl- og vann; ikke Y-

Likevekt er nådd…..

A B

A B

[K+]=0,1 M[Y-]=0,1 M

[K+]=0,1 M[Cl-]=0,1 M

[Y-]=0,1 M[K+]=0,133.. M[Cl-]=0,033.. M

[K+]=[Cl-]=0,0666.. M

Fig. basert på illustrasjon i Berne og Levy, Physiology.

Gibbs-Donnan fortsatt: et osmotisk trykk utvikles….

*pga. skjevfordeling av ioner vil vann strømme til kammer A (osmose)

*hva vil dette si for en celle?

Hvordan motvirker cellene akutte volumforandringer?

Tid

Vol

um

celle

Begrep omkring osmotisk trykk:(vi sammenlikner to løsninger)

• iso-osmotisk: osmotisk trykk likt

• hypo-osmotisk: osmotisk trykk mindre

• hyper-osmotisk: osmotisk trykk større

Hva motvirker akutte forandringer i cellevolum?

3Na+

3Na+

3Na+

2K+

K+

Cl-

K+

Cl-

K+

Cl-

K+ 2Cl-Na+

aminosyrer

amino-syrer

svellet celleskrumpet celle

Kronisk cellevolumregulering

• Na/K ATPasen viktig (hemming med ouabain = cellesvelling)

• Akkumulering av nøytrale aminosyrer

• Oppregulering/nedregulering av vannkanaler

Følger av defekt volumregulering:

• nedsatt cellefunksjon

(eks. i nyrer og tarmtraktus der det foregår en stor transport av ioner og molekyler gjennom cellene)

• ødemdannelse (følger i hjerne?)• celleruptur