TRANSPORT JONA I

ORGANSKIH JEDINJENJA

KROZ MEMBRANE

Transportni mehanizmi na

membranama

Prema potrebi za energijom i specifičnim učesnicima u

transportu postoji 5 načina transporta kroz biološke

membrane:

• Spontani ili pasivan transport

• Aktivan transport

• Endocitoza ili transport pomoću membranskih vezikula

• Transport putem razmene preko translokatora

• Transport jona povezan sa aktivnošću redoks sistema

Opšti pojmovi o pasivnom i

aktivnom transportu

• Kretanje materija izazvano razlikama u

koncentraciji na dvema stranama membrane, bez

ulaganja energije, se označava kao pasivan

transport

• Elektroliti i mnoga organska jedinjenja ulaze u

ćeliju nezavisno od razlika u koncentraciji

• Transport često ide nasuprot gradijentu

koncentracije

• Za to je potrebna energija

• Energija potiče od metaboličkih procesa u ćeliji, a

takav transport se zove aktivan transport

Pasivni transport kroz membrane obuhvata:

difuziju

olakšanu difuziju

Aktivni transport kroz membrane obuhvata:

primarni aktivni transport (jonske pumpe)

sekundarni aktivni transport

(kotransporteri i jonski kanali)

transport ABC transporterima

Endocitoza/Egzocitoza

• Poseban transport supstanci kroz membranu koji ne može da se svrsta ni u pasivni ni u aktivni transport – ne zavisi od koncentracionog gradijenta, ali zahteva aktivnost membranskog sistema ćelije

• Fagocitoza i pinocitoza

• Egzocitozom se obavljaju: izgradnja ćelijskog zida, reparacija i rastenje ćelijske membrane, sekrecija nektara itd.

• Verovatno neki virusi ulaze u ćeliju na ovaj način (endocitozom)

• Obložene vezikule i uloga klatrina

• Koncentracija pojedinih jona u ćeliji je gotovo uvek veća ili manja od one u okolnoj sredini

• Ćelijska membrana deluje kao vrlo efikasna lipofilna barijera kroz koju joni ne mogu slobodno da difunduju

• Transport jona kroz membrane direktno zavisi od intenziteta metaboličkih procesa u ćeliji, koji proizvode energiju

Na+

K+

Mg2+

Ca2+

Cl-

Chara ceratophylla ćelijski sok spoljašnji rastvor

84 0.21

77 0.04

20 6.5

13 3.3

176 0.13

Valonia ventricosa ćelijski sok morska voda

43 498

591 12

- -

- -

629 580

• Nemetabolička akumulacija jona

• Metabolička akumulacija jona

NEMETABOLIČKA AKUMULACIJA

JONA

• Supstanca koja uđe u ćeliju difuzijom može u citoplazmi da se promeni fizički ili hemijski pa u novom obliku više ne može da izađe napolje.

• Vitalna boja neutralno crveno pri pH 8 lako ulazi u biljne ćelije, jer je nedisosovana. U ćeliji je pH niže, pa boja disosuje, a membrana je nepropustljiva za jone koji nastaju. Na taj način se nakupi i oko 30 puta više boje unutar ćelije.

• Jon ili supstanca pretrpe neku hemijsku promenu, npr. ugrade se u neko drugo jedinjenje – primer: vezivanje joda za skrob.

• Specijalni oblik nemetaboličke akumulacije jona - Donanov potencijal, Donanova faza, Donanov prostor, Donanova ravnoteža.

METABOLIČKA AKUMULACIJA

JONA

• Koncentrisanje jona u ćelijama je rad koji zahteva ulaganje enerije, a izvori energije u biljnoj ćeliji mogu biti dva metabolička procesa: fotosinteza i disanje.

• Veza između njih i primanja jona je odavno uočena.

• Hoagland – primljena količina broma srazmerna je intenzitetu svetlosti, tj. intenzitetu fotosinteze kod alge Nitella.

• U diskovima krtole krompira količina apsorbovanog broma proporcionalna je količini usvojenog kiseonika, tj. intenzitetu disanja.

SONO DISANJE KORENOVA PŠENICE

Vreme (sati)

ELEKTROHEMIJSKI POTENCIJAL

JONA

• Biološke membrane imaju vrlo nisku

električnu provodljivost i slabu

permeabilnost za jone.

• To su efikasne barijere kroz koje

elektroliti ne mogu da prođu putem difuzije.

• Transport elektrolita kroz membranu zavisi od

sume hemijskog i električnog potencijala, što se

naziva elektrohemijski potencijal.

• Uspostavljanje ravnoteže ne mora da znači i

izjednačenje koncentracije.

• Do elektrohemijske ravnoteže dolazi kada je

ukupan broj anjona i katjona, tj. nosilaca

negativnih i pozitivnih naboja na dvema stranama

membrane, izjednačen, bez obzira na vrstu jona.

• Može se desiti da je koncentracija (hemijski

potencijal) nekog katjona u ćeliji veća nego van

nje, a to stanje se održava zato što ćelija sadrži

višak negativno naelektrisanih čestica (anjona)

• Povećana koncentracija jednog jona

u ćeliji nije sama po sebi dokaz da je

taj jon transportovan aktivnim putem

• Da li je jon ušao aktivnim putem ili ne,

odnosno da li je pri ustanovljenoj

razlici u koncentraciji jona ćelija u

elektrohemijskoj ravnoteži ili ne, može se pouzdano utvrditi primenom

Nernstove jednačine

Promena slobodne energije sistema, ΔG

Određuje je zbir hemijske i električne komponenta:

ΔG = zF ΔE + 2,3RT log (C2/C1)

• ΔE je membranski potencijal=rad koji mora da se obavi kako bi se naelektrisana čestica transportovala sa jedne strane membrane na drugu.

• ΔG ima negativan predznak onda kada se transport jona kroz membranu dešava niz gradijent konentracije i niz gradijent odgovarajućeg naelektrisanja; to znači da se entropija sistema povećava i da se transport obavlja spontano, bez utroška energije – pasivan transport jona.

• ΔG ima pozitivan predznak onda kada se transport jona kroz membranu dešava uz gradijent konentracije i uz gradijent odgovarajućeg naelektrisanja; to znači da se entropija sistema smanjuje i da transport mora biti vezan za neki izvor energije, tj. uz utrošak energije – aktivan transport jona.

NERNSTOVA JEDNAČINA

RT C2

EN = ----- . ln ----

zF C1

EN = E1 - E2 = Nernstov potencijal, tj. razlika između električnog potencijala u ćeliji

(E1) i u spoljašnjem rastvoru (E2)

R = gasna konstanta (8,314 J mol-1K-1)

T = apsolutna temperatura (u stepenima Kelvina, K)

z = valenca jona (nosi pozitivan ili negativan predznak, u zavisnosti od toga da li je reč

o katjonu ili anjonu)

F = Faradejeva konstanta (96490 kulona)

C1 = koncentracija jona u ćeliji

C2 = koncentracija jona van ćelije

Kada se uvede dekadni

logaritam:

2,3 RT C2

EN = ----------- . log 10 -----

zF C1

Merenje membranskog potencijala

(Δ EM)

Upoređivanje izračunate vrednosti ΔEN i

izmerene vrednosti ΔEM za jedan, određeni jon

daje odgovor na pitanje da li je sistem u

elektrohemijskoj ravnoteži i da li je do

prethodno konstatovane razlike u

koncentraciji tog jona u ćeliji i van ćelije došlo

pasivnim ili aktivnim transportom.

Ako su ΔEN i ΔEM približno iste vrednosti, to

znači da je sistem u elektrohemijskoj

ravnoteži, a do razlike u koncentraciji jona

došlo je pasivnim putem. Ako nisu, zaključak

je da sistem nije u elektrohemijskoj ravnoteži,

a do razlike u koncentracijama jona došlo je

aktivnim transportom.

Razmena jedinjenja za koja je

membrana nepropustljiva obavlja

se aktivnim transportom, pomoću

posebnih transportnih sistema koji

generišu i održavaju velike i

specifične razlike u koncentraciji

tih jedinjenja na dvema stranama

membrane

MEMBRANSKI PROTEINI - UČESNICI U

AKTIVNOM TRANSPORTU

Podela transportnih proteina koja se zasniva

na vrsti energije koju koriste za rad

• Jonske pumpe – neutralne i elektrogene

• Kotransporteri ili prenosioci (u ovu grupu

spadaju i transporteri koji obavljaju

olakšanu difuziju, koja spada u pasivni

transport!)

• Jonski kanali

• ABC transporteri

Kod biljaka

Uniport obavljaju:

• jonske pumpe

• učesnici u olakšanoj

difuziji

• jonski kanali

Simport i antiport

obavljaju kotransporteri.

Primarni i sekundarni aktivni

transport

Jonske pumpe su enzimi adenozin-trifosfataze (ATPaze), koje hidrolizuju ATP i pomoću oslobođene energije prenose jone uvek u određenom smeru, nezavisno od njihove koncentracije (ali veoma često uz gradijent koncentracije).

U biljnim ćelijama primarni učesnici aktivnog transporta su protonske ATPaze

Prenose protone iz citoplazme u ćelijski zid i u vakuolu i generišu elektrohemijski gradijent protona.

Energija koja proizilazi iz ovog gradijenta naziva se protonska motorna sila, a sam proces je primarni aktivni transport.

Protonska motorna sila ima dve komponente:

hemijsku = razlika u hemijskom potencijalu, tj. koncentraciji protona –

rezultira razlikom u pH vrednosti između citoplazme (pH 7,2) i ćelijskog zida,

odnosno ćelijskog soka (pH oko 5); ćelijski zid i ćelijski sok su uvek kiseliji od

citoplazme.

električnu = razlika u električnom potencijalu sa strana membrane – ogleda

se u tome što je citoplazma uvek negativno naelektrisana u odnosu na

vakuolu i ćelijski zid ; ΔEplazmaleme = - 120mV, ΔEtonoplasta = - 90mV.

Mitchel-ova hemiosmotska hipoteza

U generisanju protonske motorne sile kod biljaka, osim protonskih pumpi

učestvuju i pirofosfataze, koje se nalaze na tonoplastu!

Transport kroz jonske kanale i kotransportere koristi energiju stvorenu

prethodnim aktivnim transportom protona, pa se zato naziva sekundarni

aktivni transport

Električna komponenta protonske motorne sile omogućava transport kroz

jonske kanale (uvek niz elektrohemijski gradijent jona), a hemijska

komponenta protonske motorne sile omogućava vraćanje protona niz

hemijski gradijent kroz kotransportere koji simultano transportuju jone ili

organska jedinjenja obično uz elektrohemijski gradijent.

Veza između primarnog i sekundarnog

aktivnog transporta

JONSKE PUMPE - ADENOZIN

TRIFOSFATAZE

Kod biljaka postoje H+- i Ca2+-ATPaze.

Postoje tri tipa protonskih ATPaza, koje se razlikuju po strukturi i mestu na kome se nalaze:

(1) P-tip ATPaze - na ćelijskoj membrani biljaka i gljiva (sinonimi: E-P i E1E2 ATPaza); njihova

je funkcija da transportuju protone iz citoplazme u apoplast

(2) V-tip ATPaze - na tonoplastu (sinonim: tpATPaza) transportuju protone iz

citoplazme u vakuolu. V-tip se nalazi takođe na lizozomima i vezikulama sa

omotačem

(3) F-tip ATPaze - na unutrašnjim membranama hloroplasta i mitohondrija i na membrani bakterija (označene i kao F0F1 ATPaze,

reverzne ATPaze ili ATP sintaze); one transportuju protone, ali za razliku od drugih ATPaza ne obavljaju hidrolizu, nego sintezu

ATP

Protonske ATPaze P-tipa

Ca2+-ATPaza je ATPaza P-tipa

Održavanje gradijenta koncentracije Ca2+ u

ćeliji neophodno je za signalnu funkciju Ca-

jona.

Protonske ATPaze V-tipa

Protonske ATPaze F-tipa

Pirofosfataze

Nisu ATPaze, ali jesu protonske pumpe.

Nalaze se na tonoplastu, transportuju

protone iz citoplazme u vakuolu i doprinose

generisanju protonske motorne sile na

tonoplastu.

H+-ATPaze su od ključnog značaja

za fiziološke procese kod biljaka

• Regulacija kiselosti (pH) citoplazme

• Primanje jona i organskih jedinjenja u ćelije

• Promena turgora prilikom otvaranju stoma

• Promene turgora u pulvinusima – nastije

• Transport soli u ksilem korena

• Punjenje floema saharozom u listovima

• Rastenje ćelija pod uticajem fitohormona

• Regulacija ćelijskog ciklusa

• Razvoj polarnosti u ćelijama koje rastu vrhom (korenske dlake, polenova zrna, hife gljiva, rizoidi algi, korenovi, somatski embrioni)

Značaj transportera u tonoplastu

za fiziološke procese kod biljaka:

• Akumulacija osmotski aktivnih supstanci u ćelijskom

soku i uloga u osmoregulaciji

• Održavanje turgora u ćelijama prilikom otvaranja

stoma i rastenja

• Nakupljanje i otpuštanje neorganskih (malati kod

CAM biljaka) i organskih (šećeri kod šećerne repe i

šećerne trske) materija u vakuolama

• Regulacija citoplazmatičnog kalcijuma i pH

• Akumulacija rezervnih proteina u semenima

• Akumulacija zaštitnih proteina

Prenosioci (kotransporteri)

organskih jedinjenja i jona

Prenosioci, ili kotransporteri, su membranski proteini čiji receptorni segment može da bude

izložen jednoj ili drugoj strani membrane, u zavisnosti od promene konformacije molekula.

Učestvuju u sekundarnom aktivnom transportu ili olakšanoj difuziji.

NE koriste direktno energiju hidrolize ATP-a, već hemijsku komponentu protonske motorne sile.

Mogu transportovati jone ili organske molekule, uniportom, simportom ili antiportom.

RAZLIKUJU SE DVE VRSTE PRENOSILACA:

• jedni učestvuju u katalizovanoj

difuziji

•drugi u sekundarnom aktivnom

transportu

OLAKŠANA (KATALIZOVANA) DIFUZIJA

JONA

Katalizovana difuzija organskih

molekula

• Javlja se u posebnim slučajevima,

kao što je transport glukoze iz

citoplazme u vakuolu, kada je njena

koncentracija u citoplazmi visoka.

• Moguće je da iz floemskih

elemenata, koji sadrže veliku

koncentraciju saharoze, ova

supstanca izlazi u okolne ćelija stabla

putem katalizovane difuzije.

Transport prenosiocima, koji

obavljaju katalizovanu difuziju, je

uniport

Katalizovana difuzija je pasivan

proces

Sekundarni aktivni transport pomoću kotransportera. Gradijent protona ostvaruju P-ATPaza na plazmalemi, V-ATPaza i pirofosfataza na tonoplastu. Kotransporteri na plazmalemi obavljaju simport protona sa saharozom, aminokiselinama, i glukozom, kao i nitratom, sulfatom ili fosfatom iz apoplasta u citoplazmu. Kotransporteri na tonoplastu obavljaju antiport protona iz vakuole i glukoze, saharoze i amino kiselina u vakuolu. Obe membrane sadrže i prenosioce za katalizovanu difuziju

AKTIVAN TRANSPORT POMOĆU

KOTRANSPORTERA

JONSKI KANALI

Jonski kanali prenose SAMO jone, u jednom,

uvek istom smeru (uniport), UVEK niz gradijent

koncentracije jona.

Učestvuju u sekundarnom aktivnom transportu

i NE koriste direktno energiju hidrolize ATP-a,

već električnu komponentu protonske motorne

sile.

Smatra se da postoji više od 20 različitih jonskih

kanala (Tester, 1990), koji se klasifikuju prema

vrsti jona za koji su prvenstveno permeabilni.

Kod biljaka su najbolje proučeni jonski kanali

za K+, Cl- i Ca2+.

Prema faktorima koji utiču na promene konformacije jonskih kanala i tako dovode do njihovog otvaranja ili zatvaranja, jonski kanali kod biljaka se dele na:

• Voltažne kanale (napr. K+ kanali)

• Kanale čije je otvaranje pod kontrolom receptora, odnosno vezivanja agonista (regulatori rastenja, svetlost, fosfati, Ca2+ itd.) za receptor. Primer ovakvih kanala su jonski kanali za Ca2+.

Shematski prikaz kalijumovog voltažnog

kanala (zavisnog od napona)

ABC transporteri

REGULACIJA KONCENTRACIJE

PROTONA (pH) u ćeliji • pH citoplazme ima stabilne vrednosti oko pH 7.

• Na sniženje pH citoplazme utiču NH4

+ joni i povišene koncentracije NO2, CO2 i SO2, dok na povišenje utiču joni NO3

-.

• Promene pH citoplazme imaju efekta na enzimske procese

• pH-stat sistem = mehanizam koji neutrališe promene pH citoplazme. Obuhvata dva mehanizma:

Biofizički pH-stat - zasniva se na aktiviranju protonskih P-ATPaza čiji je optimum dejstva na pH 6,6. Podešava gruba odstupanja od neutralnog pH citoplazme.

Biohemijski pH-stat – zasniva se na ravnoteži između sinteze (iz PEP, karboksilacijom; PEP-karboksilaza čiji je optimum aktivnosti do pH 8,0) i razgradnje (dekarboksilacijom; malat NADP-dekarboksilaza čiji je optimum aktivnosti na nižim vrednostima pH) jabučne kiseline. Podešava mala odstupanja pH vrednosti, fino i precizno reguliše pH citoplazme.