VDU 2005 11 14

MEDŽIAGŲ PERNEŠIMAS PRO BIOLOGINES

MEMBRANAS

Dr. doc. J. Kadziauskas,VU

VDU 2005 11 14

KAIP PRO TOKIĄ PRAEITI??

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

Pernaša pro membranas

• Fosfolipidinis dvisluoksnis nelaidus hidrofilinėms medžiagoms

• Fosfolipidinis dvisluoksnis praleidžia hidrofobines medžiagas

VDU 2005 11 14

Pernaša per biologines membranas

• Pagal mechanizmą skirstoma:• paprasta difuzija

• palengvinta difuzija

• Pagal energetinius kriterijus skirstoma:

• pasyvi pernaša

• aktyvi pernaša

VDU 2005 11 14

Pasyvi difuzija

• Nereikalingi specialūs baltymai

• Medžiagos ištirpsta fosfolipidiniame dvisluoksnyje ir pasiskirsto abiejose membranos pusėse

VDU 2005 11 14

Palengvinta difuzija

• Dalyvauja specialūs baltymai

• Yra slopikliai, kurie lėtina pernešimą

VDU 2005 11 14

Palengvintos difuzijos metu medžiagos yra pernešamos

• 1. Pro kanalus

VDU 2005 11 14

Palengvintos difuzijos metu medžiagos yra pernešamos

• 2. Nešiklių pagalba

VDU 2005 11 14

Aktyvi pernaša

• Medžiagos juda prieš jų koncentracijos gradientą

• Pernešimui panaudojama energija

• Pernešime dalyvauja specialūs baltymai

• Energijos panaudojimo ir pernašos sistemos yra susijusios

VDU 2005 11 14

Pirminės aktyvios pernašos metu panaudojami šie energijos

šaltiniai

• 1. ATP

• 2. Saulės šviesos energija

• 3. Oksidacijos redukcijos reakcijos metu išsiskyrusi energija

VDU 2005 11 14

Antrinė aktyvi pernaša

VDU 2005 11 14

Valinomicinas

Nešikliai

VDU 2005 11 14

GRAMICIDINAS A

Jonų kanalai

VDU 2005 11 14

Maltoporinas

VDU 2005 11 14

Jonų kanalai

• 1890m. Ostwald – elektriniai reiškiniai ant ląstelių membranų susiję su jonų pernešimų per membranas

• 1925m. Michaelis pasiūlė siaurų jonų kanalų buvimą

• ~1950m. Hodgkin ir Huxley tyrė jonų pernašą kalmaro gigantiškuose aksonuose, pasiūlė potencialo valdomų Na+ ir K + kanalų buvimą

VDU 2005 11 14

Jonų kanalai

• Nervinio impulso perdavime

• Raumenų susitraukime

• Ląstelių susiliejimo procesuose

• Ląstelės osmotiškumo palaikyme

VDU 2005 11 14

Roderic MacKinnon g. 1956m Berlingtone JAV

• Hovardo Hughes Medicinos Institutas

• Molekulinės Neurobiologijos ir Biofizikos laboratorija

• Rokfelerio Universitetas, Niujorkas, JAV

2003m. Nobelio premija chemijos srityje

“jonų kanalų struktūros ir mechanizmų tyrimai”

VDU 2005 11 14

Kalio jonų Vandens

kanalas kanalas

VDU 2005 11 14

Kalio jonų kanalai

• 1998m. MacKinnon nustatė erdvinę KcsA K+ kanalo išskirto iš Streptomyces lividans struktūrą– Keturi subvienetai– Polipeptidinė grandinė 2 TM– Reguliuojamas pH

VDU 2005 11 14

Selektyvumo filtras

Neigiamai įkrautos aminorūgštys

Hidrofobinis kanalas

VDU 2005 11 14

Selektyvumo

filtras

VDU 2005 11 14

Selektyvumo filtras

• Katalizuoja– Dehidrataciją– Pernešimą– Hidrataciją

Laikas 10ns

VDU 2005 11 14

Potencialo valdomi kanalai“gyvieji tranzistoriai”

• Kanalas KvAP iš termofilinių bakterijų Aeropyrum pernix

• Polipeptidinė grandinė 6TM segmentai

• Įtampos sensorius S4

• Selektyvumo filtras

• Kanalas sudarytas iš 4 subvienetų

VDU 2005 11 14 Įtampos jutiklis

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

Shaker šeimos K kanalas Kv1.2

• Žinduolių kanalo struktūra nustatyta 2005

• Skiriamoji geba 2,9 A

• Smegenų K kanalas ekspresuotas mielėse

VDU 2005 11 14

Kv1.2 kanalas /Shaker/

Nature,309,5August, 2005 NADP

T1 Domenas

Subvienetai

VDU 2005 11 14

Atidarytas Uždarytas

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

Vandens kanalai• Vandens kanalų buvimas postuluotas 19a. viduryje

(Brucke, Ostwald, Pfeffer)• 1988m. P.Agre iš eritrocitų membranų ir inkstų

kanalėlių išskyrė nežinomos funkcijos baltymą CHIP28

• Genetinė ir baltyminė analizė parodė, kad tai gali būti ieškomas vandens kanalas akvaporinas AQP

• 1992m. Baltymą ekspresavo Xenopus oocituose• 1992m. Baltymą įjungė į liposomas, inhibavo Hg2+

• 2000-2001 nustatyta 3D struktūra

VDU 2005 11 14

Peter Agre

g. 1949m Minesota JAV

• Johns Hopkins Universitetas,

• Medicinos mokykla

• Baltimorė JAV2005.11.10

2003m. Nobelio premija chemijos srityje

“vandens kanalų atradimą’’

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

Vandens kanalai

• Žmogaus organizme minimum 11 AQP

• Augaluose apie 35 AQP

• Funkcijos– Inkstuose vandens reabsorbcijai– Eritrocituose– Augalų šaknyse

VDU 2005 11 14

Nature,387,624,1997,

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

Hg

His

Gly

Nature,407, October 2000

Vandens poros struktūra

VDU 2005 11 14

Ile60(II)Phe24(I)

Leu149(IV)

Val176(V)

Asn76 Asn192Nature,407, October 2000

VDU 2005 11 14 Spiralė HB

Spiralė HE

AsnNature,407, October 2000

VDU 2005 11 14 Nature,407, October 2000

VDU 2005 11 14

Aktyvi pernaša

• ATPazės– Pompos– Siurbliai

VDU 2005 11 14

Jonus pernešančios ATPazės

VDU 2005 11 14

P tipo ATPazės

• Na+/K + ATPazė

• Ca2 + ATPazė

• H +/K + ATPazė

VDU 2005 11 14

P tipo ATPazės

• Pernešimo metu fosforilinama Asp aminorūgštis

• Fermentas turi du būvius E1 ir E2• Būviai turi skirtingą giminingumą jonams• ATP hidrolizės energija naudojama

fermento konfomacijai pakeisti• Baltymas joną paima vienoje membranos

pusėje, o atiduoda kitoje

VDU 2005 11 14

Na+,K+ ATPazė

VDU 2005 11 14

E1-3Na+ E1-ATP-3Na+ E1~P-3Na+

E2-2K+ E2-P-2K+ E2-P

ATP ADP

Mg2+ Mg2+

Pn H2O 2K+ (išor.)

3Na+ (išor.)

3Na+(vid.)2K+ (vid.)

1 2

6 3

5 4

CITOZOLIS

IŠORĖ

VDU 2005 11 14

VDU 2005 11 14

ProjektasInovatyvūs mokymo(si) metodai ir naujausios technologijos

gamtos  mokslų bakalaurų rengimui

Projektą finansuoja

Europos Socialinis Fondas

Projekto vykdytojaiVytauto Didžiojo Universitetas

Lietuvos Miškų Institutas