MEMBANLARDA MOLEKLLERN HAREKET PASF TRANSPORT Prof Dr Hafize

MEMBANLARDA MOLEKÜLLERİN HAREKETİ: PASİF TRANSPORT Prof. Dr. Hafize UZUN

TRANSPORT n n n Ø Biyosentez ve enerji üretimi için glukoz, yağ asitleri ve amino asitler gibi besin maddelerinin hücre içine taşınması, atık maddelerin hücre dışına atılması ve iyon konsantrasyonlarının belirli sınırlar içinde tutularak hücre hacminin korunması plazma membranının temel fonksiyonlarından biri olan transport ile gerçekleştirilmektedir.

Transport v Ø n Biyolojik membranların lipid yapısı, çok sayıda maddenin membranın bir tarafından diğer tarafına geçişini engelleyerek hücrenin iç ortamını denetlemek üzere hidrofobik bariyer oluşturur. Membranların seçici-yarı geçirgenlik özelliği bu lipid yapıya bağlıdır Maddelerin membrandan geçebilmeleri için lipid matriksde çözünebilmeleri gerekir ve n plazma membranı lipofilik maddeler dışında birçok maddeye geçirgen değildir.

n n Membran lipid çift tabakasının hidrofobik merkezi suda çözünür moleküllerin çoğuna geçirgen değildir. İnorganik iyonlar ve yüklü organik moleküller, Ø su molekülleri ile olan etkileşimleri ve Ø membranın hidrofobik merkezi tarafından kısıtlanma sonucu membrandan istenilen hızda difüzyona uğramazlar

Transport n n v n Besin maddeleri ve inorganik iyonların difüzyon hızı sıfır olmamakla birlikte hücrelerin ihtiyacını karşılamayacak kadar yavaştır. Bu nedenle su, iyonlar, metabolik yakıt maddeleri ve atık maddelerinin membrandan hücre içine ve dışına taşınması, iyon dengesinin sürdürülmesi ve metabolizmanın kontrolü için, v hücrelerin plazma ve organel membranlarında spesifik transport sistemleri bulunmaktadır. Taşıma işlemi, transport sistemlerinin çoğunda bulunan membranda yer alan spesifik taşıyıcı proteinler, kanal veya pompa proteinleri tarafından gerçekleştirilmektedir.

n n Membranlar, amfipatik özellikte olan lipid çift tabakası içine yerleşebilen amfipatik özellikteki proteinleri içermektedir. Proteinler spesifik olarak iyon ve küçük moleküllerin taşınması için kanallar oluşturur ve membran lipid çift tabakasını aşması olanaksız daha büyük moleküller için de taşıyıcılar olarak görev yapar. Bu yolla lipidde çözünemeyen moleküllerin membran lipid çift tabakasından geçişi ve membranın iki tarafındaki iyon konsantrasyon farklılıkları sürdürülmektedir.

Transport-1 n Pasif transport n n Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Konsantrasyon gradyanı yönünde Elektrokimyasal gradyan yönünde n Aktif transport Elektrokimyasal gradyana karşı

Transport-2 n n Küçük moleküllerin geçişi Basit difüzyon Kolaylaştırılmış difüzyon Aktif transport Büyük moleküllerin geçişi Endositoz, eksositoz

Transport-3 Aracısız transport § Basit difüzyon Aracılı transport § Kolaylaştırılmış difüzyon transport proteinler , kanallar: voltaj, agonist , c. AMP bağımlı § Aktif transport primer aktif transport: pompalar sekonder aktif transport: pompalar ve transport p. § Grup translokasyonu

Molekül ve bilginin membranlar üzerinden taşınması: n 1. Küçük moleküllerin taşınması n n n 2. Büyük moleküllerin taşınması n n Pasif transport (basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon) Aktif transport Endositoz, reseptör aracılı endositoz Ekzositoz 3. Sinyal iletimi (hücre yüzey reseptörleri aracılığıyla) 4. Hücreler arası temas ve iletişim

n n Maddenin membranın her iki tarafındaki konsantrasyonları arasındaki farka konsantrasyon gradiyenti (kimyasal gradiyent) denilmektedir. Çözünmüş madde moleküllerinin konsantrasyon gradiyenti yönünde kendi kinetik enerjileri ile yayılmalarına basit difüzyon denir

n n n Zıt yüklü iyonlar geçirgen bir membranla ayrıldığında, transmembran elektriksel gradiyent yani membran potansiyeli (Vm ) meydana gelir. Böylece iyonlar ve elektriksel olarak yüklü katı moleküllerin kendiliğinden bir membrandan net hareketinin yönü, hem membranın iki tarafı arasındaki konsantrasyon farkına (kimyasal gradiyent) ve hem de elektriksel farka( Vm ) bağlıdır. Bu iki faktör birlikte elektrokimyasal gradiyent veya elektrokimyasal potansiyel olarak bilinmektedir; iyonların net haraketi elektrokimyasal potansiyel sıfıra ulaşana kadar devam eder. Hücrenin içi genellikle negatif yüklüdür.

Yarı geçirgen (semipermeable) membrandan basit difüzyon n n O 2, N 2, CH 4 : nonpolar Üre , etanol , küçük organik asidler: polar ama yüksüz Su: polar ama yüksüz ve 55 M : Osmos ! Hızlı su geçişi için akuaporinler ! İyonlar membranlardaki porlardan geçebilir, katyonlar – yükle, anyonlar + yükle çevrelenmiş porlardan Monovalent > divalent > trivalent p. H elektrolitlerin iyonizasyon derecelerini etkiler! İyonların hidratasyon küreleri Li+, Na+, K+ iyonlarının difüzyon hızları: K+ > Na+ > Li+

Plasma membranının geçirgenliği

Basit difüzyonun kinetiği Fick Denklemi: n n n d. S/dt = S’in difüzyon hızı D = S’in difüzyon katsayısı ; molekül büyüklüğü ve elektriksel yük A = difüzyon alanı C 1 , C 2 = S’in 1. ve 2. ortamlardaki kons. ları x = difüzyon mesafesi D/x= permeabilite katsayısı

n n n Özetle, moleküllerin membrandan net difüzyonu belirli faktörlere bağlıdır: 1) konsantrasyon gradiyenti. 2) elektriksel gradiyent (elektriksel potansiyel farkı) 3) permeabilite (geçirgenlik) katsayısı 4) hidrostatik basınç 5) sıcaklık Hidrostatik basınç ve sıcaklık artışı moleküllerin hareketini ve böylece moleküller ile membran arasındaki çarpışmayı artırır, dolayısı ile difüzyon hızını artırır

Kolaylaştırılmış Difüzyon (pasif aracılı transport) n Ø Ø n Spesifik olarak çözünmüş bazı moleküllerin(solütlerin); elektrik yük taşıyan moleküller için elektrokimyasal gradiyentleri yönünde veya yüksüz moleküller için konsantrasyon gradiyentleri yönünde membran lipid çift tabakasından difüzyonu bu moleküllerin büyüklük, yük veya çözünürlük katsayılarına göre beklenenden daha hızlı gerçekleşmektedir

n n n Membran lipid çift tabakasını kendi başına serbest olarak aşamayan moleküllerin difüzyonu, taşıyıcı proteinlerle ve kanallar aracılığı ile kolaylaştırılmakta ve hızlandırılmaktadır. Ø Kolaylaştırılmış difüzyon basit difüzyondan farklı özelliklere sahiptir. Kolaylaştırılmış difüzyon n spesifik taşıyıcı proteinler ve kanallar aracılığıyla n konsantrasyon veya elektrokimyasal gradiyent yönünde n metabolik enerji harcanmadan gerçekleşmektedir Taşınan moleküllerin taşıyıcı proteinlere bağlanmış olmasına karşın , kullanılan mekanizma pasif difüzyondur ve metabolik enerji gerektirmemektedir.

n n Kolaylaştırılmış difüzyon (pasif aracılı transport) ve aktif transport sistemlerinde yer alan, çeşitli moleküller için yüksek derecede spesifiklik gösteren membran proteinleri veya protein kompleksleri, kullandıkları mekanizmaya göre n n taşıyıcı (transporter), translokaz / translokatör (yer değiştirici), permeaz (membran permeabilitesini artırıcı) ve pompa gibi çeşitli isimlerle tanımlanmaktadır

Kolaylaştırılmış difüzyon n n Doygunluk kinetiği (Vmaks , Kt) Özgünlük İnhibisyon (yarışmalı) Konsantrasyon gradyanı yönünde Enerji harcamı yok !

Glukoz taşıyıcı proteinler kol. dif. , uniport Glu. T 1 kolon, plasenta, eritrosit, kas***, kalp, kanbeyin bariyeri, glia hücreleri n Glu. T 2 karaciğer, pankreas ß hücresi, ince barsak, böbrek n Glu. T 3 beyin, böbrek, plasenta n Glu. T 4 kalp, iskelet kası***, yağ dokusu* blastosit n Glu. T 5 ince barsak, kas, spermatozoa *insülin *hipoksi *egzersiz SGLT 1 ince barsak ve böbrek (Sodyum bağımlı glukoz transport protein: sekonder aktif transport) n

Glu. T 1 : Eritrositin transport proteini n n n Basit difüzyondan 50. 000 kat daha hızlı! D-Glukoz Kt=1. 5 m. M Glisemi 4 -5 m. M Vmaks! L-Glukoz Kt>3000 m. M D-Mannoz Kt=20 m. M D-Galaktoz Kt=30 m. M

İyon kanalları n n n n n Transmembran oligomerik proteinler Çoğunlukla bir iyon için selektif Difüzyon hızına yakın hız: 106 -107/s, doygunluk yok! Düzenlenebilir aktivite ! Voltaj (Na+ iyon k. ) ve ligand (asetil kolin res. ) kapılı Yüksek derecede korunmuş yapı Hücrelerin çoğunda Na+, K+, Ca 2+, Cl- iyon kanalları Kodlayan genlerde mutasyon hastalık ! Aktivitelerini bazı ilaçlar etkiler !

Membran potansiyeli n n n n Hücrelerin plazma membranlarında elektriksel potansiyel (E) var ! (iç: negatif) Hücrelerin transmembran elektriksel potansiyelleri: -20 m. V ile -100 m. V Sinir hücrelerinde: E~ -60 -70 m. V Sinir h. membranının Na+, K+ permeabilitelerinde geçici ve kontrollü değişiklik ! Uyarılma ile Na+ hücre içi: depolarizasyon Na+ iyon kanalları açılır, E , +30 m. V da Na+ iyon geçişi durur. Aksiyon potansiyeli komşu membranı etkiler ! Na+ iyon kanalları kapanır, K+ iyon kanalları açılır. K+ hücre dışı -75 m. V da K+ iyon çıkışı durur: hiperpolarizasyon Yavaş olarak membran potansiyeli -60 -70 m. V’a (denge potansiyeli) erişir. Myelin kılıfı siniri 50 -100 kez sarar. Aksiyon potansiyeli çok hızlı ilerler. Tüm siklus 2 -3 ms ! Na+K+ATPaz pompası transmembran elektriksel potansiyelin korunmasını sağlar! Nörotoksinler Na+ iyon kanallarını etkiler !

Antibiyotikler ve permeabilite n n n Bakteri membranının iyon ve küçük mol. lere permeabilitesini arttırırlar. Bakterisid etki ! Peptid antibiyotikler mobil iyon taşıyıcısı: valinomisin transmembran kanal: gramisidin Polien antibiyotikler Sterol-polien kompleks: amfoterisin B, nistatin

Aktif Transport n n n Doygunluk kinetiği Özgünlük İnhibisyon Konsantrasyon gradyanına karşı Enerji harcamı var !

Aktif transport tipleri n n Primer aktif transport Sekonder aktif transport Na+/glukoz simportu Na+/amino asid simportu Ca 2+/ Na+ antiportu

Aktif transport tipleri

Primer aktif transport : Na+K+ transportu Lehninger (2002)

Sekonder aktif transport : SGLT 1 Na+ bağımlı glukoz emilimi

n n n Glukoz, Na+-bağımlı glukoz taşıyıcısı 2 (SGLT 2) ile renal proksimal tubüllerdeki epitel hücreleri içine reabsorbe edilir. Böbrek tübülüs hücrelerinde de bağırsak epitel hücrelerinde olduğu gibi Na+-glukoz taşıyıcı proteinlerin yanı sıra, Na+-amino asit taşıyıcı proteinleri de bulunmaktadır. Bu taşıyıcılar aracılığıyla Na+ ile birlikte amino asitler simport mekanizmayla hücreler içine taşınmaktadır. Na+ gradiyentinin yürütücü gücü, amino asitlerin hücre içine sekonder aktif taşınarak reabsorbsiyonunu sağlar (Na+/amino asid simportu, sekonder aktif transport).

n n Kalp kası miyozitlerinden Ca 2+’un hücre dışına atılımı ve Na+’un hücre içine girmesi antiport sistemle (Ca 2+/Na+ antiportu) sekonder aktif transportla sağlanmaktadır. Bağırsaklardan CI‾ emilimi, tiroid bezine iyot girişi de sekonder aktif transportla gerçekleşir.

Primer aktif transport mekanizmaları ATP az’lar n n F-ATPaz : H+-ATPaz mitokondri iç membranı, Fo. F 1 ATPaz, ATPsentezi, H+ elektrokimyasal gradyanı oluşturur ve kullanır. enerji kenetleyen faktörler V-ATPaz : H+-ATPaz lizozom, endozom, Golgi ve salgısal vesiküllerin asidlendirilmeleri plazma membranı: kemiğin yeniden şekillenmesi, idrarın asidlendirilmesi vakuolar

n n P-ATPaz Siklik fosforilasyon/defosforilasyon, vanadat inhibisyonu Na+/K+-ATPaz : hücrelerin plazma membranlarında, böbrek ve kalp, istirahat durumundaki enerji harcamının %25 i H+/ K+-ATPaz: mide, parietal hücre Ca 2+ -ATPaz: sarkoplazmik retikulum ve endoplazmik retikulum Ca 2+ -ATPaz: plazma membranı, sarkoplazma Cu 2+ -ATPaz: plazma membranı ve sitoplazmik vesiküller, barsaktan absorbsiyon ve karaciğerden atılım ABC Transport proteinler

ATP azlar: İyon transportu Lehninger (2002)

P-tipi ATPaz : Na+K+ ATPaz

Na+K+ ATPaz pompasının çalışması Lehninger (2002)

Na+K+ ATPaz’ın inhibisyonu n n n Kardiyak glikozidler: Digoksin, ouabain Kronik kalp yetersizliği Na+/ K+-ATPaz intrasellüler Na+/ Ca 2+antiportu Sitoplazmik Ca 2+ Kalp kası kuvvetli kasılır.

Ouabain

Ca 2+ATPaz n n n n Sitozolde [Ca 2+]~100 n. M Pi , PPi ~m. M Ca 3 PO 4’ın çökme tehlikesi ! Letal ! Plazma membranında Ca 2+ pompası ER ve Sarkoplasmik retikulumda Ca 2+ pompaları (SERCA) 2 Ca 2+/ ATP Kalsekestrin

F-tipi ATPaz : ATP sentezi

Elektrokimyasal proton gradyanı Lehninger (2002)

Proton itici kuvvet: ATP sentezi Lehninger (2002)

ABC Transport Proteinler-1 n n n ABC : ATP-binding casette ATP bağlayıcı bölgeleri çok iyi korunmuş proteinler: >30 ; 8 aile substrat spesifisiteleri geniş, iyonlar, ağır metaller, şekerler, ilaçlar, amino asidler, peptidler ve proteinler kanal, transport protein veya reseptör

ABC Transport Proteinler-2 n n n P*-glikoproteinler (*permeabilite), plazma membranı Çok çeşitli hidrofobik ilaç ve doğal lipid analoglarının (fosfatidil kolin) ksenobiyotiklerin hücre dışına transportu Multidrug resistance associated proteins (MRPs): Aşırı sentez tümör hücrelerinin ilaçlara karşı direnci ! Kolesterolün hücre dışına transportu, safra asidlerinin karaciğer kanaliküler membrandan transportu Sulfonilüre reseptörü: ATP’e duyarlı K+kanalı ATP / sulfonilüre bağlanması kanalı kapatır depolarizasyon, Ca 2+ ve insülin salgılanır. Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)

Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) n n ABC transport protein ailesinin bir üyesi Cl- için spesifik bir iyon kanalı: Hava yolları ve mide-barsak sistemi eksokrin bezlerinde epitel h. apikal memb. dan tuz ve sıvı geçişini sağlar 5 alt-birim: 2 transmembran, 2 ATP bağlayıcı, 1 düzenleyici (c. AMP bağımlı) ATP bağlayıcı alt-birimde Phe 508 delesyonu kanal disfonksiyonu Kistik fibroz

CFTR

Grup translokasyonu: Gama glutamil siklusu Beyin ve böbrek , barsak epitel hücreleri n Gama glutamil transpeptidaz (GGT) ve GSH n Amino asidlerin sekonder aktif transportlarına göre daha çok enerji ! 3 ATP/amino asid n Hızlı ve yüksek kapasiteli ! n Prolin dışında diğer amino asidler n

Gama glutamil siklusu

Mitokondriyal transport sistemleri

Mekik mekanizmalar

ATP-sitrat liyaz

Endositoz ve eksositoz

Endositoz Ø Ø n n Endositik vesikül oluşumu Enerji (ATP), Ca 2+(hücre dışı), kontraktil elem. Fagositoz: makrofaj ve granülositler Virus, bakteri, hücre. . . . Pinositoz sıvı faz: seçici değil absorptif: reseptör aracılı (klatrin kaplı çukur)

Reseptör aracılı endositoz

Klatrin

Klatrin

Eksositoz n Genellikle hormonal uyarı sonucunda hücre içinde [Ca 2+] artışı ile tetiklenir. Periferik proteinler Ekstrasellüler matriks komponentleri Hormonlar, nörotransmitterler

Hücrelerarası haberleşme n n Gap junction: komşu iki hücrenin plazma membranlarına transmembran yerleşmiş olan kanallar 12 -20 A 0 konneksin: 12 alt-birim, 6/hücre kanal normal koşullarda açık ! kapanma: Ca 2+, p. H, Vm iyonlar ve metabolitler geçer, proteinler geçemez Nuklear Porlar 90 A 0 , büyük moleküller (RNA)

Gap junction

Reseptörler n n n Sinyal iletimi Transport: reseptör aracılı endositoz Antikor oluşumu: antijenik uyarı ile B-lenfositlerinin plazma hücrelerine dönüşümleri

Reseptörler Hücre yüzeyi reseptörleri Hidrofilik yapılı uyaranlar (Nörotransmitter, hormon ve sitokinler) Sinyal transdüksiyonu § Hücre içi reseptörler Lİpofilik yapılı hormonlar n

Başlıca Sinyal Transdüksiyon Mekanizmaları

Hücre yüzeyi reseptörleri n n n n 7 transmembran (alfa-heliks), G-protein kenetli res. Efektör: adenilat siklaz, fosfolipaz C, iyon kanalları (Na+, K+Ca 2+, Cl-), c. GMP fosfodiesteraz (PDE) (ßadrenerjik agonistler) İyon kanal res. (ligand kapılı) (asetil kolin) Tirozin kinaz akt. res. (intrinsik) (insülin) Tirozin kinaz akt. protein ile ilişkili res. (GH) Guanilat siklaz akt. res. (intrinsik) (ANP) Serin-treonin kinaz akt. res. (intrinsik) (TGF-ß) Tirozin fosfataz akt. res. (intrinsik) (CD 45) Ölüm domeni taşıyan res. (TNF- α)

Hormon reseptörleri n n n n n Protein molekülleri, glikoproteinler: hedef doku Karbohidrat komponenti: özgüllük Ligandı tanıma ve bağlama (non-kovalan ve geri dönüşümlü) L+R LR Ka=1/Kd ~ ilgi Ligand ile tetiklenen konformasyonel değişim (geri dönüşümlü) Kalitatif ve kantitatif özelliklerde gereksinimlere göre değişim ! Reseptörler arası + ve – kooperatif etkileşimler ilgide değişim! regülasyon (internalizasyon/inaktivasyon) ve regülasyon Homolog ve heterolog regülasyon Biyolojik etki : [LR] ve post-reseptör mekanizmalar

Reseptörler: Transport

Reseptör aracılı endositoz n n Reseptör aracılı endositoz HASTALIK Virus Karaciğer hücreleri Hepatit Virus Motor nöronlar Poliomyelit Virus T hücreleri AIDS

Reseptörler : Antikor oluşumu

Membran akışkanlığı ile ilişkili hastalıklar n n n n Ø Ağır karaciğer hastalığı (Alkolik siroz): plazma kolesterol eritrosit membranında kolesterol akışkanlık eritrosit yüzeyi dikenli bir görünüm alır eritrositler dolaşımdan erken uzaklaştırılır spur cell anemia Alkol: Sinir hücrelerinde membran akışkanlığını (reseptörler, iyon kanalları) etkiler. Toksik ! Abetalipoproteinemi: Hücre membranlarında sfingomiyelin fosfatidil kolin akışkanlık Anestetikler: lipidlerde çözünür, akışkanlığı arttırırlar.

Membran transport sistemleri ile ilişkili hastalıklar n n n Sodyum kenetli glukoz-galaktoz transportu/barsak epitel hücreleri Fruktoz malabsorbsiyonu Nötral amino asidlerin transportu/barsak ve böbrek epitel hücreleri: Hartnup hastalığı Sistin, lizin, arjinin amino asidlerinin böbrek epitel hücrelerindeki reabsorbsiyonları: Sistinüri Fosfatın renal reabsorbsiyonu: Vitamin D’e dirençli raşitizm Cu 2+ATPaz geninde mutasyon: Wilson ve Menkes hastalıkları

Hücre iskelet proteinleri ile ilişkili hastalıklar n n Eritrositin şekil ve stabilitesinde kalıtsal bozukluklar Spektrin, ankyrin, band-3, pallidin ve protein 4. 1 Spektrinin ß alt-biriminde defekt: sferositoz, anemi Distrofin: (kas) sarkolemmal glikoproteini aktin filamentine bağlar protein Distrofin eksikliği: Duchenne kas distrofisi Kusurlu Distrofin: Becker kas distrofisi

Membran reseptörleri ile ilişkili hastalıklar n n n Ailesel hiperkolesterolemi, LDL res. Nefrojenik diabetes insipidus ADH res. (AQP-2 ) Diabetes mellitus (NIDDM, obesite) İnsülin res. (Glu. T 4 ) Laron tipi cücelik, GH res. Akondroplasi, FGF res. 3 Miyastenia gravis, asetil kolin res. antikoru

Membran karbohidratları ile ilişkili hastalıklar n n n Glc. NAc fosfotransferaz gen mutasyonu: bazı hidrolazların Man-6 P ile etiketlenememesi ve lizozomlardaki eksiklikleri I-hücre hastalığı Eritrosit memb. nın bazı proteinlerinin fosfatidil inozitol glikan (GPI) ile membrana bağlanmalarında eksiklik Paroksismal noktürnal hemoglobinüri Membran glikoprotein ve glikolipidlerinin oligosakkaridlerinde anormalite: metastaz

Diğer. . . . n n n Mitokondriyal iç memb. proteinlerini kodlayan genlerde mutasyon Nörolojik ve kassal hastalıklar Yılan zehiri, fosfolipazlar, lizofosfolipid oluşumu hemoliz Sfingolipidozis: membranda glikosfingolipid birikimi İskemi: iyon kanallarını etkiler Serbest oksijen radikalleri lipid peroksidasyon membran bütünlüğü bozulur.