Medisinske aspekter; rehydreringsterapi

Transkript

1 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del forts.) Medisinske aspekter; rehydreringsterapi Dannelsen av urin er basert på epitelceller som oppkonsentrerer urinen ved å trekke vannet ut av blodfiltratet i nyrene. Forståelsen av osmose og opptak av glukose fra tynntarmen har skapt grunnlaget for å redde millioner av mennesker i land hvor kolera med påfølgende diaré gir uttørring av kroppen. Gjennom rehydreringsterapi hvor man gir pasienten en blanding av sukker og salt - og ikke bare vann som straks skilles ut igjen - vil vannet tas opp fra tynntarmen og inn i blodbanene. Teorien bak dette er basert på kjennskapet til den koordinerte transporten av glukose og Na + (Fig ). Figure Glukose-transport fra tynntarm til blodbanene. Relevant i forbindelse med rehydreringsterapi hvor vann beveges fra tynntarmen og over i blodet.

2 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del forts.) Spalteåpningsmekanismer Spalteåpningenes (stomata) lukking og åpning er basert på osmotiske fenomener. Her er lukkecellene (guard cells) sentrale og bevegelsen baseres på K + og Cl - bevegelse gjennom kanaler, omsetning av sukrose og turgor-mekanismer (Fig ). Figure Åpning og lukking av stomata. a)lysmikroskopisk bilde av blad-celle med to spalteåpninger hver omgitt av et par lukkeceller.b) Åpning av K + - og Cl - -kanaler i plasmamembranen i lukkecellene følges av influx av de samme ioner inn i cytosol og deretter inn i vakuolen. Dette fører til influx av vann som gjør at cellen sveller i bueform, noe som medfører åpning av stomata-poren.

3 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del forts.) Spalteåpningsmekanismer - PRAKTISK DEMO På Plantebiosenteret vil det bli gjennomført en demonstrasjon av spalteåpningsmekanismene. Rent praktisk vil dette foregå ved bruk av SEM hvor Tor Beisvåg vil vise spalteåpninger i ulike bladtyper. I tillegg vil det bli demonstrert i SEM kjertelceller som finnes på bladundersiden og er ansvarlig for produksjon av eteriske oljer i ulike typer urteplanter. Analyser av innholdet av eteriske oljer i kjertelceller vil bli demonstrert tirsdag 9. april av Ariaya Hymete på Plantebiosenteret.

4 Membrantransport - Kap vår 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 15 Innledning Diffusjon av små molekyler over fosfolipidlaget (Del 15.1) : Passiv diffusjon Fordelingskoeffisient Permeabilitetskoeffisient Oversikt over membran-transport-proteiner (Del 15.2) : ATP-pumper Kanal-proteiner Tranporters Liposomer Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del 15.8) : Osmotisk trykk og vannbevegelse Kontroll av cellevolum - praktisk demo Vannkanaler Medisinske aspekter; rehydreringsterapi Spalteåpningsmekanismer - praktisk demo

5 Membrantransport - Kap vår 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 15 Uniport-katalysert-transport (Del 15.3) : ATP-pumper Forskjeller - passiv diffusjon og uniport transport GLUT1 transport Intracellulært ionemiljø og membranpotensial (Del 15.4) : Ionegradienter og elektr. potensialer over plasmamembranen Kalium-kanaler Natrium-transport Aktiv transport og ATP-pumper (Del 15.5) : Oversikt over hovedgrupper av ATP ionepumper Kalsium-ATPaser Kalsium-ATPaser og sarcoplasmatisk retikulum Na/K-ATPase i plasmamembranen V-klasse proton ATPaser ABC Superfamilien

6 Membrantransport - Kap vår 2002 Emner som gjennomgåes i Kap. 15 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6) : Celleimport av aminosyrer og glukose Eksport av kalsium fra hjertemuskelceller AE1 protein og karbondioksid-transport i erythrocytter Cotransporter og regulering av cytosolisk ph Transport-proteiner og vakuoler Epitel-transport (Del 15.7) : Tynntarm-epitelet er polarisert Transepitel-transport av glukose og aminosyrer Magesyrebalanse Funksjon av Tight og andre Junctions Fremtidsperspektiver

7 Uniport-katalysert-transport (Del 15.3) Uniport katalysert transport : Foregår ved hjelp av et transport-protein i plasmamembranen som akselerer en reaksjon som allerede er termodynamisk favorisert dvs. transport av ett molekyl (sukker, aminosyrer, nukleosider m.fl. ) om gangen ned en kons.gradient. Denne transportformen kalles også fasiliert transport eller fasiliert diffusjon. Forskjellen mellom fasiliert diffusjon og passiv diffusjon er ; Uniport transport følger ikke Fick`s lov slik som passiv diffusjon - dvs. fordelingskoeffisienten er irrelevant Transporten er spesifikk - hvert uniport transportsystem transporterer kun enkeltmolekyler eller grupper av nærbeslektede molekyler Transporten skjer via et begrenset antall uniport molekyler istedet for gjennom fosfolipid-bilaget

8 Uniport-katalysert-transport (Del forts.) GLUT1 transport Glukose i blodet brukes som energikilde i dyreceller (bl.a. i erythrocytter) og de fleste celler uttrykker GLUT1 - en plasmamembran uniporter som flytter glukose ned dets kons.gradient. Glukose-transporter GLUT1 alternerer mellom to konformasjonstilstander (Fig. 15-7); med glukosebindingsetet utover mot cellens ytterside eller innover mot cytosol. Figure 15-7 GLUT 1 uniport transport hvor det veksles mellom to konformasjons-tilstander; i den ene er glukosebindingsetet utover (1,2 og 5), i den andre innover mot cytosol (3,4).

9 Uniport-katalysert-transport (Del forts.) GLUT1 transport Kinetikken i den GLUT1 katalyserte bevegelsen av glukose er ikke direkte pensum, men man skal vite at den følger vanlige enzymkinetiske bestemmelser. Etter at glukose er blitt transportert inn i erythrocytten blir den straks fosforylert til glukose-6-fosfat som ikke kommer ut av cellen igjen. Da dette er første ledd i omformingen av glukose i cellen gjennom glykolysen (Fig. 16-3), vil ikke konsentrasjonen av fri glukose i cellen øke når glukose tas opp. Glukose-konsentrasjonen over membranen opprettholdes derfor og det gjelder også glukoseopptaket i cellen. GLUT1 er et integrert membran-protein (MW ). Nærmere undersøkt i liposomer hvor innsetting av renset GLUT1 øker dramatisk liposomets evne til opptak av glukose.

10 Intracellulært ionemiljø og membranpotensial (Del 15.4) Ionegradienter og membran-elektriske potensialer Bevegelsen av ioner over plasma- og organellmembranen understøttes av symporter- og antiporter transportsystemer. Hastighet og omfanget av ione-transporten er avhengig både av ionekonsentrasjonen på begge sider av membranen og det elektriske potensialet over membranen. Ionegradienter og elektr. potensialer over plasmamembranen : I cellen holdes ph=7.2 og kons. K + >> Na +, kons. av Ca 2+ < 0.2 µmolar. Elektrisk potensial er på 70 mv, innsiden negativ i forhold til utsiden. Overnevnte ionegradienter og elektriske potensialer over plasmamembranen driver mange biologiske prosesser ; åpning og lukking av K +, Na + og Ca 2+ -kanaler for nerveimpulser, opptak av aminosyrer mot deres kons.gradienter, reguleringsignaler for muskelceller og sekresjon av fordøyelsesenzymer i bukspyttkjertel (pankreas). Membranpotensialet i dyreceller avhenger av hvilende K + -kanaler : Må kunne forstå det eksperimentelle opplegget som er skissert i Fig for generering av et transmembran-potensial Merk at hvilende K + -kanaler er de viktigste for å danne transmembran-potensial i dyreceller, men dette gjelder ikke i plante- og sopp-celler.

11 Aktiv transport og ATP-pumper (Del 15.5) Oversikt over hovedgrupper av ATP ionepumper I Fig er vist den generelle struktur i membranen av de 4 klasser av ATP-drevne pumper som finnes ; 1. P-klasse-ionepumper, 2. F- klasse- ionepumper, 3. V-klasse- ionepumper og 4. ABC superfamilien. De ulike funksjoner som de 4 klasser har er vist i Table Merk at de tre første kun transporterer ioner mens ABC superfamilien transporterer både ioner og mindre molekyler. Pensum omfatter detaljer om både struktur og funksjon av de fire pumper og må derfor læres. Figure Fire klasser av ATP-drevne pumper.

12 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6)

13 Aktiv transport og ATP-pumper (Del 15.5) Kalsium-ATPaser Kalsium-ATPaser : Endringer i kons. av fritt kalsium (Ca 2+ ) i cytosol utløser en rekke cellulære responser. Dette forutsetter en normal cytosolisk kons. < µM. For å opprettholde dette nivået vil kalsium ATPaser (Pklasse-ionepumper) som finnes i plasmamenbranen i dyre-, gjær og planteceller transportere kalsium ut av cellen mot dets elektrokjemiske gradient Calmodulin er et kalsium-bindende regulatorprotein som finnes på kalsium ATPaser. Når det cytosoliske kalsium-nivået øker vil dette trigge den allosteriske aktiveringen av kalsium ATPasen med det resultat at transporten av kalsium ut av cellen øker og det cytosoliske nivået normaliseres igjen.

14 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) Kalsium - ATPaser og sarkoplasmatisk retikulum Kalsium - ATPaser og sarkoplasmatisk retikulum : I tillegg til den typen kalsium ATPase som finnes i plasmamembranen er det en annen type kalsium ATPase i muskelceller ( muskel kalsium-pumpen ). Denne transporterer kalsium fra cytosol inn i lumen av det sarkoplasmatiske retikulum (SR) - en organell som konsentrerer og lagrer kalsium. Må sees i sammenheng med muskel-kontraksjon og relaksjon ; frigjøring av Ca 2+ - ioner fra SR inn i muskel cytosol gir kontraksjon, fjerning av Ca 2+ -ioner ved bruk av muskel kalsium-pumpen gir avslapping av muskelen. Muskel kalsium-pumpen utgjør 80% av det integrale protein i SR-membraner og er derfor vel karakterisert. Alle P-klasse ionepumper som denne tilhører, er fosforylert under transport-prosessen. Hovedtrekkene i virkningsmekanismen er vist på modellen av pumpen (Fig ) og vil være pensum. For detaljer om egenskaper ved denne pumpen vises til læreboken s Figure Modell av virkningsmekanismen av muskel kalsium-atpase som er lokalisert i sarkoplasmatisk retikulum.

15 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) Na/K-ATPase i plasmamembranen Na/K-ATPase i plasmamembranen : Dette er den best undersøkte ATPasen som også er en P-klasse ionepumpe (se Table 15-2). Her kreves detaljer om oppbygging og funksjon (se Fig ). Pumpen opprettholder den indre Na og K-konsentrasjonen i eukaryote celler. Er en tetramer av store og mindre - underenheter. Forflytter samtidig - dvs. koblet transport - tre Na + ut og to K + inn i cellen mot deres resp. konsentrasjonsgradienter for hvert ATP-molekyl som hydrolyseres. Påvist eksperimentelt ved bruk av liposomer og ouabain - en inhibitor av ATPaser. Virkningsmekanismen for Na/K- ATPasen ligner Muskel kalsiumpumpen - bortsett fra at ioner transporteres begge veier over membranen (sml. Fig og Fig b). Figure a og b