Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) V-klasse proton ATPaser

Transkript

1 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) V-klasse proton ATPaser Alle V-klasse ATPaser pumper kun protoner dvs. er H + - ionepumper. Har som oppgave å holde lav ph ved hydrolyse av ATP i lysosomer, endosomer og plantevakuoler. I lysosomer (ph=4.5) kan surheten måles indirekte i levende celler ved bruk av fluorescerende fargereaksjoner. Proton ATPasene i lysosomer og vakuoler er isolert, renset og bygget inn i liposomer. Strukturen er vist på Fig (V-klasse-pumper). I motsetning til P- klasse ione-pumper vil V-klasse ATPaser ikke bli fosforylert og defosforylert under proton-transporten. Lignende typer av V-klasse ATPaser finnes i andre syre-sekretiserende celler - osteoclaster (makrofaglignende celler som bindes til benstrukturer) og mitokondrie-rike epitelceller i urinblæren. Transporten av H + -ioner skaper potensial-forskjeller og må derfor kompenseres med tilsvarende transport over membranen av anioner eller kationer motsatt vei. Figure 15-10

2 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) ABC Superfamilien ABC (ATP-binding cassette) Superfamilien omfatter mer enn 100 ulike transport-proteiner i alle typer organismer - bakterier til mennesket. Består av to transmembran domains (T) og to cytosoliske ATP-bindingsteder (A) - se Fig T-gruppene utgjør tranportveien gjennom membranen og bestemmer substrat-spesifisiteten for hvert ABC-protein. Plasmamembranen i ulike bakterier inneholder mange permeaser som regnes til ABC Superfamilien. Brukes til transport av aminosyrer, sukkere, vitaminer og peptider inn i bakteriene.permeasene er induserbare dvs. forekomsten styres av mengden næringstoffer og det metabolske behov som bakterien har. Fig viser opptak av histidin ved bruk av histidin-permeaser i E. coli - en Gram-negativ bakterie. Figuren er typisk for transport proteiner i ABC Superfamilien og deres oppbygging. Fig G-negative bakterier tar opp mange oppløste stoffer ved bruk av ABC-proteiner (permeaser) som benytter et substrat-bindingsprotein som finnes i det periplasmatiske rom.

3 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) ABC Superfamilien Figure 15-10

4 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) ABC Superfamilien og medisinske aspekter I kreftbehandlingen ble det oppdaget at tumor-celler ble resistente mot visse drugs (f.eks. cellegiften Adriamycin). Årsaken var øket genuttrykk av multidrug-resistance (MDR) transport protein = MDR1 som også tilhører ABC Superfamilien. Cellegiften vil under behandlingen normalt diffundere inn i kreftcellen men MDR1 eksporterer cellegiften fra cytosol i kreftcellen og ut av cellen igjen. Det kreves derfor svært høye konsentrasjoner av cellegiften for å kompensere for den negative virkningen av MDR1. Problemer forekommer i første rekke ved behandling av kreft i leveren som en konsekvens av at denne er kroppens detoksifiserende organ. Genet (Mdr1-gen) for proteinet uttrykkes lett i resistente celler og gir overproduksjon av transport proteinet MDR1. To mulige modeller for hvordan MDR1 virker er vist i Fig ; a. flippase-modellen og b. vanlig pumpe-modell. Figure 15-17

5 Aktiv transport og ATP-pumper (Del forts.) ABC Superfamilien og medisinske aspekter Sykdommen cystisk fibrose (CF) skyldes en mutasjon i CFTR (Cytisk Fibrose Transmembrane Regulator)-genet som koder for et klorid-kanal-protein som reguleres av cyklisk AMP. Hos pasienter som har sykdommen stoppes transporten av kloridioner. Strukturen av MDR1-proteinet er mye lik CFTR-proteinet. CFTRproteinet - som MDR1 - kan muligens fungere som et ABCtransport protein ved utnyttelse av ATP. Det antas at et fungerende CFTR-protein kan produseres ved innsetting av CFTR-genet ved rekombinant teknikk hos pasienter med cystisk fibrose dvs. bruk av genterapi.

6 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6) Celleimport av aminosyrer og glukose Visse proteiner bruker energi lagret i form av Na + og H + gradienter til en co-transport av aminosyrer og glukose mot sine resp. konsentrasjonsgradienter. Når både det transporterte molekyl og det cotransporterte ionet beveges i samme retning kalles prosessen symport - hvis de beveges i motsatt retning kalles det antiport (Fig. 15-3). I tynntarmens epitelceller og nyreceller må glukose konsentreres mot store konsentrasjons-gradienter. Her brukes en to Na + /en-glukose symporter - proteinet kobler transporten av ett glukose-molekyl til transporten av to natrium-ioner. Transporten drives av to energi-givende krefter ; Na + gradienten og det innside-negative membran-elektriske potensialet (Fig. 15-9). Fig viser en modell av hvordan to Na + /en-glukose symporter - proteinet virker - sett i forhold til de resp. konsentrasjonsgradienter. Figure 15-19

7 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6) Eksport av kalsium fra hjertemuskelceller En Na + /Ca 2+ antiporter fungerer i hjertemuskelceller hvor denne kation-antiporter-pumpen kobler en transport av 3Na + ned en kons.gradient inn i cellen, mot ett Ca 2+ ut av cellen. Normalt i hvile er konsentrasjonen av Ca 2+ inne i cellen er betydelig lavere enn utenfor. En økning i konsentrasjonen innvending medfører muskelkontraksjon. Na + /Ca 2+ antiporter medfører derfor at kontraksjonen reduseres. Oubain og digoxin øker muskelkontraksjonen og brukes ved hjerteproblemer da de begge hemmer Na + /Ca 2+ antiporter - Na + inne i cellen øker og dermed øker konsentrasjonen av Ca 2+ inne i cellen.

8 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (forts.) AE1-protein og karbondioksid-transport i erythrocytter : AE1-protein er det dominerende integrale protein i mebranen hos erythrocytter. Dette er en anion-transporter som kun transporterer negative ioner. Ansvarlig for entil-en utvekslingen over membranen av Cl - og HCO 3-. Her blir ingen forstyrrelse av netto-bevegelsen av elektriske ladninger og reaksjonen påvirkes ikke av membranpotensialet - reaksjonsretningen avhenger kun av kons.gradientene av de resp. ioner. Anion-utbyttingen over er viktig for transporten av CO 2 fra det perifere vev og tilbake til lungene. Skjematisk er prosessen vist i Fig Hele prosessen er basert på at CO 2 som gass diffunderer over membranen hos erythrocytter men er lite løselig i vann dvs. i cytosol i blodplasma. Derfor overfører enzymet carbonic anhydrase CO 2 til vannløselig HCO 3- som transporteres som dette til lungene i blodplasma - resten i erythrocyttene. Her deltar - som nevnt over - AE1-proteinet i en-til-en utvekslingen over membranen av Cl - og HCO 3-. Det er særdeles viktig for kroppen at denne prossessen skjer - ellers ville HCO 3- akkumuleres på innsiden av erythrocyttene til toksisk nivå under aktivitet. Uten denne anion-utbyttingen ville cytosol bli alkalisk - med AE1-proteinet holdes cytosolisk ph nøytral. Reverseringen av anion-utbyttingen vil skje i lungene (Fig , til høyre). HCO 3- omdannes til CO 2 og OH -. Figure 15-20

9 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6) Co-transporter og regulering av cytosolisk ph Både glukose-omdannelsen til melkesyre i glykolysen og virkningen av carbonic anhydrase øker konsentrasjonen av H + som - hvis ikke disse nøytraliseres - vil øke ph i cytosol. To typer av cotransporter-proteiner deltar i senkingen av konsentrasjonen av H + ; 1. Na + HCO 3- /Cl - cotransporter og 2. Na + /H + antiporter. I tillegg finnes i plasmamebranen en Na + -uavhengig Cl - /HCO 3- antiporter som fjerner overskudd av OH - -ioner. Hvordan disse tre antiportproteinene virker i detalj når det gjelder å kontrollere ph er skissert i læreboken og summarisk vist på Fig Figure Virkningen av intracellulær ph på aktiviteten av membran transport-proteiner som regulerer cytosolisk ph i dyreceller.

10 Co-transport ved bruk av Symporter og Antiporter (Del 15.6) Transport-proteiner og vakuoler I vakuoler i plantecellen er ph= 3-6 og lavere enn i cytosol (ph=7.5).vakuolemembranen (tonoplasten) inneholder V-klasse ATPdrevne pumper (Table 15-2) og andre spesialpumper hvis oppgave er å pumpe aktivt inn H + i lumen av vakuolen. I tillegg finnes Cl - og NO 3- kanaler som transporterer disse anionene fra cytosol i plantecellen inn i lumen av vakuolen (Figure 15-22). Anionene kommer inn mot sin konsentrasjonsgradient og det hele drives av H + -pumpene. Dette produserer en innside-positivt elektrisk potensiale (20 mv) over tonoplasten og i tillegg en betydelig phgradient. Disse brukes i sin tur til selektiv transport av ioner og små molekyler. Gjelder f.eks. sukrose dannet i bladene under fotosyntesen og direkte lagret i vakuolen vha en proton-sukrose-antiporter til om natten hvor sukrosen transporteres til cytosol (Fig ). Figure Ioner og sukrose i plantevakuoler.

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

12 Alle dyr har et epitelcellelag (epithelium) som dekker hud, magesekk og tynntarm. Over dette laget transporteres ioner (H + i magesekk, glukose og aminosyrer i tynntarmepitelet). Ulike epitelcelletyper er forbundet med spesialiserte områder kalt cell junctions som skaper styrke i epitellaget og hindrer vann-løselig materiale å krysse over epitellaget. Epitel-transport (Del 15.7) Tynntarm-epitelet er polarisert : En epitelcelle er polarisert når den ene siden skiller seg strukturelt og funksjonelt fra den andre. I tynntarmepitelet er den ene siden mot tarmen (apikal side) med sine mikrovilli spesialisert mot absorbsjon; den andre (basolateral overflate) fremmer transport av næringstoffer fra epitelcellens basale lamina til kroppsvæskene som er i kontakt med blodbanene (Fig ). Mikrovilli øker overflatearealet inn mot tynntarmen betydelig. Aktin-filamenter gir mikrovilli fasthet og strukturell støtte. Figure Epitel-celler på innsiden av tynntarmen og hovedtyper av cell-junctions.

13 Epitel-transport (Del 15.7) Glykokalyx Utenfor mikrovillioverflaten finnes et nett (glykokalyx) som består av sidekjedene til oligosakkarider - som er i sin tur bundet til intermembran glykoproteiner, glykolipider og enzymer (Fig ). Figure Fryse-etsingsteknikk: Glykokalyx dekker spissen av mikrovilli og består av et nettverk av glykoproteiner og fordøyelses- Enzymer.

14 Epitel-transport (Del forts.) Transepitel-transport av glukose og aminosyrer Transport av glukose og aminosyrer fra lumen av tynntarmen og over i blodbanene er en to-trinns-prosess; 1. Import av stoffer fra lumen og inn i epitelcellen og 2. Eksport av stoffer fra epitelcellene og ut i væskene som omgir den basolaterale overflaten. Krever polariserte epitelceller med ulike sett av transport-proteiner på den apikale og basolaterale siden. Fig gir oversikt over hvordan transporten av glukose fra lumen til blodet foregår. Omfatter apikalt import vha to Na + /en glukosesymporter (i mikrovilli-membranen) og basolateralt (serosal membran) eksport vha Na + /K + ATPase og glukose-transporteren GLUT2. Figure 15-25

15 Epitel-transport (Del forts.) Transepitel-transport av glukose og aminosyrer I nyrecelle-epitel virker en en Na + /en glukose-symporter for reabsorbsjon av glukose fra blodfiltratet som produserer urinen og tilbake til blodet. Oppkonsentreringen er 100 ganger det ekstracellulære medium som produserer urinen. På et senere trinn i nyre-epitelet opptas gjenværende glukose mot en enda størrre glukose-gradient vha den tidligere omtalte to Na + /en glukose-symporter. Magesyrebalanse : Magesyren (ph=1) spalter proteiner i maten før de proteolytiske enzymer (f.eks. pepsin) kommer til i magesekken. Parietal-celler i magesekken inneholder H + /K + ATPase (Pklasse ATPase; Table 15-2) som skaper en kons.gradient som er 1 mill ganger høyere i magesekk-lumen enn i celle-cytosol (resp. ph= 1 sml. ph=7.0). Balanseringen mellom ph, nøytralt elektrisk membran-potensial etc. forutsetter fire ulike transport-proteiner (se Fig ). Figure Saltsyre utskilles i magesekken fra parietal (oxyntiske) celler som sitter i magesekkveggen.