Tor-Henning Iversen, Plantebiosenteret (PBS),Botanisk institutt,ntnu

Transkript

1 Forelesninger i BI Cellebiologi Membrantransport - Kap. 15 Tor-Henning Iversen, Plantebiosenteret (PBS),Botanisk institutt,ntnu Tor- Henning.Iversen@chembio.ntnu.no Tlf PBS`s hjemmeside (hvor forelesningene er samlet) ;

2 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

3 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

4 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

5 Membrantransport - Kap vår 2002 Innledning Viktig å ha generell kunnskap om membranens struktur og egenskaper bl.a. det som er grunnlaget for selektivitet i opptaket av glukose, aminosyrer, lipider og ioner. Transport-proteiner - både i plasmamembranen og rundt de ulike celleorganeller - er av stor betydning i membraner for opptak av de ulike forbindelser. I dyr spiller membraner rundt epitelceller en stor rolle i transport av næringstoffer og ioner. Viktige organer i denne sammenheng er magesekk, tynntarm og urinblære. Fra tynntarmen transporteres bl.a. glukose og aminosyrer over i blodbanene mens i epitelcellene rundt magesekken er transport av protoner inn i magen av største viktighet. Kap. 15 er bygget opp på en slik måte at først presenteres tranport av små hydrofobe molekyler over fosfolipid-bilaget, deretter gies en oversikt over ulike typer transportproteiner før de enkelte typer gjennomgåes. Videre omtales mer detaljert hvordan transport skjer både i dyre- og planteceller gjennom ulike sub-cellulære membraner for å opprettholde bestemte fysiologiske tilstander i cellen f.eks. ph i cytosol, glukose i blodet, lagring av sukrose og salter i vakuoler og vannstrømmen i hele organismen.

6 Diffusjon av små molekyler over fosfolipidlaget (Del 15.1). Figure 15-1 Oversikt over et kunstig fosfolipidlag og hvordan dette skiller i permeabilitet mellom hydrofobe, hydrofile og ladete molekyler.

7 Samlet oversikt over membran-transport-proteiner (Del 15.2) Fig. 15-3a viser hovedgruppene av transport-proteiner - ATP-pumper, kanal-proteiner og transporters. Aller er integrale transmembranproteiner med høy spesifisitet for det stoff som skal transporteres. ATP-pumper : Bruker energi fra ATP-hydrolyse for å transportere ioner eller små molekyler over membranen mot en konsentrasjonsgradient eller et elektrisk potensiale = aktiv transport. Slike pumper opprettholder lave kalsium- og natrium-konsentrasjoner på innsiden av alle dyreceller og lav ph i lysosomer, vakuoler og magesekk. Kanal-proteiner : Protein-lipid-passasjer hvor det transporteres vann eller spesielle ioner ned kons.gradienter eller elektriske potensial-gradienter med høy hastighet. Omfatter bl.a. kalium-spesifikke kanal-proteiner som generelt er åpne for å etablere og opprettholde det elektriske hvilepotensialet over plasmamembranen, og andre kanaler som normalt er lukkete men åpnes på spesifikke signaler ( i nerveceller). Tranporters : Membran-transport-proteiner som forflytter ett - eller noen få - substrat-molekyler om gangen. Gjennomgår en konformasjonsendring som spesifikt binder substrat-molekylet.

8 Skjematisk oversikt over virkningsmekanismen for hovedgrupper av membran-transport-proteiner (Del 15.2) Figure 15-3 a) Tre hovedtyper av transport -proteiner.pumper og ionekanaler bruker ATP for transporten av ioner eller små molekyler (røde) mot en kons.gradient.transporters fremmer (faciliate) bevegelsen av ioner eller små molekyler. b) Tre grupper av transporters.

9 Transporters (Del 15.2) Tranporters : Membran-transport-proteiner som forflytter ett - eller noen få - substrat-molekyler om gangen. Gjennomgår en konformasjonsendring som spesifikt binder substratmolekylet. Tre typer transporters er påvist (Fig. 15-3b) -mer detaljer om hver type følger senere ; 1 Uniporters - ett molekyl (glukose, aminosyrer) om gangen ned en kons.gradient 2 Symporters - kobler transport av ett molekyl mot dets kons.gradient med transport av et annet molekyl med dets kons.gradient ; begge i samme transportretning 3 Antiporters - kobler transport av ett molekyl mot dets kons.gradient med transport av et annet molekyl med dets kons.gradient ; i hver sin transportretning

10 Liposomer (Del 15.2) Kunstig fremstilt transportenheter som benyttes med sikte på undersøkelser hvor ett bestemt transportprotein er isolert, renset og satt inn en fosfolipid-bilagmembran (Fig. 15-4). Alternativt kan et gen som uttrykker et transportprotein settes inn i en celle som normalt ikke uttrykker dette genet. Forskjellene i transport av et stoff i den genmodifiserte og kontrollcellen viser betydningen av transport-proteinet. Figure 15-4

11 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del 15.8) Osmotisk trykk og vannbevegelse Osmotisk trykk og vannbevegelse : I planter snakker man om vannkonsentrasjon slik at i en løsning med mye oppløste stoffer er det en lavere vannkonsentrasjon enn i en med mye oppløst stoff. Ved osmose er det tale om bevegelse av vann gjennom en membran fra et område med lavere til et med en høyere konsentrasjon av oppløste stoffer. Vann kan i tillegg strømme gjennom vann-kanalproteiner. Ved en osmotisk strøm vil vannet strømme fra en løsning med høy vann-konsentrasjon til en med lavere. Et osmotisk trykk defineres som det hydrostatiske trykket som kreves for å stoppe nettostrømmen av vann over en membran som skiller to løsninger med ulik sammensetning - demonstreres eksperimentelt i Fig Det osmotiske trykket ( ) angies i atmosfærer (atm) eller mmhg og er avhengig av gass-konstanten (R), absolutt temperatur (T), og forskjellen i konsentrasjon ( C) mellom de to løsninger (C A og C B ) på hver side av membranen : = RT (C B - C A ) = RT C (15-11) Figure Demonstrasjon av osmotisk trykk. Membranen er impermeabel for alle oppløste stoffer - kun vann vil forflyttes. Hvis kons. i C B er høyere enn C A vil vann diffundere fra venstre mot høyre.

12 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del 15.8) Kontroll av cellevolum Sentrale begreper ved omtalen av osmotiske løsninger er hypotoniske, hypertoniske og isotoniske løsninger. Hypotonisk løsning ; konsentrasjonen av oppløste stoffer er lavere enn i cytosol. Erythrocytter i en slik løsning vil ta inn vann i en osmotisk strøm for å fortynne løsningen inne i cellene dvs. de sprekker opp. Hypertonisk løsning ; konsentrasjonen av oppløste stoffer er høyere enn i cytosol. Erythrocytter i en slik løsning vil skrumpe sammen da vann går ut av cellen for å fortynne løsningen utenfor. Planteceller vil på grunn av celleveggen oppføre seg noe anderledes enn dyrecellen mht osmose. Lagt i en hypotonisk løsning vil en plantecelle ta inn vann men ikke sprekke pga veggen. Økningen i osmotisk trykk (kalt turgor-trykk) som her skjer når vannet trenger inn, presser cytosol og plasmamembranen mot veggen. Når dette skjer hos planteceller betegnes fenomenet plasmolyse - cytoplasmaet omgitt av plasmalemma skrumper inn og bort fra veggen Isotonisk løsning ; Vann-konsentrasjonen er lik på begge sider av cellen.

13 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del 15.8) Praktisk demo - Vannbalanse i planteceller På Plantebiosenteret vil dyrking av planter i et lukket økosystem bli demonstrert. Dette er grunnlaget for de forberedelser som gjøres av Plantebiosenteret som et ledd i utprøvingen av plantedyrkningsutstyret kalt EMCS (European Modular Cultivation System) for Den Internasjonale Romstasjonen (ISS). Knut Robert Fossum vil i denne sammenheng demonstrere de ulike typer utstyr som er komponenter i utviklingen av EMCS og fokusere på vannregulering i planter ; miljømessige og biofysiske aspekter. Han vil komme inn på de spesielle forhold som er knyttet til dyrking av planter under vektløshet i rommet(mikro-g betingelser) - hvordan disse forholdene virker inn på vannbalansen i plantecellene og hvordan vi kan løse disse problemene i praksis.

14 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del 15.8) Praktisk demo - Dyrking av planter i rommet Tor-Henning Iversen vil demonstrere FUMO-enheten som er et ledd i utviklingen av EMCS og den Plant Cultivation Container (PCC) som er utviklet ved Plantebiosenteret og hvordan denne virker. Han vil også summarisk fortelle om aspekter ved plantedyrking på ISS og muligheten for å etablere jordisk liv på Mars og Månen.

15 Osmose, vannkanaler og regulering av cellevolum (Del forts.) Vannkanaler Vannkanaler : Den osmotiske lysis som skjer i erythrocytter finner man ikke i froskeegg selv om disse har en indre salt-konsentrasjon som øvrige celler. Antas å skyldes at eggcellemembranen ikke har vann-kanaler som i erythrocyttene øker den osmotiske strøm og slipper mer og raskere vann inn i cellen. Vist eksperimentelt ved mikroinjeksjon av mrna som koder for aquaporin, at aquaporin- proteinet (et vannkanalprotein) øker cellens premeabilitet for vann (Fig ). Figure Eggceller fra frosk ble mikroinjisert (øverst) med erythrocyttmrna som koder for aquaporin. Lagt i en hypotonisk saltløsning tar disse opp vann gjennom de nydannede vannkanaler og sveller. Kontroll-eggceller (nederst) er uforandrete siden de er impermeable for vann.