TRANSPORT RAZTOPIN. Agronomija - UNI 2005/06

Transcript

1 TRANSPORT RAZTOPIN

2 Transport na celičnem nivoju oz. transport preko membrane je osnova za transport na višjih nivojih (tkiva). Pomen biološki membran (plazmalema, tonoplast,...) homeostaza rastlinske celice učinkovita izmenjava (TRANSPORT) porazdeljevanje in kompartmentizacija metabolitov v celici zaznavanje signalov iz okolice energetske pretvorbe v celici

3 TRANSPORT pasiven: npr. difuzija po gradientu aktiven: proti gradientu, porabe energije

4 Kemijski potencial nam podaja vse sile, ki bi lahko vplivale na neto transport snovi. Kemijski potencial = prosta energija na mol snovi µ j = µ j * + RTlnC j + z j FE + V j P [J mol -1 ] µ j kemijski potencial snovi j (J mol -1 ) µ * j kemijski potencial snovi j v standardnih pogojih RTlnC j koncentracijska komponenta kem. potenciala z j FE električna komponenta kem. potenciala VjP tlačna komponenta kem. potenciala

5 polpropustna membrana kem. potencial kompartmenta A kem. potencial kompartmenta B opis μ j A μ j B PASIVNI TRANSPORT (difuzija) - spontan transport po gradientu kemičnega potenciala μ ja >μ j B μ j A μ j B RAVNOTEŽJE - brez neto transporta μ ja =μ j B μ j A μ j B AKTIVNI TRANSPORT proti gradientu kemičnega potenciala μ ja <μ j B

6 polpropustna membrana kem. potencial kompartmenta A kem. potencial kompartmenta B opis μ j A μ j B PASIVNI TRANSPORT (difuzija) - spontan transport po gradientu kemičnega potenciala μ ja >μ j B μ j A μ j B RAVNOTEŽJE - brez neto transporta μ ja =μ j B μ j A μ j B AKTIVNI TRANSPORT proti gradientu kemičnega potenciala μ ja <μ j B

7 polpropustna membrana kem. potencial kompartmenta A kem. potencial kompartmenta B opis μ j A μ j B PASIVNI TRANSPORT (difuzija) - spontan transport po gradientu kemičnega potenciala μ ja >μ j B μ j A μ j B RAVNOTEŽJE - brez neto transporta μ ja =μ j B μ j A μ j B AKTIVNI TRANSPORT proti gradientu kemičnega potenciala μ ja <μ j B

8 Transport nenabite molekule preko membrane - primer saharoze Opišemo kemijska potenciala za saharozo (s) na zunanji strani (z) in notranji strani (n) membrane in izračunamo njuno razliko Δ μ s. μ j = μ j * + RTlnC j + z j FE + V j P μ sn = μ s * + RTlnC s n isto za zunanjo stran (z) Δμ s = μ sn - μ sz = RTln(C sn /C sz ) če je izračunana razlika v kemičnem potencialu negativna je možen pasivni tok saharoze v celico

9 Transport nabite molekule / iona preko membrane - primer kalij Pri opisu kemičnih potencialov za zunanjost in notranjost celice moramo upoštevati vpliv i) koncentracije in ii) naboja. μ K+ = μ K+ * + RTlnC K+ + z K+ FE za zunanjost (z) in notranjost (n) celice Δμ K+ = μ K+n - μ K+z = RTln(K +n /K +z ) + zf(e n -E z ) Nabiti delci prehajajo membrano na osnovi i) koncentracijskega gradienta in ii) razlike v električnem potencialu Ioni se lahko pasivno transportirajo proti koncentracijskemu gradientu, če to omogoča razlika v električnem potencialu.

10 Difuzijski potencial nastane, ko se različno nabiti ioni preko membrane transportirajo z različno hitrostjo membrana K + Cl - začetno stanjei [KCl] A >[KCl] B razdelek A razdelek B obstoj difuzijskega potenciala do vzpostavitve ravnotežja ravnotežje [KCl] A =[KCl] B

11 μ j z = μ j n μ j * + RTlnC j z + z j FE z = μ j * + RTlnC j n + z j FE n Če enačbo preuredimo: E n E z = RT/z j F * ln(c j z /C j n ) Nernst-ov potencial (Δ E N ) Δ E N = RT/z j F * ln(c jz /C jn ) ali Δ E N = 2.3*RT/z j F * log(c jz /C jn ) Δ E N = 59 * log(c jz /C jn ) membranski potencial 59 mv bi vzdrževal 10x koncentracijsko razliko med zunanjostjo in notranjostjo 10x koncentracijski gradient, difuzija generira potencial 59 mv

12 voltmeter - 60 do mv membranski potencial elektrodi prevodna raztopina celica

13 Primer: Vm = mv Δ E N = 59 * log(c z j /C n j ) ion koncentracija zunaj celice (medij) (mmol L -1 ) koncentracija znotraj celice (mmol L -1 ) predvidena izmerjena. K Na Mg Ca NO Cl H 2 PO SO blizu ravnotežja vstop pasivno z difuzijo, aktivno črpanje iz celice nujen aktivni transport v celico

14 vakuola citosol plazmalema tonoplast celična stena Koncentracije ionov v citosolu in vakuoli so kontrolirane s pasivnim transportom ( ) in aktivnim transportom ( ) preko plazmaleme in tonoplasta.

15 Permeabilnost membrane UMETNE MEMBRANE - fosfolipidna dvoplast zelo slabo propustne za ione in polarne molekule zelo dobra propustnost za O 2 relativno dobra za majhne polarne molekule (H 2 O, CO 2, glicerol) propustnost membrane pada z naraščajočo polarnostjo in velikostjo molekul BIOLOŠKE MEMBRANE izkaže se, da je membrana za nekatere ione, molekule bolj propustna, kot bi sklepali iz poskusov z umetnimi membranami membranski proteini (TRANSPORTNI PROTEINI) omogočajo ionom, molekulam s slabo prehodnostjo membrane, lažji prehod

16 Oliogosaharidne verige glikoproteinov Zunanjost celice Lipidna dvoplast Notranjost celice Periferni membranski protein Integralni membranski protein Periferni membranski protein Z lipidom sidrani membranski protein

17 Membranski transportni proteini KANALČKI PRENAŠALCI, PRENAŠALNI PROTEINI ČRPALKE

18 Skupine transportnih proteinov transportirana molekula kanalček prenašalec črpalka plazmalema preprosta difuzija pospešena difuzija energija gradient elektrokemičnega potenciala PASIVNI TRANSPORT v smeri elektrokemičnega gradienta primarni AKTIVNI TRANSPORT v smeri proti elektrokemičnemu gradientu

19 V rastlinsko celico lahko voda prehaja: skozi membrano - z difuzijo skozi pore, ki jih imenujemo akvaporini - z masnim tokom Akvaporini za vodo specifične pore. Celica lahko kontrolira propustnost membrane za vodo, tako da regulira odprtje/zaprtje akvaporinov (fosforilacija AK v proteinu akvaporina).

20 Ionski kanalčki transmembranski proteini, ki delujejo kot selektivne pore navadno opremljeni z vrati, ki se odpirajo/zapirajo glede na zunanji signal (sprememba napetosti, vezava liganda ali oboje) difuzija skozi odprt kanalček je izredno hitra (10 8 molekul s -1 ) transport ionov plazmalema K + vrata gradient elektrokemičnega potenciala glavna podenota selektivni filter regulatorna podenota

21 Napetostna regulacija kanalčkov PRIMER K + kanalčki zunanjost celice 1mM K + citosol 100 mm K + E K = -120 mv Kanalčki za iztok K + - odprejo se, če pride do depolarizacije membrane, če je membranski potencial (Vm) večji (manj negativen) od E K Kanalčki za privzem K + - odprejo se, če je membranski potencial (Vm) bolj negativen od E K Napetostno regulirani K+ kanalčki na plazmalemi stabilizirajo membranski potencial in omogočajo kontrolirano izmanjavo kalija

22 Regulacija kanalčkov z vezavo KCO1 kanalček za iztok K + (Arabidopsis) reguliran z vezavo Ca 2+ Navadni repnjakovec (Arabidopsis thaliana)

23 PATCH CLAMP tehnika - meritve transporta skozi kanalčke

24 Prenašalci, prenašalni proteini (pasivni transport) Transport poteka po elektrokemičnem gradientu Hitrost transporta je ionov ali molekul na sekundo. Takšen transport imenujemo tudi POSPEŠENA DIFUZIJA.

25 Primarni aktivni transport Transport, ki je direktno povezan s porabo energije, ki se pridobi s hidrolizo ATP Pri fotosintezi in dihanju se energija pridobi redoks reakcijami (elektronske transportne verige v mitohondriju in kloroplastu), izvira pa iz energije svetlobe (fotosinteza) oz. biološke oksidacije substrata (dihanje). Primarni aktivni transport opravljajo ČRPALKE: H + - črpalke (protonske črpalke) Ca 2+ črpalke ABC transporterji

26 Protonske črpalke (I) Plazmalema: H + -ATPaza P-tip ATPaze (slika) enojen polipeptid 100 kda zunaj H + -ATPaza znotraj

27 Protonske črpalke (II) Tonoplast: vakuolarna H + -ATPaza V-tip ATPaze (slika) sorodna F ATPazam pirofosfataza H+ - PPaza Energijo koristijo s hidolizo pirofosfata (slika)

28 kationi vakuola ph 5.5 citosol ph 7.5 anioni kationi Protonske črpalke na plazmalemi in tonoplastu anorganski ioni, sladkorji, aminokislinei

29 voltmeter - 60 do mv membranski potencial elektrodi prevodna raztopina celica

30 Membranski potencial (V m ) = razlika v električnem potencialu med dvema, z membrano ločenima vodnima okoljima. v celici je negativni naboj proteinov uravnotežen predvsem s K+ ioni. Membrana je za proteine nepropustna ima pa določeno propustnost za K+. Ustvari se Donnan-ovo ravnotežje in Donnan-ov ali difuzijski potencial na membrani (1) elektrogeni transport H+ iz celice, ob porabi ATP, dodatno zmanjša + naboj v celici (2) 1 (1) + (2) = mirovni membranski potencial Vm (mv) 2

31 mirovni membranski potencial (Vm) hiperpolarizacija - dodatno znižanje membranskega potenciala zaradi delovanja elektrogene črpalke depolarizacija - zmanjšanje membranskega potenciala zaradi iztoka anionov ali vstopa Ca 2+ v celico repolarizacija - ponovna vzpostavitev membranskega potencial depolarizacija 4 repolarizacija

32 vzpostavitev turgorja listič zgornji del pulvinusa spodnji del pulvinusa PULVINUS pecelj izguba turgorja

33 Ca 2+ črpalke plazmalema endoplazmatski retikulum ovojnica kloroplasta tonoplast Črpalka se imenuje Ca 2+ -ATPaza zmanjšanje koncentracije Ca 2+ v citosolu (0.2µM) (P-tip ATPaze, energetsko zahteven transport) sekundarni aktivni transport Ca 2+ v vakuolo (antiport)

34 ABC - (ATP Binding Cassette) transporterji primarni aktivni transport organskih snovi v vakuolo Na ta način se transportirajo: flavonoidi antocianini produkti razgradnje (razgradnja klorofila) ksenobiotiki (herbicidi)...

35 plazmalema nizkomolekularni kompleksi γ-glu-cys peptidi ATP citosol ABC transporter ADP + P i tonoplast vakuola

36 HERBICID GSH - reduciran glutation GS-HERBICID GS-HERBICID nalaganje + pretvorbe vakuola

37 Sekundarni aktivni transport Protonske črpalke ob porabi ATP ustvarjajo gradient H + ionov preko membrane (protonski gradient). Gradient elektrokemičnega potenciala za H + imenujemo tudi protonska gonilna sila Δ p (proton motive force). Protonski gradient oz. protonska gonilna sila lahko poganja transport drugih snovi proti gradientu njihovega elektrokemičnega potenciala. P. Mitchel : KEMIOZMOTSKA TEORIJA sekundarni aktivni transport Protonska črpalka = primarni aktivni transport

38 Sekundarni aktivni transport - model Premik snovi S proti gradientu poteka s pomočjo predhodno ustvarjenega gradienta protonov (protonska gonilna sila, ki jo ustvari primarni aktivni transport) ZUNANJOST CELICE koncentracijska gradienta za S in H + plazmalema CITOPLAZMA

39 Dve obliki sekundarnega aktivnega transporta, ki izkoriščata gradient protonov KOTRANSPORT = hkraten (vezan) transport dveh snovi preko membrane simport antiport zunaj gradien el.-kem. potenciala za A gradien el.-kem. potenciala za B znotraj saharoza aminokisline Cl -, NO 3-, H 2 PO 4 - Na -

40

41 prenašalec nitrata

42

43 Sekundarni aktivni transport je lahko gnan tudi z gradientom natrija.

44 Kinetika transporta preprosta difuzija - odvisna od koncentracijskega gradienta prenašalci - Michaelis-Menten-ova kinetika (V max, K m ) večfazna kinetika pri transportu ene snovi je udeleženih več transportnih mehanizmov koncentracijska odvisnost

45 Hitrost privzema saharoze (nmol na 10 6 celic na uro) Saharoza (mm) prenašalec z majhno afiniteto prenašalec z veliko afiniteto Saharoza (mm)

46 koncentracija KCl (mm) hitrost privzema K + (µmol g -1 h -1 )

47 Kinetika transporta z ABC transporterjem AtMRP2 linearni tetrapirol dinitrofenol - GSl

48 Genetika transportnih proteinov prenašalnim proteinom je pripada lep del genoma (H. influenzae = 10%) družine genov prenašalci z različno afiniteto do substrata - prenašane molekule različni tipi prenašalcev v različnih tkivih ekspresija genov za različne prenašalne proteine v različnih tipih celic.

49 1 µm 2 membrane: nekaj sto do nekaj tisoč črpalk 1-10 kanalčkov

50 Regulacija transpiracije Mehanizem delovanja listnih rež mehanizem odpiranja/zapiranja je sprememba Ψs (črpanje K + v celico) in posledično sprememba Ψp v celicah zapiralkah) [K + ] v celici Ψ s Ψ P odprtje reže [K + ] v celici Ψ s Ψ P zaprtje reže

51 H + ADP + Pi K + ATP H + Cl - K +

52

53 Kalijev kanalček KAT1 značilen za celice zapiralke v listnih režah struktura KAT1 lokalizacija KAT1 - Arabidopsis thaliana

54 Kalijev kanalček AKT1 značilen za korenine, hidatode struktura AKT1 lokalizacija AKT1

55

56

57

58 Dimenzije poti (apoplast, simplast), po katerih se premeščajo molekule, niso veliko večje od velikosti samih molekul

59 Plazmodezme

60 Plazmodezme