Membranski kanali i pumpe

Question 1

Zbog čega dolazi do gibanja otopljene tvari korz propusnu membranu?

Answer 1

Zbog elektrokemijskog gradijenta/potencijala koji je kombinacija električnog i kemijskog gradijenta

Kemijski gradijent - razlika u koncentraciji otopljene tvari između dva odjeljka

Električni gradijent ili membranski potencijal - nastaje kada su ioni suprotnog naboja odvojeni propusnom membranom te dolazi do separacije naboja

Question 2

Do kojih energetskih promjena dolazi prolaskom hidrofilne tvari kroz biološku membranu?

Answer 2

Prvo je potrebno utrošiti energiju za dehidrataciju molekule (nepovoljno), ali se ta energija dobiva natrag izlazom spoja iz membrane

Ta energija je jako visoka te je membrana skoro nepropusna za polarne/nabijene tvari

Question 3

Što su transporteri i kako se dijele?

Answer 3

To su proteini koji potpomažu difuziju polarnih i nabijenih molekula kroz membranu

Dijele se na kanale i prenositelje

Question 4

Objasni podjelu prenositelja transportera

Answer 4

Primarni aktivni prenositelji/pumpe
Koriste energiju neke kemijske reakcije za prijenos tvari usprkos gradijentu

Sekundarni aktivni prenositelji/pumpe
koriste energiju prijenosa neke tvare uz smjer gradijenta za prijenos tvari usprkos gradijenta

Pasivni prenositelji
prenose tvari u smjeru gradijenta

Question 5

Objasni razliku između kanala i prenositelja

Answer 5

Kanali 
puno brža brzina difuzije
manja stereoselektivnost
ne pokazuju efekt zasićenja supstratom
oligomerni proteini

Prenositelji
kataliziraju prijelaz preko membrane ali puno sporije
pokazuju efekt zasićenja
visok stupanj stereoselektivnosti
preferentno monomerni proteini

Question 6

Koje su vrste prijenosa s obzirom na broj supstrata koji se prenosi?

Answer 6

Uniport - samo jedan supstrat
Simport - dva supstrata u istom smjeru
Antiport - dva supstrata u suprotnom smjeru

Question 7

Navedi primjer pasivnog prenositelja i opiši ga

Answer 7

Prenositelj glukoze u eritrocite - GLUT1

Ima 12 transmembranskih zavojnica, C i N kraj su orijentirani prema unutrašnjosti membrane, a tih 12 zavojnica stvaraju kanal koji je s vanjske strane hidrofoban(za vezanje na membranu) te unutar hidrofilan (za prolaz glukoze)

Question 8

Opiši kinetiku prijenosa glukoze u eritrocite

Answer 8

Prijenos glukoze se po analogiji može opisati kao enzimska reakcija s 4 ravnotežne reakcije te određivanjem ovisnosti Vo o c(S) se dobiva hiperbola kao kod MM kinetike -> dolazi do efekta zasićenja

Question 9

Opiši mehanizam prijenosa glukoze u eritrocite pomoću GLUT1

Answer 9

T1 i T2 konformacije - specifične za D-glukozu
T1 - vezno mjesto za glukozu na vanjskoj strani stanične membrane
T2 - vezno mjesto za glukozu na unutarnjoj strani membrane

Glukoza se veže na T1 konformaciju, koja se zatim prebacuje u T2 konformaciju te dolazi do disocijacije glukoze unutar stanice te onda “prazna” T2 konformacija prelazi u T1 konformaciju

Iako su ove reakcije sve reverzibilne, zbog gradijenta pri staničnim uvjetima, moguć je samo prijenos glukoze u stanicu te je nemoguće akumulirati više glukoze unutar nego izvan stanice

Važno je primjetiti mogućnost zasićenja enzima supstratom

Question 10

Koji sve prenositelji glukoze postoji i kako se razlikuju

Answer 10

Ima ih 4 i tkivno su specifični, razlikuju se po Km za glukozu

GLUT1 - eritrociti - Km=1,5mM
GLUT2 - jetra - Km=66mM
Ima veliki Km jer u slučajevima kada je niska koncentracija glukoze, jetra treba raznositi glukozu do ostalih tkiva
GLUT3 - mozak - Km=1,5mM
GLUT4 - srce/mišići/adipociti - osjetljiv na inzulin

Question 11

Kako inzulin utječe na aktivnost GLUT4?

Answer 11

Pri velikoj koncentraciji glukoze u krvi (obrok bogat ugljikohidratima) dolazi do lučenja inzulina koji aktivira GLUT4 koji omogućava unos glukoze u miocite i adipocite

Inzulin potiče integraciju GLUT4 u staničnu membranu (prvotno se nalaze u malim vezikulama unutar membrane) te nakon opadanja razine inzulina, dolazi do endocitoze koja rezultira vraćanjem GLUT4 u vezikule

Question 12

Opiši podjelu obitelji primarnih aktivnih prenositelja -ATPaza

Answer 12

To je skupina proteina koja katalizira aktivni prijenos iona uz hidrolizu ATP-a

tip P - sudjeluju u aktivnom prijenosu kationa u stanici -> P je zbog reverzibilne fosforilacije

tip F - sudjeluju u reakcijama koje služe za dobivanje energije u mitohondrijima (prijenos protona), bakteirjama i kloroplastima -> F zbog energy-coupling Factor

tip V - slične tipu F te služe za povećanje koncentracije H+ u staničnim odjeljcima -> V zbog vakuolarni

Question 13

Opiši Ca(2+) ATP-azu endoplazmatskog retikuluma

Answer 13

To je ATP-aza P tipa, uniporter je za ione Ca(2+) te održava konentraciju kalcija u citosolu ispod mikroM

U svakom ciklusu, prenose se dva Ca(2+) te se hidrolizira jedan ATP

To je transmembranski protein koji se sastoji od 10 transmembranskih zavojnica i 3 citoplazmatske domene - ATP vezna domena, P domena (događa se fosforilacija) i actuatorska domena (fosfatazna aktivnost)

Question 14

Opiši mehanizam Ca(2+) ATP-aze

Answer 14

E1 konformacija - nesfosforilirana, visok afinitet za kalcij i ima dva vezna mjesta za Ca izložena prema citosolu

Nakon vezanja Ca(2+), fosforilacijom Aspartata pomoću hidrolize ATP-a dolazi do promjene konformacije u E2 koja ima niski afinitet prema kalciju te su mjesta otvorena prema lumenu sarkoplazmatskog/endoplazmatskog retikuluma te se ioni otpuštaju

Question 15

Opiši Na+K+ pumpu

Answer 15

ATP-aza P tipa - kotransporter za K+ i Na+ kontra gradijenta

Važna je za održavanje niske c(Na+) i visoke (K+) unutar stanice, tj održavanje elektrokemijskog gradijenta stanice

Za svaki hidrolizirani ATP, 2 K+ ulaze, a 3 Na+ izlaze iz stanice

Question 16

Opiši mehanizam Na+K+ pumpe

Answer 16

3 Na+ se vežu na defosforilirani enzim s unutarnje strane stanice te dolazi do fosforilacije pomoću hidrolize ATP-a te promjene konformacije prema van gdje se otpušta 3Na+ i veže 2K+ te defosforlacijom se enzim otvara prema unutrašnjoj strani stanice te otpušta 2K+

Question 17

Opiši strukturu i ulogu ATP-aza tipa F

Answer 17

Katalizira prijenos protona kontra gradijenta, kojeg pokreće hidroliza ATP-a, ali je moguća i obrnuta reakcija uz dovoljno veliki protonski gradijent te se ATP-aza tipa F naziva ATP sintaza

F0 integralni membranski proteinski kompleks osigurava transmembranski kanal za protone

F1 periferni protein koristi energiju hidrolize ATP-a za prijenos protona kontra gradijenta

ATP sintaza je jako važna za biosintezu ATPa u mitohondrijima/kloroplastima

Question 18

Opiši ABC (ATP-binding cassette) prenositelje

Answer 18

To je velika obitelj pumpi ovisnih o ATP-u koji prenose AK, peptide, proteine, metalne ione, lipide, žučne soli itd.

Sastoje se od 2x6 transmembranskih zavojnica i 2xcitosolne ATP-vezne domene(cassette)

Question 19

Opiši ulogu prenositelja laktoze

Answer 19

To je kotransporter(simporter) koji koristi gradijent H+ da uvodi laktozu unutar stanice

Prenositelj laktoze je spregnut s protonskom pumpom koja odvozi H+ izvan stanice kontra gradijenta da upostavi kemijski gradijent potreban za prenositelj laktoze

U odsutnosti tog gradijenta, dolazi do izjednačavanja koncentracije laktoze jer aktivni transporter sad postaje pasivni

Question 20

Opiši strukturu i mehanizam prenositelja laktoze

Answer 20

Sastoji se od polipeptidnog lanca s 12 transmembranskih regija

E1 - veliki afinitet za laktozu, otvoreno prema vanjskoj strani stanice

E2 - nizak afinitet za laktozu, otvoreno prema unutrašnjoj strani stanice

Vezanjem i laktoze i H+ dolazi do promjene konformacije

Question 21

Opiši Na+ glukoza simporter

Answer 21

To je enzim u epitelnim stanicama crijeva koji prenosi 2Na+ i glukozu unutar stanice

Za prijenos glukoze u stanicu se koristi energija elektrokemijskog potencijala Na+ (zbog elektrokemijskog gradijenta uspostavljenog Na+K+ pumpom)

Question 22

Što su ionofori?

Answer 22

Organske molekule koje prenose ione preko stanične membrane te narušavaju elektrokemijski gradijent

Letalni su za stanicu

Npr. antibiotici valinomicin i gramicidin A

Valinomicin veže K+ kojeg iznosi izvan stanice niz koncentracijski gradijent

Mogu biti mobilni (nosači) ili kanalnog tipa

Question 23

Kako se regulira aktivnost ionskih kanala?

Answer 23

Zatvaranjem i otvaranjem, to je uzrokovano ili vezanjem liganada ili zbog membranskog potencijala te su te promjene jako brze

Question 24

Što su akvaporini?

Answer 24

To su kanali za prijenos vode

Nalate se u svim plazma membrana svih organizama i imaju jako visok obrtni broj

Visoko su specifični - propuštaju vodu, ali ne i H3O+ (zbog arginina, histidina i dipola alfa- zavojnice)

Question 25

Opiši strukturu i način djelovanja akvaporina

Answer 25

Sastoji se od 4 ista monomera, a svaki monomer ima 6 transmembranskih zavojnica te 2 kraće zavojnice i jednu transmembransku poru

Kanal se sužava na 2,8 angstrema u sredini tako da ograniči veličinu molekule koja može proći

Karbonili peptidnih veza i Asparagini ostvaruju vodikove veze s molekulom vode

Prijenos protona se sprječava - argininom i histidinom, električni dipol alfa zavojnica te sama struktura zavojnice spriječava stvaranje lanca molekula vode (Grotthussov mehanizam)

Question 26

Opiši strukturu kanala za ione kalija

Answer 26

Četiri identične transmembranske podjedinice koje formiraju strukturu stošca -> širi dio je okrenut prema vanjskom dijelu membrane

Visoko je specifičan za K+ ->10000puta brže prolazi nego Na+

Omogućava difundiranje K+ iz citoplazme u izvanstanični prostor

Question 27

Kako se ostvaruje specifičnost kanala prema kaliju?

Answer 27

Atomi karbonilnih kisika iz kanala “zamjenjuju” molekule vode u hidratacijskoj sferi kalija te se stvara koordinacijska sfera za kretanje K+

Ne dolazi do ovakvih interakcija s Na+ zbog manje veličine iona

Zbog elektrostatskog odbijanja K+, moguće je samo popuniti ili 1. i 3. mjesto i 2. i 4. mjesto u kanalu

Question 28

Kako se regulira otvaranje kanala za ione kalija?

Answer 28

Promjenom membranskog potencijala

Transmembranske zavojnice sadrže četiri ostatka Arginina koji su osjetljivi na promjenu potencijala, ako dođe do pozitivnog naboja na tim ostatcima, događa se konformacijska promjena zavojnica