Мембранный транспорт

1.

Транспорт через мембрану

2.

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
РОЛЬ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ
• отграничить живое от неживого
• организовать внутри клетки компартменты с
различными свойствами
• контролировать проникновение в клетку и выход
из нее метаболитов
• служить запасом ряда биологически активных
соединений (арахидоната, холестерина, сфингозина,
инозитол-трис-фосфата)
• реагировать на внешние сигналы (хемо-, электро- и
механорецепторы)

3.

Полупроницаемый
барьер.

4.

Формирование дефектных зон в липидном
бислое лежит в основе неспецифической
диффузии

5.

Полупроницаемый
барьер.

6.

Содержание основных ионов (мМ) в клетках и
внеклеточной жидкости различных животных, в
сравнении с составом морской воды
Объект
Натрий
Калий
Кальций
Магний
Хлор
мышцы
27
101
1,5
11,0
16
плазма крови
145
6,2
3,1
1,6
116
мышцы
24
85
2,5
11,3
10
плазма крови
104
2,5
8,5
1,2
74
мышцы
81
101
3,7
12,7
93
плазма крови
525
12,2
11,6
57,2
480
Морская вода
440
9,5
9,6
56,0
535
Крыса
Лягушка
Осьминог

7.

8.

Транспортные белки: помпы, каналы,
транспортеры
Первичный,
активный
Вторичный,
пассивный

9.

Мембранные помпы
Источник
название
ион
распространение
Bacteriorhodopsin
H+
Halobacteria
Halorhodopsin
Cl-
Halobacteria
Photoredox
H+
Фотосинтезирую
энергии
Свет
Свет
щие организмы
Потенциал
Electron transport chain
H+
NADH oxidase
Митохондрии,
бактерии
Na+
Alkalophilic
bacteria
Декарбоксилир Ion-transporting
ование
decarboxylases
Пирофосфат
H+-pyrophosphatase
Na+
Бактерии
H+
Вакуоли
растений, грибы,
бактерии
ATP
Транспортные ATPазы
Йоны,
соли
универсальные

10.

Бактериородопсин
Энергия света
Halobacterium halobium

11.

Бактериородопсин
Glu204

12.

Родопсины.
bacteriorhodopsin
halorhodopsin
sensory rhodopsin
squid rhodopsin

13.

Типы насосов (транспортных АТФаз)
Семейство
АТФаз
Р-типа
Семейство
АТФаз АВС
Семейство
АТФаз F- и
V-типа

14.

4
Аспарагиновая кислота
1.
2.
3.
Конформация О – связывающий центр доступен для АДФ и Фн
Конформация L – связывание АДФ и Фн с низким сродством
Конформация Т – связывание АДФ и Фн с высоким сродством

15.

16.

17.

4
Аспарагиновая кислота
1.
2.
3.
2
Глутаминовая к-та
Конформация О – связывающий центр доступен для АДФ и Фн
Конформация L – связывание АДФ и Фн с низким сродством
Конформация Т – связывание АДФ и Фн с высоким сродством

18.

Роль АТФаз V-типа в обеспечении
функций различных клеток
Передача
сигнала,
рецепторы

19.

Помпы
Субъедин
ицы
Расположение
Субстрат
Na+K+ATPase
2
Плазматическая
мембрана
3 Na+ на 2 K+
H+K+ATPase
2
Плазматическая 1 H+ на 1 K+
мембрана клеток
кишечника и желудка
SERCA CaATPase
1
Саркоплазматический 2 Ca2+ на 2 H+
Снижение
ретикулум, ЭПР
концентрации Ca2+
в цитоплазме
PMCA CaATPase
1
H+-ATPase
1
Семейство P- ATPаз (Е1Е2)
Плазматическая
мембрана
1 Ca2+ на 1 H+
Плазматическая 1 H+
мембрана дрожжей,
растений, протозоа
Функции
Создание Na+, K+
градиента
Закисление среды
Снижение
концентрации Ca2+
в цитоплазме
Создание
протонного
градиента

20.

Р-АТФ-азы
Β-аспартил-фосфат
SERCA1

21.

P-класс
SERCA1
Модель активации
мышечной Ca2+ ATPase,
локализованной на
мембране
саркоплазматического
ретикулума

22.

P-класс
12mM
139mM
145mM
4mM

23.

P-класс
Структура Na,K-АТФазы
Участки гликозилирования
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
19 кДа фрагмент
Фосфорилируемый
домен
Активаторный
домен
Нуклеотид-связывающий
домен

24.

Модель рабоыты Na+/K+ ATPase на плазматической
мембране.

25.

Na,K –ATФаза ингибируется уабаином
В 1785 году Визеринг начал использовать листья наперстянки для лечения
сердечной недостаточности. Действующим началом являлся дигитоксин,
соединение, относящееся к сердечным гликозидам – группе стероидных Огликозидов. Наиболее известным соединением этого ряда является уабаин
Лактоновое
кольцо
сахар
(Digitalis purpurea)
Циклопентанпергидрофенантреновое ядро

26.

P4-ATPase, флиппаза

27.

Distribution of PS throughout the cell.

28.

ABC транспортеры
(ATP-Binding “Cassette”)

29.

ABC транспортеры
(ATP-Binding “Cassette”)

30.

Захват гистидина грамм-отрицательными бактериями
permease

31.

ABC транспортеры

32.

33.

Импорт

34.

Оперон
α-гемолизинE.coli
протеазы E. chrysanthemi
колицинVE.coli
субтилин B.subtilis
капсулярный полисахарид
E.coli
по M. Fathеt al., 1993

35.

помпа
субъединицы распределение
ABC транспортеры (ATP-Binding “Cassette”)
субстрат
функция
Лекарственные
препараты
Секреция ЛП
1
ПМ
CFTR
1
ПМ эпителиальных клеток ATP, Clвоздухоносных путей и
поджелудочной железы
Секреция Cl-
TAP1, 2
2
ЭПР
антигены
Транспорт
антигенов из ЦП в
ЭПР
MDR2
1
Апикальная ПМ
гепатоцитов
фосфатидилхолин
Фосфоглицеридфл
иппаза, секреция
желчи?
ПМ
Фосфатидилинозитол, Формирование
холестерин,
внеклеточных
фосфолипиды
ЛНП
ПМ дрожжей
феромон
Половое
размножение
ПМ бактерий
ПМ бактерий
ПМ бактерий
ПМ Escherichia coli
гистидин
фосфат
олигопептиды
Гемолизин А(107-kD
protein)
Захват гистидина
Захват фосфата
Захват белков
Захват гемолизина А
MDR1 Pglycoprotein
АВС-А1
STE6
HisQMP
PstSCAB
OppDFBCA
HlyB
1
4 + pp
4 + pp
4 + pp
2

36.

ABC транспортеры эукариот
АТФ-аза P типа
АТФ
ABC

37.

АВС-А1
и транспорт холестерола

38.

Множественная лекарственная устойчивость

39.

Множественная лекарственная устойчивость

40.

41.

42.

Pgp
MDR1

43.

MDR1

44.

МНС I

45.

Трансмембранный регулятор муковисцидоза
CFTP-cystic fibrosis transmembrane regulator
транспортер

46.

Основные классы АТФаз в клетках и болезни,
связанные с нарушением их функционирования

47.

Белки-переносчики
Движущими силами пассивного транспорта могут
служить следующие градиенты:
-концентрационный – для нейтральных молекул
-электрохимический – для ионов
-градиент гидростатического давления и
осмотический градиент – для воды

48.

Мембранные переносчики
major facilitator superfamily (MFS)

49.

Концентрация S определяет скорость связывания и
освобождения.
Лимитирующая стадия – скорость
конформационного изменения.
+заряд
102-104 мол/сек

50.

Carrier
Uniporters
GLUT1
GLUT4
Subunits
Distribution
Substrate
Function
1 × 12 helix
1 × 12 helix
эритроциты
Адипоциты,
мышцы
Glucose
Glucose
Glucose uptake
Insulin-responsive
glucose uptake
2 × 6 helix
митохондрии
H+
Uncoupling protein,
thermal regulation
1 or 2 × 12 helix
1 × 14 helix
Почка желудок
эритроциты
Na+/H+
HCO3-/Cl-
Acid-base balance
Acid-base balance
UhpT
1 × 12 helix
E. coli
Pi/glucose 6phosphate
Glucose 6-phosphate
uptake
NCE
1 × 12 helix
ANC
TPE
2 × 6 helix
2 × 7 helix
митохондрии
хлоропласты
ADP/ATP
Pi/2 PGA
ATP, ADP exchange
ATP generation
1 × 12 helix
1 × 12 helix
E. coli
Почка, желудок,
легкие
H+/lactose
Na+/K+/2 Cl-
Lactose uptake
NaCl regulation, fluid
secretion
1 × 14 helix
1 × 12 helix
желудок
нейроны
Na+/glucose
Na+/Cl-/γ-gammaaminobutyric acid
(GABA)
Glucose uptake
Neurotransmitter
reuptake
UCP
Antiporters
NHE-1
Band 3
Symporters
LacY
NKC1
SGLT1
Various
Table 9-1.
EXAMPLES OF CARRIER PROTEINS
Mышцы
3 Na+/Ca2+
Ca2+ homeostasis;
regulation of heart
contractility

51.

Унипорт
GLUT1 эритроциты

52.

Симпорт
SGLT1
желудок

53.

Симпорт
SGLT1
GLUT2
Унипорт

54.

Симпорт

55.

Примеры транспортеров симпортеров

56.

Примеры транспортеров симпортеров

57.

Антипорт

58.

Антипорт
ATP/ADP Транслоказа

59.

Примеры транспортеров антипортеров

60.

Антипорт
Na-Ca antiport
Кардиомиоциты

61.

Анионный транспорт через
мембрану эритроцита в
системном и легочном
капиллярах.

62.

Закисление полости желудка париетальными клетками.
P-class pump

63.

Транспорт йонов и сахарозы в
растительной вакуоли.
Мембрана вакуоли содержит 2
типа протонных помп:
V-class H+ ATPase и уникальную
pyrophosphate-hydrolyzing proton
pump.

64.

Ингибиторы белков-переносчиков
Agent
Target
Furosemide*
Na+/K+/2 Cl- symporter
Amiloride*
Na+/H+ antiporter
SITZ, DITZ
HCO3-/Cl- antiporter
Cytochalasin B
GLUT isoforms
Phloretin
GLUT isoforms
Phlorizin
SGLT isoforms

65.

Каналы

66.

Функции йонных каналов:
1.Регуляция водного обмена клетки: объём и тургор.
2. Регуляция pH: закисление и защелачивание.
3. Регуляция ионного обмена (обмен солей): изменение
внутриклеточного ионного состава и концентрации.
4. Создание и изменение мембранных потенциалов: потенциал покоя;
в возбудимых клетках - локальные потенциалы, потенциал действия.
5. Проведение возбуждения в возбудимых клетках: обеспечение
движения нервных импульсов.
6. Трансдукция в сенсорных рецепторах: преобразование раздражения
(стимула) в возбуждение.
7. Управление активностью клетки: за счёт обеспечения потоков
вторичного мессенджера - Са2+.

67.

Классификации каналов
1.
По строению (родству их химического строения и происхождения
образующих их белков). По строению (структуре) и по
происхождению от однотипных генов различные ИК объединяются
в отдельные семейства.
1.
По селективности (степени избирательной проницаемости к
определённым ионам). Натриевые, калиевые, хлорные и т.п.
3. По способу управления их состоянием. Потенциал-управляемые,
хемо-управляемые и т.д.
4. По связывающимся с ними лигандам (в том числе веществаммаркёрам) и т.д. Выделяют три семейства лиганд-активируемых
ИК: 1) семейство с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые),
2) с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонинрецепторами, 3) с глутаматными рецепторами.

68.

Строение канала.

69.

70.

71.

72.

Схема строения ионного канала
(на примере K+-канала Streptomyces lividans)
Сформирован из 4
TVGYG-мотивов
Открытие канала регулируется
внутриклеточным рН

73.

74.

Селективность
Na 0,095нм
К 0,13нм

75.

Селективность
Калиевый канал
Натриевый канал

76.

77.

78.

Управляемость
Каналы покоя
Воротные каналы
Неуправляемые, потенциал-управляемые, хемоуправляемые, стимулуправляемые, опосредованно-управляемые, актин-управляемые

79.

Управляемость
Са-активируемый К канал

80.

81.

NMDA-рецептор – пример лиганд-управляемого
ионного канала
Глутамат
NR2
NR1
N-метил-Dаспартат
(Carlson, 1998)
Гомоцистеин

82.

+2b субъединицы

83.

Потенциал-управляемый К канал

84.

1. Открытое. Канал открыт и через него происходит перемещение
ионов.
2. Закрытое. Канал закрыт и ионы не проходят через него.
3. Активированное. Канал может выполнять свои функции, т.е.
открываться и закрываться под действием его регуляторов
(управляющих веществ или электрических потенциалов).
4. Инактивированное. Канал не может выполнять свои функции, т.е.
открываться и закрываться, он "фиксируется" в каком-то одном
состоянии.
5. Блокированное. Канал перекрыт, инактивирован веществомантагонистом (блокатором), занявшем место управляющего вещества.
6. Модулированное . Канал изменяет свои обычные свойства под
действием фосфорилирования - присоединения к какому-то его
участку фосфатного остатка.

85.

Активация
Инактивация:
Быстрая
Медленная

86.

Тетродотоксин: токсин рыбы фугу.
Блокатор Na-каналов

87.

Динофлагелляты: водоросли, ответственные за
образование «красных приливов»
Сакситоксин блокирует потенциал-зависимые Na-каналы

88.

Тубокурарин (кураре)
Тубокурарин – блокирует натриевый канал,
чувствительный к ацетилхолину

89.

Дендротоксин из яда черной мамбы
Дендротоксин – блокатор потенциал-зависимых
калиевых каналов

90.

Ингибиторы каналов
Compound (Chemical Class)
Sodium Channel Blockers
Source
Physiological Effect
Tetrodotoxin (alkaloid)
Japanese puffer fish
Paralyzes skeletal muscle
Saxitoxin (alkaloid)
Dinoflagellates
Paralyzes skeletal muscle
μ-Conotoxins (peptide)
Batrachotoxin (alkaloid)
Maine snails
Arrow poison frogs
Paralyzes skeletal muscle
Opens Na-channels, paralyzes skeletal muscle
Lidocaine
Chemical synthesis
Reduces cardiac and nerve excitability
Chemical synthesis
Scorpions
Blocks K-currents, increases nerve excitability
Blocks K-currents, increases nerve excitability
Dihydropyridines
Chemical synthesis
Reduces excitability of L-type channels of
striated muscles
ω-conotoxin (peptide)
Pacific cone snail
Inhibits nervous system N-type channels; blocks
synaptic transmission
Nicotinic Acetylcholine Receptor
α-Bungarotoxin (peptide)
Snake, Bungaris multicinctus
Blocks neuromuscular transmission; paralyzes
skeletal muscle
α-Cobra toxin
Cobra
Blocks neuromuscular transmission; paralyzes
skeletal muscle
Curare
Plant, strychnos toxifera
Blocks neuromuscular transmission; paralyzes
skeletal muscle
Potassium Channel Blockers
Quaternary amino alkanes
Scorpion toxin
Calcium Channel Blockers

91.

Мутации в генах, кодирующих каналы,
вызывают заболевания

92.

Ионофоры
Valinomycin
Nigericin
Gramicidin
Carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP)

93.

Порины
OmpF, OmpC, PhoE

94.

Порины

95.

Порины
Рorin superfamily I
The mitochondrial and plastid porin (MPP)
Porin Superfamily II (MspA Superfamily)
1.B.24 - The Mycobacterial Porin (MBP) Family
1.B.58 - Nocardial Hetero-oligomeric Cell Wall Channel (NfpA/B) Family
Porin Superfamily III
1.B.28 - The Plastid Outer Envelope Porin of 24 kDa (OEP24) Family
1.B.47 - The Plastid Outer Envelope Porin of 37 kDa (OEP37) Family
Porin Superfamily IV
(Tim17/OEP16/PxMPL (TOP) Superfamily)
This superfamily includes protein that comprise pores in multicomponent protein translocases
as follows:
3.A.8 - [Tim17 Tim22 Tim23; 1.B.69 - PXMP4 PMP24 ; 3.D.9 - NDH 21.3 kDa component
1.B.30 - The Plastid Outer Envelope Porin of 16 kDa (OEP16) Family
1.B.69 - The Peroxysomal Membrane Porin 4 (PxMP4) Family
3.A.8 - The Mitochondrial Protein Translocase (MPT) Family
Porin Superfamily V (Corynebacterial PorA/PorH Superfamily)
1.B.34 - The Corynebacterial Porin A (PorA) Family 1.B.59 - The Outer Membrane Porin,
PorH (PorH) Family

96.

Биогенез поринов.

97.

Биогенез поринов.
E. coli
N. meningitidis
mitochondriа

98.

Порины в митохондриях
voltage-dependent anion channel (VDAC)

99.

Порины в митохондриях

100.

Аквапорин
Аквапорин 1 из эритроцитов
Молекулярная масса ~30 kDa
В мембране в виде тетрамеров

101.

The end