Μεταφορά μικρών μορίων διαμέσου των μεμβρανών

Παρουσίαση με θέμα: "Μεταφορά μικρών μορίων διαμέσου των μεμβρανών"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Μεταφορά μικρών μορίων διαμέσου των μεμβρανών
Φυσιολογία Μεμβρανών 2009 Μεταφορά μικρών μορίων διαμέσου των μεμβρανών Μέρος II : Βασικές Αρχές Ε. Κωλέττας Επίκουρος Καθηγητής Φυσιολογίας με έμφαση στη Μοριακή Φυσιολογία Μονάδα Κυτταρικής και Μοριακής Φυσιολογίας Εργαστήριο Φυσιολογίας Ιατρική Σχολή Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

2 Στόχοι 1. Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τρόποι διαμεμβρανικής μεταφοράς
μορίων/ιόντων. 2. Ποιες είναι οι δύο προϋποθέσεις για να διεξαχθεί η μεταφορά. 3. Να κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ διάχυσης (ή μεταφοράς) και ενεργούς μεταφοράς. 4. Να κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ απλής ή παθητικής διάχυσης (ή μεταφοράς) και διευκολυνόμενης διάχυσης (ή μεταφοράς). 5. Ποιοι είναι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διαπερατότητα των μεμβρανών. 6. Να καταστεί δυνατή η περιγραφή ενός μοντέλου απλού διαμεμβρανικού μεταφορέα . 7. Να κατανοηθεί ο τρόπος λειτουργίας των ιοντοφόρων (ή ιονοφόρων). 8. Να καταστεί δυνατός ο διαχωρισμός, με παραδείγματα, μεταξύ των πρωτεϊνών διαμεμβρανικής μεταφοράς - διαύλων και μεταφορέων.

3 Γιατί οι διαμεμβρανικοί μεταφορείς
είναι σημαντικοί;

4 Έχουν χαρακτηρισθεί ~200 οικογένειες μεταφορέων
Η συστηματική ανάλυση διαφόρων γονιδιωμάτων έδειξε ότι περίπου το 10% όλων των πρωτεϊνών εμπλέκονται στη μεταφορά (Στο βακτήριο E. coli υπάρχουν 427 μεταφορείς) Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα 2/3 της κυτταρικής ενέργειας σε ηρεμία καταναλώνεται για τη μεταφορά ιόντων (H+, K+, Na+, Ca++) Έχουν χαρακτηρισθεί ~200 οικογένειες μεταφορέων Η μεγαλύτερη οικογένεια είναι: η οικογένεια των μεταφορέων ABC (ABC-transporters)

5 Η πρωτεΐνη ATP7B υπεύθυνη για τη νόσο του Wilson (Wilson’s disease) είναι ο κύριος ρυθμιστής της συγκέντρωσης ιόντων χαλκού στο ήπαρ Φυσιολογικό ήπαρ Cu2+ Ήπαρ ATP7B -/-

6 Διαμεμβρανική Μεταφορά και Νόσοι
Κυστική Ίνωση και ο Διαμεμβρανικός ρυθμιστής της αγωγιμότητας κατά την κυστική ίνωση [Cystic Fibrosis (CF) και Cystic Fibrosis transmembrane Conductance Regulator (CFTR): [Είναι η συχνότερη θανατηφόρος νόσος κατά την παιδική ηλικία σε Καυκάσιους (Caucasian populations)]. Ανωμαλία στην έκκριση βλέννας και παγκρεατικών ενζύμων που οδηγεί σε βακτηριακές μολύνσεις, αναπνευστική και διατροφική ανεπάρκεια και ανδρική στειρότητα. Φυσιολογικά CTFR ρυθμίζει τους διαύλους Cl- στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων των εξωκρινών αδένων. Η μεταλλαγμένη μορφή της CTFR καθιστά τους διαύλους μη-διαπερατούς στα ιόντα Cl-. Επειδή η μεταφορά Cl- συνδέεται με τη μεταφορά Na+ και με τη σειρά τους με τη μεταφορά H2O, ασθενείς CF δεν εκκρίνουν επαρκείς ποσότητες NaCl και H2O και επομένως εκκρίνουν παχύρευστη βλέννα η οποία παρεμποδίζει τις αναπνευστικές διόδους στον πνεύμονα που χάνει προοδευτικά την ελαστικότητα και γίνεται ινώδης. Όμοια, η παχύρευστη βλέννα παρεμποδίζει τη ροή των παγκρεατικών εκκρίσεων διαμέσου του παγκρεατικού πόρου. Ανωμαλίες στη μεταφορά Χολικών αλάτων (Bile Salts): Διάφοροι μεταφορείς ABC που εκφράζονται ειδικά στο ήπαρ, εμπλέκονται στην έκκριση των συστατικών της χολής, και είναι υπεύθυνοι για διάφορες μορφές προοδευτικής συγγενούς ενδο-ηπατικής χολόστασης (progressive familial intrahepatic cholestasis), που οδηγεί σε ηπατική κίρρωση και ανεπάρκεια.

7 Διαμεμβρανική Μεταφορά και Νόσοι
Εκφυλισμός του αμφιβληστροειδούς χιτώνα: Η πρωτεΐνη ABCA4 μεταφέρει παράγωγα της ρετινόλης (Βιταμίνης Α) από τους φωτο-ϋποδοχείς στο κυτταρόπλασμα. Η απώλεια της λειτουργίας της ABCA4 οδηγεί σε μελαγχρωματκή αμφιβληστροειδίτιδα (retinitis pigmentosa) και σε κηλιδώδη δυστροφία (macular dystrophy) με αποτέλεσμα τη απώλεια της όρασης. Ομοιόσταση Σιδήρου στα Μιτοχόνδρια: Η πρωτεΐνη ABCB7 εμπλέκεται στην ομοιόσταση του σιδήρου στα μιτοχόνδρια. Δύο χαρακτηριστικές παρανοηματικές (missense) του γονιδίου της ABCB7 σχετίζονται με την X-συνδεόμενη σιδηροβλαστική αναιμία και αταξία. Πολυφαρμακευτική αντίσταση (Multidrug Resistance; MDR): Υπάρχουν τουλάχιστον 6 μεταφορείς ABC που εμπλέκονται στη μεταφορά φαρμάκων και παίζουν σημαντικό ρόλο στην MDR. Μεταλλάξεις στα γονίδια τους (πχ MDR1 & MDR2) συνδέονται με φαινόμενα ανοχής έναντι φαρμάκων που χρησιμοποιούνται στη χημειοθεραπεία καρκινοπαθών. Μεταφορέας Γλουταμινικού οξέος (EAAT2): Λειτουργική ανεπάρκεια του μεταφορέα στο κεντρικό νευρικό σύστημα συνδέεται με νευροεκφυλιστικές παθήσεις όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση ή η Νόσος του Huntington. Μεταφορέας Γλυκόζης/Νατρίου (SGLT1) του εντερικού επιθηλίου ευθύνεται για το σύνδρομο δυσαπορρόφησης γλυκόζης – γαλακτόζης.

8 Οι μεταφορείς διαφέρουν σημαντικά ως προς την αρχιτεκτονική και το μέγεθος τους: Από μικρά οργανικά μόρια και πεπτίδια σε πολύ-πρωτεϊνικά συμπλέγματα (τα συμπλέγματα των ATPασών τύπου V και Fo μπορεί να έχουν περισσότερες από 10 υπομονάδες). Το μέγεθος του καθενός μορίου μπορεί να είναι μεγάλο και να αποτελείται από 5000 κατάλοιπα αμινοξέων (Ryanodine receptor). Που απαντώνται οι μεταφορείς: Μερικοί μεταφορείς απαντώνται σε όλους τους οργανισμούς (υδροπορίνες, μεταφορείς γλυκερόλης, ATPάσες μεταφοράς χαλκού), άλλοι απαντώνται σε μερικούς οργανισμούς (Βακτήρια και ζυμομύκητες δε έχουν ATPάση Na+/K+, ενός μεταφορέα εν αφθονία σε ανώτερα ευκαρυωτικά; Αντίθετα μόνον τα βακτηριακά κύτταρα φέρουν το σύστημα της φωσφομεταφοράσης του φωσφο-ενολο-πυροσταφυλικού) [Phosphoenolpyruvate-dependent phosphotranspherase system) Οι μεταφορείς έχουν διττές λειτουργίες: Δρουν ως ένζυμα ή υποδοχείς, επιπλέον της λειτουργίας τους ως διαμεμβρανικοί μεταφορείς.

9 Μολονότι οι διαμεμβρανικοί μεταφορείς διαφέρουν μεταξύ τους, λειτουργούν βάση κοινών αρχών για να μεταφέρουν ιόντα και μόρια διαμέσου των μεμβρανών

10 Κύριοι Τρόποι Διαμεμβρανικής Μεταφοράς
I. ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ή ΔΙΑΧΥΣΗ (PASSIVE DIFFUSION or TRANSPORT) (α) Απλή Διάχυση (Simple Diffusion or Passive diffusion) (β) Διευκολυνόμενη Μεταφορά (Facilitated diffusion or Transport) II. ΕΝΕΡΓΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (ACTIVE TRANSPORT ) (α) Πρωτογενής ενεργός μεταφορά (β) Δευτερογενής ενεργός μεταφορά

11 I. Παθητική Μεταφορά ή Διάχυση
(α) Απλή Διάχυση (Simple Diffusion or Passive Diffusion) (β) Διευκολυνόμενη Μεταφορά (Facilitated Diffusion or Transport)

12 I. Παθητική Μεταφορά ή Διάχυση
(α) Απλή Διάχυση (Simple Diffusion or Passive diffusion) ● Δεν απαιτεί μεταφορέα: Ουσίες μεταφέρονται διαμέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας των μεμβρανών με διάχυση ● Μεταφορά διεξάγεται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχές χαμηλής συγκέντρωση (δηλ. προς τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης των μορίων) Η απλή διάχυση είναι μια τυχαία διαδικασία που οδηγεί στην καθαρή μετακίνηση ουσιών από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης. Η κατεύθυνση της κίνησης διαμέσου της μεμβράνης καθορίζεται από τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης της ουσίας στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η κίνηση οδηγεί σε ισορροπία και είναι μια εξεργονική διαδικασία.

13

14 ● Εκλεκτική διαπερατότητα
Οφείλεται στην επιλεκτικότητα της λιπιδικής διπλοστιβάδας των μεμβρανών: Επιτρέπεται η μεταφορά υδρόφοβων μορίων και μικρών μη-ιοντισμένων μορίων (CO2, H2O). Δεν επιτρέπεται η διάχυση μεγάλων πολικών μορίων (π.χ. σακχάρων) ή ιόντων ανεξάρτητα από το μέγεθος τους. Επομένως, η λιπιδική διπλοστιβάδα των μεμβρανών εμφανίζει εκλεκτική διαπερατότητα η οποία επιτρέπει την είσοδο μικρών η υδρόφοβων μορίων, παρεμποδίζοντας την είσοδο μεγάλων πολικών και μικρών ιοντισμένων μορίων.

15 Η ώσμωση (μετακίνηση H2O) είναι μια μορφή απλής διάχυσης
Πως τα υποτονικά, υπερτονικά και ισοτονικά διαλύματα επηρεάζουν την κίνηση του νερού σε ένα κύτταρο; Υπερτονικό διάλυμα: Η συγκέντρωση μιας ουσίας είναι μεγαλύτερη από εκείνη μέσα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Όταν ένα κύτταρο τοποθετείται σε υπερτονικό διάλυμα, τότε το H2O μετακινείται έξω από το κύτταρο προκαλώντας τη συρρίκνωση του. Υποτονικό διάλυμα: Διάλυμα με συγκέντρωση άλατος μικρότερη εκείνης μέσα στο κύτταρο. Όταν ένα κύτταρο τοποθετείται σε υποτονικό διάλυμα, τότε το H2O μετακινείται μέσα στο κύτταρο προκαλώντας τη διόγκωση του. Ισοτονικό διάλυμα: Διάλυμα με ίση συγκέντρωση άλατος με εκείνη μέσα του κυττάρου ή του αίματος. Όταν ένα κύτταρο τοποθετείται σε ισοτονικό διάλυμα, τότε το H2O μετακινείται μέσα και έξω από το κύτταρο με τον ίδιο ρυθμό.

16

17 I. Παθητική Μεταφορά ή Διάχυση
(β) Διευκολυνόμενη Μεταφορά (Facilitated Diffusion or Transport) ● Διεξάγεται από διαμεβρανικούς μεταφορείς [πρωτεΐνες, και άλλους χαμηλού μοριακού βάρους μεταφορείς] (Carriers and Channels) Κινητοί μεταφορείς (Mobile carriers) - Ιονοφόρα (Βαλινομυκίνη, Δινιτροφαινόλη κλπ) Πρωτεϊνικοί μετατοπιστές (Protein-translocators) (Band 3, πορίνες, μεταφορέας γλυκόζης στα ερυθροκύτταρα) Δίαυλοι ή πόροι (Channels) Ιονοφόρα που σχηματίζουν διαύλους (Γραμισιδίνη) Δίαυλοι δυναμικού [Voltage-gated channels (Δίαυλοι ιόντων Na+-, K+- και Ca2+) Δίαυλοι που ενεργοποιούνται από προσδέτη (Ligand-gated channels) Μηχανο-ευαίσθητοι δίαυλοι Τα ιονοφόρα (αντιβιοτικά μικροοργανισμών) καταστρέφουν τις διαβαθμίσεις συγκεντρώσεων απαραίτητες για κυτταρικές λειτουργίες και επομένως δρουν ως δηλητήρια. Κινητός μεταφορέας Δίαυλος

18 ● Δεν απαιτεί ενέργεια (ATP).
● H μεταφορά των μορίων (Ιόντων, μη-φορτισμένων οργανικών ενώσεων, και μερικών πρωτεΐνών) διεξάγεται προς τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης της ουσίας, (δηλαδή από τη πλευρά μεγαλύτερης συγκέντρωσης προς την πλευρά μικρότερης συγκέντρωσης) με τη βοήθεια ενός μεταφορέα, μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία. Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι Διευκολυνόμενης μεταφοράς: Διευκολυνόμενη Διάχυση (Facilitated diffusion) and Ενεργός Μεταφορά (Active transport). Ενώ η πρώτη δεν απαιτεί ενέργεια, η δεύτερη απαιτεί ATP.

19 Μεταθετοί Μεταφορείς (Mobile carriers) ή Ιονοφόρα ή Ιοντοφόρα (iIonophores) Μεταφορείς μη-πρωτεϊνικών μορίων και μικρών οργανικών μορίων Τα ιονοφόρα εξυπηρετούν απλά μοντέλα για την ανάλυση των μηχανισμών της διαμεμβρανικής μεταφοράς. Μεταφέρουν ιόντα προς την κατεύθυνση της διαβάθμισης της συγκέντρωσης τους και διαμορφώνουν ισορροπίες (equilibrium), και συχνά χρησιμοποιούνται ως εργαλεία για την ανάλυση της μεταφοράς ιόντων και ιδιοτήτων τους. Ένας αριθμός αντιβιοτικών λειτουργούν ως ιονοφόρα. Χαρακτηριστικά: Έχουν δύο μορφές με διαφορετική υδροφοβικότητα: Μια υδρόφιλη μορφή που δεν φέρει ιόν (hydrophylic ion-free form) και μια λιποδιαλυτή μορφή που φέρει ιόν (lipid-soluble ion-bound form)

20 Η υψηλή επιλεκτικότητα της βαλινομυκίνης για τα ιόντα K+ οφείλεται:
α) Τέλεια προσαρμογή στη σφαίρα συντονισμού (coordination sphere) β) στην ευνοϊκά ενεργητικά μορφή (Η ακτίνα του ιόντος K+ είναι Å, ενώ του Na+ είναι μικρότερη 0.095, αλλά η ελεύθερη ενέργεια ενυδάτωσης είναι υψηλότερη για το ιόν Na+ (300 kJ/mol) από ότι για το ιόν K+ (230 kJ/mol), και επομένως απαιτείται περισσότερο ενέργεια για την αφυδάτωση του Na+) Αυτές οι δύο βασικές αρχές της επιλεκτικότητα των ιόντων εφαρμόζονται και από άλλους πιο πολύπλοκους μεταφορείς!

21 Βαλινομυκίνη (Valinomycin)
Ιονοφόρο καλίου Δωδεκαδεψιπεπτίδιο (φέρει πεπτιδικό & εστερικό δεσμό). Έχει κυκλική δομή και αποτελείται από μια αλληλουχία 4 μονάδων που επαναλαμβάνεται 3 φορές. Βρίσκεται σε 2 μορφές με διαφορετική υδροφοβικότητα. Καταστρέφει τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης των ιόντων K+ χωρίς να επηρεάζει το ΔpH Αυξάνει τη διαπερατότητα των ιόντων K+ κατά 10,000 K+/sec Είναι πολύ επιλεκτικός για K+

22 Δίαυλοι Αυξάνουν πάρα πολύ τη διαπερατότητα του μεταφερόμενου μορίου
Έχουν τον υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς μεταξύ των μεταφορέων, ιόντα/sec Βαλινομυκίνη [μεταφορέας] μεταφέρει μέχρι 104 K+/sec Γραμισιδίνη (gramicidin) [δίαυλος]: η διαπερατότητα είναι μέχρι 107 K+/sec Η μεταφορά διαμέσου των διαύλων δεν επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, ενώ η διευκολυνόμενη μεταφορά που διεξάγεται από μεταθετούς μεταφορείς εξαρτάται από τη θερμοκρασία Η επιλεκτικότητα των διαύλων διαφέρει για τα μεταφερόμενα μόρια. Ως κανόνας, οι δίαυλοι με δομές β-πτυχωτής (πόροι και πορίνες) και οι δίαυλοι αντιβιοτικών είναι λιγότερο επιλεκτικοί και δεν υπόκεινται σε ισχυρή ρύθμιση, σε αντίθεση με τους διαύλους που φέρουν δομές α-έλικας.

23 “Απλοί” Δίαυλοι Γραμισιδίνη A:
Δεκαπενταμερές πολυπεπτίδιο που αποτελείται από εναλλασόμενα L και D αμινοξέα Σχηματίζει β-έλικα (6,7 κατάλοιπα αμινοξέων ανά περιστροφή), που στη συνέχεια διμερίζεται με διαμόρφωση κεφαλή-προς-κεφαλή με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των N-φορμυλο-τελικών κατάλοιπων, διασχίζωντας έτσι τη μεμβράνη. Η διάμετρος του πόρου είναι 4 Å. Αυξάνει σημαντικά τη διαπερατότητα μονοσθενών, και όχι δισθενών, κατιόντων; δηλ. είναι λιγότερο επιλεκτική από τη βαλινομυκίνη, αλλά περισσότερο διαπερατή.

24 Η υδρόφοβη πλευρική αλυσίδα της γραμισιδίνης αλληλεπιδράει με τη διπλοστιβάδα λιπιδίων, ενώ οι πολικές καρβονυλικές ομάδες επικαλύπτουν τον υδρόφιλο πόρο και ελέγχουν παροδικά τη δίοδο του κατιόντος όταν διαπερνά διαμέσου του διαύλου – όμοια με τη δομή των περισσοτέρων πολύπλοκων διαύλων

25 Διευκολυνόμενη Μεταφορά Γλυκόζης διευκολύνει τη μεταφορά γλυκόζης ~50,000 φορές
Ο μεταφορέας γλυκόζης στα ερυθροκύτταρα είναι μια γλυκοπρωτεΐνη 55 kDa που φέρει 12 διαμεμβρανικά τμήματα Η λειτουργία του μεταφορέα βασίζεται σε ένα μηχανισμό ‘εναλλαγής της διαμόρφωσης’ [“alternating conformation” mechanism] Η μεταφορά της γλυκόζης μπορεί να διεξαχθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις και ο σκοπός που εξυπηρετεί είναι να εξισορροπήσει τη συγκέντρωση της γλυκόζης μέσα και έξω από τη μεμβράνη

26 ΕΝΕΡΓΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Απαιτείται ενέργεια υπό τη μορφή ATP για τη μεταφορά μορίων ενάντια στη διαβάθμιση της συγκέντρωσης μιας ουσίας (από χαμηλή σε υψηλή συγκέντρωση και επομένως η κίνηση δεν τείνει προς ισορροπία) και Διεξάγεται με διαμεμβρανικούς μεταφορείς ΕΝΕΡΓΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (ACTIVE TRANSPORT ) (α) Πρωτογενής ενεργός μεταφορά (β) Δευτερογενής ενεργός μεταφορά

27 Πρωτογενής Ενεργός Μεταφορά
- Εκμεταλλεύεται την ενέργεια της υδρόλυσης του ATP Η ενέργεια από μια εξεργονική χημική αντίδραση όπως η υδρόλυση του ATP που διεξάγεται από ειδικά ένζυμα-μεταφορείς, τις ATPάσες, χρησιμοποιείται για να ωθήσει τη διαδικασία της πρωτεγενούς ενεργής μεταφοράς. ATPάσες τύπου-P: ATP- εξαρτώμενοι μεταφορείς κατιόντων - ATPάσες Na/K H/K, Ca2+, και μεταφοράς Zn2+/Pb2+ σε βακτήρια) ATPάσες τύπου-V και F1F0- ATPάσες: Αντλίες πρωτονίων υπεύθυνες για την όξυνση ενδοκυτταρικών διαμερισμάτων - ATPάση Na+, ATPάση H+ ATPάσες μεταφοράς πεπτιδίων και φαρμάκων [πρωτεΐνη πολυφαρμακευτικής ανθεκτικότητας (MDR), P-γλυκοπρωτεΐνη)

28 Δευτερογενής Ενεργός (Συζευγμένη) Μεταφορά
Εκμεταλλεύεται τις διαβαθμίσεις συγκεντρώσεων ιόντων που δημιουργούνται από τους πρωτοταγείς μεταφορείς Δευτερογενής ενεργός μεταφορά: Η ενέργεια από την υδρόλυση του ATP χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει μια διαβάθμιση συγκέντρωσης ενός άλλου μορίου ή ιόντος (π.χ. πρωτονίων ή Na+), και η μεταφορά αυτού του μορίου προς τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης του χρησιμοποιείται για να ωθήσει τη μεταφορά ενός άλλου διαφορετικού μορίου ενάντια στη διαβάθμιση της συγκέντρωσης του.

29 Τύποι Δευτερογενών Μεταφορέων
Μονομεταφορείς (Uniporters) (Μιτοχονδριακός μεταφορέας ιόντων Ca2+) Συμμεταφορείς (Symporters) (Μετακίνηση 2 μορίων προς την ίδια κατεύθυνση) Μεταφορέας Na+/Γλυκόζης, Περμεάση λακτόζης (Lac permease) Αντιμεταφορείς (Antiporters) (Μετακίνηση 2 μορίων προς αντίθετη κατεύθυνση) Μεταφορέας ανταλλαγής Na+/Ca2+

30 Θερμοδυναμική της Διαμεμβρανικής Μεταφοράς

31 Δεν απαιτείται μεταφορέας και το σύστημα δεν υφίσταται κορεσμό
Απλή Διάχυση Δεν απαιτείται μεταφορέας και το σύστημα δεν υφίσταται κορεσμό Τα μόρια που μεταφέρονται διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών με απλή ή παθητική συμπεριλαμβάνουν μικρά οργανικά μόρια, H2O, O2, N2, ουρία, γλυκερόλη και CO2.

32 ΔG = ΔG2 - ΔG1 = R•T • ln([C2]/[C1])
Η απλή διάχυση μορίων διαμέσου των μεμβρανών είναι θερμοδυναμικά παρόμοια με τη χημική ισορροπία. Ένα χημικό δυναμικό παράγεται από τις διαφορές στις συγκεντρώσεις των μεταφερόμενων μορίων (Διαβάθμιση συγκεντρώσεων). Η ελεύθερη ενέργεια του μεταφερόμενου μορίου κατά μήκος της μεμβράνης εξαρτάται από τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης του. ΔG = ΔG2 - ΔG1 = R•T • ln([C2]/[C1]) • Αν C2<C1 τότε η ΔG είναι αρνητική και η μεταφορά διεξάγεται αυθόρμητα προς τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης του μορίου • Αν C2>C1 τότε η ΔG είναι θετική και απαιτείται ενέργεια, όπως ATP, για τη μεταφορά των μορίων ενάντια στη διαβάθμιση της συγκέντρωσης της ουσίας • Αν C2=C1 τότε η ΔG = 0, δεν υπάρχει κίνηση και το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία

33 Jc= -KD(C2-C1)/X Fick’s equation
Μη-Φορτισμένα Μόρια Ο ρυθμός της ροής (Rate of flow or flux), Jc μπορεί να εκφραστεί ως: Jc = -P (C2-C1) Όπου P είναι ο συντελεστής διαπερατότητας (permeability coefficient) και C1 και C2 είναι οι συγκεντρώσεις του μεταφερόμενου μορίου στα διαμερίσματα κατά πλάτος της μεμβράνης. P αναφέρεται στην εξάρτηση του ρυθμού της απλής διάχυσης από το φορτίο, την υδροφοβικότητα, το μέγεθος των μορίων καθώς επίσης και στην επίδραση του πάχους και της σύστασης της μεμβράνης στο ρυθμό της ροής: P=KD/X K - Συντελεστής Κατανομής (Partition coefficient) (Γενικά, εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, όπως η υδροφοβικότητα και το φορτίο) D – Συντελεστής Διάχυσης (Diffusion coefficient) (Γενικά, εξαρτάται από το μέγεθος του μεταφερόμενου μορίου και το ιξώδες της μεμβράνης) X- Πάχος της μεμβράνης (thickness of the membrane) Επομένως, ο ρυθμός της ροής Jc μπορεί να εκφραστεί με την εξίσωση του Fick (Fick’s equation): Jc= -KD(C2-C1)/X Fick’s equation

34 Φορτισμένα Μόρια Η ΔG για τη μεταφορά φορτισμένων μορίων διαμέσου των μεμβρανών αποτελείται από χημικές και ηλεκτρικές παραμέτρους: Χημική ηλεκτρική ΔG = R•T•ln([C2]/[C1]) + ZFΔY ΔG - Ηλεκτροχημικό δυναμικό C2 και C1: Συγκεντρώσεις του μορίου Ζ – Φορτίου του μορίου T – Απόλυτη θερμοκρασία R – Σταθερά αερίων (gas constant) F – Σταθερά του Faraday ΔY – Μεμβρανικό δυναμικό Y2 - Y1 = ΔY < 0 Z = + 1 ZF ΔY < 0

35 Διάκριση μεταξύ διευκολυνόμενης διάχυσης και απλής διάχυσης ή μεταφοράς
Απλή Διάχυση: Ο ρυθμός είναι γραμμικός και εξαρτάται από τη συγκέντρωση των μορίων. Δεν απαιτείται μεταφορέας Διευκολυνόμενη διάχυση: ● Ταχύτητα της μεταφοράς εξαρτάται από τη συγκέντρωση του μεταφορέα (πόρου ή διαύλου) και του μεταφερόμενου μορίου ● Ο μεταφορέας εμφανίζει εξειδίκευση για το μεταφερόμενο μόριο: Οι δίαυλοι και μεταφορείς εμφανίζουν χημική και στερεοχημική εξειδίκευση για τα μεταφερόμενα μόρια (π.χ. ο μεταφορέας γλυκόζης μεταφέρει D-γλυκόζη, αλλά όχι L-γλυκόζη, η βαλινομυκίνη μεταφέρει ιόντα K+ 20,000 καλύτερα από ότι ιόντα Na+) ● Υφίσταται κορεσμό – Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς (όπου η ταχύτητα γίνεται ανεξάρτητη από τη συγκέντρωση του μεταφερόμενου μορίου) είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των θέσεων δέσμευσης του μεταφορέα ή των πόρων ● Υπόκειται σε ανταγωνιστική αναστολή Η μεταφορά μορίων δεν απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας και διεξάγεται προς την κατεύθυνση της ηλεκτροχημικής διαβάθμισης

36 Διευκολυνόμενη Διάχυση
Γιατί η μη-διευκολυνόμενη μεταφορά ενός πολικού/υδρόφιλου μορίου διαμέσου της μεμβράνης είναι αργή διαδικασία; Απλή διάχυση: του υδρόφιλου περιβλήματος στο μεταφερόμενο μόριο είναι ενδεργονική αντίδραση (ΔG>0), και η ενέργεια ενεργοποίησης (ΔG‡) για μεταφορά διαμέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας είναι υψηλή. Διευκολυνόμενη διάχυση: Διεξάγεται διαμέσου διαύλων και μεταφορέων. Η πρωτεΐνη-μεταφορέας μειώνει τη ΔG‡ για τη διαμεμβρανική μεταφορά ενός μορίου. Ταχύτερη από την απλή διάχυση καθώς μειώνει την ελεύθερη ενέργεια ΔG που απαιτείται.

37 Άλλοι Τρόποι μετακίνησης ουσιών μέσα και έξω από το κύτταρο
Ενδοκύττωση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια ουσία (π.χ. πρωτεΐνη) εισέρχεται μέσα στο κύτταρο χωρίς να περάσει διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης. Εξωκύττωση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια ουσία (π.χ. πρωτεΐνη – ένζυμα, ορμόνες, αντισώματα) εξέρχεται από το κύτταρο χωρίς να περάσει διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης.

38