Ugrás a tartalomhoz

Élettani alapismeretek

Cseri Julianna (2011)

Debreceni Egyetem

2. fejezet - Sejtélettan

2. fejezet - Sejtélettan

A sejtmembrán szerkezete és funkciói

A sejtmembrán szerkezete

Az élő szervezetek alaki és működési egysége a sejt. A sejt belső terét a külső környezettől a sejthártya választja el, mely alap felépítésében nagyon sok hasonlóságot mutat minden sejtben, ezért az egységmembrán kifejezést használjuk, ha a hasonlóságokat akarjuk hangsúlyozni. A különböző sejtek felszíni membránja és a sejtorganellumok membránjai azonban nagyon sok finom részletben különböznek, a különbözőség az eltérő funkciók ellátására irányuló differenciálódást tükrözi.

A lipidfázis jellemzői

A lipid kettősréteg funkcionális szempontból fontos tulajdonsága a fluiditás, amely a telített és telítetlen zsírsav oldalláncok arányától függ. A lipidfázis folyékonysága teszi lehetővé a membránfehérjék oldalirányú elmozdulását, az ún. laterális diffúziót, amely számos membránfunkció feltétele. A fluiditás befolyásolja a membránon keresztül lezajló transzportfolyamatok sebességét is.

A lipid kettősréteg felépítése aszimmetrikus. Az aszimmetria funkcionális jelentősége az, hogy a külső felszínre kihelyeződő glikolipidek – a felszín felé orientálódó glikoproteinekkel együtt - a sejtfelszín antigén sajátságait determinálják, a belső felszín felé forduló lipidek pedig olyan membránfehérjékkel lépnek kapcsolatba, amelyek közvetítő (szignalizációs) szerepet töltenek be az extra- és az intracelluláris tér között.

2.1. ábra - A membránszerkezet sémás ábrázolása

A membránszerkezet sémás ábrázolása

A lipid kettősréteg permeábilis a lipidoldékony anyagokra nézve, ezek diffúziójának sebességét a molekulaméret és a lipidoldékonyság együttesen határozza meg. A sejtanyagcsere szempontjából rendkívül fontos, hogy az oxigén és a széndioxid is szabadon diffundál a sejtmembránon keresztül.

A vízmolekulák átjutására a lipidfázison keresztül is van lehetőség (a telítetlen zsírsavláncok által okozott rendezetlenség révén).

A membránfehérjék funkciói

A lipid kettősrétegbe beépülő, a membránt átívelő, integráns (transzmembrán) fehérjék funkciói

  • csatornaképzők (víz és ionok számára transzportút)

  • szállítómolekulák (karrierek)

  • ligandkötő receptorok (sejtek közötti információátvitel)

  • perifériás fehérjékkel kapcsolódó proteinek

  • a citoszkeleton és az extracelluláris matrix között kapcsolatot biztosító fehérjék

A lipid kettősréteg külső vagy belső felszínével kapcsolatba lépő, de a lipid rétegbe csak részlegesen benyomuló perifériás fehérjék a sejten belüli jelátviteli mechanizmusban játszanak fontos szerepet.

A sejtmembrán barrier funkciója

Az élő szervezetek alaki és működési egysége a sejt. A citoplazmát sejtmembrán határolja, amely szerkezetéből adódóan elhatárolja, elválasztja az extra- és az intracelluláris teret egymástól, bizonyos anyagok számára gátat (barriert) jelent. Ez az elválasztó funkció biztosítja az intracelluláris tér integritását, az intra- és az extracelluláris folyadéktér ionösszetételének különbözőségét, amely számtalan folyamat feltétele.

A sejtmembrán két oldala között potenciálkülönbség, ún. membránpotenciál mérhető. A Na+, a K+ és a Cl- ionok egyenlőtlen megoszlása felelős a membránpotenciálért. A membránpotenciál változása (ingerületi folyamat) fontos szignalizációs mechanizmus a sejtek közötti információközlésben.

A Ca2+ionok koncentrációja az intracelluláris térben nagyságrendekkel kisebb, mint az extracelluláris térben. Az intracelluláris Ca2+ ionok koncentrációját finoman szabályozott rendszerek kontrollálják, mivel a sejten belül számtalan enzimreakció, transzportfunkció stb. érzékeny a kalciumkoncentráció változására. A sejtmembrán a Ca2+ ionokkal szemben csak kismértékben permeábilis, ami segít megőrizni az alacsony intracelluláris kalciumkoncentrációt. Az intracelluláris kalciumkoncentráció jelentős emelkedése fehérjebontó enzimek aktiválódásához vezethet, ezek az enzimek a sejt saját anyagait lebontva a sejt pusztulását okozzák.

A H+ ion koncentráció sejten belüli állandósága ugyancsak fontos komponense az intracelluláris tér integritásának. Változása a fehérjék térszerkezetének, következményesen pl. az enzimek aktivitásának változásához vezetne.

A sejtmembrán összekötő funkciója

A sejtmembrán nemcsak elválasztja, hanem össze is köti az intra- és extracelluláris tereket egymással. Ennek jelentősége könnyen belátható, ha a sejtanyagcsere szubsztrátjainak felvételére, az anyagcsere termékeinek leadására gondolunk. De ugyanilyen összekötő funkciót tölt be a membrán, amikor a sejt a környezetből származó jelre ingerületi folyamattal reagál, az extra- ill. az intracelluláris tér között megváltozik az ionmegoszlás stb.

Az összekötő funkció legkézenfekvőbben az ún. transzportfolyamatokban manifesztálódik, melyek a membránon keresztül lezajló anyagvándorlásokat jelentik.

A transzportfolyamatok energetikai aspektusai

A membránon keresztül lezajló anyagmozgás minden esetben energia befektetést igényel. A biológiai rendszerekben a transzport energiaforrása lehet pusztán fiziko-kémiai természetű, pl. ionvándorlást okoz a membrán két oldala között fennálló potenciál- vagy koncentráció különbség, vagy lehet a sejtanyagcsere során felszabadított, az ATP makroerg kötéseiben raktározott kémiai energia. A szokásos nómenklatúra szerint passzív transzportról akkor beszélünk, ha az energiaforrás (az anyagmozgás hajtóereje) fiziko-kémiai természetű és nem igényel ATP-bontást. Az aktív transzport azt jelenti, hogy az anyagmozgás fiziko-kémiai energiagradiens ellen történik, amihez az ATP bontásából származó energiát kell a sejtnek befektetnie.

A transzportfolyamatok a szerint is csoportosíthatók, hogy igénylik-e szállítómolekula (karrier) közreműködését vagy sem. Amennyiben az anyagtranszporthoz szállítómolekula szükséges, karrier-mediált transzportról beszélünk. A karrier-mediált transzport egyaránt lehet passzív és aktív folyamat.

A passzív transzport formái és sajátságai

Egyszerű diffúzió

Fiziko-kémiai gradiens által előidézett, a gradiens irányának megfelelő anyagtranszport. Diffúzióval jutnak át a lipidoldékony anyagok a membrán lipid fázisán, ill. az ionok a transzmembrán fehérjék által képzett csatornák pórusain.

2.2. ábra - A passzív transzport formái

A passzív transzport formái

A diffúzió sebessége a fluxussal jellemezhető. A fluxus az időegység alatt egységnyi felületen átáramlott anyagmennyiséget jelenti. A fluxus az energiagradiens irányában megy végbe, mértékét az energia gradiens (pl. koncentrációkülönbség) határozza meg.

A fluxust a hőmérséklet is befolyásolja. A hőmérséklet 10 fokkal történő emelése a fluxust kb. másfélszeresére-duplájára növeli.

Facilitált diffúzió

Fiziko-kémiai gradiens által előidézett, szállítómolekula részvételével megvalósuló, a gradiens irányának megfelelő anyagtranszport. Ezzel a mechanizmussal jut keresztül az izommembránon pl. a glükóz. A szállítandó anyag a szállítómolekula specifikus kötőhelyéhez kapcsolódik, melynek konformáció-változása átjuttatja a szubsztrátot a másik kompartmentbe.

2.3. ábra - Egyszerű és facilitált diffúzió kinetikájának összehasonlítása

Egyszerű és facilitált diffúzió kinetikájának összehasonlítása

Mivel az egységnyi membránfelszínen rendelkezésre álló kötőhelyek száma véges, a transzport telíthető, vagy más szavakkal szaturációs kinetikát mutat.

A kötőhelyek a szubsztráthoz hasonló térszerkezetű molekulák iránt is rendelkeznek bizonyos affinitással, így az igazi szubsztrát (agonista) és a hasonló molekula (antagonista) között kompetíció (vetélkedés) alakul ki a kötőhelyért, egymás transzportját gátolják, az agonista és az antagonista között kompetitív gátlás alakul ki.

A telítési kinetika és a kompetitív gátlás jelensége minden karrier-mediált transzportfolyamatra jellemző.

Az aktív transzport formái és sajátságai

Az aktív transzport minden esetben ATP-bontásból származó kémiai energiát hasznosít a fiziko-kémiai gradiens ellenében zajló anyagmozgás során. Karrier-mediált folyamat, tehát telíthető és kompetitíven gátolható. A karriernek rendelkeznie kell enzimaktivitással is, nevezetesen ATP-áznak kell lennie. A makroerg kötésből származó energia szükséges a szállítómolekula konformációs változásához, aminek következtében a szubsztrát átjut a membrán túloldalára. Az enzimaktivitás erősen hőmérsékletfüggő, tehát a transzport sebességét a hőmérséklet erőteljesen befolyásolja (10 oC hőmérsékletnövelés a transzport sebességét 5-6-szorosára növeli).

2.4. ábra - Aktív transzport

Aktív transzport

Az előzőekben ismertetett transzportfolyamat során a szállítómolekula bontja az ATP-t, ilyenkor a folyamatot elsődlegesen aktív transzportnak nevezzük. Másodlagosan aktívnak nevezzük azt az anyagtranszportot, amikor a szubsztrát átjutását biztosító szállítómolekula nem használ ATP-t, hanem konformációváltozását egy kapcsoltan szállított ion elektrokémiai gradiense biztosítja, de ezen elektrokémiai gradiens fenntartására aktív (ATP-függő) pumpamechanizmusra van szükség. Jellemző példa a glükóz nátriummal kapcsolt felszívódása a bélhámsejtekbe.

2.5. ábra - Másodlagosan aktív transzport

Másodlagosan aktív transzport

Membráncsomagokban történő anyagszállítás (vezikuláris transzport)

Az anyagtranszport speciális formája, amely azt jelenti, hogy olyan (általában nagyméretű) molekulák jutnak át a membránon, amelyek a sejtben képződnek (pl. a tápcsatornában ható emésztő enzimek, fehérje természetű hormonok, neurotranszmitterek), melyek képződésük után a Golgi-membránból lefűződő membránba csomagolódnak, és az így kialakuló vezikulában transzportálódnak, vagy az extracelluláris térből kerülnek felvételre a sejt felszíni membránjából képződő vezikulába zártan (pl. idegen anyagok, antigének). A transzport iránya alapján lehet endocitózis vagy exocitózis, a felvett anyag halmazállapota alapján pedig fagocitózis (szilárd részecske bekebelezése) illetve pinocitózis (oldott állapotban lévő anyag felvétele vagy leadása).

Ez a transzportforma a szekréciós folyamatokban, a kémiai szinapszisok működésében és a szervezet védekező reakcióiban játszik fontos szerepet.