מעבר חומרים דרך הממברנה:
התפקיד העיקרי של הממברנה הוא להפריד בין חללים שונים. הממברנה מורכבת מחומרים אמפיפטיים, ואם הפוספוליפידים מאורגנים במבנה דו-שכבתי אזי מ-2 הצדדים פני השטח הידרופיליים ותוך הממברנה הידרופובית. דומה מתמוסס בדומה. חומרים מסיסים במים לא יתמוססו בפאזה ההידרופובית, מכאן שכל החומרים הפולאריים והטעונים לא יחדרו את הממברנה. מולקולות גזים (O2,N2,CO2) כן יכולות לחדור את הממברנה כי אינן פולאריות ואין טעונות (אע"פ שמסיסות במים).
חומרים קטנים לא טעונים (אע"פ שפולאריים), כמו אתנול ואוריאה, חודרים את הממברנה.
מים- המסיסות של מים בשמן אינה אפסית והמים מולקולה קטנה. ריכוז מים במים הוא מאוד גבוה (M55) ולכן החדירות של מים מהירה (לא קלה). חדירות המים את הממברנה קובעת את תופעת האוסמוזה.
מולקולות גדולות לא טעונות, גלוקוז, מעט פולארית אך בשל הגודל שלה לא חודרת את הממברנה.
יונים, אורגנים ואי אורגנים, טעונים ולכן אף פעם לא חודרים את הממברנה. בדומה: ח' אמינו, נוקליאוטידים, G6P אינם חודרים את הממברנה. בכדי להבטיח חדירות של חומרים שונים יש להכניס לממברנה עוד משהו. ריכוז היונים בתא שונה מריכוזם בדם: ריכוז K+ בתוך התא 400mM לעומת 20mM בדם, ריכוז Na+ בתא 50mM לעומת 440mM בדם, ריכוז Cl- בתא 40-150mM לעומת 560mM בדם, ריכוז Ca2+ בתא 0.0003mM לעומת 10Mm בדם. מה יכול להבטיח כניסה ויציאת ובניית מפלי ריכוזים? חלבונים שנמצאים בממברנה. החלבונים מעניקים לממברנה חדירות - ספציפיות וכיוון מסוים. אפשר לדרג את החדירות ל-2 סוגים: טרנספורט פסיבי ואקטיבי. ברוב התאים: מחוץ לתא המטען הוא 0mV ובתוך התא המטען הוא ~-70mV בגלל המצאות חומרים בעלי מטען שלילי בתוך התא שאינם בעלי יכולת לצאת מהתא. טרנספורט פסיבי- אינו דורש השקעת אנרגיה חיצונית. יש להבטיח חדירות ממברנה- הכוח המניע הוא מפל הריכוזים. חומרים העוברים בעצמם את הממברנה עוברים בדיפוזיה רגילה. חומרים שלא חוצים את הממברנה זקוקים לעזרה, מנגנון זה נקרא "דיפוזיה מזורזת". מתרחש ע"י חלבוני תעלות.ב"דיפוזיה מזורזת" מעבר חומרים נקבע לפי מפל הריכוזים. מה שמבדיל בין דיפוזיה פשוטה למזורזת זוהי תלות של קצב ההעברה בריכוז או במפל הריכוזים. בדיפוזיה רגילה קצב העברה תלוי במפל הריכוזים באופן ליניארי ובדיפוזיה מזורזת התלות היא היפרבולית (כמו גרף מיכאליס מנטן). נבדוק חדירות חומרים בממברנה סינתטית (רק פוספוליפידים) ונשווה לחדירות חומרים בממברנה רגילה. ממברנה סינתטית- חדירות המים היא 0.005 וחדירות גלוקוז קטנה ב-7 סדרי גודל (גלוקוז גדולה ממים). חדירות יונים קטנה ב-2 סדרי גודל מגלוקוז. ממברנה טבעית- החדירויות שונות וזה נובע מקיום של נשאים בממברנה. חדירות גלוקוז 0.00002 גדולה ב-5 סדרי גודל מבסינתטית. קיים נשא שמזהה גלוקוז ומעביר אותו את הממברנה. חדירות Cl- גבוהה ב-7 סדרי גודל מבסינתטית וכנ"ל גם לגבי Na+ ו- K+ (ב-3 סדרי גודל). ניתן לזרז את החדירות בעזרת חלבונים ממברנליים אינטגרליים, בעלי מקטעים הידרופוביים.
קיימים 2 מנגנוני "דיפוזיה מזורזת":
1) תעלות- החלבון מתקפל לתעלה מימית שעוזרת לחומר אחר לחצות את הממברנה (חור).
2) טרנספורטרים/נשאים- החלבון עוטף חומרים קטנים ומעביר אותם לצד השני של הממברנה.
ההעברה היא בעצם שינוי קונפורמציה של החלבון כך שאתר הקשירה של החלבון יופיע בצד השני של הממברנה. החומרים שעוברים דרך נשאים אלו הם חומרים הקטנים מהממברנה. החלבונים בטרנספורט פסיבי בעלי ספציפיות לחומרים. לחלבון שמעביר חלבון יש ספציפיות מאוד גבוהה עד שמבדיל בין D גלוקוז לL גלוקוז.
ולינומצין (אנטיביוטיקה)-נשא של אשלגן דרך הממברנה אמפיפטי ולכן יכול לעבור בקלות מסביבה מימית לממברנה, בעל מבנה ספרי ויוצר קומפלקס יציב מאוד עם אשלגן, עובר דההיטרטציה לאחר קישור אשלגן ולכן מסיס בממברנה, פועל ע"פ מפל ריכוזים.
גראמיצידין A- דוגמא נוספת לאנטיביוטיקה משמשת כתעלת מעבר ליונים. אנטיביוטיקה זו מחוררת את הממברנה ונגדה אין עמידות. מדובר בפוליפפטיד קצר שמבנהו ? הליקס. 2 סלילים בונים תעלה בממברנה שעוזרת לקטיונים לחדור את הממברנה. כל מולקולת גראמיצידין בונה 0.5 תעלה. המאפיין דיפוזיה מזורזת ומבדיל אותה מדיפוזיה פשוטה זה תלות קצב מעבר במפל הריכוזים. בדיפוזיה רגילה התלות היא ליניארית ובדיפוזיה מזורזת התלות עם סטורציה. הדיפוזיה תלויה בריכוז הקומפלכס. יש מס' מוגבל של אתרי קשירה בחלבון- ריכוז הקומפלכס תלוי בריכוז החלבון. קצב הטרנספורט המזורז נקבע ע"י ריכוז הקומפלכס נשא+סובסטרט הטרנספורט. מקבלים פונק' סטורציה עם פרמטר המאפיין אפיניות נשא לסובסטרט. Km- בדיוק כמו במיכאליס מנטן, ריכוז סובסטרט שנותן 0.5Vmax זהו Km עבור טרנספורט. דיפוזיה מזורזת מוגבלת מבחינת המהירות לא כמו דיפוזיה רגילה. מה שמאפיין את קצב דיפוזיה רגילה זה מקדם הדיפוזיה (השיפוע). ; ; עבור חומרים הנכנסים לתא: ; ; F=23.1kcal/V*mol בשאלות מסוג זה יש לשים לב לכיוון וליחידות. קצב העברה של תעלה הרבה יותר גבוה משל נשא כיוון שנשא צריך לעבור שינוי קונפורמציה בשביל העברה דבר הלוקח זמן רב, בתעלה יש שינוי חד פעמי- פתיחת התעלה. סיבה נוספת היא שתעלה היא "חור", היונים עוברים דרכה בחופשיות ואילו בנשא מדובר בקשירת חומר והוצאתו- אין מעבר חופשי של חומרים. גם לתעלות וגם לנשאים ספציפיות.השוואה בין אנזים לתעלה/נשא: דומה-מיכאליס מנטן,אתר פעיל, יצירת קומפלקס, שונה- תעלות מזרזות תהליך פיזיקלי ולא כימי, אין תוצר חדש.
חשיבות פוטנציאל חשמלי כמע' מעבר סיגנלים- מבחינים ב-2 סוגי תעלות: תעלות תלויות ליגנד: בעקבות קשירת ליגנד לתעלה יש פתיחה שלה. דוגמא אצטיל כולין רצפטור.
תעלות תלויות מתח: יש פתיחת התעלה בגלל שינוי במתח, שינוי בפוטנציאל ממברנה. דוגמא: תעלת אשלגן. בתעלות מסוג זה החלק שרגיש לשינוי במתח voltage sensor קולט מידע לפתיחת התעלה. Gate- השער, החלק שנפתח או נסגר כתוצאה משינוי במתח. Pore- הסלקטיביות הראשונית של התעלה. יש הגבלת גודל, לא ספציפי. יכולים להיכנס לpore כל מיני חומרים, בעיקר לפי גודל. Filter- מעניק לתעלה את הספציפיות שלה. תעלות תלויות מתח בעלות ספציפיות גבוהה.
תעלת אשלגן: יש לה פילטר מאוד ספציפי. בנויה מ-4 תת יחידות שכל תת יחידה היא בעצם 2 שרשראות ? הליקס, כאשר הפילטר הוא באזור החיבור של 4 תת יחידות. פתח הpore A10 ופתח הפילטרA 3. נתרן לא יעבור בה. יוני נתרן יותר קטנים מיוני אשלגן אך זוהי לא הסיבה העיקרית. ההסבר נעוץ במבנה הפילטר. היונים קשורים למולקולת מים ובשביל לעבור בתעלה הם צריכים לעבור דהידרטציה. בעת היציאה הם עוברים הידרטציה בחזרה. בפילטר הסלקטיבי יש קב' שעוטפות את האשלגן כאילו היה עטוף במולקולות מים. המרחקים מותאמים לגודל אשלגן- מבנה ספציפי לאשלגן. יש צורך בהשקעת אנרגיה על מנת שאשלגן יעבור דהידרטציה ויש שחרור אנרגיה בקישור אשלגן לתעלה- סה"כ ?G שלילי. דהידרטציה של יוני נתרן דורשת יותר אנרגיה ובקשירת נתרן לתעלה יש שחרור נמוך יותר של אנרגיה- סה"כ ?G חיובי. יכולים להקשר 4 יוני אשלגן לפילטר בו זמנית. מדובר בתהליך מתמשך: אשלגן נכנס לפילטר ואז בא עוד יון להקשר, נוצרת דחייה ויון האשלגן הראשון עובר אתר קשירה ומאפשר ליון שנכנס להקשר לתעלה- כל יון שנכנס "דוחף" את זה שלפניו.
תעלת נתרן: תלויית מתח. הפילטר הסלקטיבי שלו זה בעצם הגודל. נתרן עובר את התעלה ללא הידרטציה. אורך הפילטר 5 A. פוטנציאל פעולה: העברת אימפולס עצבי, או מתא עצב לתא עצב שכן או מתא עצב לתא שריר. התעלה הראשונה שגורמת לתחילת הפעולה
אצטיל כולין רצפטור- הליגנד הוא אצטיל כולין. בנויה מ-5 תת יחידות כשאצטיל כולין יכול להקשר ב-2 אתרים. כשאצטיל כולין נקשר לרצפטור התעלה נפתחת ויש מעבר קטיונים. יש כניסת נתרן ויציאת אשלגן וכך נוצר פוטנציאל פעולה (אצטיל כולין נקרא נוירוטרנסמיטור). בין תא עצב לתא שריר יש מרווח קטן (המרווח הבינסינפטי). יש שחרור של וסיקולות שבהן אגור אצטיל כולין. האצטיל כולין משתחרר וגורם להתחלת פוטנציאל פעולה בתא העצב או השריר. האימפולס מתחיל משחרור אצטיל כולין מהתא הפרהסינפטי (מעביר). לאחר מכן אצטיל כולין נקשר לאצטיל כולין רצפטור שנמצא על התא הבא (פוסט סינפטי). יש פתיחה של התעלה ובעיקר כניסת יוני נתרן לתוך התא. הדבר גורם לירידה במטען שבתוך התא (דפולריזציה), פחות מטען שלילי בתוך התא. תעלת נתרן תלויית המתח נפתחת ב- ~-40mV ובגלל הדפולריזציה יש פתיחה של תעלת הנתרן. נתרן יעבור לפי מפל ריכוזים מחוץ התא לתוכו. מתרחשת שוב דפולריזציה, פידבק חיובי יגרום לפתיחת עוד תעלות נתרן תלויות מתח. כעת, נכנסות לפעולה תעלות אשלגן תלויות מתח, כלומר, בנוסף לתעלות הנתרן יש פתיחה של תעלות האשלגן. תעלות הנתרן מתחילות להסגר, אשלגן יוצא מהתא- היפרפולריזציה. המטען השלילי גדל (מחיובי לשלילי).אצטיל כולין אסטראז הוא אנזים שמפרק אצטיל כולין ונמצא במרווח הבינסינפטי. הוא יכול להיות מעוכב ע"י גז עצבים וע"י פוספטים אורגניים. לאנזים יש סרין באתר הפעיל והפגיעה באנזים היא בו. (כגון פעולת גז עצבים סרין)