Membranpermeabilitet

Diffusjonspotensial og membranpotensial

Diffusjonspotensial oppstår når motsatt ladete stoffer passerer membranen med forskjellig hastighet. Diffusjonspotensialet skapes ved diffusjon. Ionetransport følger prinsippet om elektrisk nøytralitet, og ved likevekt vil ionefluksen inn og ut være like.    Kalium (K⁺) og klorid (Cl^-) vil for eksempel  diffundere med forskjellig hastighet over membranen, noe som skaper ladningsseparasjon og elektrisk potensial over membranen som atskiller to kompartementer.

Biomembraner har liten elektrisk ledningsevne, virker som en isolator mellom ledende løsninger, og siden de er selektivt permeable skapes det et elektrisk  membranpotensial. Membranpotensialet oppstår når to væskefaser er atskilt av en membran, og er forskjellen i elektrisk potensial mellom de to vannfasene. Membranpotensialet oppstår når anioner og kationer diffunderer over membranen med ulik permeabilitet slik at det oppstår en ladningsforskjell, og har måleenheten volt. Membranpotensialet angir forskjellen i elektrisk ladning mellom innsiden og utsiden av en celle eller kompartement omgitt av en membran. Alle levende celler har et membranpotensial som skyldes asymmetrisk fordeling av ioner og ladninger på innside og utside av membranen. Membranpotensialet kan måles med en mikroelektrode som settes inn i en celle, og en referanseelektrode på utsiden, og  viser at cytoplasma inneholder flere negative ladninger enn utsiden og har et potensial fra -20 til -200 mV i forhold til omgivelsene. Fast bundete negative ladninger i celleveggstrukturene gir et Donnanpotensial. De fleste proteiner har negativ ladning ved pH 7.5. Nernstpotensialet framkommet fra Nernstligningen beskriver en likevektsituasjon for et spesielt ion, men membranpotensialet dannes av summen av potensialer for mange forskjellige ioner. Protongradienter har spesielt stor betydning for transport i planter og alle ATPaser gir en elektrogen H⁺-transport. Elektrogen transport gir netto transport av ladning over membranen. Aktiv transport av ioner ved hjelp av bærerproteiner som leder til ladningsforskjell kalles en elektrogen pumpe. Aktiv transport krever energi fra respirasjon eller fotosyntese.  pH-gradienter over membraner gir et betydlige bidrag til membranpotensialet.

Reaksjonsrom (kompartmenter)

De forskjellige celletypene i plantene er avhengige av hverandre. Kompartementene som er omgitt av cellemembraner og som det skjer transport mellom er:

1) Intercellularrom og midtlamell

2) Cellevegger og plasmamembran (plasmalemma)

3) Cytoplasma omgitt av plasmamembran og tonoplast (vakuolemembran)

4) Vakuoler (mange forskjellige typer vakuoler)

5) Celleorganeller (plastider, mitokondrier, cellekjerner, mikrolegemer (peroksysomer, glyoksysomer).

6) Membransystemer (endoplasmatisk retikulum, Golgiapparat)

Plasmodesmata

Gjennom plasmodesmata skjer det kommunikasjon og transport i symplasten fra celle til celle. En plante kan betraktes som en "supercelle" hvor plasmodesmata binder sammen cytoplasma i alle de levende cellene i planten. Det er imidlertid noen steder hvor det ikke er slik kontakt (plasmodesmatisk isolert). Dette er mellom:

1) Lukkeceller og naboceller i spalteåpningsapparatet.

2) Maternalt cellevev og embryo i fruktknuten.

3) Sporofytt og gametofytt.

Mellom komplekset følgecelle/silrørscelle og omgivende celler kan det i noen tilfeller også være få plasmodesmata (apoplastfylling av silvev) som hos f.eks. poteter (Solanum tuberosum), erter (Pisum sativum), solsikke (Helianthus annuus) og salat (Lactuca sativa). I motsetning til planter hvor fotosynteseproduktene fylles inn i silvevet via plasmodesmata (symplastfylling).

Primære plasmodesmata lages i celledelingen ved at endoplasmatisk retikulum omgis med celleveggmateriale. Sekundære plasmodesmata dannes på seinere utviklingstrinn gjennom allerede eksisterende cellevegger.  Plasmodesmata kan ha forskjellig morfologi bl.a. et greinet forløp gjennom celleveggen. Nektarier, saltkjertler og celler i rotspiss har mange plasmodesmata til nabocellene.

Sekundære plasmodesmata må kunne bli dannet når en type plantemateriale podes over på et annet. Molekyltrafikken gjennom plasmodesmata er regulert. Virus som sprer seg systemisk i en plante kan ha bevegelsesproteiner som åpner plasmodesmata slik at viruset slipper igjennom. Ved vinterhvilen hos trær er plasmodesmata stengt. Det finnes også andre eksempler på at plasmodesmata stenges. F.eks. i eldre rothår, og mellom rot og rothette. Skades plantevev blir plasmodesmata stengt i skadeområdet. Et blad som er netto importør av fotosynteseprodukter i tidlig utviklingsstadium har mer åpne plasmodesmata enn når bladet går over til å bli netto eksportør. Studiet av transporten gjennom plasmodesmata gjøre bl.a. ved hjelp av fluorescerende stoffer som tilføres cellene gjennom en glass mikropipette ved hjelp av et kortvarig trykk med nitrogengass eller ved en kortvarig spenningsgradient (iontoforese). Dette kan brukes til å studere størrelsen på molekyler som kan passere plasmodesmata.

Transportproteiner

Det er tre hovedtyper av transportproteiner i membranen, og de er relativt spesifikke for hvilke type forbindelser de transporterer: Kanalproteiner, bærerproteiner og ionepumper.

Kanalproteiner

1) Kanalproteiner er transmembranproteiner som virker som selektive porer for transport av ioner og molekyler. Kanlanene kan regulere åpning i membranen og hvor det skjer passiv diffusjon. Det er rask og passiv diffusjon gjennom kanalen e.g. 10⁸ ioner per sekund. Kanalproteiner er åpningskontrollert, slik at kanalene åpnes eller lukkes på signaler fra cellen. Lys, hormoner, spenningsforandringer og fosforylering/defosforylering via protein kinase/fosfatase kan regulere åpning av kanaler. Åpning av spenningsregulerte kanaler skjer ved endringer i membranpotensialet. I tillegg kan konsentrasjonen av Ca²⁺ , pH og reaktive oksygenforbindelser regulere åpning og lukking av kanalene. Størrelsen på porten og overflateladningen i poren bestemmer spesifisitet. Når membranpotensial blir mer negativt enn Nernstpotensialet så åpnes innover K⁺kanaler som gir akkumulering av K⁺ i lukkeceller og åpning av stomata. Er membranpotensialet mer positivt enn Nernstpotensialet så åpnes utover K⁺ kanaler, som gir lukking av stomata og frigivelse av K⁺ til xylem eller apoplast. Dette betyr at K⁺ kan diffundere ut eller inn av celler, styrt av membranpotensialet. Det er anionkanaler for utfluks av anioner og kalsiumkanaler for transport av Ca²⁺ inn eller ut av cellene.

  Bærerproteiner

2) Bærerproteiner  danner proteinporer i membranen. Stoffene som fraktes bindes til et aktivt sete på bærerproteinet og transportkapasiteten er mindre enn for kanaler. Bærere frakter spesifikke stoffer, men er ikke porer gjennom membranen. Binding til det aktive sete gir en konformasjonsendring i proteinet, og substratet dissosierer fra bærerproteinet på den andre siden av membranen. Bærere frakter 100-1000 ioner eller molekyler per sekund. Bærertransport er enten passiv eller aktiv, og således forskjellig fra kanalproteiner. Primær aktiv transport er drevet av kjemisk metabolsk energi eller lysenergi og krever energi koblet til ATP eller absorbsjon av lys i bærerproteinet som i bakterierhodopsin i halobakterier. For å kunne utføre aktiv transport, energetisk oppoverbakketransport av stoffer, må bærer kobles til en energifrigivende prosess slik at endring i fri energi blir negativ. Passiv transport via bærerprotein kalles lettet diffusjon, hvor stoffer fraktes ned en elektrokjemisk potensialgradien uten ekstra tilførsel av energi.

   Binding og frigivelse av stoff som skal fraktes ligner enzymkatalyserte reaksjoner og følger enzymkinetikk. Den maksimale transportfluksen V_max i bærermediert transport er hvor alle de substratbindende setene er opptatt.Konsentrasjonen av bærerprotein er derved begrenset og V_max gir en indikasjon for antall molekyler som blir fraktet for et spesifikt transportprotein.  Konsentrasjonen K_m gir halvparten av maksimal transporthastighet. Lav K_m indikerer høyaffinitetstransportsete, og høy Km indikerer lavaffinitetstransportsete. Det finnes både høy- og lavaffinitetssytemer for transport av ioner e.g. K⁺ og NO₃^-, samt molekyler. Ved lav ytre konsentrasjon av kalium så tas kalium opp med bærer. Ved høy ytre konsentrasjon av kalium så tas kalium opp via spesifikke K⁺-kanaler, men innfluks er drevet av H⁺ATPase.

Pumper

3) Pumper  frakter ioner og molekyler mot en elektrokjemisk gradient ved hjelp av kjemisk energi. Ionepumper kan være ladningsproduserende (elektrogene); eller elektronøytrale som ikke gir noen endring i ladning på de to sidene av membranen.  Elektrogene pumper gir ionetransport med netto forflytning av ladning. H⁺-ATPase og Ca²⁺-ATPase er viktige elektrogene pumper i plantemembraner. Elektronøytral transport gir ingen netto forflytning av ladning. H⁺/K⁺-ATPase er elektronøytral.

Plasmamembran H⁺ATPase lager H⁺ gradient over membranen. Vakuole H⁺ATPase og H⁺PPase pumper H⁺ inn i vakuoler og Golgisisterner. I plasmamembranen hos planter er de viktigste pumpene de som pumper H⁺ og Ca²⁺ ut av cytoplasma.

   Sekundær aktiv transport er bærermediert kotransport drevet indirekte av pumper via en protondrivende kraft. Sekundær aktiv transport bruker lagret energi i en protongradient. Det er to typer sekundær aktiv transport: symport og antiport. Symport (protein symporter) frakter stoffer i samme retning. Antiport (protein antiporter) frakter stoffer i motsatt retning. Energien som driver transporten kommer fra H⁺ gradienten laget av en elektrogen H⁺ATPase. Klorid (Cl^-), nitrat (NO₃^-), fosfat(H₂PO₄^-), sukrose, aminosyrer og peptider fraktes over membranen via H⁺ symport. En type peptidtransporter bruker ATP direkte i stedet for den elektrokjemiske gradienten. Klorat (ClO₃^-) som tidligere ble brukt til å drepe planter tas opp som en analog til nitrat og blir deretter redusert til giftig kloritt. Planter kan få økt toleranse for klorat hvis det skjer mutasjon i gener som deltar i nitrattransport eller assimilasjon. Kalsium (Ca²⁺) ATPase sørger for at konsentrasjonen av kalsium i cytoplasma er lav ca. 10^-6 M, ved å frakte kalsium til vakuole, endoplasmatisk retikulum og cellevegg. Transport av kalsium ut av vakuolen er styrt av inositoltrifosfat (IP₃).

Transportsystemene viser større eller mindre grad av spesifisitet bl.a. ved frakt av D-sukkere og L-aminosyrer. Sure, basiske og nøytrale aminosyrer fraktes av forskjellige systemer.

   Pumper tilhører ATP-bindende kasettfamilien av transportører (ABC-transportører),  og kan frakte store molekyler.

Et protein som transporterer kalium (K⁺) kan til en viss grad frakte rubidium (Rb⁺) og cesium (Cs⁺), selv om de to sistnevnte grunnstoffene ikke er essensielle for planteveksten. Elektrofysiologiske målinger av ionetransport baserer seg på måling av lave strømstyrker (pikoampere), og bruk av glass mikrokapillarer og mikromanipulator (“patch-clamp” teknikk).

   Dyr har Na⁺K⁺ATPase som pumper ut 3Na⁺ for hver 2K⁺ inn, og blir derved elektrogen med en positiv ladning ut. H⁺K⁺ATPase i fordøyelsessystemet er elektronøytral.

Ioner beveger seg passivt langs en minskende elektrokjemisk potensialgradient. Marine alger opptak av nitrat og aminosyrer avhengig av natrium (Na⁺). Transportproteinene ligner på enzymer ved at de har en form for substratspesifisitet, men atskiller seg ved at det ikke skjer noen endring av substratet som fraktes. Transporten følger i mange tilfeller Michaelis-Menten kinetikk. Det kan være forskjellige opptakssystemer tilpasset lave eller høye konsentrasjoner av stoffene som fraktes. Protongradienten som drivkraft for transport av andre stoffer har stor betydning hos planter.  Drivkraften påvirkes av konsentrasjonsforskjellen over membranen og membranpotensialet. Membranpotensialet kan angis i kJ per mol eller som millivolt (mV).

Protongradient koblet til transport

Elektrogen H⁺-ATPase i plasmalemma og tonoplast lager en H⁺-gradient med energi fra ATP. Den protondrivende kraften kan frakte andre stoffer  i samme retning ved symport eller motsatt retning ved antiport. Eksempler på symporttransport er frakt av aminosyrer, sukrose, og anioner som nitrat, fosfat og klorid inn i cellen. H⁺-sukrose symport finnes i følgeceller, men også i silrørsceller hvor mRNA overføres via plasmodesmata. Natrium (Na⁺) fraktes ut av cellen ved antiport. Fosforylerte ATP-aser i plasmamembranen kalles P-type ATP-ase. Vanligvis er vakuolene sure i forhold til cytoplasma og protonene kommer fra H⁺-ATPase. Noen typer blad (hagerabarbra (Rheum x hybridum), syre (Rumex), gjøkesyre (Oxalis) pH 1.9-2.6) og frukt (sitron (Citrus limon) pH 2.5 og lime (Citrus aurantifolia) (pH 1.7) kan være svært sure. Den lave pH blir opprettholdt av organiske syrer som malat (eplesyre), oksalsyre og sitronsyre, som også virker som buffere. H⁺-ATPasene i plasmalemma som kodes av en multigenfamilie er forskjellige fra de i vakuolemembranen (V-type). V-type H⁺-ATPase ligner mer på dem man finner i kloroplaster og mitokondrier (F-type). Det transporteres enn H⁺ for hver molekyl MgATP som hydrolyseres. Fosfat midlertidig bundet til aspartyl med en acylfosfatbinding, og fosforylering av enzymet gir lavere affinitet for H⁺ som derved løsner. Deretter hydrolyseres enzym-fosfatbindingen. H⁺-ATPase kan aktiveres auxin. Vakuolemembranen inneholder også en H⁺-PPase (H⁺-pyrfosfatase) som utnytter energien i pyrofosfat.

Cytoplasma inneholder en lav konsentrasjon av kalsium (Ca²⁺), i størrelsesorden 0.1 μM, mens konsentrasjonen i celleveggen og vakuolen er høy. Åpning av kalsiumkanaler indusert av inositoltrifosfat gir en midlertidig økning av kalsium i cytoplasma og virker som et metabolsk signal i en signalkjede og gir en midlertidig depolarisering.

 "Patch-clamp" teknikk brukes til å studere åpning og lukking av ionekanaler.

Vann fraktes over membranen ved hjelp av vannkanalproteiner kalt akvaporiner. Osmotisk potensial (osmotisk potensial) og hydrostatisk trykk (trykkpotensial) bestemmer vannbevegelse:

\(J=l_p\left(\Delta P-\sigma \Delta \pi\right)\)

J er vannfluks, L_p er drivkraften m s^-1 MPa^-1, σ  er refleksjonskoeffisienten som er lik 1 for upermeable stoffer og 0 for fritt gjennomtrengelige stoffer. Vann kan også til en viss grad passere biomembraner utenfor vannkanalene.

ABC transportører

Disse som har fått navn etter ("ATP-binding casette") frakter organiske stoffer som flavonoider, sekundærmetabolitter, xenobiotika inn i vakuolen ved hjelp av ATP, men uavhengig av pH-gradienter og elektrokjemisk potensial. ABC transportørene er ufølsomme for protonofore som ødelegger pH-gradienten. De har en fosforylert form som hemmes av vanadat på samme måte som P-type H⁺-ATPase. ABC transportproteiner tilhører en stor gruppe proteiner.

Membranpermeabilitet celler hos dyr

Ussingkammer ble konstruert av den danske zoologen Hans Henriksen Ussing i 1946, og blir brukt til å måle og kvantifisere transport over membraner fra epitelceller, først målt over huden til frosk. Det klassiske Ussingkammeret består av to like halvdeler med fysiologisk Krebs Ringerløsning bikarbonatbuffer pH7.4, atskilt av epitelvevet som har en slimside og en serosalside. Ionetransport over membranen gir en spenningsforskjell over membranen målt med to elektroder på hver side av epitelvevet. Spenningsforskjellen blir opphevet ved å sende likestrøm inn i enden av de to kammerne. Strømmen i strømkretsen som skyldes ionetransport eller transport av andre stoffer kan måles via en foresterker. Man må være oppmerkesom på diverse målefeil. Transporten kan skje via ionekoblete ATPaser, bærertransport, aktiv transport av ladete stoffer, endocytose, passiv transport av lipofile stoffer 

Wikipedia 

Tilbake til hovedside