Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

2. fejezet - A sejtmembrán molekuláris fiziológiája

2. fejezet - A sejtmembrán molekuláris fiziológiája

A szervezet sejtekből épül fel: a sejtek a szervezet elemi strukturális és funkcionális egységei. Az állati sejteket a plazmamembrán (más néven sejtmembrán) határolja. A plazmamembrán elválasztja a sejtet a környezetétől, összeköttetéseket alakít ki a szomszédos sejtekkel és az extracelluláris állománnyal, szabályozza a sejt összetételét, felfogja és közvetíti a sejt számára érkező jelzéseket, végül a membrán alatti struktúrákkal együttesen alakítja a sejt formáját.

A plazmamembrán szerkezete

A plazmamembrán felépítési elve valamennyi sejtben azonos. Az egységes felépítési elven belül a szerkezet részletei eltérnek; a különböző típusú sejtekben a membránalkotók (lipidek és fehérjék) eltérései felelősek a plazmamembrán adott sejtre specifikus funkcióiért, továbbá akár egyetlen sejten belül is a plazmamembrán egy részének szakosodott működéséért.

A membránszerkezet ma általánosan elfogadott felépítési elve a „folyékony mozaikmembrán modell” (angol neve fluid mosaic membrane). A modell szerint a membrán alapja egy lipid kettős réteg, amelybe integráns membránfehérjék ágyazódnak. A lipid- és a fehérjemolekulákat nem kovalens kölcsönhatások rögzítik egymáshoz, egyes fehérjék molekulakomplexeket alkotnak. A perifériás membránfehérjék a membrán felszínéhez rögzülnek.

A különböző sejtorganellumokat határoló intracelluláris membránok is a folyékony mozaikmembrán alapelv szerint épülnek fel. A különböző intracelluláris membránok lipid- és fehérje-összetevői jellemzőek az egyes organellumokra, és jelentősen eltérnek mind a plazmamembrán, mind pedig a többi organellum membránjának alkotórészeitől.

A lipid kettős réteg

A plazmamembránt felépítő lipidek túlnyomó része foszfo- és glikolipid,ezeken kívül a membránban koleszterin is van. Ezek a lipidek valamennyien aszimmetrikus, hossztengelyük irányában erősen elnyújtott molekulák (2-1. ábra A).

A foszfolipidek egyik pólusát egy alkohol (többnyire glicerin), az ehhez észterkötéssel kapcsolódó foszfát, valamint a foszfáthoz csatlakozó bázis (kolin, etanolamin stb.) képezi. A három alkotórész változó számú pozitív és negatív töltésekkel rendelkezik. Mindhárom alkotórész egyaránt hidrofil, „vizet kedvelő” tulajdonságú, ez a pólus képezi a molekula hidrofil fejcsoportját. A molekula másik pólusán két, közel párhuzamosan elrendezett zsírsavlánc foglal helyet, amelyek a glicerin két alkoholos hidroxilcsoportjával észtert képeznek. Az apoláris szénhidrogéncsoportok hidrofób, „vizet taszító” tulajdonságúak, a molekula ezen pólusa képezi a hidrofób farokrészt. Mivel a molekula mind hidrofil, mind pedig hidrofób szakaszt tartalmaz, összességében amfifil (amfipatikus) tulajdonságú. A molekula hossza mintegy 3-3,5 nm.

A glikolipidek szerkezete alapjában hasonló, az alkohol különbözik a foszfolipidekben találhatótól, és a fejcsoport szénhidrát-összetevőt is tartalmaz. Egy további amfipatikus lipid, a koleszterin molekulájában a szteránváz (szterángyűrű) hidrofób, az alkoholos csoport pedig hidrofil.

Ha egy amfifil jellegű lipid oldatát víz-levegő határfelületen szélesztjük, a lipidek hossztengelyükkel a felületre merőlegesen helyezkednek el; hidrofil pólusuk a vizes fázisban foglal helyet, a hidrofób „farokrészek” egymással párhuzamosan a levegő fázis felé orientálódnak. Az eredmény monomolekuláris réteg (monomolekuláris film, monoréteg) kialakulása a felszínen (2-1. ábra B).

A biológiai membránokban (a két vizes fázist elválasztó plazma- és intracelluláris membránokban) két lipid monoréteg lipid kettős réteget képez. A kettős rétegben mindkét monoréteg hidrofób zsírsavláncaiegymás felé fordulnak, kölcsönösen apoláris oldószert képeznek a szemben lévő monoréteg számára. A két monoréteg poláris hidrofil fejcsoportjai egymástól a két zsírsavlánc hossza által megszabott, mintegy 6-7 nm távolságra helyezkednek el. Ez a 6-7 nm távolság a plazmamembrán átlagos vastagsága. A hidrofil fejcsoportok pozitív és negatív töltésű csoportjai kristályrácsra emlékezető szerkezetet hoznak létre. Az így kialakuló struktúra a bimolekuláris lipidmembrán (BLM), más néven lipid kettős réteg (2-1. ábra C).

Az élőlény számára eltűrhető hőmérsékleten a membrán egyes molekulái bizonyos mértékig mozgékonyak: a párhuzamosan rendezett lipidmolekulák szabadon forognak hossztengelyük körül, és az egyes zsírsavláncok elhajolhatnak. Az egyes molekulák saját monorétegükön belül szabadon mozoghatnak; ez a „lateralis diffúzió” jellemző a biológiai membránokra. A felsorolt tulajdonságok bizonyos folyékonyságot (fluiditást) kölcsönöznek a membránnak: a kettős réteg belsejében helyet foglaló zsírsavláncok a folyadékokéhoz hasonló rendezetlenséget mutatnak, lipidkontinuum alakul ki. Az egyes lipidmolekulák azonban nem hagyhatják el saját monorétegüket,nem végezhetnek ún. „flip-flop” mozgást. (Pontosabb megfogalmazással a „flip-flop” mozgás rendkívül ritka; enzimhatásra azonban lehetővé válik) A membrán fluiditásának következménye, hogy a membránba beágyazott integráns fehérjék is elmozdulhatnak a membrán síkjában (hacsak valami nem akadályozza meg a lateralis diffúziót, l. a 4. fejezetet); az egyes fehérjemolekulák asszociációra (pl. dimerizációra vagy molekulakomplexek létrehozására) is képesek.

2-1. ábra. Az amfipatikus foszfolipidek szerkezete, a monomolekuláris réteg és a lipid kettős réteg membrán . A) Egy amfipatikus foszfolipidmolekula és jelképes ábrázolása. Bal oldalon a foszfolipid alkotóelemei, jobb oldalon általánosan használt jelképük látható. B) Monomolekuláris foszfolipidréteg (monoréteg) elhelyezkedése víz-levegő határfelületen. C) Két vizes fázist elválasztó lipid kettős réteg

A plazmamembrán lipidaszimmetriája

A sejtek plazmamembránját alkotó két monoréteg foszfolipid- és glikolipid-összetétele különbözik, ugyanis a membrán bioszintézise során az egyes lipidek aszimmetrikusan épülnek be a külső és a belső monorétegbe. A legfeltűnőbb az elhelyezkedésbeli különbség a glikolipidek vonatkozásában; ezek ugyanis minden sejttípusban kizárólag a plazmamembrán külső monorétegében találhatók meg. A glikolipidek oligoszacharid láncai kifelé, az extracelluláaris környezet felé orientáltak. (A membrán integráns glikoproteinjeinek oligoszacharid láncai hasonlóan kifelé irányulnak.) A belső lipidréteg egyes jellegzetes összetevőinek megjelenése a külső felszínen specifikus jelzésként szerepel pl. a véralvadási folyamatban stb.

Az integráns és a perifériás membránfehérjék

Az integráns membránfehérjék polipeptidláncában halmozottan előforduló (összefüggő) hidrofób aminosavszakaszok találhatók, amelyek halmozottan hidrofil aminosavakból álló szakaszokkal váltakoznak. Az ilyen szakaszok többnyire 25-30 hidrofób jellegű aminosavból állnak, általában α-hélixet képeznek, bemerülnek a lipid kettős rétegbe, ill. mintegy „átfúrják” a membránt (intramembrán szekvenciák, 2-2. ábra). Az α-hélixben az egyes aminosavak hidrofób oldalláncai kifelé (a lipidkontinuum felé) irányulnak, és erős hidrofób kölcsönhatásokat alakítanak ki a kettős réteg lipidkontinuumával. A polipeptidlánc peptidkötései az α-hélix belseje felé orientáltak, belső hidrofil magot alakítanak ki.

Az integráns membránfehérjék intramembrán elhelyezkedése („intramembrán topográfiája”) a polipeptidlánc egyes szakaszainak hidrofób és hidrofil karakterét tükrözi. Ennek megfelelően a polipeptidlánc sejten kívüli, intramembrán és sejten belüli (a sejtplazmában elhelyezkedő) szakaszokból áll. Mind a sejten kívüli, mind a sejten belüli polipeptidlánc-szakaszok (hurkok) hidrofil jellegűek. Az integráns membránfehérjék nagy része glikoprotein.

Az integráns membránfehérjék közül a transzportfolyamatokban szerepelnek a pumpák, a passzív karrierek (transzporterek) és a csatornák. A plazmamembrán-receptorok az extracelluláris szignálokat ismerik fel, és a jelzést „értelmezik” a sejt számára.

A perifériás membránfehérjéknek nincsenek kiterjedt összefüggő hidrofób szakaszai. Specifikus fehérje-fehérje kölcsönhatásokkal rögzülnek az integráns membránfehérjékhez, és viszonylag enyhe kezeléssel leválaszthatók a membránról. Egyes perifériás membránfehérjékben prenil vagy más oldallánc van, amelynek segítségével a fehérje a lipid kettős rétegben rögzül.

2-2. ábra. Egy integráns membránfehérje (GLUT) membránon belüli elhelyezkedése . Az ábrán elhagytuk a polipeptidlánc glikozilált helyeit. (Kétdimenziós modellt a primer szerkezet és a hidropátiás plot alapján lehet megszerkeszteni, de a röntgendiffrakciós vizsgálatok alapján megszerkeszthető a valóságot jobban megközelítő térbeli szerkezet)

A plazmamembrán permeabilitása és transzportrendszerei

A lipid kettős réteg permeabilitása

A plazmamembrán permeabilitása részben a lipid kettős réteg permeabilitásából adódik. (A kettős réteg permeabilitását amfipatikus lipidekből in vitro képzett mesterséges membránokon vizsgálhatjuk.)

A membránok transzportfolyamatainak leírásában megkülönböztetjük a „cisz” felszínt, ahonnan a transzport elindul, és a „transz” felszínt, ahová a transzportált molekula vagy ion megérkezik (cisztransz transzport). Valamely anyag áthatolása a lipidmembránon a „cisz” oldalról a „transz” oldalra diffúziós folyamat,amellyel szemben a membrán akadályt jelent.

A diffúzió kinetikáját általánosságban FICK diffúziós törvénye írja le: a diffúzió sebessége (mol/idő) egyenesen arányos a „cisz” és „transz” oldal koncentrációkülönbségével, a rendelkezésre álló felülettel, és fordítva arányos a membrán vastagságával. A diffúzió sebessége ezeken kívül a membrán és a diffundáló részecskék jellemzőiből adódó ún. diffúziós állandó függvénye (ez utóbbiakban a méret, alak, fizikai és kémiai tulajdonságok játszanak szerepet).

Membránokon keresztül zajló diffúzió esetében a diffúziós folyamatot a permeabilitási állandó (P) segítségével írjuk le: ez az illető molekula mozgásának sebessége (dimenziója távolság/idő, általában cm/s). A permeabilitási állandó egyrészt a membrán összetételétől, másrészt a diffundáló molekulák jellemzőitől, a permeáló molekula nagyságától (relatív molekulatömeg, Mr), alakjától (hosszméret, átmérő, aszimmetria), továbbá az ún. olaj/víz megoszlási hányadosától függ. Ez az utóbbi érték az illető anyag megoszlását jelzi két nem keveredő fázis között, amelyek közül az egyik apoláris (olaj, többnyire olívaolaj), a másik pedig víz, ill. vizes oldat. Az apoláris jellegű anyagok megoszlási hányadosa nagyobb, a poláris jellegűeké kisebb érték. A permeabilitási konstans az a kvantitatív jellemző, amelynek alapján a különböző anyagok transzportját akár mesterséges, akár természetes membránokon keresztül össze tudjuk hasonlítani.

Kisméretű apoláris molekulák, mint pl. O2 részére a lipid kettős réteg úgyszólván korlátlanul átjárható, a permeabilitási állandó viszonylag nagy. Hasonlóan nagy a permeabilitási állandó a polárisabb, de még mindig kisméretű CO2, továbbá az etil-alkohol esetében. A glicerin- és ureamolekulák méretük és polárisabb jellegük miatt lassabban permeálnak. (A kettős réteg vízpermeabilitását az alábbiakban írjuk le).

Mindazok a molekulák, amelyek a (mesterséges) foszfolipilipid kettős rétegeken (modellmembránokon) áthatolnak, átjutnak az intakt sejtek membránján is. Így első megközelítésben a sejtek szabadon átjárhatók a biológiailag fontos gázok (O2, CO2, NO), továbbá a kis molekulájú, töltéssel nem rendelkező anyagok (pl. etil-alkohol, etil-éter) számára.

Eredeti elképzeléseink szerint a nagyobb lipidoldékony molekulák (pl. koleszterin) főként a lipid kettős rétegben oldódva jutotnak át a sejtmembránon; jelenleg több lipid esetében bizonyítást nyert, hogy specifikus fehérje (pl. ABC-transzporter, l. alább) is közreműködik a transzportjában.

A kettős réteg lipidkontinuuma úgyszólván leküzdhetetlen akadályt jelent még a legkisebb ionok (pl. H+, K+, Na+, OH, Cl, HCO3) számára is. Elektromos töltésük következtében az ionok nem képesek belépni a lipid apoláris fázisába. Ionok ezért nem hatolnak át a tisztán lipidekből felépített kettős réteg membránokon (ill. a természetes membránok kettős rétegből álló szakaszain); a biológiai membránok ionpermeabilitása a membránba épült fehérjékre vezethető vissza. A lipidkontinuum dielektrikum, a membrán jelentős elektromos ellenállást képez. A két elektromosan vezető vizes fázis között elhelyezkedő szigetelő lipid felelős a biológiai membránok elektromos kapacitásáért.

Integráns membránfehérjék szerepe a transzportban

Az intakt sejtek plazmamembránja jóval több anyag számára átjárható, mint az egyszerű lipid kettős réteg modell. A nagyobb permeabilitás a lipidrétegbe beépült specifikus integráns membránfehérjék jelenlétének következménye: ezeknek az alábbi főbb csoportjai vannak:

  • vízcsatornák,

  • ioncsatornák,

  • passzív karrierek (transzporterek),

  • primer pumpák (ATP-vel működő pumpák).

A transzportban szereplő fehérjék nagyobb részének primer szerkezetét felderítették. A fehérjék (pl. a Na+–K+-pumpa, az anioncserélő fehérje) a különböző szövetekben specifikus izoformákban jelennek meg, és az izoformákat különálló gének kódolják. (Néha egyetlen szövettípus is különböző izoformákat tartalmaz.) Egyes transzportfehérjék fehérjecsaládokat alkotnak (pl. a monoszacharidok facilitatív transzporterei a GLUT családhoz, a vízcsatornák az aquaporin családhoz tartoznak). A családok tagjait számozással különböztetjük meg (pl. GLUT-1, GLUT-2, aquaporin-1, aquaporin-2). A családhoz tartozó transzporterek szerkezeti különbségeinek jelentős működésbeli következményei lehetnek.

A transzport energetikája

A lipid kettős rétegen keresztül folyó diffúzió a membrán két oldala között fennálló koncentrációkülönbséget egyenlíti ki, a transzporthoz szükséges energiát a koncentrációgradiens fedezi (passzív, „lejtmeneti”, angol kifejezéssel downhill transzport). Hasonló módon egyes, fehérjék által közvetített passzív transzportfolyamatok is ilyen, a koncentrációkülönbség energiájának terhére végbemenő folyamatok; ionok transzportja esetében a hajtóerő az elektrokémiai potenciálkülönbség, azaz a kémiai koncentrációgradienshez – pozitív vagy negatív tényezőként – hozzáadódik a membrán két oldala közötti elektromos potenciálkülönbség (membránpotenciál, l. a 3. fejezetet). Az elektrokémiai potenciálkülönbséggel szemben folyó aktív („hegymeneti”, uphill) transzportfolyamatokban a transzportra fordított munkát egy kapcsolt kémiai folyamatnak kell fedeznie.

A transzportfolyamatok kinetikai jellemzői

Az egyszerű (nem facilitált) diffúzió során az időegység alatt a membrán „cisz” oldaláról a „transz” oldalra átlépő anyagmennyiség, a fluxus egyenesen arányos a cisz-oldalon lévő oldat koncentrációjával (2-3. ábra alsó vonala). A membránfehérjék által katalizált facilitált transzport kinetikája ettől eltérő (a 2-3. ábrán a felső vonal): a cisz oldalon lévő anyag koncentrációjának növelésével a transzportsebesség egy adott határig növekszik, majd állandósul, a transzport telítési kinetikát mutat. Az ilyen típusú kinetikának az az oka, hogy a transzportált anyag koncentrációját növelve az egyes transzportermolekulák egymás után kötik meg szubsztrátjukat, végül a telítődési koncentrációt elérve már valamennyi transzporter működik, és az adott hőmérsékleten a transzport sebessége maximális. A maximális transzportsebesség szokásos jelölése (az enzimkinetikából átvett kifejezéssel) Vmax. A Vmax értéke a transzportermolekulák számától, továbbá a percenkénti transzportciklusok számától (átviteli szám, „turnover number”) függ. Ez utóbbi annak az időtartamnak a függvénye, ami a reverzíbilis konformációváltozásokhoz (azaz a transzportciklushoz) szükséges.

Az a (külső) glukózkoncentráció, amelynek jelenlétében a transzportsebesség éppen a Vmax érték felét éri el (ugyancsak az enzimkinetikából átvett kifejezéssel) a K0,5,ill. Km érték, ami a transzporternek a szubsztrát iránti affinitását jelzi. Minél kisebb ez az érték, annál nagyobb a transzporter affinitása a szubsztrát iránt.

2-3. ábra. Az egyszerű diffúzió és a facilitált transzport kinetikája

A transzportfolyamatok elektromos következményei

Azokban az esetekben, amelyekben a membránon keresztül valamely ion (is) transzportálódik, számolnunk kell a transzport elektromos következményével. Az ún. elektroneutrális transzportfolyamatokban vagy azonos számú pozitív és negatív töltés kerül át a membrán egyik oldaláról a másikra (elektroneutrális kotranszport, l. alább), vagy a kicserélődéssel járó transzportfolyamatokban azonos számú töltések cserélődnek (elektroneutrális csere). Az elektrogén transzportfolyamatokban vagy töltéskompenzáció nélkül jutnak át ionok a membrán túlsó oldalára (pl. Na+-glukóz kotranszport esetén), vagy az akár aktív, akár passzív transzportfolyamatban a kicserélt ionok töltései nem egyenértékűek (pl. az alább ismertetésre kerülő Na+–K+-pumpa vagy a 3 Na+/Ca2+ kicserélődési transzportban). Az ilyen jellegű transzportfolyamatokat, valamint következményeiket a megfelelő fejezetekben ismertetjük.

A sejtek ozmotikus tulajdonságai; vízpermeabilitás és vízcsatornák

Az ozmotikus tulajdonságok és ozmotikus vízáramlás vizsgálatának klasszikus objektuma a könnyen hozzáférhető emberi vörösvérsejt volt. A külső közeg és a sejtplazma között kísérletesen létrehozott ozmotikus koncentráció különbség esetén a víz az ozmotikus gradiensnek megfelelően áramlik (ozmotikus vízáramlás). Ha a külső közeg ozmotikus koncentrációja kisebb, mint a sejtplazmáé (azaz a közeg hipozmotikus vagy hipotóniás, l. az 1. fejezetet), akkor víz áramlik a vörösvérsejtekbe, és a sejt duzzad (ozmotikus duzzadás). Ha a külső közeg ozmotikus koncentrációja nagyobb, mint a sejteké (azaz a közeg hiperozmotikus vagy hipertóniás), akkor a sejt vizet veszít, zsugorodik. A szokásos szóhasználattal a vörösvérsejtek ozmométerként viselkednek. A szervezetben nagyon sok sejttípus mutat a vörösvérsejtekhez hasonló ozmotikus tulajdonságokat. In vivo körülmények között, ha a sejten belüli és kívüli ozmotikus koncentráció különbözik, akkor a membránon keresztül nettó vízáramlás van.

A plazmamembrán vízpermeabilitása két tényezőre, a lipid kettős réteg endogén vízpermeabilitására és a membrán integráns vízcsatorna-fehérjéire vezethető vissza.

A lipid kettős réteg vízpermeabilitása

A lipid kettős réteg membránok vízpermeabilitása, annak egyes fizikai paraméterei (permeabilitási állandó, Pvíz), továbbá a vízpermeabilitás összefüggése a lipidösszetétellel régen ismert volt. A kisméretű vízmolekula erősen poláris jellege ellenére is képes áthatolni a lipid kettős rétegen. A membránban jelen lévő telítetlen zsírsavak kettős kötéseinek helyén „törések” alakulnak ki, ahol a zsírsavláncok párhuzamos elrendeződése megszűnik, és ezeken a helyeken a vízmolekula képes átdiffundálni a lipidkontinuumon. A plazmamembrán vízpermeabilitása azonban csak részben vezethető vissza a lipid kettős réteg vízpermeabilitására.

Aquaporinok (vízcsatorna-fehérjék)

A sejttípusok jelentős részében a plazmamembránban (vagy annak meghatározott szakaszán) specifikus vízcsatorna-fehérjék, az aquaporinok felelősek a vízpermeabilitás nagyobb részéért. A vízcsatornákon keresztül a víz az alacsonyabb ozmolalitású oldalról a magasabb ozmolalitás felé áramlik. A vörösvérsejtek vízpermeabilitása főként az aquaporin-1 elnevezésű integráns membránfehérjére vezethető vissza. (Az aquaporin-1 volt az első felismert vízcsatorna-fehérje, ezt tükrözi a sorszám.) Ugyanez a vízcsatorna-fehérje más sejttípusokban is jelen van, így az érendotheliumban, a vese egyes sejtjeiben (l. a 14. fejezetet), a tüdőalveolusok sejtjeiben stb. Az aquaporin-1 a felsorolt sejtek plazmamembránjának állandó (konstitutív) alkotórésze. Hasonlóan állandó összetevők a különböző egyéb típusú sejtek plazmamembránjában a bennük kifejeződő aquaporin-3, -4 és -5. Az aquaporin-2 különleges tulajdonságú vízcsatorna-fehérje, amely a sejteken belül szabályozottan változtatja helyzetét, és a membránba való áthelyeződésének megfelelően a plazmamembrán vízre áteresztővé válik (l. alább).

A sejtek aktív térfogatszabályozása

A sejtek nagy részében lehetőség van a passzív térfogatváltozások, a duzzadás vagy zsugorodás helyreállítására (a vörösvérsejtekben ilyen lehetőség nincs). Az aktív térfogatszabályozás során a víz áramlása másodlagosan követi az ionok mozgását.

Passzív ozmotikus duzzadás esetén K+, Cl és szerves anionok távoznak a sejtből; az ionok leadását vízkiáramlás követi: így áll helyre az eredeti sejttérfogat. Ezzel ellentétesen, sejtzsugorodás esetén a sejtek Na+-, K+- és Cl-okat vesznek fel; az ionok felvételét víz felvétele követi, és a sejttérfogat helyreáll. Az ionok felvételét/leadását vagy a plazmamembrán feszülésének, vagy a sejt belső szerkezetének változása indítja meg: az ezt követő jelátvitel változtathatja meg az ioncsatornák állapotát vagy a plazmamembrán transzportereinek aktivitását.

Ioncsatornák

A különböző ioncsatornák működésének alapvető szerepe van a sejtek membránpotenciáljának létrejöttében, az ingerületi folyamatokban, a szekréciós és felszívási folyamatokban. Ebben a részben az ioncsatornák legáltalánosabb jellemzőivel foglalkozunk, részletesebb ismertetésükre a további fejezetekben kerül sor.

Az ioncsatornák vagy egyetlen polipeptidláncból vagy több alegységből álló integráns membránfehérjék. Az egyes polipeptidláncok kivétel nélkül több membránt átérő hidrofób szakasszal rendelkeznek. A transzmembrán szakaszok vízmolekulákkal telt ún. „vizes pórust” fognak közre: ez a pórus jelenti azt az „ösvényt”, amelyen keresztül az ionok gradiensük irányában mozoghatnak. A póruson belül szűkület, az ún. „kapu” szabályozza a pórus átjárhatóságát. Az ioncsatorna sematikus ábrázolását a 2-4. ábrán mutatjuk be. Az ioncsatorna valódi háromdimenziós szerkezetére az elektron- és röntgendiffrakciós vizsgálat alapján tudunk következtetni. Lényeges momentum, hogy az ioncsatornák szerkezete a membrán síkjára nézve nem szimmetrikus.

Az ionmozgás minden esetben passzív, az elektromos és a kémiai gradiensek eredője („elektrokémiai gradiens”) irányában megy végbe. Egyes csatornákban az ionok mozgása szabad diffúzió a vizes pórusban. Más csatornákban azonban az ionok reverzíbilisen kötődnek a csatornát bélelő polipeptidszakaszok aminosavmaradékaihoz, így mintegy kötőhelyről kötőhelyre „ugrálva” haladnak át a membrán egyik oldaláról a másikra.

A csatornák vagy kationok, vagy anionok számára permeábilisak. Az anion- és kationszelektivitás oka az ún. szelektivitási szűrő jelenléte a csatorna adott szakaszán: a szűrőt töltéssel rendelkező aminosavak alkotják, amelyek taszítják az azonos töltésű ionokat. A kationcsatornák közül egyesek kevéssé szelektívek, és mind Na-, mind K-, mind Ca-ionokat átengednek (ún. aspecifikus kationcsatornák). Más kationcsatornák (pl. a feszültségfüggő Na- vagy K-csatornák) szelektivitása nagyobb, bár pl. a feszültségfüggő Na-csatornák 99% Na+ mellett 1% K+-t is átengednek. A kationok közötti megkülönböztetés a csatorna geometriájára, a pórus átmérőjére vezethető vissza. Az anioncsatornák kevéssé szelektívek, többnyire mind klorid-, mind bikarbonátionokra permeábilisak, azonban konvencionálisan mint „kloridcsatornák” ismertek (mivel főleg kloridionok haladnak át rajtuk).

2-4. ábra. Ioncsatorna-modell

Nyitás-zárási frekvencia és nyitvatartási idő

A csatornafehérjék termális energiájuk következtében állandó dinamikus mozgásban vannak, konformációjuk a nyitott és a zárt állapot között oszcillál. (Egyszerűség kedvéért úgy tárgyaljuk az ioncsatornákat, mintha csak teljesen nyitott vagy teljesen zárt állapotban lennének, a valóságban ez nem minden esetben igaz). Az egyes csatornatípusokra jellemző az átlagos nyitvatartási idő (τ). Bizonyos ioncsatornák, főként kálium- és kloridcsatornák a sejt nyugalmi, azaz nem ingerelt állapotában is aránylag nagy frekvenciával nyílnak: ezek a csatornák határozzák meg a sejtek nyugalmi membránpotenciálját, amit a 3. fejezetben ismertetünk. Az ioncsatornák többsége azonban általában zárt állapotban van (a spontán nyitások valószínűsége kicsiny). A nyitó és a záró mechanizmusok (mechanikai és feszültségváltozás, ligandkötés) az oszcillációk frekvenciáját változtatják, valamely aktiváló tényező hatására a csatornanyitások valószínűsége jelentősen megnő (az átlagos nyitvatartási idő nem változik). A membrán teljes ionáramát az egy időben nyitott ioncsatornák száma határozza meg.

Aktiválódás, inaktiválódás, deaktiválódás, deszenzitizálódás és csatornablokk

A csatornákat alkotó polipeptidlánc(ok) egyes szakaszai határozzák meg a csatorna további tulajdonságait: a nyitás/zárás mechanizmusát, a csatorna inaktiválását (a zárt csatorna nyitásképtelenségét). A feszültségfüggő csatornákban kritikus helyen, a feszültségszenzorban töltéssel bíró aminosavak helyezkednek el, amelyek a membrán két oldala közötti elektromos potenciálkülönbség megváltozására elmozdulnak, a csatornafehérje konformációja megváltozik, és az addig zárt csatorna megnyílik. A mechanoszenzitív csatornákban a plazmamembrán deformálódásának van hasonló szerepe. A ligandfüggő csatornákban valamely molekula megkötése a ligandkötő doménen indítja el a csatorna nyitásához vagy zárásához vezető konformációváltást (l. a 3. és 6. fejezeteket). A ligandkötő domén vagy a plazmamembrán külső felszínén (extracellulárisan), vagy a belső felszínen (intracellulárisan) helyezkedhet el.

Egyes csatornatípusok aktiválásukat követően olyan konformációváltozáson mennek keresztül, amely megakadályozza a csatorna ismételt aktiválhatóságát. A feszültségfüggő csatornák esetében ezt a folyamatot inaktiválásnak nevezzük, a ligandfüggő csatornák esetében pedig deszenzitizálódásnak: mindkét esetben az addig a nyitásért felelős mechanizmus nem képes ismét nyitni a csatornát. Ezektől eltér az a jelenség, amelynek során az éppen nyitott csatornához valamely anyag vagy ion kötődik, és blokkolja a csatorna vezetőképességét: ez az anyag lehet egy toxinmolekula, amely elzárja a csatorna pórusát, vagy – kationcsatornák esetében – egy magnéziumion, amely a csatorna intracelluláris nyílásához kötődve megakadályozza más kationok mozgását a póruson keresztül.

Passzív karrierek (transzporterek)

A passzív karrierek (transzporterek) és a később említett aktív pumpák közös vonása, hogy minden egyes traszportciklussal konformációváltozáson mennek keresztül. A különbség közöttük, hogy a passzív karrierek ionokat vagy semleges molekulákat azok kémiai vagy elektromos gradiense irányában mozgatnak, míg a pumpák ionokat szállítanak, és elektrokémiai gradiens létrehozására képesek. A passzív karrierek által közvetített transzportfolyamatoknak a transzportált molekulák száma és a transzport iránya alapján három lehetséges változata van (2-5. ábra). Az egyetlen anyagot szállító transzporter uniporter. Ha a transzport során a szállított anyagok meghatározott arányban kötelező módon kicserélődnek, kicserélő karrierről,antiporterről beszélünk. A harmadik lehetőség anyagok kötelezően együttes, egyirányú transzportja, kotranszport, a katalizáló passzív karrier pedig kotranszporter. (A továbbiakban tárgyaljuk, hogy az ionpumpák antiporterek vagy uniporterek.)

2-5. ábra. Passzív karrierek (transzporterek)

Példa az uniporterekre: a facilitatív glukóztranszporterek családja

A vörösvérsejtek a glukózt a környező vérplazmából veszik fel; a glukózfelvételt a membrán facilitatív glukóztranszportere(GLUT-1, más néven glukózkarrier) katalizálja. A transzportfolyamat során a glukóz egymagában mozog.

Fiziológiás körülmények között a glukóz koncentrációgradiense irányában lép a vérplazmából a vörösvérsejtek belsejébe. Kísérletes körülmények között lehetséges a koncentrációgradiens megfordítása; ebben az esetben a glukóz az ellenkező irányban, a vörösvérsejtekből a környező közeg felé transzportálódik; a GLUT mindkét irányban működhet.

A glukóztranszporter nem teljesen specifikus D-glukózra, a D-glukóz mellett még néhány más monoszacharidot is képes szállítani. A különböző monoszacharidok iránti affinitás, valamint a Vmax értékek cukronként különböznek. Ha különböző szállított monoszacharidok (pl. glukóz és mannóz) egyidejűleg vannak jelen, mindkettő csökkenti a másik transzportját, mivel vetélkednek a transzportermolekula szubsztrátkötő helyéért (kompetitív gátlás). Kompetitív gátlás olyan cukrokkal is kimutatható, amelyek nem transzportálódnak, de kötődnek a transzporter szubsztrátkötő helyéhez. A két glukózegységből álló diszacharid, a maltóz önmaga nem transzportálódik, de a vörösvérsejtek glukóztranszportját gátolja.

A különböző sejteken jelen lévő facilitatív glukóztranszporterek (közös rövidítésük GLUT) közül elsőként a vörösvérsejtekét fedezték fel: ezt az izoformát nevezték a későbbiekben GLUT-1-nek. Más sejttípusokban (idegsejtek, agyi kapillárisok endotheliuma, májsejtek, vázizomrostok, zsírsejtek stb.) a jelen lévő GLUT-ok hasonlóak, de nem azonos szerkezetűek. A GLUT család egyes fontosabb tagját (GLUT-1–5) a 2-1. táblázatban ismertetjük), valamilyen (egy vagy több) GLUT minden sejtben kifejeződik. Némely sejttípusban csak egyetlen típusú GLUT van, a vörösvérsejtben például csak GLUT-1. Más sejttípusokban azonban egymással párhuzamosan több típusú GLUT is megjelenhet, így pl. a zsírsejtben GLUT-1 és -4, és funkciójuk különböző (l. a 23. fejezetet). Az egyes GLUT-ok K0,5 értékei jelentősen különböznek, transzporttulajdonságaik megfelelnek az illető sejttípus speciális funkciójának, továbbá szabályozásuk is eltér. Az emberi vörösvérsejtek glukóztranszporterének K0,5 értéke 4 mmol/l körül van, ezért a plazma glukózkoncentrációjának fiziológiás változásai befolyásolják a vörösvérsejtek glukózfelvételét. Más sejttípusokban, amelyek eltérő GLUT-okkalrendelkeznek, a K0,5 értéke a sejttípus funkciójának megfelelően eltérő (magas, ill. alacsony affinitású GLUT-ok). Ha a GLUT affinitása nagy, a sejtek glukózfelvételét a plazma glukózkoncentrációja nem befolyásolja. Ebben az esetben a transzport fokozása csak a glukóztranszporterek számának növelésével lehetséges (l. alább és a 23. fejezetet).

4.4. táblázat - 2-1. táblázat. A plazmamembrán facilitatív glukóztranszporterei (uniporterek)

Név

Előfordulás

Szerep

GLUT-1

Vörösvérsejt

Kapillárisendothelium

Glukózfelvétel

Glukóztranszport a vér-agy gáton keresztül

GLUT-2

Máj

Vese

Bélhám

Pancreas β-sejt

Glukózfelvétel és -leadás

Glukózleadás

Glukózleadás

Inzulinszekréció szabályozása

GLUT-3

Idegsejt

Glukózfelvétel

GLUT-4*

Izom

Zsírsejt

Inzulinnal szabályozott glukózfelvétel

Inzulinnal szabályozott glukózfelvétel

GLUT-5

Bélhámsejt

Fruktózfelszívás (luminalis)


A GLUT-1 és a GLUT-3 az agyi neuronok glukózfelvételében sorba kapcsoltan működnek együtt

* A GLUT-4 reverzíbilis áthelyeződését a plazmamembrán és az endosomák között a 23. fejezetben írjuk le

Példa a kicserélő transzporterekre I.: az anionkicserélő fehérje

Az anionkicserélő fehérje (szinonima: Cl–/HCO3 kicserélő karrier) fiziológiás körülmények között a cisz oldalon lévő kloridionokat 1 : 1 arányban cseréli ki a transz oldalon helyet foglaló bikarbonátionokkal (vagy megfordítva). A Cl/HCO3 kicserélődés szigorúan elektroneutrális, példája az „elektromosan csendes” transzportfolyamatoknak. A fehérje azonos anionokat is képes egymással szemben kicserélni, így Cl/Cl és HCO3/HCO3 cseréjét is katalizálja (innen származik az „anionkicserélő fehérje” név). A membrán két oldalán helyet foglaló anionok relatív koncentrációja határozza meg, melyik aniont (Cl-t vagy HCO3-ot) választja ki a szállításra a transzporter. Anionkicserélő fehérjék sok sejttípusban kifejeződnek, működésük alapvetően fontos a vérgázok szállításában, egyes szekréciós folyamatokban.

Példa a kicserélő transzporterekre II.: a 3 Na+/Ca2+ antiporter

Az intracelluláris Ca2+-koncentráció szabályozásának egyik tényezője a 3 Na+/Ca2+ antiporter. A transzporter az extracelluláris/intracelluláris (befelé irányuló) Na+-gradiens terhére Ca2+-okat távolít el a sejt belsejéből, ezzel helyreállítja az alacsony intracelluláris Ca2+-koncentrációt. A 3 Na+ : Ca2+ töltésarányokból látható, hogy – szemben az említett anioncserével – a transzport elektrogén jellegű, a Ca2+-leadás során a sejtek belső negativitását csökkenti.

Példa a kotranszporterekre: a Na+−glukóz-kotranszporter

A kotranszporterek két vagy három molekula/ion egyidejű, azonos, cisztransz irányú transzportját katalizálják. A Na+–glukóz-kotranszporter (angolul sodium-glucose transporter, SGLT) a cisz oldalon Na+-(oka)t és egyidejűleg glukózt köt meg, majd a transzportciklus során ezeket átviszi a membrán transz oldalára, ahol a megkötött partnerek disszociálnak a transzporterről. A transzport nyilvánvalóan elektrogén, pozitív töltés jut a sejt belsejébe. A kotranszporterek csak akkor működnek, ha a cisz oldalon valamennyi transzportálandó anyag egyidejűleg rendelkezésre áll. (Az SGLT szerkezetében és működésében eltér a korábban ismertetett GLUT-tól, l. a 4. fejezetet.)

Primer pumpák (ATP-vel működő pumpák)

A primer pumpák (ATP-vel működő pumpák) egy vagy több iont az elektrokémiai gradienssel szemben szállítanak („hegymeneti transzport”, l. előbb), ésaz ionok mozgását közvetlenül kapcsolják az ATP hidrolíziséhez (ezzel fedezik az iontranszport energiaszükségletét).

A plazmamembrán Na+–K+-pumpája (Na+–K+-ATP-áz)

A Na+–K+-pumpa működését a legegyszerűbb szerkezetű emlős sejt, a vörösvérsejt példáján írjuk le. Az emberi vörösvérsejtekben a belső K+-koncentráció mintegy 150 mmol/l, az extracelluláris (plazma-) K+-koncentráció mindössze kb. 4 mmol/l. A belső Na+-koncentráció kb. 15 mmol/l, míg az extracelluláris (plazma-) Na+-koncentráció sokkal magasabbb, mintegy 140 mmol/l. Ezek az értékek mutatják, hogy jelentős K+-gradiens irányul kifelé, és valamivel kisebb Na+-gradiens befelé. Ez az egyenlőtlen ionmegoszlás két ellentétes irányú folyamat eredménye, amelyek dinamikus egyensúlyhoz vezetnek, és amelyeket a „szivárgással szemben működő pumpa” néven említünk (2-6. ábra).

A vörösvérsejt membránja mérsékelten permeábilis K+- és Na+-ok számára. A koncentrációgradiensek irányában állandóan kifelé „szivárognak” a K+- és befelé a Na+-ok [passzív, ún. „völgymeneti” (downhill) transzport.] A K+ és a Na+ ezen passzív mozgásai egymástól függetlenek. A kationok passzív szivárgását folyamatosan ellensúlyozza a Na+-ok kifelé és a K+-ok befelé irányuló kapcsolt transzportja, amelyért a Na+–K+-pumpa működése felelős. A pumpa mindkét kationt koncentrációgradiensével szemben (uphill) szállítja (aktív transzport).

Az aktív transzport energiát igényel, amelyet a sejt anyagcsere-folyamatai fedeznek. Ha a vörösvérsejtek anyagcseréjét hűtéssel kikapcsoljuk, a sejtek Na+-tartalma növekszik, K+-tartalma csökken (a hűtés nem befolyásolja lényegesen a passzív szivárgási komponenst). A sejtek fiziológiás hőmérsékletre való visszamelegítése helyreállítja mind az anyagcsere-folyamatokat, mind a kiindulási Na+- és K+-koncentrációkat.

Az ionpumpa közvetlen energiaforrása a sejtek belső ATP-tartalma. Kísérletes körülmények között az ATP deplécióját a pumpaműködés megszűnése követi. Az ATP-tartalom helyreállításával a Na+-ok kipumpálása és a K+-ok kapcsolt felvétele ismét megindul. A pumpálás folyamán az ATP terminális foszforil csoportja anorganikus foszfát formájában lehasad: a Na+–K+-pumpa másik elnevezése ezért Na+–K+-ATP-áz. Minthogy a Na+–K+-pumpa közvetlenül hasznosítja az ATP kémiai energiáját, az általa katalizált iontranszport a primer aktív transzportfolyamatok csoportjába tartozik.

A Na+-ok kifelé szállítása (kipumpálása) szorosan kapcsolódik a K+-ok felvételéhez. Ezt mutatja az is, hogy extracelluláris K+-ok hiányában a Na+-ok kipumpálása megszűnik. Egy transzportciklus során egy molekula ATP hasítását 3 Na+ eltávolítása és 2 K+ felvétele kíséri; így a szállított ionok töltései nem kompenzálják egymást, a pumpa elektrogén.

A Na+–K+-pumpa transzport- és enzimatikus működését egyes, gyógyszerként is alkalmazott növényi szteroidszármazékok, az ún. szívglikozidok (mint pl. az ouabain, egy sztrofantinszármazék) specifikusan gátolják.

A Na+–K+-pumpa működése a szervezet legtöbb sejtjében alapvető jelentőségű. A magas intracelluláris K+-koncentráció előfeltétele a transzmembrán elektromos potenciál különbség kialakulásának (nyugalmi membránpotenciál, l. a 3. fejezetet). A pumpa hozza létre a sejtek életében elengedhetetlen egyenlőtlen ionmegoszlást. Az alacsony intracelluláris Na+-koncentráció teszi lehetővé a másodlagosan kapcsolt aktív transzportfolyamatokat (l. a 4. fejezetet).

2-6. ábra. A passzív és aktív iontranszport modellje a vörösvérsejtben („szivárgással szemben működő pumpa”, leak-pump model)

A transzport-ATP-ázok csoportosítása

A Na+–K+-pumpa volt az első felfedezett primer pumpa. A későbbiekben egyrészt a plazmamembránban, másrészt az egyes sejten belüli organellumok membránjában további primer pumpákat fedeztek fel (2-2. táblázat; 2-7. ábra).

A transzport–ATP-ázokat szerkezetük és reakciómechanizmusaik alapján csoportosítjuk. A plazmamembrán Na+–K+-pumpája, Ca2+-pumpája és H+-K+-pumpája, továbbá a sarcoplasma- és az endoplasma-reticulum Ca2+-pumpája egyazon csoportba tartozik. Működésük során a transzport kezdeti lépésében az ATP foszforilálja a pumpát (az enzimfehérjét), és ezzel foszfoenzim képződik;a következő lépések során a foszfoenzim hidrolízist szenved (P típusú ATP-ázok csoportja). Ezek a pumpák elsődleges szerkezetükben is homológok. A P típusú ATP-ázok közül azonban egyedül a Na+–K+-ATP-áz működését gátolják a szívglikozidok.

A P típusú ATP-ázoktól alapjában eltér a plazmamembrán, továbbá a sejtorganellumok (szekréciós és neurotranszmitter vesiculák) H+-pumpáinak csoportja. A H+-pumpák csoportjában az enzimfehérje a transzportműködés során nem foszforilálódik, és ezek a pumpák nem homológok a P típusú ATP-ázokkal. Ezzel szemben hasonlóságok vannak a plazmamembrán és az organellumok membránjának H+-pumpái között: a H+-pumpák a vacuolaris, V típusú ATP-ázok családjába tartoznak.

2-7. ábra. Primer pumpák a membránban

4.5. táblázat - 2-2. táblázat. A plazmamembrán és az intracelluláris organellumok primer pumpái. A) A plazmamembrán primer pumpái

Név

Előfordulás *

Funkció

Na+–K+-pumpa

(Na+–K+-ATP-áz)

Minden sejt

Egyenlőtlen Na+- és K+- megoszlás létrehozása

Ca2+-pumpa

(Ca2+-ATPáz)

Vörösvérsejtek

Felszívó hámsejtek

Alacsony Ca2+-koncentráció a sejtplazmában

Ca2+-felszívás

H+-pumpa

(protonpumpa, H+-ATP-áz)

Vese gyűjtőcsatornák

H+-szekréció

H+−K+-pumpa

(H+−K+-ATP-áz)

Gyomornyálkahártya fedősejtjek

Vese gyűjtőcsatornák

H+-szekréció


4.6. táblázat - 2-2. táblázat. A plazmamembrán és az intracelluláris organellumok primer pumpái. B) Az intracelluláris organellumok primer pumpái

Név

Előfordulás *

Funkció

Ca2+-pumpa

(Ca2+-ATP-áz)

Sarcoplasma-reticulum

Endoplasma-reticulum

Kiáramlott Ca2+ visszavétele

Kiáramlott Ca2+ visszavétele

H+-pumpa

(H+-ATP-áz)

Lysosoma

Szekréciós granulum

synapticus vesicula

Az organellum belsejének savanyítása

A granulum belsejének savanyítása

Neurotranszmitter felvétele a vesiculába


A táblázatban nem szerepelnek az ABC transzporterek

* A felsorolás nem teljes

Az ABC transzporter szupercsalád

A „klasszikus” P és V típusú pumpák megismerését követően vált ismertté egy membránfehérje család, amelyre jellemző, hogy ATP-t kötő szekvenciarészletet tartalmaz. Ez a közös részlet az alapja az ide tartozó fehérjék elnevezésének: ABC transzporter szupercsalád. [Az ABC betűszó az „ATP-binding casette” (ATP-t kötő „kazetta”) rövidítése.] A szupercsalád elnevezés arra utal, hogy sok membránfehérje tartozik ehhez a csoporthoz. Néhányan közülük primer pumpák: ilyen ABC transzporterek működnek közre a májsejtek (hepatocyták) epeszekréciójában (l. a 21. fejezetet); ABC transzporter szerepel a koleszterin membránon keresztüli átjuttatásában. Az ABC transzporterek arra is képesek, hogy ATP hasítása mellett különböző gyógyszereket is eltávolítsanak a sejtekből, és így gyógyszertani és terápiás jelentőségük is van: ezek a „multidrog transzporterek”. A transzporterek „túlzott kifejeződése” (angol zsargonban overexpression) okozza, hogy a kezelt daganatos sejtek előbb vagy utóbb ellenállókká válnak a kemoterápiában használt citotoxikus gyógyszerekkel szemben. A családhoz azonban olyan membránfehérjék is tartoznak, amelyek nem primer pumpák, hanem membráncsatornák. Egyikük, a CFTR fehérje (a betűszó a cystás fibrosis transzmembrán-konduktancia regulátor fehérjéből származik) kloridcsatorna, és a kloridszekrécióban szerepel. A fehérjét kódoló gén mutációi felelősek a gyakran előforduló cystás fibrosis elnevezésű örökletes betegségért.

Másodlagosan aktív transzport

A pumpaműködéssel fenntartott Na+-gradiens energetikailag fedezheti egyes anyagok gradiens ellenében történő, ún. másodlagosan aktív transzportját. Erre akkor van lehetőség, ha a membránban valamely Na+−X-kotranszporter vagy Na+/Y antiporter van jelen. Az első esetben az X anyag Na+-okkal együtt kerül gradiense ellenében a sejtbe (pl. Na+−glukóz vagy Na+-neurotranszmitter kotranszport), a második esetben az Y anyag (pl. Ca2+- vagy H+-ok) gradiensük ellenében hagyják el a sejtet. A hámsejtek másodlagosan aktív transzportját részletesen a 4. fejezetben ismertetjük.

Másodlagosan aktív transzport nemcsak a plazmamembránon, hanem egyes sejtorganellumok membránján keresztül is folyik. A 6. fejezetben ismertetjük az idegvégződésekben található sejtorganellumok, a synapticus vesiculák működését. A vesiculák membránjában H+-pumpa (V típusú ATP-áz) protongradienst hoz létre, és a magas intravesicularis H+-koncentráció szolgáltatja a neurotranszmitterek felvételének hajtóerejét.

Vesicularis transzport: endo- és exocytosis, membránkörforgás

Sok sejttípusban a plazmamembrán szerkezete nem állandó, hanem folyamatosan átépül, egyes alkotóelemei a plazmamembránból a sejt belsejébe kerülnek (endocytosis), továbbá a sejtplazmában elhelyezkedő membránnal határolt organellumok (endosomák, szekréciós granulumok, neurotranszmitter vesiculák) membránja beékelődik a plazmamembránba, amely ezáltal kibővül (exocytosis).

Endocytosis

Az endocytosis során a plazmamembrán adott helyen betüremkedik, befűződik (invaginatio), majd a befűződés teljesen lefűződik, és a keletkező, membránnal körülvett endocytoticus vesicula a sejt belsejébe kerül. A sejt belsejében az endocytoticus vesiculák egy speciális vesiculapopulációval, az endosomákkal fuzionálnak.

Extracelluláris makromolekulák úgy kerülhetnek a sejt belsejébe, ha előbb a membrán külső felszínén specifikus felismerő receptorokkal találkoznak; a receptorhoz való kötődés indítja meg a bekebelezés, az endocytosis folyamatsorát. A plazmamembrán a kötődés helyén előbb beboltosul, majd lefűződik, és a megfelelő membránrészlet az előzőekben leírt módon endocytoticus vesiculát képez.

Az élettani folyamatokhoz szükséges makromolekulák, pl. lipoproteinek és a receptorokhoz kötődő molekulák (pl. hormonok) mellett endocytosissal jutnak a sejtbe toxinok és vírusok is. Ezekben az esetekben is követelmény, hogy a makromolekula a sejt valamely receptorához kötődjék. A sejtbe jutott toxinok vagy vírusok azután elpusztíthatják a sejtet, esetleg a szervezet egészét.

Exocytosis

Sok sejttípusban (neuronok, chromaffin sejtek, endokrin sejtek, hámsejtek, granulocyták, thrombocyták) a szintetikus folyamatok termékei (neurotranszmitterek, hormonok, szekréciós fehérjék stb.) membránnal borított organellumokban, vesiculákban vagy szekréciós granulumokban tárolódnak. A vesiculák vagy granulumok tartalma exocytosissal hagyja el a sejtet. A „megcímzett” membránnal körülvett organellumok a plazmamembrán megfelelő szakaszához szállítódnak, és ott „várakozó helyzetben” sorakoznak fel. A vesiculák tartalmának extracelluláris térbe ürítését a cytoskeleton szabályozza. A sejtplazma Ca2+-koncentrációjának gyors emelkedése (Ca2+-jel) az exocytosis indító jele.

Az exocytosis során az organellum membránja fuzionál (összeolvad) a plazmamembránnal, és az organellum tartalma a membránfúzió során keletkezett nyíláson keresztül hagyja el a sejtet. A membránfúzió első lépése a mindkét membránban jelen lévő specifikus fehérjék fizikai érintkezése. A Ca2+-jel mindkét fehérjében konformációváltozást indít meg: az eredmény a plazmamembránon és a hozzáfekvő vesiculamembránon keresztülvezető pórus képződése. A pórus néhány nm átmérőjű, és a vesicula tartalma ezen keresztül ürül az extracelluláris térbe. A fúzióval egy időben a két lipid kettős réteg is fuzionál, és a vesiculamembrán a plazmamembrán alkotórésze lesz. Az exocytosis folyamán a sejtplazma egyetlen pillanatig sem érintkezik az extracelluláris térrel, a vesicula- és a plazmamembrán közötti érintkezés szorosan záró szigetelést jelent.

A neurotranszmitterek exocytosisának részleteit a 6. fejezetben ismertetjük.

Membránkörforgás

A legtöbb sejttípus esetében a plazmamembrán állandóan átépül, a transzportban részt vevő fehérjék endocytosissal visszavonásra kerülnek, hogy azután vagy újonnan szintetizáltakkal, vagy addig endosomákban nyugvó fehérjékkel cserélődjenek ki. A membrán alkotórészeinek folyamatos megújulását, kicserélését nevezzük „membránkörforgás”-nak (angol kifejezéssel membrane cycling).

A transzportfolyamatok szabályozása membránkörforgással

A plazmamembránon keresztül végbemenő transzportot különböző mechanizmusok szabályozhatják. A membránban jelen lévő transzporterek aktiválódhatnak vagy inaktiválódhatnak, új transzportermolekulák szintetizálódhatnak. A membránkörforgás, a transzportban részt vevő alkotórészek beépítése és kivonása lehetőséget nyújt a transzportfolyamatok szabályozására.

A csak időlegesen működő transzporterek egy része a működési szünet alatt az endosomák membránjában, inaktív állapotban foglal helyet. Aktiváló jelzések hatására az endosomák kihelyeződnek a plazmamembránba, és a pumpák, passzív transzporterek vagy csatornák így működőképes helyzetbe jutnak. Az aktiváló jelzés megszűntekor a transzportelemek inaktív állapotban visszakerülnek a plazmamembránból az endosomákba.

Az ilyen típusú transzportszabályozásra példa a gyomor fedősejtjeiben a H+−K+-pumpa kihelyezése/visszavétele. A szekréció szünetelése alatt a pumpa az endosomákban inaktív állapotban van: szekréciós inger hatására kihelyeződik a sejt apicalis membránjába. A szekréciós fázis megszűnésekor a pumpa visszavevődik az apicalis membránból az endosomákba (l. a 21. fejezetet).

A GLUT-4 facilitatív glukóztranszporter az izom- és zsírsejtekben az endosomák és a plazmamembrán között cirkulál. Inzulin hatására a GLUT-4-et tartalmazó endosomák kihelyeződnek a plazmamembránba; az inzulinhatás lecsengését követően a GLUT-4 molekulák visszahelyeződnek az endosomákba, ahol működésük szünetel (l. a 23. fejezetet).

A vese gyűjtőcsatornáiban jelen lévő aquaporin-2 vízcsatorna szolgáltat egy további példát. Az aquaporin-2 a gyűjtőcsatornasejtek endosomáiban helyezkedik el, és ezért ezeknek a sejteknek apicalis membránja vízre nézve impermeábilis. A vazopresszin (más néven antidiuretikus hormon) hatására az aquaporin az endosomák és az apicalis plazmamembrán között cirkulál, ezzel a sejt luminalis membránja vízre permeábilissá válik (l. a 14. fejezetet). A hormonális jelzés lecsengését követően az aquaporin ismét az endosomákban foglal helyet.

Mérföldkövek

Membránszerkezet

1902–1910: L. E. Overton a narkózis tanulmányozása közben összefüggést talál a narkotikus anyagok hatásossága és lipidoldékonysága között.

1925: E. Gorter és F. Grendell megkísérlik összehasonlítani a vörösvérsejtek felületét azzal a felülettel, amelyet a vörösvérsejtekből kivont lipidek egy vizes fázis felszínén foglalnak el. Arra következtetnek, hogy a lipidek kettős réteget képezve építik fel a membránt. Ma már tudjuk, hogy méréseik pontatlanok voltak, de a két különálló mérés szisztémás hibái kiegyenlítették egymást; a következtetés máig érvényes.

1935: J. F. Danielli és H. Davson megszerkesztik a biológiai membránok modelljét; ebben a modellben a lipid kettős réteget két fehérjeréteg fogja közre (Davson–Danielli-modell, szendvicsmodell). Ezt a modellt a Singer–Nicholson-féle modell megjelenéséig elfogadták. 1972: S. J. Singer és G. L. Nicholson fizikai mérések alapján megalkotja a biológiai membránok „folyékony mozaik” modelljét (fluid mosaic membrane), amely ma általánosan elfogadott.

1982: J. Kyte és R. F. Doolittle az integráns membránfehérjék primer szerkezete alapján algoritmust szerkesztenek (hydropathy plot), amely segítségével a fehérjének a membránon belüli kétdimenziós elhelyezkedésére lehet következtetni.

Membránpermeabilitás

1933: W. J .V Osterhout feltételezi, hogy a plazmamembránban „vivőanyagok” („karrierek”) vannak, amelyek a membrán egyik oldalán megkötik a transzportálandó anyagokat, és azt átviszik a membrán túlsó oldalára („kompmechanizmus”). A transzport kompmechanizmusa csak mesterséges rendszerekben fordul elő, de a „karrier” kifejezés máig használatos.

1962: P. Mueller, D. O. Rudin és munkatársaik mesterséges bimolekuláris lipidrétegeket állítanak elő (optikai tulajdonságaik alapján ún. „fekete lipidmembránok”, „black lipid membranes”, BLM, amely rövidítés később „bimolecular lipid membrane” értelmezést nyer). Felfedezik, hogy a nagyon alacsony elektromos vezetőképességet fehérjék beépítésével meg lehet növelni. Nem sokkal később, 1971-ben D. W. Urry kimutatja, hogy néhány egyszerű peptiddel (pl. gramicidinnel) is meg lehet növelni a vezetőképességet: ezek a peptidek a membrán-ioncsatornák első modelljei.

Katalizált transzport

1950-1952: Straub F. Bruno és Gárdos György leírja, hogy a vörösvérsejtek K+-felvételéhez és a K+-tartalom fenntartásához ATP szükséges. 1953-ban H. J. Schatzman felfedezi, hogy a vörösvérsejteken belüli magas K+- és alacsony Na+-koncentráció szívglikozidok (ouabain) hatására kiegyenlítődik. 1957-ben J. Ch. Skou rákidegek dörzsölékében ATP-t bontó enzimről (ATP-áz) számol be, amelynek maximális aktivitásához K+ és Na+ együttes jelenlétére van szükség, és később ezt az enzimet ouabainérzékenynek találja. 1960-ban R. L. Post összehasonlítja az ouabainnak a vörösvérsejtek iontranszportjára és ATP-áz-aktivitására kifejtett hatását, és arra következtet, hogy a Skou által felfedezett ATP-áz (amelyet ma Na+−K+-pumpának nevezünk) felelős a Na+ és a K+ kapcsolt transzportjáért.

1961–1965: P. Mitchell a transzportfolyamatok osztályozására bevezeti az uniport, szimport és antiport elnevezéseket, amelyek átmennek a köztudatba.

1991: P. Agre a vörösvérsejtek membránfehérjéit vizsgálva, mintegy véletlenül rájön, hogy az egyik integráns membránfehérje felelős a vörösvérsejtek vízpermeabilitásáért. A fehérjét végül aquaporin-1-nek (AQP-1) nevezik el. A következő néhány évben azonosítják a különböző AQP-izoformákat (AQP-1, -2 …), és feltérképezik ezek szelektív kifejeződését.