Bevezető, kémiai kötések

  Szerves vegyületek, zsírok, Zsírsavak, gliceridek

  Aminosavak, peptidek, peptidkötés

  Membrán strukturák és transzportfolyamatok

Az anyagot felépítő atomok különböző kémiai kötések révén kapcsolódhatnak össze. A molekulát felépítő atomok leggyakrabban ionos- vagy kovalens kötés révén kapcsolódnak össze. Ionos kötés esetén a töltéssel rendelkező részecskék (ionok) elektrosztatikus vonzás hatására kapcsolódnak össze úgy, hogy megmaradjon az elektroneutralitás elve. A molekula összegképlete az illető atom részarányát fejezi ki. Ionos vegyület pl. NaCl molekula (1ábra). Ez esetében a Na-atom lead egy elektront és keletkezik Na⁺-ion, még a klóratom felveszi ezt az egy elektron és Cl^--ionná alakul.

Vissza az elejére

A szerves vegyületeket felépítő legfontosabb elemek a C, N, O, P. Ezen atomok kombinációjával számos élő szervezetet felépítő fehérjék építhetők fel.
A zsírsavak (mint pl. palmitinsav vagy sztearinsav) 2 fő részre bonthatók. Van egy hosszú szénláncú apoláris csoportja (pl C₁₆) mely hidrofób tulajdonságú és kevésbé reakcióképes poláris csoportot tartalmazó ún. karboxil-csoport. A -COOH csoport hidrogénje disszociábilis, ennélfogva ezek a molekulák gyengén savas karakterűek. A zsirsavmolekulák karboxilcsoport felöli oldala hidrofil tulajdonságú illetve kémiailag aktivabb (reakcióképesebb).

6. ábra Palmitinsav molekula szerkezete

A sejtmembránok fontos komponense a zsírsavak illetve annak származékai. Ha 3 zsírsavmolekulát glicerinnel észteresítjük, akkor az ún. zsírokhoz (trigliceridek) jutunk, melyek az élő szervezet szempontjából fontos energiaforrás. Ha egy glicerinmolekulát 2 molekula zsírsavval és egy molekula foszfát csoporttal észteresítünk, akkor pedig foszfolipidhez jutunk.

Vissza az elejére

 Ha az aminosavak hosszú polimerláncot alkotnak peptizáció révén, akkor kialakulnak a fehérjék. A fehérjék nagyszámú aminosavból felépülő, rendkívül változatos összetételű makromolekulás anyagok. Jelentőségük az élő szervezet szempontjából rendkívül nagy: Minden biológiai jelenség összefüggésben van valamilyen módon a fehérjékkel. Vagyis a fehérjék építőkövei az aminosavak. Az aminosavak egymással való összekapcsolódása peptizáció révén alakul ki, a kialakult kötést pedig peptidkötésnek nevezzük.

A fehérjéket sokféle szempont alapján csoportosíthatjuk:
A makromolekula alakja szerint megkülönbözetünk fibrilláris (fonalszerú) és globuláris (gömbszerű) fehérjéket.

Vissza az elejére

12. ábra plasmamembrán lipid kettősréteg

Ahhoz, hogy élő sejtről beszélhessünk, szükség van a sejt és környezete kölcsönhatására: információcseréhez, anyagtranszportra. Az olyan részecskék transzprotjára, amelyeket a lipidréteg nem ereszt át, a természet ún. membránfehérjéket alkotott. Ezek a lipidrétegen keresztültüremkedő óriásmolekulák felelősek sok más funkció mellett a különböző fiziológiailag fontos szervetlen ionok (Na⁺,K⁺,Ca²⁺,Cl^-) sejtmembránon keresztül való transzportjáért.

13. ábra sejtmembrán

Szigorúan véve a sejtmemrán a lipidréteg és a membránfehérjék együtteseként definiálják. A sejtmembrán tömegének mintegy 50%-át a membránfehérjék teszik ki. A részecskék továbbítására szolgáló fehérjéket több szempont szerint lehet csoportosítani. Aszerint, hogy az illető komponens továbbítására annak elektrokémiai gradiense mentén, vagy azzal szemben történik, passzív vagy aktív transzportról beszélünk.

Az ioncsatornáknak két nagyon fontos tulajdonságát kell megemlítenünk. Az egyik, hogy erősen szelektívek, azaz csak egyfajta ionra nézve áteresztőek, míg a többi ionra nézve nem. Ez természetesen egy valószínüségi kijelentés, ami azt mondja, hogy a csatorna azt az ion, amelyre szelektív, nagyobb valószínüséggel engedi át, mint a többit.
Szelektivitásról természetesen csak nyitott csatorna esetében van értelme beszélni, és ez az ioncsatornák másik alapvető jellemzője: nyitott vagy zárt állapotban lehetnek, mégpedig szabályozott módon (gating). A nyitott illetve zárt állapot a fehérje kétféle kombinációját jelenti. A membrán nyugalmi állapotában a legtöbb csatorna zárt állapotban tartozkodik (kivételt képeznek a káliumcsatornák). Ahhoz, hogy a csatorna kinyisson, valamilyen inger szükséges. Ez lehet egy kémiai jel, amikor valamilyen hírvivő molekula, ligandum, kötődik a fehérjéhez. Lehet mechanikai behatás, mint pl. a hallósejtekben.
Itt a feszültségvezérelt (voltage gated) ioncsatornák képezik a legfontosabb csoportot, mivel ide tartoznak Boda D. és munkatársai által vizsgált kalcium- és nátriumcsatornák. Itt egy elektromos ingerület, az ún. akciós potenciál hatására nyit a csatorna.

18. ábra akcios potenciál egy axon mentén

Ehhez azt kell látni, hogy hogyan keletkezik az akciós potenciál. Ha a sejtmembrán egy adott részére elektromos inger érkezik, azaz megváltozik a membránpotenciál, az ott levő nátriumcsatornák kinyitnak. Mivel a nátriumionoknak a sejten kívül sokkal nagyobb a koncentrációja, és erre a negatív nyugalmi membránpotenciál csak rásegít, egy nagy, befelé mutató elektrokémiai gradiens érvényesül a nátriumionokat illetően, ami egy nagy nátrium-ion fluxust eredményez. Ez az áram viszont megváltoztatja a nátriumionok koncentrációarányát a membránnak a nyitott nátriumcsatornák melletti részén, és ezzel együtt a membránpotenciál is. Ez a potenciálváltozás viszont nyitja az ott levő nátriumcsatornákat. Ez a ciklus az alapja annak a folyamatnak, melynek során az elektromos ingerület a membrán felületén, azaz az idegrost mentén továbbterjed, mégpedig gyengítetlenül. A gyengítetlen tovaterjedéshez szükséges energiát a Na-K pumpák által fenntartott Na+ és K+-koncentrációgradiens biztosítja, végeredményben kémiai energia felhasználásával.
A kalciumcsatornák akkor lépnek be a képbe, amikor az inger az idegvégződéshez ér. Ekkor az elektromos inger hatására a feszültségvezérelt kalciumcsatornák kinyitnak az idegvégződéseknél, avagy szinapszisnál, az idegvégződésbe áramló kalciumionok az ún. szinaptikus vezikulákban tárolt hírvivő molekulák, a neurotranszmitterek felszabadulását okozzák. Ily módon az elektromos ingerület kémiai ingerületté alakul át. A kémai ingerület a neurotranszmitter-vezérelt ioncsatornák nyitásával alakul vissza elektromos ingerületté.

Az ioncsatornák szerkezete

A membránfehérjék pontos szerkezetésről a tudásunk korlátozott. Egy fehérjemolekula szerkezetét az őt felépítő aminosavak sorrendje határozza meg. Ezt az aminosavszekvenciát viszonylag nagy fehérjék esetében is meg tudták határozni, annak visszafejtése azonban csak kis fehérjék esetében lehetséges. A membránfehérjék azonban többnyire igen nagy molekulák.
A fehérjék szerkezetének meghatározására használt közvetlen módszer a röntgendiffrakció. Ehhez azonban ki kell kristályosítani a fehérjemolekulát. Ez nem könnyű feladat. A membránfehérjék esetében kiváltképp nem az, mivel ezek a fehérjék egy speciális környezetben helyezkednek el, középső részüket a lipid kettősréteg hidrofób része veszi körül, míg a két végük vizes közegben helyezkedik el. Tisztán vizes oldatban a fehérje más konformációba tekeredhet fel. Erről tanúskodik az, hogy míg összesen több mint ezer fehérje szerkezetét sikerült megmérni, az ismert konformációjú membrán-fehérjék száma csupán néhány tucat.
Direkt és indirekt módszerek segítségével azonban viszonylag átfogó képpel rendelkezünk az ioncsatornák szerkezetéről. Ezek a fehérjék ún. alfa-hélix kötegeknek formájában járják keresztül a membránt, kialakítva így egy hidrofil pórust, ami az ionok transzportját teszi lehetővé. A KcsA bakteriális feszültségvezérelt káliumcsatorna azon kevés ioncsatornák közé tartozik, amelyek szerkezetét röntgendiffrakciós mérésekből ismerjük. Úgy tartják, hogy a lényeget tekintve a kalciumcsatornák és nátriumcsatornák szerkezete ehhez nagyon hasonló. Az egyik fő különbség, hogy míg a K csatornánál a négy alfa-hélix négy különálló fehérjéhez tartozik, addig a Na és Ca csatornáknál azok egy fehérje alegységei. A másik fő különbség egy a póruson belüli szűk térrész, a szelektivitást meghatározó szelektív szűrő szerkezetében rejlik.

Vissza az elejére