מבוא לפיזיולוגיה

Transcription

מבוא לפיזיולוגיה
‫מבוא לפיזיולוגיה‬
‫פרופסור יואב קבנצ'יק‬
‫חלק א'‪ :‬התא כיחידה תפקודית‬
‫‪http://teachline.ls.huji.ac.il/~72336/LectureNotes.html‬‬
‫שעור ‪ : 8‬ווסות תוכן התא ונוזלי הגוף‬
‫מנגנוני וויסות ‪ pH‬תאי באמצעות המשחלפים ‪ NHE‬ו‪AE1-‬‬
‫‪HCO3-‬‬
‫‪AE1‬‬
‫‪Cl‬‬‫‪H+‬‬
‫‪NHE‬‬
‫‪Na +‬‬
‫בקרת ‪ pH‬בתאים‬
‫כל התאים מווסתים ‪ pH‬תוך תאי בטווח מצומצם‪ .‬המנגנונים התומכים בוויסות ‪ pH‬נועדו‬
‫להקנות לפעילויות התאיות תנאים אופטימליים אך גם תנאי היחלצות מעודפי חומצה או‬
‫בסיס שיכולים לפגוע בהם בצורה בלתי הפיכה‪.‬‬
‫ל‪ pH-‬השפעה מכרעת על פעילויות תאיות ובבקרת גידול תאים‪.‬‬
‫מעורבותם של נשאי ‪ H +‬ו‪ HCO3- -‬הן מרכזיות בתהליכים אלה )גם בבקרת נפח(‪.‬‬
‫עבור כל חומצה או בסיס מתקיים שווי המשקל‬
‫‪H++B‬‬
‫‪H+B‬‬
‫‪H+B‬היא מוגדרת כחומצה שכן היא מוסרת ‪ +H‬ו‪ B -‬הוא בסיס הכמקבל ‪.+H‬‬
‫]‪[H + ][B‬‬
‫]‪[H + B‬‬
‫‪ K‬הוא קבוע הדיסוציאציה‬
‫]‪[B‬‬
‫] ‪[BH +‬‬
‫ובצורה הלוגריתמית‪:‬‬
‫=‪K‬‬
‫‪pH = pK + log‬‬
‫רוב החומצות ובסיסים הטבעיים הם בעלי קבועי דיסוציאציה קטנים )בתחום של‬
‫‪ (M 7- 10-8-10‬ולכן ב‪ pH 7-‬רק ‪ 1/1000‬מן החומצה או הבסיס יהיו בצורה חופשית‬
‫‪OUT‬‬
‫‪ B‬בסיס חלש‬
‫‪+‬‬
‫‪BH in‬‬
‫‪+‬‬
‫‪Bin+H in‬‬
‫‪IN‬‬
‫‪+‬‬
‫‪B out+ H out‬‬
‫‪[H + ] out[B]out [H+ ] in[B] in‬‬
‫=‬
‫‪[BH+ ] out‬‬
‫‪[BH+ ] out‬‬
‫‪BH out‬‬
‫= ‪K‬‬
‫‪[B] out =[B] in‬‬
‫במצב שווי משקל‬
‫‪+‬‬
‫ולכן‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪[H ] in [BH ] in‬‬
‫=‬
‫‪+‬‬
‫‪+‬‬
‫‪[H ] out [BH ] out‬‬
‫מכאן נובע כי מדור תוך‪-‬תאי בעל ‪ pH‬גבוה‪ ,‬כגון מיטוכונדריון‪ ,‬יצבור חומצה חלשה‬
‫ואילו מדור חומצי כגון ליזוזום‪ ,‬יצבור בסיס חלש‪ .‬מתוך יחסי הריכוזים של בחן ‪ A‬או ‪B‬‬
‫ניתן לחשב את ה‪ pH-‬התוך מדורי‪ .‬ברור כי קיומם של מדורים שונים בתא יכול להטות‬
‫מדידת ה‪ pH-‬של התא השלם‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫מדידת ‪ pH‬תוך‪-‬תאי שימוש בבחנים העוברים שינויים ספקטרוסקופים‬
‫עיקרון הפעולה מבוסס על ההנחה כי רק הצורה הבלתי טעונה של הבחן )שהוא עצמו‬
‫בסיס או חומצה( יכולה לחצות קרומים בדיפוסיה פשוטה‬
‫‪OUT‬‬
‫‪IN‬‬
‫‪A‬חומצה חלשה‬
‫‪H+ + A‬‬‫‪in in‬‬
‫‪HA‬‬
‫‪in‬‬
‫‪H + + A‬‬‫‪out out‬‬
‫‪HA‬‬
‫‪out‬‬
‫אם ה ‪ pKa-‬של החומצה שווה בשני המדורים‬
‫‪-‬‬
‫‪-‬‬
‫‪+‬‬
‫‪ ,‬אזי‬
‫‪+‬‬
‫‪[H ] out [A ] out‬‬
‫‪[H ] in [A ] in‬‬
‫=‬
‫=‪K‬‬
‫‪[HA] out‬‬
‫‪[HA] in‬‬
‫במצב שווי משקל יהיה‬
‫‪[HA] out = [HA] in‬‬
‫‪-‬‬
‫‪,‬‬
‫ולכן‬
‫‪+‬‬
‫‪[H ] in‬‬
‫‪[A ] out‬‬
‫=‬
‫‪+‬‬
‫‬‫‪[H ] out [A ]in‬‬
‫ניתן גם למדוד ‪ pH‬תוך‪-‬תאי באמצעות‬
‫אלקטרודה ייחודית ובבחנים שזהירתם‬
‫היא תלויית‪pH‬‬
‫בסיסים או חומצות חלשות שתכונותיהן‬
‫)בליעת אור או זהירה( משתנים עם ה‪-‬‬
‫‪ pH‬משמשים כבחני‪ pH‬תוך תאי‬
‫בתאים חיים‬
‫‪2‬‬
‫חמרים שזהירתם תלויה ב‪ pH -‬מוחדרים‬
‫לתאים כפרקורסורים ‪ .‬שנויים ב‪pH -‬‬
‫מתבטאים בשנוי זהירה )‪(fluorescence‬‬
‫אותם ניתן לכמת‬
‫כושר ביפור‬
‫קיבול הבופר )‪ (β‬של תמיסה כלשהי מוגדר ככמות הבסיס או החומצה שיש להוסיף‬
‫על מנת לשנות ה‪ pH-‬ביחידה אחת‪:‬‬
‫)‪d (acid or base‬‬
‫=‪β‬‬
‫‪dpH‬‬
‫יחידות של ‪β: mmol/l/pH‬‬
‫הבופרים הם או מן הסוג ה"סגור" שכמותו אינה משתנה )כגון חלבונים או זרחות(‪,‬‬
‫או מן הסוג ה"פתוח“‪ ,‬שכמותו יכולה להשתנות )החשוב מן הסוג הוא הצמד‬
‫)‪ .CO2/ HCO3-‬מאחר ו‪ CO2-‬חוצה קרומיות במהירות‪ ,‬ריכוזו יהיה שווה בתוך‬
‫‪−‬‬
‫המשקל‬
‫התא ומחוצה לו יתקיים שווי‬
‫הבא‪CO 2 + H 2 O ⇔ H 2 CO 3 ⇔ H :+‬‬
‫‪+ HCO‬‬
‫‪3‬‬
‫ריכוזו של ‪ HCO3-‬יהיה איפא מותנה בריכוז ‪.+H‬‬
‫הקיבול המירבי של בופר סגור יתקיים כאשר ‪.pH ≅ pK‬‬
‫קיבול של בופר פתוח יגדל ככל שעולה ה‪ pH-‬התוך‪-‬תאי‪ ,‬שכן הוא תלוי בריכוז‬
‫הבופר שגדל בהתאמה‪ .‬היישום העיקרי של קיבול בופר הוא במדידת פעילותן של‬
‫מערכות טרנספורט מתוך מדידת שינויי ‪ pH‬תוך תאי‪:‬‬
‫‪dpHi/dt(pH/min)=JH(mmol/l•min) • β(mmol/l ) • pH‬‬
‫רוב הנתונים מורים כי בופר ‪ CO2/HCO3-‬היא החשובה ביותר בתאי בע"ח‪.‬‬
‫מנגנוני בקרת‬
‫‪ pH‬בתאים‬
‫היונים העיקריים המעורבים בשנוי ‪ pH‬בתאים הם ה ‪- OH-,H+‬ו‬
‫‪HCO3. .‬מערכת תגובות הפיכות של ‪ CO2 , OH-,H +‬ו ‪- HCO3 -‬‬
‫נפוצה בתאים שונים ומהווה את הבופר הביולוגי האוניברסלי‬
‫‪CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-‬‬
‫שטף חומצי חוצה = בסיס פנימה‬
‫‪CO2 + OH - ↔ HCO3‬‬‫מערכות טרנספורט שמשנות את רמת ה ‪-+H‬‬
‫או( ‪ - OH‬או ) ‪ HCO3-‬בתאים בכוחן לשמש‬
‫מנגנוני בקרת ‪pH‬תאי‬
‫שטף חומצי פנימה = בסיס החוצה‬
‫ ‪Cl‬‬‫)‪AE1(2,3‬‬
‫‪NCC‬‬
‫‪HCO3‬‬‫‪Na+‬‬
‫‪3 HCO3-‬‬
‫‪-‬‬
‫‪Na+‬‬
‫‪K+‬‬
‫‪HCO3-‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪ATP‬‬
‫‪H-pump‬‬
‫‪H++‬‬
‫‪H-Kpump ATP‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪H-channel‬‬
‫‪Cl -‬‬
‫‪Na+‬‬
‫‪2 HCO3-‬‬
‫‪NaH‬‬
‫‪Cl -‬‬
‫)‪AE1(2,3‬‬
‫‪NCC‬‬
‫‪3‬‬
‫שטף חומצי חוצה = בסיס פנימה‬
‫משחלף ‪(NHE) Na+/H+‬‬
‫‪Na+‬‬
‫מתווך שחלוף אלקטרונויטרלי ‪.1:1‬‬
‫מנצל את פעולתה של משאבת הנתרן‪,‬‬
‫‪, Na,K-ATPase‬המקיימת מפל‬
‫היכול להוציא פרוטונים החוצה גם נגד‬
‫הפל האלקטרוכימי של ה‪ .H-‬זהו מנגנון‬
‫ההגנה העיקרי כנגד העמסת חומצה‬
‫בתאי חולייתנים‪ .‬ביחד עם נשאים אחרים‬
‫הוא מתווך העברת ‪ NaCl‬דרך אפיתל‬
‫ומבקר את נפח התא‪.‬‬
‫‪NHE‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪+Na‬‬
‫הגן שובט וקודד‪ :‬נראים ‪ 10-12‬רצפים‬
‫טרנסממברנליים‪ .‬השליש ה‪ C-‬טרמינלי‬
‫מהווה לולאה ציטופלסמטית; הורדתו‬
‫מבטלת בקרת הנשא ע"י גורמי גידול‪.‬‬
‫‪ATP‬‬
‫‪Na+‬‬
‫‪K+‬‬
‫משאבות פרוטונים‬
‫בפטריות מצויה משאבה אלקטרוגנית מסוג ‪.P‬‬
‫‪H,K-ATPase‬‬
‫שואבת ‪ K‬אל תוך התא ומפרישה ‪ .H‬תאי‬
‫האפיתל של הקיבה מפרישים פרוטונים להחמיצת‬
‫המזון‪ .‬חלבון קרומי ) ‪ (kDa 114‬חוצה הקרום ‪8‬‬
‫פעמים‪ .‬מראה הומולוגיה למשאבות אחרות באתר‬
‫קישור ל‪.ATP-‬‬
‫‪H-ATPase‬מסוג ‪ F0F1‬מצוי בקרום‬
‫המיטוכונדריה והכלורופלסטים שם היא משמשת‬
‫בעצם לסינתזה של ‪ ATP‬תוך שימוש בכח המניע‬
‫של ‪.∆ΨH+‬‬
‫‪NaK-ATPase‬‬
‫שטף חומצי חוצה = בסיס פנימה‬
‫‪H+‬‬
‫‪K+‬‬
‫‪H-pump‬‬
‫‪ATP‬‬
‫‪H-K pump ATP H++‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪V/F1F0‬‬‫‪pump‬‬
‫‪ H-ATPase‬מסוג ‪ V F1F0‬היא אלקטרוגנית‬
‫ומאפיינת קרומי אברונים תוך‪-‬תאיים כגון‬
‫ליזוזומים‪ ,‬איבר גולג'י ‪,‬אנדוזומים‪ ,,‬שלפוחיות‬
‫הפרשה וכו'‪ .‬המשאבותמורכבות מ‪ 1-‬ועד ‪ 10‬תת‪-‬‬
‫יחידות‪.‬‬
‫מוליכות לפרוטונים‬
‫מצויה בסוגי תאים כגון נוירונים של‬
‫חלזונות‪ ,‬תאים אלבאולריים ומקרופאגים‪.‬‬
‫המוליכות מתווכת ע"י תעלה הנפתחת‬
‫כתוצאה מדפולריזציה הנגרמת ע"י ירידה‬
‫קיצונית ב‪ pH-‬התאי או עליה ב‪ pH-‬החוץ‬
‫תאי‪.‬‬
‫שטף חומצי חוצה = בסיס פנימה‬
‫‪H+‬‬
‫‪Na +‬‬
‫משחלף ‪Na(HCO3)2/Cl‬‬
‫מצוי בתאים של חסרי חוליות שונים‬
‫ומשמש להגנה מפני החמצת התא‪.‬‬
‫המשחלף נושא בסיס לתוך התא‪ ,‬תלוי ב‪-‬‬
‫‪ Na‬וב‪ HCO3 -‬חוץ‪-‬תאי וב‪ Cl -‬תוך‪-‬תאי‪.‬‬
‫המנגנון אלקטרוניטרלי‪.‬‬
‫הסטויכיומטריה‪ Cl 1 :‬יוצא‪ Na 1 ,‬ו‪2 -‬‬
‫‪HCO3‬נכנסים‪.‬‬
‫‪HCO3‬‬‫‪Na +‬‬
‫‪2 HCO3-‬‬
‫‪K+‬‬
‫‪-‬‬
‫‪Cl‬‬
‫‪ATP‬‬
‫‪Na+‬‬
‫‪4‬‬
‫שחלוף ‪ -Cl/HCO3 –AE‬שחלוף‬
‫אלקטרוניטרלי‬
‫נחקר בעיקר בתאי דם אדומים‪ ,‬אך‬
‫נמצא במרבית סוגי התאים בהם‬
‫הוא פועל בתצורה של הדחת בסיס‬
‫בשל הריכוז הנמוך של ‪ Cl‬בתא‪.‬‬
‫הוא משופעל ע"י ‪ pH‬גבוה‬
‫ונאטם ע"י ‪ pH‬נמוך‪ .‬קיימות ‪3‬‬
‫צורות שונות של ‪ AE‬המקודדות‬
‫ע"י גנים שונים ומופיעות‬
‫בשכיחות שונה ברקמות שונות‪.‬‬
‫קו‪-‬טרנספורט אלקטרוגני ‪Na/HCO3‬‬
‫פעילותו מותנית בנוכחות ‪ CO2/HCO3‬ו‪-‬‬
‫‪ ;Na‬מונע הן ע"י מפל ‪ Na‬ומפל ‪;HCO3‬‬
‫השחלוף אלקטרוגני ורגיש ל‪. Dy -‬‬
‫הסטוכיומטריה ‪Na: 3 HCO3: 2 1‬‬
‫‪ .charges‬בנוכחות ‪ ,∆ψ=-60 mV‬הוא‬
‫יפעל כטוען חומצה )מדיח בסיס(‪ .‬מאחר‬
‫ודרוש ‪ Na‬לפעילותו‪ ,‬הוא יפעל רק‬
‫בתאיםבעלי שטפי ‪ Na‬גבוהים‪ ,‬כגון‬
‫באמצעות משחלף ‪ .Na/H‬מאחר ואפיתליה‬
‫הם אסימטריים בפעילותם‪ ,‬המשחלף יכול‬
‫לפעול כטוען חומצה או כטוען בסיס בהתאם‬
‫למיקומו )אפיקלי או בזולטראלי( וכוון‬
‫תנועת ‪ Na‬דרך האפיתל כולו‪.‬‬
‫שטף חומצי פנימה = בסיס החוצה‬
‫ ‪Cl‬‬‫‪HCO3-‬‬
‫שטף חומצי פנימה = בסיס החוצה‬
‫‪Na+‬‬
‫‪3 HCO3-‬‬
‫‪K+‬‬
‫‪ATP‬‬
‫‪Na+‬‬
‫‪NaK‬‬‫‪ATPase‬‬
‫בקרת מעבירי פרוטונים‬
‫מעבירים אלה מווסתים ‪ pH‬תוך‪-‬תאי‪ .‬חשוב שפעילותם תבוקר בדייקנות‪.‬‬
‫ברור כי פעילותם מבוקרת ע"י ריכוזי ‪ :+H‬מעבירים טועני חומצה יזורזו‬
‫ע"י עליית ‪ pH‬תוך‪-‬תאי ואלו המדיחים חומצה יזורזו ע"י ירידת ה‪.pH-‬‬
‫אולם קיימים מנגנוני בקרה נוספים‪.‬‬
‫בקרה אלוסטרית‬
‫בקרה אלוסטרית מוגדרת כבקרת פעילות חלבון ע"י חומר שאיננו בהכרח‬
‫סובסטראט שלה ובאמצעות התקשרות לאתר האלוסטרי‪ .‬כך‪ ,‬ירידת ‪ pH‬בתא‬
‫יכולה לשפעל מעבירים מדיחי חומצה מעבר למצופה מעליית ריכוז ‪.+H‬‬
‫זהו המצב שנצפה עבור משחלף ‪ :Na/H‬גם הכניסה וגם היציאה של ‪ Na‬דרכו‪,‬‬
‫מוגברים ע"י הורדת ‪ pH‬תוך תאי‪.‬‬
‫כך גם נמצא עבור משחלף ‪ Na(HCO3)2/Cl‬שאיננו מעביר ‪ +H‬כלל‪.‬‬
‫עליה ב‪ pH-‬תוך‪-‬תאי משפעלת משחלף ‪) Cl/HCO3‬אך לא זה של תאי דם אדומים‬
‫שם הוא צריך לפעול תמיד במיטבו(‪.‬‬
‫‪5‬‬
‫בקרה ‪post-translational‬‬
‫‪ transporters‬שונים מבוקרים ע"י שפעול קינאזות – פעילות‬
‫‪ Na/H‬מוגברת הן ע"י ‪ protein kinase C‬והן ע"י ‪tyrosine‬‬
‫‪ .kinase‬שפעולים אלה נגרמים ע"י זרחון החלבון‪.‬‬
‫תעבורת קרומיות )‪(membrane trafficking‬‬
‫פעילות משאבת פרוטונים מבוקרת ע"י אקסוציטוזה של וזיקולות‬
‫מועשרות ע"י חלבוני המשאבה‪ .‬האקסוציטוזה מושרית ע"י ירידה‬
‫ב‪ pH -‬ועליה בסידן תוך תאי‪.‬ההשרייה נצפתה הן עבור ‪H-‬‬
‫‪ ATPase‬והן עבור ‪.H,K-ATPase‬‬
‫‪6‬‬