Biologické membrány. Kontrolujú chemické zloženie a koncentráciu molekúl v jednotlivých bunkových štruktúrach, čím vplývajú na metabolické procesy.

Transcript

1 Biologické membrány

2 Biologické membrány Biologické membrány sú dynamické štruktúry, zložené z lipidov a proteínov, umožňujúce kompartmentalizáciu (štrukturovanie) buniek. Kontrolujú chemické zloženie a koncentráciu molekúl v jednotlivých bunkových štruktúrach, čím vplývajú na metabolické procesy. Podieľajú sa na prenose informačných signálov vnútri bunky, ako aj medzi Bunkami. Zohrávajú úlohu pri pohybe a zachovávaní tvaru buniek, ako aj v procese vzájomného kontaktu medzi bunkami.

3 Schematické znázornenie štruktúry biomembrány

4 História pohľadu na biologické membrány 20. roky 20. st. - začalo terajšie chápanie membránovej štruktúry - model biologickej membrány pozostával len z lipidovej dvojvrstvy 40. roky 20. st. - na vysvetlenie mechanických vlastností plazmatickej membrány sa predpokladalo, že povrch membrány je pokrytý proteínmi 70. roky 20. st. - ukázalo sa, že proteíny sú zapustené do lipidovej dvojvrstvy - kvapalno-mozaikový model membrány Začiatok 21. st.- odhalila sa atómová štruktúra niektorých proteínov premosťujúcich membránu

5 Chemické zloženie membrán Hlavné komponenty membrán: lipidy a proteíny Ich zastúpenie závisí od funkcie konkrétnej membrány. Minoritné zložky: glykolipidy a glykoproteíny Lipidy Fosfolipidy : glycerofosfolipidy, sfingomyelíny Cholestrol

6 Glycerofosfolipidy Glycerofosfolipidy sú estery glycerolu, kyseliny fosforečnej a vyšších mastných kyselín. 1,2-diacylglycerol 3-fosfát - základ štruktúry glycerofosfolipidov Konkrétny typ glycerofosfolipidu je daný alkoholom esterifikujúcim fosfátovú skupinu: cholín, etanolamín, serín, glycerol, inozitol. Mastné kyseliny nachádzajúce sa v štruktúrach glycerofosfolipidov: Nenasýtené: myristová, steárová, palmitová Nasýtené: palmitoolejová, olejová, linoleová, arachidonová Amfifatický charakter glycerofosfolipidov Nepolárna hydrofóbna časť mastné kyseliny Polárna nabitá časť fosfátová skupina + esterifikovaný alkohol

7 Sfingolipidy Sfingozín a dihydrosfingozín - základné štruktúrne molekuly sfingolipidov Významné sfingolipidy: ceramid, sfingomyelín, glykosfingolipidy (cerebrozidy, gangliozidy) sfingomyelín

8 - hlavný sterol v membránach živočíšnych buniek je cholesterol - prevažne apolárny Cholesterol - v dvojvrstve - hydroxyl na atóme C3 smeruje k povrchu membrány - v ľudskom organizme je transportovaný prostredníctvom lipoproteínov s nízkou hustotou (angl. low-density lipoproteins LDL)

9 Lipidové zastúpenie v membránach Lipidové zloženie jednotlivých membrán sa líši. Toto zloženie je veľmi podobné v rovnakých vnútrobunkových membránach v špecifickom tkanive u rôznych druhov: - plazmatická membrána má najvyššiu koncentráciu neutrálnych lipidov a sfingolipidov - myelínové membrány axónov nervového tkaniva sú bohaté na sfingolipigy s vysokým podielom glykosfingolipidov - lipidové zloženie membrán mitochondrie, jadra a zrnitého endoplazmatického retikula je podobné

10 Membránové proteíny Periférne - lokalizované na povrchu membrán, obyčajne rozpustné vo vode, izolujú sa prostredníctvom roztokov s vysokou iónovou silou, alebo pri extrémnych ph Integrálne proteíny vnorené do membránovej štruktúry, obsahujú sekvencie hydrofóbnych aminokyselín, ktoré interagujú s reťazcami mastných kyselín, izolácia prostredníctvom detergentov Funkcie membránových proteínov katalytické, transportné, receptorové, štrukturálne

11 Micely a lipozómy Amfifatické molekuly fosfolipidov pri istej koncentrácii (kritická micelárna koncentrácia) vytvárajú vo vodnom prostredí sférické častice nazývané micely. V závislosti na vonkajších podmienkach dokážu fosfolipidy vytvárať dvojvrstvové lipidové štruktúry. Pri rozrušení tejto lipidovej dvojvrstvy sa môže vytvoriť do seba uzatvárajúca sa sférická vezikula - lipozóm. Lipozómy sú vhodné prenášače liečiv, enzýmov, nukleových kyselín. Typy pohybov fosfolipidových molekúl v dvojvrstve Rýchle: rotačno - difúzny pozdĺžno - (laterálno) difúzny ohyb uhľovodikových reťazcov Pomalé: medzivrstvová (transverzná) výmena (tzv. flip - flop)

12 Micely a lipozómy

13 Štruktúra biologických membrán Všetky biologické membrány majú lipidovú dvojvrstvovú štruktúru, do ktorej sú zabudované proteíny (integrálne, povrchové) - model tekutej mozaiky Názov modelu pre biologické membrány indikuje dynamičnosť štruktúry (pohyb ako lipidovej, tak aj proteínovej časti) membrán. Tento model vysvetľuje viaceré vlastnosti biologických membrán: fluidita, flexibilita, zmena tvaru, nepriepustnosť pre nabité molekuly.

14 Model tekutej mozaiky - spôsob vzájomného usporiadania molekúl lipidov a proteínov v biologickej membráne (Singer a Nicolson, 1972) - základom membrány je lipidová dvojvrstva, do ktorej sú zabudované proteíny - všetky zložky membrány sa nachádzajú vo viac-menej tekutom stave a pohybujú sa (tekutosť) - mozaikový - kvôli istému rozmiestneniu proteínov, z ktorých niektoré prenikajú celou hrúbkou membrány a iné sú lokalizované na jednej z jej strán V dôsledku uvedeného rozmiestnenia proteínov sa membrána stáva asymetrickou. Membrána je taktiež dynamickým systémom, pretože lipidy a proteíny sa v nej môžu pohybovať.

15 Fázový prechod v membráne - hydrofóbne reťazce mastných kyselín môžu byť veľmi usporiadané - pomerne tuhá štruktúra (pravý kryštál, gel) alebo neusporiadané (tekutý kryštál) - usporiadaná dvojvrstva sa so zvyšovaním teploty topí - pri istom kritickom teplotnom intervale dochádza k fázovému prechodu - k nárastu fluidity (tekutosti) membrány - teplota prechodu - teplota, pri ktorej štruktúra podstupuje prechod z usporiadaného do neusporiadaného stavu - k širokému rozsahu teplôt topenia prispieva zloženie a asymetrické rozmiestnenie lipidov v membránovej vrstve - plynulý prechod lipidov v membráne medzi tekutými a tuhými stavmi vytvára v membráne dočasné (krátkodobé) domény - proteínové molekuly môžu vykazovať odlišné kinetické vlastnosti, keď sú obklopené fosfolipidmi v usporiadanom stave alebo v neusporiadanom stave

16 Interakcie medzi lipidovou a proteínovou časťou biologickej membrány Integrálne proteíny Integrálne proteínyinteragujú s lipidmi prostredníctvom hydrofóbneho úseku aminokyselín (najčastejšie leucín, izoleucín, valín, fenylalanín), ktoré vnútri membrány vytvárajú α - závitnucu. V závislosti od typu proteínu môže existovať jeden, alebo viac transmembránových segmentov. Vlastnosti integrálnych proteínov často závisia od lipidového zloženia membrán. Periférne proteíny Periférne proteíny sú väčšinou voľne naviazané na povrch membrán (elektrostatická interakcia s nabitými fosfolipidovými časťami, väzba na integrálne proteíny, čiastočné zanorenie hydrofóbnej sekvencie aminokyselín do membrány, spojenie prostredníctvom kovalentne naviazaných lipidov).

17 Transport molekúl cez membrány Pasívny transport: difúzia, uľahčená difúzia (membránové kanály, transportéry pasívneho transportu) transport molekúl v smere koncentračného gradientu Aktívny transport: transportéry aktívneho transportu transport proti koncentračnému gradientu Difúzia Difúzia je proces, pri ktorom molekuly samovoľne prechádzajú z miest s vyššou koncentráciou na miesta s nižšou koncentráciou týchto molekúl. Ľahko difundujúce molekuly cez membrány : O 2, CO, N 2, NO, rôzne lipofilné nízkomolekulové zlúčeniny. Voda difunduje tiež relatívne dobre biologickými membránami cez tzv. prechodové priestory (transitory spaces) (priestory vytvorené medzi reťazcami mastných kyselín pri ich vzájomnom pohybe).

18 Transport cez membrány schématické znázornenie

19 Membránové kanály (póry) Membránové kanály patria medzi integrálne membránové proteíny, ktoré vytvárajú hydrofilný otvor cez membránu a umožňujú tak rýchly pohyb iónov, alebo špecifických molekúl cez membránu v smere koncentračného gradientu. Typy membránových kanálov: Napäťovo regulovaný napr. Na + kanál Chemicky regulovaný napr. acetylcholínový receptor camp regulovaný napr. Cl - kanál Iné typy napr. citlivý na tlak

20 Membránové transportéry Membránové transportéry sú molekuly, ktoré špecificky viažu a prenášajú cez membránu anorganické katióny a anióny (napr. Na +, K +, Ca 2+, Cl -, HPO 4 2- ) a rôzne organické molekuly (aminokyseliny, cukry). Hoci transportéry značne uľahčujú a urýchľujú prenos molekúl cez membránu v porovnaní so spontánnou difúziou, táto rýchlosť ( molekúl.s -1 ) je oveľa menšia než v prípade prenosu cez kanály (10 7 molekúl.s -1 ). Charakteristiky membránových transportérov - saturačná kinetika - špecificita pre prenášané molekuly - môžu byť inhibované - molekuly sa prenášajú v smere (pasívny transport), alebo proti smeru (aktívny transport) koncentračného gradientu - prenos nevyžaduje (pasívny transport), alebo vyžaduje (aktívny transport) prísun energie

21 Mechanizmus transportu molekúl cez membrány prostredníctvom prenášačov (transportérov) - spoznanie (recognition) prenášanej molekuly prenášačom - prenos molekuly cez membránu - uvoľnenie prenášanej molekuly z prenášača do prostredia - obnovenie pôvodnej štruktúry a polohy prenášača pre transport ďalšej molekuly Existujú systémy, ktoré simultánne prenášajú dve molekuly. - prenos jednej molekuly jedným smerom - uniport - prenos dvoch molekúl v jednom smere - symport - prenos dvoch molekúl v opačných smeroch - antiport

22 Energetika membránového transportu Rýchlosť difúzie sa riadi 1. Fickovým zákonom: J - množstvo prenesenej látky jednotkovým prierezom za jednotku času D - difúzny koeficient Zmena voľnej energie (ΔG) pri prenose nenabitých molekúl z jednej strany membrány (koncentrácia molekúl c 1 ) na druhú stranu (koncentrácia molekúl c 2 ): J = D. G = ( c x) ( ) 2,3.R. T.log c c 2 1 V prípade prenosu nabitých molekúl je zmena voľnej energie vyjadrená: ( c c ) + z. Ψ G =,3.R. T.log F F Faradayova konštanta, z náboj prenášanej molekuly, Ψ rozdiel v elektrických potenciáloch medzi stranami membrány

23 V rovnováhe platí vzťah: Nernstov potenciál ( [ X ] [ X ] ) + z. Ψ G = 0 = 2,3.R. T.log F. B A potom: Ψ = 2,3.R. T z.f. log ( [ X ] [ X ] ) ΔΨ sa nazýva Nernstov potenciál B A Nernstova rovnica - vyjadruje rozdiel elektrického membránového potenciálu ako funkciu koncentrácií iónov (ktoré dokážu prechádzať membránou) na obidvoch stranách membrány pri termodynamickej rovnováhe - umožňuje vypočítať a) distribúciu iónov ako funkciu elektrického potenciálu b) elektrický potenciál, ktorý je indukovaný rôznym rozložením iónov Ak by v systéme existoval len jeden typ iónov priepustných cez membránu,

24 Donnanova rovnováha Donnan poukázal na vplyv nabitých makromolekúl, ktoré sa nachádzajú na jednej strane polopriepustnej membrány, na rozdelenie malých iónov na oboch stranách membrány. Systém - makromolekuly s nábojom (M -n ) nachádzajúce sa na jednej strane polopriepustnej membrány a voľne difundujúce ióny A + a B -. Elektrický membránový potenciál pre ióny A + a B - (predpokladajme, že sa jedná o jednomocné ióny) má hodnotu: Δ ψ= - R.T/F.(ln([A + ] II /[[A + ] I )= R.T/F.(ln ([B - ] II /[[B - ] I ) [A + ] II /[[A + ] I = [B - ] I /[[B - ] II = D, Donnanov koeficient Na obidvoch stranách membrány platí podmienka elektroneutrality: [A + ] I = [B - ] I a [A + ] II = [B - ] II + n [M -n ]

25 Donnanova rovnováha Úpravou predchádzajúcich dvoch rovníc dostávame: [A + ] II / [A + ] I = ([B - ] II + n [M -n ]) / [B - ] I => D= (n.[m -n ] / [B - ] I ) +1/D Ďalšou úprava vedie ku kvadratickej rovnici: D 2 - (n.[m -n ] / [B - ] I ).D -1=0 Jej riešením je výraz: D= (n.[m -n ] / 2.[B - ] I ) + (1+(n.[M -n ] /2.[B - ] I ) 2 ) 0.5 Pre elektrický potenciál na membráne za daných okolností platí Δ ψ = - (R.T/F).lnD Z vyjadrenia pre Donnanov koeficient je zrejmé, že čím je vyššia koncentrácia makromolekuly, tým výraznejšia je asymetria rozdelenia nízkomolekulových iónov na oboch stranách polopriepustnej membrány.