Buněčné membrány Vlastnosti biologických membrán Membránový transport Membránová energetika Neurobiologie

Funkce membrán 1.Prostorové vymezení buňky 2.Oddělení jednotlivých kompartmentů 3.Selektivita pro průchod molekul a iontů 4.Mechanický kontakt s vnějším prostředím 5.Přenos signálu 6.Energetika (mitochondrie, chloroplasty) 7.Lokalizace některých dalších buněčných dějů Buněčné membrány: Prokaryota - pouze plazmatická (G - mají 2) Eukaryota - plazmatická, 2x mitochondriální, ER, Golgi, jaderná, vakuolární, peroxisomální, vezikulární

1.1 Vlastnosti biologických membrán Složení: Hydrofilní vrstva - hydrofobní vrstva - hydrofilní vrstva Lipidová dvojvrstva (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol) + proteiny Membrána je polotekutá - nenasycené MK zvyšují tekutost Integrální proteiny: Hydrofobní sekvence v membráně (α- helix, β-barel) Periferní proteiny: Hydrofobní kotvy (GPI, myristylace...) nebo nekovalentní interakce Fosfatidyl cholin Cholesterol

Membrána není homogenní Asymetrie vrstev: Zastoupení lipidů se liší ve vnější a vnitřní vrstvě Vnitřní vrstva (f-serin, f-ethanolamin) Vnější vrstva (glykolipidy, sfingomyelin, f-cholin) Proteiny - na vnější straně glykosylovány, různé kotvy Laterální asymetrie: Lipidové rafty a jiné membránové domény Polarizované buňky - restrikce proteinu na část membrány Dynamika membrány: Především laterární difuze

Membránové proteiny Funkce: Transportéry Metabolické enzymy Receptory Cell-cell (cell-ECM) kontaktní molekuly Enzymy signálních drah Transmembránové domény: Hydrofobní, lze predikovat in silico (zejm. α) Hydropathy index

Propustnost lipidové dvojvrstvy 2 faktory: velikost, hydrofobicita molekul Malé hydrofobní molekuly + plyny - úplná propustnost Malé polární molekuly - částečná propustnost Velké polární molekuly - velmi malá propustnost Ionty - nepropustné

Koncentrační gradient Koncentrace látek uvnitř a vně buňky se liší Typické rozdíly - ionty Membrána: brání vyrovnání koncentrací (stochastická záležitost) Buňka: organické anionty, K + Extracelulární prostor: Na +, Cl -, Ca 2+ Elektrochemický gradient: Koncentrace + náboj

Membránový potenciál Transport iontu Ao → Ai ΔG c = -RT ln [Ao]/[Ai] (koncentrační příspěvek) ΔG V = zFV Rovnovážný poměr vně/uvnitř: ΔG c + ΔG V = 0 Nernstova rovnice: V r = RT/zF x ln [Ao]/[Ai] V r je rovnovážný potenciál Membránový potenciál (savci): -20 mV až -200 mV R - plynová konstanta 8,3 J/K/mol T - teplota F - Faradayova konstanta 96,5 C/mol z - valence (náboj) iontu V - membránový potenciál Vliv změny propustnosti na membránový potenciál

2.2 Membránový transport Pasivní transport (difúze, usnadněná difúze) Aktivní transport (proti gradientu) (Endocytóza)

Pasivní transport Transportérové proteiny: 1) kanály 2) přenašeče (náhodné konformační změny) Funkce: Umožňují vyrovnávání elektrochemických gradientů Transportérové proteiny mohou být regulovány (zejm. kanály)!

Usnadněný transport x difuze Transport jako reakce: Ao ↔ Ai (out, in) Rovnovážná konstanta: K=[Ao]/[Ai]=1 (zanedbání náboje) Membrána = bariéra reakce Transportér = enzym katalyzující reakci Kinetika Michaelis-Mentenové

Aproximace: quasi steady state ES Předpoklad: (k -2 →0) Konstanta K M Počáteční rychlost Maximální rychlost [E] T = [ES] Konstanty: k, V max, K M, [E] T, [ES] Proměnné: [S], ([P])

Usnadněný transport x difuze Transport jako reakce: Ao ↔ Ai (out, in) Rovnovážná konstanta: K=[Ao]/[Ai]=1 (zanedbání náboje) Membrána = bariéra reakce Transportér = enzym katalyzující reakci Kinetika Michaelis-Mentenové: V 0 =V max x [A O ]/([A O ] + K M )

Selektivita kanálů Propustnost jenom pro některé ionty Podle náboje a velikosti Vodní obal iontů se naruší (prochází pouze iont)

Aktivní transport Kde se bere energie: 1)Kotransport (jeden iont jde po gradientu, jeden proti) 2)ATPázy (hydrolýza ATP) 3)Bakteriorhodopsin (světlo) 4)Transport elektronů (dýchací řetězec)

Kotransport Energie: transport iontu po spádu (často H +, Na + do buňky) Někdy se nazývá sekundární transport Symport/antiport Příklad: glukózový přenašeč

ATPázy ATP = energie pro transport proti elektrochemickému gradientu Typy: 1)P-ATPázy: fosforylace proteinu→konformační změna 2)F-ATPáza: alias mitochondriální ATP syntetáza, rotace, H + 3)V-ATPáza: vakuolární H + pumpa 4)ABC přenašeče: multidrug resistance, ATP vazebná kazeta

Na + -K + pumpa P ATPáza Transport 3 Na + a 2 K + v jednom cyklu Udržuje nerovnovážné koncentrace iontů NC (chemie) 1997

ABC transportéry MDR (multidrug resistance super family) Biomedicínský význam: Resistence rakovinných buněk k chemoterapii Resistence Plasmodium falciparum k chloroquinu Cystická fibróza: defektní ABC transportér (regulátor Cl - transportu)

Příjem glukózy Střevní epitel (sliznice) Symport Na + /Glukóza (do buňky) Pasivní transport glukózy (do krve) Na + /K + pumpa

1.3 Membránová energetika Mitochondrie, Chloroplasty Konverze energie: 1) Vysoká energie elektronu 2) Transport protonů proti elektrochemickému gradientu 3) Syntéza ATP (F-ATPáza) Elektron: ↑E Elektron: ↓E H + proti spádu H + po spádu ADP+Pi → ATP

Protonový gradient = elektrochemický gradient H+ 1.Bakterie: vnějšek → uvnitř 2.Mitochondrie: MM prostor → matrix 3.Chloroplast: lumen tyl. → stroma

Mitochondrie - metabolizmus Oxidativní metabolizmus: 1.Aktivace pyruvátu (produkt glykolýzy) (Acetyl CoA) 2.Cyklus trikarboxylových kyselin (NADH) 3.Dýchací řetězec (H + gradient) 4.Oxidativní fosforylace Mitochondriální transport

Dýchací řetězec NADH → Komplex I → Koenzym Q (ubichinon) → Komplex III → Cyt C → Komplex IV → O2 Při průchodu elektronů redoxními komplexy se pumpují protony 1 NADH - 2 elektrony - 20 protonů

ATP syntetáza = F ATPáza F O (membránová) a F 1 (cytosolická) část Statická a rotující část Průchod protonů - pootočení rotoru - změna konformace statoru Chemiosmotická teorie (Peter Mitchell NC 1978) Tvorba ATP/hydrolýza ATP (obousměrné chody) 10 protonů - 1 cyklus - 3 ATP Souvislosti: Dynamika buňky - Motorové proteiny NC (chemie) 1997

1.4 Neurobiologie Nervová soustava: Centrální (mozek, mícha) Periferní Funkce: Senzorické vstupy (smysly, vnitřní senzory) Integrace, interpretace signálu, vyhodnocení Motorický výstupy, efektory

Nervová soustava

Neuron neuron = nervová buňka Funkce neuronu: Přijímá signály (neurony, receptory) Vysílá signál (neurony, svaly) – reakce: nic/všechno (0/1) Chemický signál se mění na elektrický: Změny membránového potenciálu (pohyb iontů)

Šíření signálu Příjem signálu (aktivační, inhibiční) Integrace signálů - odpověď ANO/NE Prahová hodnota - všechno nebo nic Neuronové sítě (0/1) Synapse: spojení 2 neuronů (popř. receptorů, svalů) Chemická synapse - uvolnění neuromediátoru do štěrbiny Vazba mediátoru, změny potenciálu Elektrická synapse (bezobratlí, srdce)

Klidový potenciál Draselné kanály – částečně otevřeny Chloridové kanály - uzavřeny Sodné kanály - uzavřeny Klidový potenciál cca -70mV Acetylcholinový receptor (= sodný kanál) 3 stavy (open, closed, inactivated) VIDEO

Sumace signálů 2 typy sodných kanálů: Receptorové (acetylcholin) Napětově řízené

Akční potenciál = vzruch Lokálně: 1.Depolarizace (Na+ in) 2.Inaktivace Na+ kanálů 3.Repolarizace (K+ in) 4.Na + /K + pumpa Šíření vzruchu: po axonu VIDEO

Akční potenciál

Šíření signálu po axonu Depolarizace: Otevření Na + kanálů v okolí Schopnost inaktivace kanálů: Vzruch se šíří jen jedním směrem Každý úsek axonu: 1.Depolarizace (Na+ in) 2.Inaktivace Na+ kanálů 3.Repolarizace (K+ in) 4.Na + /K + pumpa (obnovení iontů)

Synapse Spojení neuronu a další buňky (neuron, senzorická, svalová) Elektrická synapse: elektrické šíření vzruchu, přenos iontů Chemická synapse: Ca 2+ kanály - vstup do buňky Uvolnění neurotransmiteru Postsynaptická buňka zachytí signál Aktivační (excitační) signál: depolarizace (Na + kanály) Inhibiční signál: hyperpolarizace (Cl - kanály) Neurosvalová ploténkaVIDEO

Elektrická a chemická synapse

Long term potentiation Hippocampus: Neuronová pamět (krátkodobá, hodiny až dny) Pozitivní zpětná vazba Senzitivace Drážděná synapse → více receptorů NMDA (N-methyl-D-aspartát) receptory = Ca 2+ kanály

Shrnutí Buněčné membrány jsou tvořeny lipidy a proteiny Membrány oddělují prostředí s různými koncentracemi látek Membrány - selektivně propustné (vlastnost lipidové dvojvrstvy) Elektrochemický gradient - náboj a koncentrace Pasivní transport = usnadněná difúze (kanály a přenašeče) Aktivní transport = transport látky proti ECH gradientu, energie Základní procesy přeměny energie využívají membrány Změny membránového potenciálu - neuronová signalizace