Intermezzo: Obecné vlastnosti biologických membrán 2008

Dějiny

Sendvičový model a model tekuté mozaiky problémy sendvičového modelu: 1. ne všechny membrány vypadají stejně, např. membrána mitochondrií je jen 6 nm silná a má úplně jinou strukturu; 2. proteiny jsou silně amfipatické, nutně by tedy hydrofobními oblastmi byly otočeny k vodě 1972 Singer a Nicolson navrhují model tekuté mozaiky

Technika mrazového lámání technika mrazového lámání odhalila existenci proteinů ve fosfolipidové dvojvrstvě

Membrány jsou tekuté

Membrány jsou tekuté membrány drží pohromadě jen díky relativně slabým hydrofobním interakcím Laterální pohyb: řada proteinů se mohou volně pohybovat laterálně (jak ledovce v moři), jiné proteiny jsou nepohyblivé. Lipidy se tímto směrem mohou pohybovat velmi rychle - až 2 μm za vteřinu. naopak jen velmi vzácně se mohou lipidy pohybovat transversálně, svisle

Membrány jsou tekuté Doklad pohybu membránových proteinů: po spojení buňky člověka s myší buňkou, se po jedné hodině membránové proteiny kompletně promíchají

Membrány jsou tekuté se snižující se teplotou tuhne i membrána čím víc je v membráně fosfolipidů s nenasycenými vazbami, tím bude membrána odolnější proti tuhnutí Vliv cholesterolu (který se nachází pouze u živočišných buněk): při teplotě okolo 37°C cholesterol brání pohybu fosfolipidů a tím zvyšuje tuhost membrány při nízkých teplotách cholesterol naopak brání úplnému ztuhnutí membrány

Membrány jsou tekuté Mnoho rostlin, které tolerují extrémní chlad, zvyšují s přicházejícím podzimem množství nenasycených fosfolipidů v membránách, což brání úpnému ztuhnutí membrán během zimy

Membrány jsou mozaika Model živočišné buňky

Membrány jsou mozaika Proteiny integrální a periferní v membráně erytrocytů doposud objeveno asi 50 různých proteinů integrální proteiny: jsou zanořeny do hydrofobní oblasti transmembránové proteiny pronikají celou membránu periferní proteiny: jsou přiloženy k membráně z jedné či druhé strany; často se dotýkají integrálních

Struktura transmembránového proteinu Hydrofobní část membrány proniká část proteinu tvořená z nepolárních aminokyselin, sestavených zpravidla do α helixů. Na obr. je bakteriorhodopsin, který má celkem 7 transmembránových helixů a který se účastní transportu látek přes membránu.

Membrány jsou mozaika Proteiny integrální a periferní Některé transmembránové proteiny jsou na vnější straně navázány k extracelulární matrix a na vnitřní straně k cytoskeletu buňky. Tím je vytvořena požadovaná pevnost živočišných buněk membrány mají odlišnou vnitřní a vnější stranu; zejména cukerná složka je jen na vnější straně

Odlišnost vnitřní a vnější strany Látky, které vznikají uvnitř endoplazmatického retikula se nakonec po úpravách v Golgiho aparátu dostávají na vnější stranu membrány

Hlavní funkce membránových proteinů

Hlavní funkce membránových proteinů transport látek enzymatická aktivita. Někdy několik enzymů zakotvených v membráně pracuje jako tým vedení signálů. Po navázání hormonu se změní tvar proteinu, což spustí kaskádu dalších reakcí spojování buněk mezi sebou rozpoznání jednotlivých buněk mezi sebou připevnění k extracelulární matrix

Membránové oligosacharidy jsou důležité pro rozpoznání buněk mezi sebou …což je nezbytná schopnost buněk např. ve vznikajícím embryu je rovněž nezbytná pro správnou práci imunitního systému, který nějak dokáže rozeznat buňky těla od ostatních (např. bakteriálních)

Membránové oligosacharidy jsou důležité pro rozpoznání buněk mezi sebou membránové sacharidy jsou obvykle rozvětvené oligosacharidy s méně než 15 monosacharidy některé z těchto oligosacharidů se kovalentně vážou k membránovým lipidům za vzniku tzv. glykolipidů většina se ovšem váže k membránovým proteinům za vzniku glykoproteinů složení oligosacharidů v membránách je různé u různých druhů a dokonce je odlišné i v rámci jednoho druhu krevní skupiny A,B, AB a O vznikají díky odlišným oligosacharidům v membránách erytrocytů

Krevní skupiny A, B, AB a 0

Transport přes membránu v pracující buňce, např. ve svalové buňce probíhá velmi intenzívní přenos látek přes membránu oběmy směry do buňky vstupují z extracelulární tekutiny sacharidy, aminokyseliny, kyslík a další látky, a naopak odchází oxid uhličitý a zplodiny metabolismu rovněž oběma směry proudí podle potřeby Na+, K+, Ca2+ a Cl- a další anorganické ionty

Transport přes membránu Membrána je selektivně permeabilní. Je propustná pro Hydrofobní molekuly snadno rozpustné v tucích Malé molekuly jako je H2O a O2 Naopak je membrána nepropustná pro Velké hydrofilní molekuly jako je glukóza Ionty (např. Na+ nebo H+)

Transport přes membránu ani malé molekuly, jako je voda, ale nepronikají díky své polaritě přes plasmatickou membránu zcela bez problémů klíčovou roli při transportu látek přes membránu hrají proteiny

Transportní proteiny v některých transmembránových proteinech existuje hydrofilní kanál, kterým může dovnitř proudit voda či ionty jiné se naváží na přenášenou látku a fyzicky ji přenesou za ztráty energie přes membránu v obou případech ale pracují proteiny vysoce selektivně. Např. buňky jater jsou schopny do sebe přenést z krve glukosu, ale již ne její isomer, fruktózu co ale řídí směr transportu?

Pasivní transport a aktivní transport Pasivní transport je difúze skrze membránu molekuly se náhodně pohybují díky tepelné energii (pohyb se zastavuje až při absolutní nule) Difúze: pronikání molekul látky z místa o větší koncentraci do místa z menší koncentrací …jinými slovy, molekuly se pohybují po koncentračním gradientu po vyrovnání koncentrací nastane dynamická rovnováha – molekuly se budou stále náhodně pohybovat

Pasivní trasnport - Difúze každý typ barviva se pohybuje po svém koncentračním gradientu. Na obr. b se oranžové barvivo pohybuje zprava doleva, ačkoli větší koncentrace barviv byla původně na levé straně

Pasivní transport Difúze důležitým příkladem difúze je např. pohyb kyslíku z krve do buněk, u kterých probíhá celulární respirace. protože je v těchto buňkách kyslík stále spotřebováván, difunduje z okolního prostředí do buňky po koncentračním gradientu

Pasivní transport osmóza Osmóza = pasivní transport molekul vody srovnáním dvou roztoků o různých koncentracích hovoříme o hypertonický roztok = koncentrovanější hypotonický roztok = méně koncentrovaný např. voda z kohoutku je hypertonická vzhledem k destilované vodě, ale hypotonická vzhledem k mořské vodě mají-kli dva roztoky stejnou koncentraci, hovoříme o izotonickém roztoku

Pasivní transport - osmóza Póry v semipermeabilní membráně mohou pronikat molekuly vody, ale již ne velké molekuly sacharózy. V pravé části trubice je menší koncentrace volných molekul vody, neboť mnoho z nich je vázáno hydratačním obalem k molekulám sacharózy. Výsledkem je, že voda bude proudit z hypotonického roztoku doprava do hypertonického.

Pasivní transport - osmóza

Vodíkové můstky

Pasivní transport osmóza Osmóza závisí pouze na totální koncentraci všech molekul voda se pohybuje z hypotonického roztoku do hypertonického, i když je v hypotonickém roztoku mnoho druhů molekul;směr proudění vody závisí pouze na celkové koncentraci všech zúčastněných látek např. mořská voda by ztratila vodu v konfrontaci se silně koncentrovaným roztokem sacharózy, přesto že ji tvoří směs mnoha anorganických iontů

Plasmoptýza a plasmolýza

Zleva doprava jsou erytrocyty v stále koncentrovanějším roztoku Zleva doprava jsou erytrocyty v stále koncentrovanějším roztoku. Na prostředním obrázku jsou erytrocyty v izotonickém prostředí. Úplně vlevo jsou „ghosts“, duchové – plazmatické membrány plazmoptýzou roztržených buněk, jejichž obsah se vylil do prostředí

Fyziologický roztok fyziologický roztok = 9 gramů NaCl v 1 litru vody = 9 g NaCl/L = (0,156 mol/L)

Plasmoptýza a plasmolýza: živočišná buňka v isotonickém prostředí je buňka stálá plasmolýza: v hypertonickém prostředí buňka ztratí vodu, svraští se a umírá. To je zřejmě důvod, proč při zvýšení salinity vody většina živočichů umírá plasmoptýza: v hypotonickém prostředí se buňka nafoukne vodou a praskne

Plasmoptýza a plasmolýza: živočišná buňka řada mořských organismů řeší problém tak, že jejich buňky jsou isotonické vůči mořské vodě suchozemské organismy mají buňky ponořené do extracelulární tekutiny, která je isotonická vůči buňkám organismy, žijící v hypotonickém či hypertonickém prostředí musí mít výkonný systém osmoregulace

Kontraktilní vakuola trepky trepka Paramecium žije v rybnících, kde je voda hypotonická vzhledem k buněčnému obsahu plasmalema trepky ale je do určité míry propustná pro molekuly vody, takže trepce neustále hrozí plasmoptýza Paramecium má naštěstí kontraktilní vakuolu, jejímž hlavním úkolem je čerpat vodu z buňky zpět do okolního prostředí tato vakuola se naplní asi za 6 vteřin. Za 15 min trepka vyloučí tolik vody, jaký je celý její objem

Paramecium – kontraktilní vakuola Kontraktilní vakuola naplněná vodou Prázdná kontraktilní vakuola

Paramecium – kontraktilní vakuola

Plasmoptýza a plasmolýza - buňky s buněčnou stěnou = buňky rostlin, baktérií, hub (Fungi) a některých prvoků (Protista) v hypotonickém prostředí buněčná stěna udrží tlak vody – turgor – a zabrání plasmoptýze zdravá rostlinná buňka je silně turgidní; rostlina v nedostaku vody vadne – poklesne ji turgor proti plasmolýze je ovšem buněčná stěna bezmocná. V hypertonickém prostředí dojde k plasmolýze, končící obvykle smrtí bahenní rostliny mají obvykle nízkou buněčnou koncentaci, zatímco rostliny mořských břehů (jako byla kdysi řepa cukrová) vysokou koncentraci buněčného obsahu

transportní proteiny se v mnohém podobají enzymům: Specifické proteiny usnadňují pasivní transport: usnadněná difúze (facilitated diffusion) transportní proteiny se v mnohém podobají enzymům: jsou vysoce specializované pro substrát často mají i aktivní místa pro navázání substrátu mohou přenášet molekuly jen s jistou maximální rychlostí, mohou být substrátem saturovány mohou být inhibovány molekulami, které napodobují substrát enzymy ovšem katalyzují chemické reakce, zatímco transportní proteiny fyzikální proces, průchod molekul přes membránu

Specifické proteiny usnadňují pasivní transport: usnadněná difúze (facilitated diffusion) změna tvaru proteinu na obr. b může být způsobena navázáním substrátu. protein přenáší molekuly oběma směry, takže nakonec čistý přenos jde po koncentračním gradientu

aquaporiny usnadňují průchod vody přes membránu Specifické proteiny usnadňují pasivní transport: usnadněná difúze (facilitated diffusion) aquaporiny usnadňují průchod vody přes membránu gated channels – jsou transmembránové proteiny, která se otevírají a zavírají na stimul – buď chemický nebo elektrický např. stimulace neuronu neurotransmitterem způsobí že se otevřou kanály způsobující vpád Na+ iontů do buňky

Aktivní transport přenáší látky proti koncentračnímu gradientu usnadněná difúze pouze pomáhá zvýšit rychlost pohybu látek po koncentračním gradientu, ale nemění směr transportu proteiny, účastnící se aktivního transportu ale mohou pumpovat látky i proti jejich koncentračnímu gradientu aktivní transport vyžaduje energii

Aktivní transport - sodnodraselná pumpa v živočišných buňkách je mnohem větší koncentrace K+ než v okolním prostředí a naopak mnohem nižší koncentrace Na+ než v extracelulární tekutině buňka sama aktivně pumpuje sodné ionty ven z buňky a draselné naopak dovnitř buňky jedním z těchto systémů je sodnodraselná pumpa, která přenáší v jednom úkonu dva ionty draslíku dovnitř a tři ionty sodíku ven za spotřeby ATP

Sodnodraselná pumpa

cytoplasma buňky je vždy vzhledem k extracelulární negativně nabitá Některé typy aktivního transportu způsobují na plasmatické membráně vznik elektrického napětí všechny buňky mají na svých membránách určité elektrické napětí, což je způsobeno oddělením různě nabitých látek plasmatickou membránou cytoplasma buňky je vždy vzhledem k extracelulární negativně nabitá membránový potenciál kolísá mezi –50 po –200 mV (mínus znamená, že vnitřek buňky je záporný)

Elektrochemický gradient pasivní pohyb iontů přes membrány tedy ovlivňují dvě síly: koncentrační gradient elektrický gradient (=efekt membránového potenciálu na pohyb iontů) když se např. v neuronu otevřou kanály pro sodíkové ionty, tyto Na+ ionty prudce vpadají do neuronu jak po koncentrační gradientu, tak i po elektrickém gradientu

Elektrochemický gradient některé membránové proteiny aktivního transportu ovšem způsobují i elektrický gradient sodnodraselná pumpa čerpá vždy v jednom kole tři ionty sodíku ven proti dvěma iontům draslíku dovnitř a přispívá tak ke vzniku elektrického gradientu tyto přenašeče se nazývají elektrogenní pumpy kromě sodnodraselné pumpy je nejhojnějším přenašečem protonová pumpa, která čerpá protony H+ ven z buňky

Protonová pumpa

Pasivní a aktivní transport - srovnání

Kotransport pumpa spotřebovávající ATP může nepřímo ovlivnit i trasport jiných látek v rámci tzv. kotransportu např. rostliny užívají transport protonů ven z buňky ke kotransportu těchto protonů spolu s aminokyselinami či cukry dovnitř buňky

Kotransport sacharosa se tak dostává do buňky proti koncentračnímu gradientu, ovšem pouze tehdy, pronikne-li do buňky spolu s protonem rostliny užívají tento sacharoso-H+ kotransport pro přenos nafotosyntetizovaných cukrů do listových cévek

Exocytóza a endocytóza transportují velké molekuly exocytóza = transportní vezikl z Golgiho aparátu putuje k plasmatické membráně a nakonec s ní splývá – obsah veziklu se tak vylije do mezibuněčného prostoru tímto způsobem putuje ven z určitých pankreatických buněk insulin,vylévají se neurotransmittery z neuronů či vznikají buněčné stěny u rostlin endocytóza = plasmatická membrána se vchlipuje dovnitř, až vytvoří vezikl uvnitř buňky

Existují tři typy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a endocytóza zprostředkovaná receptorem Fagocytóza („cellular eating“)– buňka pomocí panožek obklopí danou látku; vznikne útvar, který může být označen jako potravní vakuola

Existují tři typy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a endocytóza zprostředkovaná receptorem Pinocytóza („cellular drinking“) – buňka nespecificky pohltí část extracelulární tekutiny do malých váčků

Existují tři typy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a endocytóza zprostředkovaná receptorem endocytóza zprostředkovaná receptorem: látky z extracelulárního prostoru se specificky naváží na transmembránové proteiny, které se obvykle v membráně vyskytují ve shlucích celá struktura se pak zanoří dovnitř buňky až vnikne vezikl z něj se pak v buňce uvolňují přenesené látky tímto způsobem může buňka získat i látky, které nejsou v extracelulární tekutině příliš koncentrované

Existují tři typy endocytózy: fagocytóza, pinocytóza a endocytóza zprostředkovaná receptorem endocytóza zprostředkovaná receptorem: tímto způsobem např. lidské buňky vychytávají cholesterol, který využívají jako složku plasmatické membrány a jako prekurzor ke tvorbě steroidních hormonů cholesterol putuje v krvi v komplexu lipidů a proteinů, tzv. LDL = Low Density Lipoproteins, na které existují v buňkách specifické receptory

Hypercholesterolemie u lidí postižených genetickou chorobou hypercholesterolemií, je defektní receptor na povrchu buněk a LDL nemohou do buňky vstoupit. LDL se tak ukládají ve stěnách cév za vzniku aterosklerózy

Endocytóza zprostředkovaná receptorem

Opakování: Transport přes membránu (u živočišné i rostlinné buňky)

Opakování:Transport přes membránu (u živočišné i rostlinné buňky) - příklady

Opakování: Exocytóza a endocytóza (u živočišné i rostlinné buňky)

Konec kapitoly o obecných vlastnostech biomembrán

Plasmatická membrána silná okolo 8 nm – cca 8 000x tenší než list papíru je selektivně permeabilní (propustná) při vzniku života byl možná vznik membrány obalující látky odlišné od vnějšího prostředí rozhodujícím krokem směrem k životu

Plasmatická membrána hlavními složkami jsou fosfolipidy a proteiny že se jedná o fosfolipidovou dvojvrstvu objevili Holanďané Gorter a Grendel v roce 1925 1935 Dawson a Danieli navrhují tzv. sendvičový model – ten se udržel až do 1972 plasmatická membrána poprvé viděna v elektronovém mikroskopu 1950

Plazmatická membrána (= plazmalema) Je tvořena lipoproteiny a bílkovinami. Membránové lipidy mají amfifilní charakter = mají část hydrofobní a hydrofilní Hovoříme o modelu tekuté mozaiky Plazmatická membrána (fotografie z el. mikroskopu)

Plazmatická membrána (= plazmalema)

Plazmatická membrána (= plazmalema) Regulace transportu látek mezi buňkou a prostředím Regulace tvorby buněčné stěny Reakce buňky na podněty vnějšího prostředí

Fosfolipidová dvojvrstva Plazmatická membrána má v průřezu 5 – 10 nm Tento typ membrány tvoří kromě plazmalemy též membrány jádra, endoplazmatického retikula, vakuoly, mitochondrií, plastidů a Golgiho aparátu

Fosfolipidová dvojvrstva Hydrofilní část Hydrofóbní část

Struktura a syntéza fosfoglyceridů

Fosfoglyceridy = glycerolfosfolipidy je přesnější název než zaužívané fosfolipidy v buňce existuje cca 100 druhů různých glycerolfosfolipidů

Plazmatická membrána Membránové bílkoviny rozlišujeme na integrální (prostupují celou plazmalemou) a periferní (jsou jen na jedné straně membrány) Integrální protein Molekuly cholesterolu pomáhají stabilizovat fosfolipidovou dvojvrstvu

Nepolární, hydrofobní oblasti pomáhají ukotvit protein v membráně Molekuly cholesterolu se nachází pouze v membráně živočišných buněk

Plazmatická membrána

U živých rostlinných buněk je cytoplazmatický obsah v pohybu U živých rostlinných buněk je cytoplazmatický obsah v pohybu. Tento pohyb je označován jako cytoplazmatické proudění nebo jako cyklóza

Endomembránový systém Mikrotělíska = kulovité drobné organely ohraničené fosfolipidovou membránou. Mohou obsahovat krystaliské proteiny Patří sem peroxizomy – obsahují enzym katalázu štěpící peroxid vodíku. Podílejí se na fotorespiraci Glyoxyzomy – přeměna tuků na sacharidy během klíčení semen Sférozómy = kapénky tuků ohraničené membránou Oleozómy = kapénky olejů ohraničené membránou

Vakuoly Druhy vakuol: potravní vakuola prvoků kontraktilní vakuola pomáhá sladkovodním prvokům pumpovat vodu ven z těla centrální vakuola u starších rostlinných buněk

Vakuola Membrána se nazývá tonoplast Vznikají z endoplazmatického retikula a Golgiho aparátu v buňkách apikálních meristémů V mladých buňkách je množství malých vakuol. Dospělá obsahuje zpravidla jednu centrální vakuolu, která vyplňuje až 90% objemu buňky

Vakuola Vakuoly obsahují: Funkce Meziprodukty buněčného metabolismu (aminokyseliny, cukry…) Ionty (K+,Na+, Ca2+, Cl-, NO3-) Rezervní látky (sacharidy, bílkoviny) Barviva rozpustná ve vodě (antokyany a flavony /prvosenky, citróny/) Alkaloidy (nikotin, kofein, kokain, kolchicin, kodein, morfin) Funkce Udržování stálosti cytoplazmy (např. pH) Zásobní Odpadní – ukládají se zde zplodiny buněčného metabolismu

Endomembránový systém - shrnutí