Plazmatická membrána, mezibuněčné spoje, adheze buněk a mezibuněčná hmota. MUDr. Džubák Petr, Ph.D. Laboratoř experimentální medicíny při Dětské klinice Lékařská fakulta Univerzity Palackého

Použitá literatura: Základy buněčné biologie – Alberts et al Použitá literatura: Základy buněčné biologie – Alberts et al. Další zdroje: Biochemie – Voet &Voetová Molecular Cell Biology – Lodish

Biomembrány strukturální základ většiny buněčných organel podílí se na buněčných funkcích: - ohraničují buňku od okolí - vytváří vnitrobuněčné kompartmenty - zprostředkují kontakt buňky s okolím - uskutečňují transport látek do buňky a z buňky - mají tloušťku kolem 7,5 nm - jsou tvořeny dvojvrstvou fosfolipidů

Historie poznání struktury membrán 1890: povrch buňky má lipidovou povahu (Overton) 1926: dvojvrstva lipidů (Gorder and Grendel) 1943: dvojvrstva lipidů krytá vrstvami bílkovin (Davson and Danielli) 1960: unit membrane (Robertson) 1972: model fluidní mozaiky – proteiny „plavou“ ve vrstvě fosfolipidů (Singer a Nicholson) 1980: detailní struktura membránových proteinů a dynamika fosfolipidové dvojvrstvy (Unwin a Henderson)

Současný model biologické membrány

Chemické komponenty membrán:. lipidy (fosfolipidy, steroly) Chemické komponenty membrán: lipidy (fosfolipidy, steroly) bílkoviny (přenašeče, spojníky, receptory, enzymy) cukry (glykoproteiny, proteoglykany) Fosfolipidy: glycerofosfatidy -glycerol -cholin -etanolamin -serin -inositol sfingofosfatidy -sfingosin Steroly: cholesterol ergosterol

Nejčastější fosfolipidy v membránách Odvozeny od Typický fosfolipid VNĚJŠÍ membránové vrstvy glycerolu Lecitin (fosfatidylcholin) glycerol 2 mastné kyseliny fosfát cholin Fosfatidyl ethanolamin glycerol 2 mastné kyseliny fosfát ethanolamin Nejčastější fosfolipidy v membránách Fosfatidyl serin glycerol 2 mastné kyseliny fosfát serin Typické fosfolipidy VNITŘNÍ membránové vrstvy sfingosinu (amino alkohol) Dominantní fosfolipid myelinu nervových vláken, přítomen v plazmatické membráně a subcelulárních membránách. Sfingomyelin sfingosin 2 mastné kyseliny fosfát cholin Adaptováno dle Ivany Fellnerové, PřF UP Olomouc

Fyzikální vlastnosti membrán Polarita molekul hydrofilní konce (PO4 ,, COOH, OH, NH3 hydrofobní konce řetězce mastných kyselin autoorganizace liposomy, myelinové struktury asymetrické uspořádání tekutý charakter bod přechodu laterální migrace flip-flop pohyb Stabilita dvojvrstvy (bilayeru):  hydrofobní interakce mezi řetězci mastných kyselin

Micely vs. liposomy Amfifilní molekuly s jedním hydrofobním řetězcem

Liposomy Liposomy

Mobilita membránových složek Pokus Frye a Edidina: Důkaz fluidity membrán Pohyb molekul: Rotační Laterální flip-flop (flippase, floppase, scramblase)

Mobilita membránových složek Důkaz fluidity membrán

Fluidita membrány Tekutost bilayeru: dána pohyblivostí molekul teplotou podílem nasycených a nenasycených mastných kyselin podílem cholesterolu v lipidové dvojvrstvě

Zastoupení jednotlivých lipidů v různých typech buněk

Asymetrie lipidové dvojvrstvy Flipázy, Flopázy, ….

Známka apoptózy – externalizace fosfatidyl serinu http://www.roche-applied-science.com

Relativní propustnost lipidové dvojvrstvy 109

Heterogenita lipidů v membráně a jejich asymetrická distribuce v bilayeru. Ostrůvky (průměr 50 nm), kde jsou soustředěny sfingolipidy a cholesterol, se nazývají rafty. Pohybují se v rovině membrány a slouží k segregaci a interakci signálních proteinů.

Membránové proteiny: asi 50% hmotnosti membrány - hydrofobní doménou jsou zanořeny do bilayeru - hydrofobní doména je tvořena aminokyselinami s hydrofobními skupinami - integrální a periferní proteiny - Proteiny se dostávají do bilayeru při proteosyntéze Některé integrální proteiny prostupují přes membránu vícekrát Připojení periferních proteinů: lipidové kotvy(např. dolichol)

Některé funkce proteinů plazmatické membrány Např. sodíková pumpa, integriny, receptor pro PDGF, adenylát cykláza.

Uspořádání proteinů ve fosfolipidovém bilayeru: Bílkoviny biomembrán Uspořádání proteinů ve fosfolipidovém bilayeru: Transmembránové domény proteinů jsou tvořeny hydrofobními aminokyselinami: ala, val, leu, ileu, met, tyr, try a phe

a-šroubovice procházející lipidovou dvojvrstvou Hydrofobní postranní řetězce aminokyselin.

b-soudek Jen široké kanály

Index hydropatie

Typický příklad transmembránového proteinu.

Kotvení membránových proteinů

Solubilizace membrán Detergenty - Amfipatické molekuly (hydrofobní a hydrofilní oblast)

Funkční enzymatické modely na základu fosfolipidových vesikul

Detailní struktura membránových proteinů http://expasy.org/sprot/ (Swiss-prot)

Mrazové lámání

Omezení laterální pohyblivosti proteinů plazmatické membrány.

Asymetrické rozdělení membr. proteinů, polarizace.

Lidské erytrocyty ve skenovacím elektronovém mikroskopu

Membránový skelet: síť proteinů pod plasmatickou membránou erytrocytu: vlákna spektrinu a aktinu a spojovací proteiny (např. integriny)

Glykokalyx

Glykolipidové molekuly

ABO systém

Organizace buněk ve tkáních

Hlavní typy mezibuněčných spojů.

Těsné spoje (tight junctions) Apikální strana Komplexy proteinů těsného spoje Occludin, Claudin-1, E-Cadherin, ZO-1, JAM-1, Catenins, Cingulin, Actin Funkce: neprodyšnost epitelů, polarita epiteliálních buněk. Basální strana

Mechanické spoje - kadheriny

Adhezní pásy – pásové desmosomy (kadherinové molekuly + aktin) schopnost měnit tvar, embryonální vývoj

Desmosomy- bodové spoje (kadherinové molekuly + intermediální filamenta) pevnost v tahu, exponovaná místa

Kde už ani hemidesmosomy nestačí ! Keratin Spojníkový protein Integrin Laminin Kde už ani hemidesmosomy nestačí !

Integriny funkce- vazba buněk na ECM a signalizace, migrace buněk Jméno Synonyma Distribuce Ligandy α1β1   Mnoho Kolageny, lamininy α2β1 α4β1 VLA-4 Hematopoetické buňky Fibronektin, VCAM-1 α5β1 Fibronektinový receptor Široce rozšířený Fibronektin a proteinázy α6β1 Lamininový receptor Matrixové makromolekuly, lamininy αLβ2 LFA-1 T-lymfocyty ICAM-1, ICAM-2 αMβ2 Mac-1, CR3 Neutrofily a monocyty Sérové proteiny, ICAM-1 αIIbβ3 Destičky Fibrinogen, fibronektin αVβ3 Vitronektinový receptor Aktivované endoteliální buňky, melanom, glioblastom Vitronektin, fibronektin, fibrinogen, osteopontin, Cyr61 αVβ5 Široce rozšířený, fibroblasty Vitronektin a adenoviry αVβ6 Proliferující epitel, játra, plíce Fibronektin; TGFβ1+3 α6β4 Epiteliální buňky Laminin

Regulace - integriny

Mezerové spoje Úzké průchody pro malé molekuly – umožňují přímý přestup z cytoplasmy jedné buňky do druhé. Elektrické a metabolické propojení buněk.

Plasmodesmata funkční obdoba mezerového spoje u rostlin.

Pojivová tkáň

Proteoglykanový agregát z chrupavky

Kyselina Hyaluronová

Kolagen – pevnost v tahu Tuhá trojřetězcová helikální struktura – superhelix

Syntéza kolagenu

Uspořádání kolagenových fibril

Elastin Lysyloxidase

Děkuji za pozornost