Základy buněčné biologie

Prezentace na téma: "Základy buněčné biologie"— Transkript prezentace:

1 Základy buněčné biologie
Ivo Šauman Julius Lukeš Roman Sobotka Michal Žurovec

2 Struktura membrán Přenos látek přes membrány

3 Význam buněčných membrán
Plasmatická membrána odděluje buněčné složky od okolního prostředí. Umožňuje organelám vykonávat specializované funkce udržováním obsahu organel odděleně od zbytku buňky (kompartmentalizace). Zajišťuje rozhraní pro vytváření elektrochemických gradientů, které jsou nutné pro syntézu ATP a vytváření nervových vzruchů.

4 Amfipatické lipidy Proteiny Nekovalentní interakce

5 fosfatidylcholin Polární hlavička (fosfolipid)
Uhlovodíkový konec odvozený z mastných kyselin Nepolární konec Nenasycený uhlovodíkový řetězec Nasycený uhlovodíkový řetězec

6 Mastné kyseliny * * * * *

7 Tři typy membránových lipidů

8 Fosfolipidy

9 Amfipatické molekuly minimalizují interakce mezi vodním (polárním) prostředím a svými nepolárními částmi.

10

11 Cholesterol Cholesterol snižuje fluiditu membrány protože omezuje pohyb uhlovodíkových řetězců. Důležité chemické vlastnosti cholesterolu: Hydroxylová skupina představuje polární hlavičku. OH je navázána na pevný cholesterolový zbytek. Má jeden uhlovodíkový konec.

12 Cholesterol

13 Fluidita membrány

14 Fluidita plasmatické membrány

15 FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching)

16 FLIP (Fluorescence Loss In Photobleaching)

17

18 Růst membrán

19 Polarizace membrán Fosfatidylcholin Sfingomyelin Glykolipidy
Cholesterol Fosfatidylserin Fosfatidylethanolamin Fosfatidylinositol

20 Polarizace membrán

21 Glykolipidy

22

23

24 Polarita cytoplasmatické membrány

25 Membránové proteiny Transport Komunikace mezi buňkami
Enzymatické aktivity

26 Typy membránových proteinů

27 alpha Helix

28 Typy aminokyselin

29 Transmembránová alfa šroubovice
Tloušťka hydrofobní části lipidické membrány je 3 nm. Jedna otáčka šroubovije měří 0.54 nm and je tvořena 3.5 a.a. Takže transmembránová doména tvořená alfa-šroubovicí je dlouhá přibližně 20 aminokyselin.

30 Hydropatický graf

31 Hydropathy plots

32 Glycophorin Další vlastnosti mnoha alfa helikálních transmembránových proteinů: SH skupiny na cytoplasmatické straně membrány jsou redukované a na vnější straně jsou oxidované na S-S. Cukry jsou kovalentně navázány na určité aminokyseliny na vnější straně plasmatické membrány (glykosylace).

33 * Protein 3 je znám jako beta-soudek (beta barrel) a je složen z antiparalelních beta skládaných listů stočených do soudkovitého tvaru. Mnohem vzácnější než alfa-šroubovicové transmembránové domény – omezen na vnější membrány bakterií, chloroplastů a mitochondrií (Porin). Polární aminokyselinové postranní řetězce jsou umístěny uvnitř soudku a nepolární aminokyselinové řetězce se nacházejí na vnější straně.

34 beta-skládaný list

35 beta barrels transporter receptor enzyme channel

36 Detergenty Slabé neionické detergenty rozpustí membrány bez toho, aby denaturovaly membránové proteiny. Ionické detergenty rozpustí membrány a denaturují proteiny.

37 Buněčný kortex

38 Kompartmentalizace membránových proteinů

39 Červené krvinky (SEM)

40 Přenos látek přes membrány

41

42 Propustnost plasmatické membrány

43 Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou membránu je zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových transportních proteinů. Konformační změna “přenese” molekulu přes membránu. Vodní pór umožňuje průchod molekul přes membránu.

44 Čtyři cesty molekul a iontů přes membránu

45 Elekrochemický gradient

46 Přenašečové proteiny (Carrier proteins)
Přenašečový protein naváže transportovanou molekulu na jedné straně membrány, projde konformační změnou a uvolní molekulu na druhé straně membrány.

47 Přenašečové proteiny jsou podobné enzymům
Enzym Přenašečový protein Vazebná místa pro substrát Vazebná místa pro transportované molekuly Chemicky modifikuje substrát Transportuje molekuly Rychlost reakce je saturována při Rychlost transportu je saturována při vysoké koncentraci substrátu vysoké koncentraci přenášené látky

48 Spojením konformační změny se zdrojem energie mohou přenašečové proteiny provádět aktivní transport.

49 V závislosti na tom kolik různých molekul je transportováno a kterým směrem, rozlišujeme tři základní typy transportu: uniport, symport a antiport.

50 Na+-K+ pumpa (Na+-K+ ATPase) v plasmatické membráně je antiporter, který provádí aktivní transport.
Tento protein vytváří koncentrační gradient Na+ a K+ iontů.

51 Přímý aktivní transport: Na+-K+ pumpa

52 Na+ gradient vytvořený Na+ - K+ ATPázou pohání transport glukózy do buňky pomocí Na+ -poháněného glukózového symporteru. Energeticky příznivý pohyb Na+ po svém electrochemickém gradientu je spřažen s energeticky nepříznivým transportem glukózy proti svému koncentračnímu gradientu.

53 Vápníková pumpa sarkoplasmatického retikula

54 Iontové kanály a Membránový potenciál

55 Iontové kanály jsou iontově selektivní a uzavíratelné
boční pohled R R horní pohled – každý kruh představuje alfa-helix a R-skupiny jsou aminokyselinové postranní řetězce, které uvnitř kanálu vytvářejí tzv. selekční filtr (selectivity filter). R R R R R R R R R R R R R

56 Selectivita sodného kanálu

57 Jak může K+ kanál rozlišit mezi K+ and Na+ když oba mají stejný náboj a Na+ je menší K+?
Odpověď: Při průchodu iontu přes selekční filtr, se iont musí zbavit vodního obalu. Molekuly kyslíku z karboxylových skupin mají částečný záporný náboj a mohou nahradit molekuly vody u K+, ale Na+ je příliš malý. Tudíž Na+ zůstává přednostně asociován s vodou a hydratovaný iont je příliš veliký pro průchod selekčním filtrem.

58 Iontové kanály oscilují mezi otevřeným a uzavřeným stavem za účelem regulace toku iontů.
Napěťově (elektricky) ovládané kanály reagují na membránový potenciál. Chemicky ovládané kanály reagují na navázání malých molekul = ligandy. Mechanicky ovládané kanály reagují na pohyb.

59 Klidový membránový potenciál eukaryotických buněk je výsledkem koordinované činnosti přenašečových proteinů a iontových kanálů. 1. Na+-K+ ATPáza koncentruje K+ uvnitř buňky a Na+ vně buňky (aktivní transport). 2. K+ výtokové kanály umožňují K+ difundovat ven z buňky po svém koncentračním gradientu (pasivní transport). 3. Negativní náboj zanechaný v cytoplasmě však brání odtoku K+, takže pouze velmi malé množství (1/100,000) K+ se dostane ven z buňky. 4. Odtok malého množství K+ je dostatečný k vytvoření membránového potenciálu (-70 mV) – positivní vně a negativní uvnitř.

60 Membránový potenciál

61 Nervová buňka - neuron Tělo buňky – umístění jádra a buněčných organel. Dendrity – rozvětvené výběžky, které přijímají signály z axonů. Axon – jediný dlouhý výběžek, který vede signál směrem od těla buňky. Nervový impuls (vzruch) je výsledkem elektrického narušení v plasmatické membráně, které se šíří z jedné části buňky do jiné. Toto elektrické narušení membrány se nazývá akční potenciál a spočívá ve vlně depolarizace membrány pohybující se podél axonu.

62 Napěťově ovládané Na+ iontové kanály jsou klíčové pro vznik a šíření akčního potenciálu.

63 Nadprahová depolarizace způsobí vznik akčního potenciálu.
Po obdržení nervového signálu dochází k mírné depolarizaci membrány. Dosáhne-li depolarizace tzv. prahové hodnoty, všechny napěťově ovládané Na+ kanály v dané oblasti se současně otevřou. Na+ vteče dovnitř buňky a způsobí rychlou a velkou depolarizaci membrány. Tato rychlá a velká depolarizace představuje akční potenciál.

64 Cyklus tří konformací Na+ kanálu – uzavřený, otevřený, inaktivovaný - zajišťuje propagaci akčního potenciálu podél axonu.

65 Vznik akčního potenciálu vyžaduje depolarizaci membrány nad hodnotu prahového potenciálu. Tento proces začíná na synapsích. presynaptická buňka postsynaptická buňka

66 Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší nervové impulsy na chemických synapsích
Figure 21-28

67 Excitační vs. Inhibiční synapse

68 Jediný neuron kombinuje a vyhodnocuje tisíce excitačních a inhibičních signálů z mnoha dalších neuronů, které ovládají spouštění a frekvenci akčních potenciálů podél axonu. Neurotransmitery uvolněné z každé synapse vyvolají postsynaptický potenciál (PSP). Napěťově ovládané Na+ kanály jsou umístěny na počátku axonu (axon hillock). Akční potenciál vznikne na počátku axonu jen tehdy, když součet všech excitačních a inhibičních PSP v tomto místě přesáhne prahovou hodnotu.

69 Čím větší je “kombinovaný PSP”, tím vyšší je frekvence akčních potenciálů vznikajících na počátku axonu (axon hillock). Vlastní hodnota akčního potenciálu je však ve všech případech stejná, protože membránový potenciál je limitován koncentrací Na+ iontů vně buňky.

70 Myelinace zvyšuje rychlost a účinnost šíření akčního potenciálu.
Gliální (Schwann cells) buňky okolo axonu vytváří elektrickou izolaci bohatou na glykolipidy. Ranvierovi zářezy rozmístěné v pravidelných intervalech podél axonu jsou místa s přerušenou izolací. Zde se nacházejí napěťově ovládané Na+ kanály. Vtok Na+ v místě jednoho Ranvierova zářezu způsobí depolarizaci v zářezu následujícím v důsledku rychlé difuze Na+ v cytoplasmě. Akční potenciál tímto způsobem přeskakuje z jednoho zářezu na druhý, čímž se značně zvyšuje rychlost a účinnost vedení vzruchu. Tento proces se nazývá saltatorní vedení vzruchu.

71 Akční potenciál přeskakuje rychle z jednoho zářezu na druhý

72 Neuromuskulární spoj je příklad, jak akční potenciál z neuronu spouští odpověď v jiném typu buňky.

73 Elektrické synapse

74 Srovnání přenosu akčního potenciálu přes elektrické a chemické synapse

75 The End