biomembrane - fkit.unizg.hr3].pdf · energije za aktivni prijenos tvari npr. glukoze ili steroidnih...
Post on 05-Oct-2019
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Biomembranestruktura i funkcija
➢ Funkcije biomembrane
➢ Kemijski sastav i plan građe membrana
➢ Membranski lipidi i fluidnost membrana
➢ Membranski proteini i šećeri
➢ Prolaz tvari kroz membranu
Uloga membrana – granica života
1. “Kompartimentizacija” ili odjeljivanje
2. Selektivno-propusna pregrada
3. Transport otopljenih tvari
4. Provođenje signala
5. Interakcija među stanicama
6. Mjesto biokemijskih aktivnosti
7. Pretvorba energije
1
2
3
4
5
6
7
LIPIDI PROTEINI
UGLJIKOHIDRATI
Sastav membrane
Membranski lipidi - fosfolipidi
Figure 10-2. Građa fosfolipidne molekule. Primjer fosfatidilkolina. Fosfatidilkolin, (A) shematski, (B) formula, (C) prostorni model, i (D) simbol. 2002 Bruce Alberts, al.
Masne kiseline 14-20C, palmitinska, oleinska, miristinska
Nepolarni repmasne kiseline
Polarna glava
Hidrofobni rep
Hidrofilna glava
Lipidni dvosloj – osim fosfolipida sadrži i kolesterol (1:1)
Figure 10-11. Kolesterol u lipidnomdvosloju. 2002 Bruce Alberts, et al. →
Figure 10-10. struktura kolesterola. (A) formula, (B) shematski prikaz, i (C) prostorni model. © 2002 by Bruce Alberts, Alexander
Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.
Nepolarnirep
Polarnaglava
čvrstidio
Lipidne molekule imaju mogućnost samoorganizacije u vodenoj sredini
Figure 10-5. Spontano zatvaranje lipidnog
dvosloja u membranske mjehuriće
Figure 10-4. Raspored lipidnih molekula u vodenoj sredini. Spontano se slažu u obliku micela ili lipidnogdvosloja. 2002 Bruce Alberts, et al.
Gorter i Grendel (1912.-1925.)
➢ Ekstrahirali lipide eritrocita
➢ Jedno-molekularni sloj na
površini vode.
➢ Izmjerili površinu masne mrlje
➢ Izračunali oplošje (površinu)
eritrocita.
➢ Omjer površina 2 :1 → ima
dovoljno lipida da omotaju eritrocit u
2 sloja.
Membrane su izgrađene od lipidnog dvosloja.
Što je s proteinima, kako su oni ugrađeni u membrane?
Karp, J. Wiley & Sons, INC.
Kako je otkriveno da lipidi izgrađuju dvosloj u membrani?
Langmuir–Blodgett
Lipidi imaju mogućnosti kretanja kroz membranu
Mogući pokreti fosfolipida u membrani, 2 µm/s
Membrane mogu mijenjati fluidnostOmega 3 masne kiseline ulaze u sastavmembrana
8 nm
Stariji model sendviča (lijevo, Davson-Danielli, 1935) zamjenjen je
modelom tekućeg mozaika(Singer i Nicolson, 1972.), koji bolje opisuje strukturu i funkciju membrana➢ Molekule lipida i proteina raspoređene u dvije dimenzije
➢ Proteini slobodno difundiraju u homogenom lipidnom okruženju
Kako su proteini uključeni u membranu?
http://www.doctortee.com/cgi/image-lookup.cgi?membrane-temStanična membrana pod TEM
Lipidne splavi su male (10-200nm), heterogene, visoko dinamične domene, obogaćene sterolima i sfingolipidima
Služe za odvajanje membranskih procesa
Tu se često nalaze proteini uključeni u staničnu signalizaciju i endocitozu
10 1 Membranes—An Introduction
Fig. 1.10 Domain formation in lipid mono-
layers, bilayers, and in biological cells. Left:
Domain formation in the phase coexistence
regime of DPPC monolayers. The dimension
of the panel is about 100 µm. From Gud-
mand/Heimburg, NBI Copenhagen. Center:
Confocal fluorescence microscopy image
of domain formation in a giant lipid vesicle
(DLPC:DPPC = 30:70 at room tempera-
ture). The size of the vesicle is about 30 µm
in diameter. From Fidorra/Heimburg, NBI
Copenhagen. Right: Placental alkaline phos-
phatase distribution in fibroblast. The size
of the segment is about 4 µm. From Harder
et al. (1998).
biological cells. The right-hand panel shows the formation of protein clusters
(placental alkaline phosphatase=PLAP) in a fibroblast cell form (Harder et al.,
1998). In this paper it was shown that different proteins species tend to colo-
calize in different regions of the cell membrane. In biomembranes a special
kind of domain called “raft” is presently highly discussed. Rafts are thought
to be microdomains consisting predominantly of sphingolipids, cholesterol
and certain GPI-anchored proteins. These phenomena are discussed in much
more detail in Chapters 8 and 9.
Domain formation is also interesting for the electrostatic properties of mem-
branes. Many membrane components carry charges. Thus, domain formation
leads to inhomogeneities in electrostatic potential and to the preferential bind-
ing of proteins.
1.8
Perspectives of this Book
The biological membrane resembles the picture in Fig. 1.11, showing varia-
tions in the membrane thickness, the presence of peripheral and transmem-
brane proteins, as well as the formation of lipid and protein domains (Chap-
ters 8 and 9). The thermodynamics of such phenomena is an essential part of
this book. Cooperative transitions also influence the elastic constants (Chap-
ter 14). Thus, rearrangement of proteins and lipids is also generally linked
to alterations of membrane elasticity and compressibility. Due to the cou-
plings in the thermodynamic equations these relations go in both directions
meaning that changes in the membrane curvature by necessity have to change
Nakon 30-tak godina bez novih vijesti…
http://www.youtube.com/watch?v=73ghXv3nVKA
Vrste membranskih proteina
➢ Figure 10-17. Veza membranskih proteina s lipidnim dvoslojem
• 1, 2, 3 – transmembranski proteini (amfipatski)
• 4, 5, 6 – usidreni proteini (izloženi samo s jedne strane)
• 7 i 8 – periferni proteini (vezani slabim nekovalentnim vezama)
2002 Bruce Alberts, et al.
α-zavojnice
β-bačvasta
struktura
kovalentno vezana
masna kis. α-zavojnica
lipidni
lanac
oligosaharidni
lanac
Primjeri transmembranskih proteina
Glikoforin, membrana eritrocita – bogati ugljikohidratima 60% – ne vežu se za krvne žile
Porini – membrane mitohondrija ili bakterija
Membranski proteini su također pokretni u membrani
https://www.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc
Uloge membranskih proteina
Pasivni ili aktivni prijenos molekula: hidrofilni kanali koji propuštaju određene molekule, neki hidroliziraju ATP kao izvor energije za aktivni prijenos tvari
Npr. glukoze ili steroidnih hormona.
Kataliziranje reakcija: aktivna strana enzima u kontaktu s tvarima otopine koja okružuje membranu, nekoliko enzima u skupini može biti odgovorno za odvijanje jednog koraka u metaboličkom putu
Npr. enzimi za dobivanje energije u mitohondriju
Prijenos signala: proteini na vanjskoj strani plazmatske membrane djeluju kao receptori za npr. hormone, antitijela, viruse i sl., signali iz okoliša stanice mogu potaknuti promjene u konformaciji proteina na unutarnjoj strani membrane što može dovesti do lančane reakcije kemijskih promjena u stanici
Prepoznavanje stanica: neki glikoproteini služe kao identifikacijski dodatak koji specifično prepoznaju drugu stanicu
Npr. u imunološkom sustavu
Povezivanje stanica: membranski proteini susjednih stanica mogu biti povezani različitim vrstama međustaničnih veza
Npr. u tkivima
Učvršćivanje citoskeleta na izvanstanični matrix: mikrofilamenti ili elementi citoskeleta mogu biti vezani za membranske proteine što omogućuje održavanje oblika stanice i kotvljenje membranskih proteina. Oni mogu koordinirati izvanstanične i unutarstanične promjene
Npr. u tkivima
Uloge membranskih proteina
ABC transporteri, superobitelj proteinskih prenositelja raznih funkcija
Prisutna kod eukariota i prokariotaKoriste energiju molekula ATP za transport raznih molekula• Uključeni u rezistenciju tumora na kemoterapiju (multidrug resistance (MDR) protein)
• Otpornost bakterija na antibiotike
Stanica može reklamirati da je infektivna preko proteina MHC i da ju unište faktorima citotoksičnim
Major histocompatibility complex (MHC)
Omjer proteina i lipida ovisi o tipu i funkciji membrane
Mitohondrijske unutarnje membrane imaju oko 75% proteina (proteini oksidativne fosforilacije)
Membrane Schwannovih stanica imaju 18% proteina (fosfolipidi su dobri izolatori)
http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/83/2/388/F3.large.jpg
➢ Glikokaliks – ugljikohidratni pokrov od oligosaharida lipida i proteina
➢Zaštita od ionskog i mehaničkog stresa te patogena
➢Međustanične interakcije
Antigeni krvnih grupa
Tipovi ugljikohidrata na
sfingolipidima na crvenim
krvnim stanicama
Enzimi odaberu koji šećeri
će biti na eritrocitima
UGLJIKOHIDRATI
Stanična membrana je kompleksni sustav lipida, proteina i ugljikohidrata
Drugi, slatki, model stanične membrane
Što je molekula manja i bolje topiva u mastima brže prolazi kroz lipidni dvosloj.
Lijekovi moraju biti topivi u mastima!
© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, JulianLewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.
Hidrofobne
molekule
Male
nenabijene
polarne
molekule
Velike
nenabijene
polarne
molekule
Ioni
Relativna propusnost sintetskog lipidnog dvosloja za različite skupine molekula.
Model tekućeg mozaika daje sposobnost regulacije prijenosa (transporta) tvari
❖membrane su selektivno propusne za različite molekule
❖ Neprestani prijenos tvari
-šećeri, aminokiseline i druge hranjive tvari ulaze u stanicu
-otpadne tvari (metabolički produkti) izlaze iz stanice
-kisik potreban za stanično disanje ulazi u stanicu, ugljikov dioksid izlazi iz stanice
-kontrola koncentracije anorganskih iona, Na+, K+, Ca2+, Cl-
Tvar Izvanstanična Unutarstanična
Na+ 140 mmol/L 10 mmol/L
K+ 4 mmol/L 140 mmol/L
Ca2+ 2.5 mmol/L 0.1 micromol/L
Mg2+ 1.5 mmol/L 30 mmol/L
Cl- 100 mmol/L 4 mmol/L
HCO3- 27 mmol/L 10 mmol/L
PO4 2 mmol/L 60 mmol/L
Glukoza 5.5 mmol/L 0-1 mmol/L
Protein 2g/dL 16g/dL
Kako tvari prolaze kroz membranu?
Slika 11-4.
Pasivni transport: jednostavna difuzija ili olakšana difuzija kroz kanale ili pasivne prenositelje.
Aktivni transport: ide protiv koncentracijskog gradijenta i treba dodatnu energiju.
2002 Bruce Alberts, et al.
Pasivni transport: Difuzija jedne ili više molekula kroz membranu
Primjer: Otopljeni kisik i CO2 difundiraju kroz membranu stanice tako dugo dok
stanici treba za odvijanje staničnog disanja
http://www.youtube.com/watch?v=qBig2wevHhw
Osmoza - Prolaz molekula vode kroz polupropusnu membranu
Održavanje vodne ravnoteže – vitalno za život
Olakšana difuzija uz membranske transportne proteine
➢ dvije skupine:
• Proteinski nosači → vežu specifičnu mol. koju treba prenijeti kroz membranu i pri tome prolaze kroz konformacijske promjene
• Kanalni proteini → stvaraju pore ispunjene vodom koje se protežu kroz lipidni dvosloj kroz koje prolaze molekule – vrlo specifični
(A) Proteinski nosač (B) Kanalni protein
Figure 11-3. Carrier proteins and channel proteins. 2002 Bruce Alberts, et al.
Prednosti olakšane difuzije nad jednostavnom difuzijom (putem
prenositelja – pasivan prijenos)
Figure 11-7. Kinetika jednostavne i olakšane difuzije.2002 Bruce Alberts, et al.
➢ Pri jednostavnoj
difuziji s porastom
koncentracije molekula
linearno raste i brzina
njihova unosa u
stanicu.
➢ Brzina olakšane
difuzije dostiže
maksimum. kada su
proteinski nosači
zasićeni molekulama
koje prenose
❖ Proteinski nosači
Figure 11-6. Konformacijska promjena proteinskog nosača omogućuje pasivni transport, a smjer transporta ovisi o koncentracijskom gradijentu.
2002 Bruce Alberts, et al.
Figure 11-9. Tri tipa transporta putem membranskih prenositelja.
Shematski prikaz proteinskih prenositelja (carrier proteins) po principu
uniporta, simporta, i antiporta.
© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith
Roberts, and Peter Walter.
glukoza glukoza-Na+ ADP/ATP zamjenau mitohondriju
Tri načina aktivnog transporta
A - združeni prenositelji (NaCl-saharoza)
B - crpka → energija ATP-a ( Na+ K+)
C - crpka → energija svjetlosti(bakteriorodopsin)
A B C
Figure 11-8. Three ways of drivingactive transport. © 2002 by BruceAlberts, Alexander Johnson, JulianLewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.
Aktivni transport - održavanje stalne koncentracije malih molekula u stanici – održava veću koncentraciju K+ iona u stanici u odnosu na okoliš, odnosno manju koncentracija Na+ iona u odnosu na okoliš
Primjer aktivnog transporta: Na+ K+ pumpa namembrani svake stanice
Izmjenjuju se 3 iona Na+ za 2 iona K+
Višak + iona izvan stanice doprinosi polarnosti membrane
+ nabijena je izvan stanice- nabijena je u citoplazmi
Ionski kanali
Primjeri:Akvaporini – kanali za vodu, znojenje i homeostaza vode u stanici Na+, K+ i Ca2+ ionski kanali – stanična signalizacija
Iznimna brzina i specifičnost: 107 s-1
I do 105 puta brži od najbržeg transportera
K+ ionski kanal
Ionski kanali se otvaraju i zatvaraju nakon podražaja
Naponski kanali – u živčanim
stanicama
Izvanstanična molekula – npr.
acetilkolin u sinapsama
unutarstanična molekula
stres – savijanje membrane
Mutacije u transporterima iona izazivaju razne bolesti: Cistična fibroza
Česte upale pluća, pankreatitis, dijabetes, sterilnost,…
EndocitozaPrijenos „teškog i velikog” tereta preko membrane (proteini, polisaharidi, itd.)
Npr. makrofagi,amebe,…
Npr. stanice tankogcrijeva
Npr. stanice uzimajukolesterol iz LDL čestica
FAGOCITOZA PINOCITOZARECEPTORSKA ENDOCITOZA
Mutacije u LDL receptorima - Nasljedna hiperkolesterolemija
Broj LDL receptora
Količina LDL u krvi
Egzocitozom, stanice izbacuju tvari iz stanice
Stanice gušterače izbacuju inzulin u krvotokStanice se mogu rješavati nepotpuno razgrađenog materijala
Orthogonal cancer targeting strategy using nanomicelles. a Schematic of the process of photoactivation of Titanocene in disseminated cancer cells in the bone marrow microenvironment. The various phases are numbered: b Schematic of phospholipid NM with VLA-4 homing ligands. c TEM image of micelles alone. Scale bar, 100 nm. Inset: single micelle. Scale bar, 10 nm. d Schematic of phospholipid NM encapsulating TC with VLA-4 homing ligands. eTEM image of micelle incorporated with TC in the membrane. Scale bar, 100 nm. Inset: single NM-TC. Scale bar, 10 nm
Primjer korištenja lipidnih micela
Sažetak:
➢ Membrane se sastoje od lipida, proteina i ugljikohidrata
➢ Trenutni model membrane je tekući mozaik
➢ Lipidi čine strukturnu osnovu membrane
➢ Proteini proširuju funkciju membrane
➢ Ugljikohidrati služe za stanično prepoznavanje
➢ Membrana je polupropusna
➢ Molekule ulaze difuzijom, pasivnim ili aktivnim transportom
➢ Ostale tvari mogu ući fagocitozom, pinocitozom ili receptorskom endocitozom
➢ Tvari se izbacuju egzocitozom
Pitanja za ponavljanje:
1. Što je hipotonična, hipertonična i izotonična otopina?
2. Kako objašnjavamo mogućnost samoorganizacije
membrana?
3. Što znači model tekućeg mozaika (Singer i Nicolson
1972.)? Zašto mozaik, a zašto tekući?
4. Što su polarne molekula, a što amfipatske?
5. Na čemu se zasniva hidrofilnost, a na čemu hidrofobnost?
6. Kakav je biokemijski sastav membrana?
7. Koju ulogu imaju pojedine molekularne skupina u
membrani?
Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani
Figure 2-22. Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani. U vodenoj
sredini hidrofobni repovi fosfolipida približavaju se međusobno, a
hidrofilni se orijentiraju prema vodi. Ovdje je nastao dvosloj u kojem su
hidrofilni dijelovi izloženi vodi. Lipidni dvosloj je osnovna struktura
staničnih membrana.
2002 Bruce Alberts, et al.
8 nmLipidni dvosloj
top related