Błony biologiczne. 1.Rola błon komórkowych. 2. Budowa błon biologicznych. 3. Kanały.

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Błony biologiczne. 1.Rola błon komórkowych. 2. Budowa błon biologicznych. 3. Kanały."

Zdzisław Wierzbicki
5 lat temu
Przeglądów:

1 Błony biologiczne 1.Rola błon komórkowych. 2. Budowa błon biologicznych. 3. Kanały.

2 Cechy błon biologicznych Struktury warstwowe (6-10 nm) Zbudowane są głównie z lipidów i białek (lip. : biał. od 4:1 do 1:4) Podwójna wartswa lipidowa Swoiste białka decydują o funkcjach błon (?) Błony są asymetryczne ( skład zewnetzrnej warstwy różni się od składu wewnętrznej warstwy) W błonach obecne są wiązania kooperatywne (brak kowalencyjnych).

3 Rola błon biologicznych 1. Wyznaczają granice komórki 2. Stanowią aktywny interfejs pomiędzy wnętrzem a zewnętrzem komórki 3. Regulują procesy wewnątrz- komórkowe 4. Lipidy są ropuszczalnikiem dla hydrofobowych związków 5. Stwarzają środowisko dla reakcji enzymatycznych 6. Odpowiedzialne za oddziaływania międzykomórkowe (adhezję) Uwaga: Błony żyją!!!

4 Historia 1930 J Danieli i H Davson - podwójna błona lipidowa pokryta po obu stronach białkami 1960 M. Robertson - niezleżnie od lokalizacji błony mają tą samą strukturę 1972 SJ Singer i GL Nicholson mozaikowy model błony 1990 Model domenowy 2000 Rafts

7 Lipidy cząsteczki amfifilne: - bogate źródło energii - cząsteczki zapasowe - składnik błon biologicznych (i) fosfolipidy (ii) glikolipidy (iii) sterole: - cholesterol u zwierząt - ergosterol w roślinach Cząsteczka lipidu może przemieścić się wewnątrz błony o 2μm na 1s (lepkość błony ok. 100 większa niż wody, stała dyfuzji = 10-8 cm 2 /s )

8 KWAS TŁUSZCZOWY KWAS TŁUSZCZOWY G L I C E R O L FOSFORAN ALKOHOL Podstawowa struktura fosfoglicerydu (fosfatyd)

9 Struktura glikolipidów

Kwasy tłuszczowe w lipidach: - nasycone - nienasycone ( podwójne wiązania

10 Kwasy tłuszczowe wchodzące w skład fosfolipidów i glikolipidów zawierają najczęściej parzystą liczbę węgli od 14 do 24 (przeważnie 16 i 18). Kwasy tłuszczowe w lipidach: - nasycone - nienasycone ( podwójne wiązania w formie cis). Nienasycone i krótkie łańcuchy lipidowe wzmagają płynność błony.

13 Ma długość odpowiadającą połowie grubości błony.

14 Phospholipids of Plastid- and Mitochondrial Membranes (in percent dry weight) membrane MGDG DGDG TGDG TTGDG SL PC PG PI PE DPG mitochondria outer inner chloroplasts outer inner R. DOUCE, J. JOYARD 1981 Abbreviation : MGDG: monogalactosyldiglycerid, DGDG: digalactosyldiglycerid, TGDG: trigalactosyldiglycerid, TTGDG: tetragalactosyldiglycerid, SL: sulfolipid, PC: phosphatidylcholine, PG: phosphatidylglycerin, PI: phosphatidylinositol, PE: phosphatidylethanolamine, DPG: diphosphatidylglycerin (cardiolipin)

15 Lipidy błon są cząstkami amfifilnymi hydrofobowe ogony hydrofilowe głowy

16 Postulowali istnienie w błonach specjalnych struktur przepuszczających cząsteczki Brücke, 1843; Ostwald, 1890; Pfeffer, 1877 Lata 50-te XX wieku zauważono szczególną zdolność błon erytrocytów do bardzo szybkiego (10 9 H 2 O / s) selektywnego przepuszczania wody (nieprzepuszczalnymi dla innych cząsteczek) Sidel and Solomon, 1957 Istnienie kanałow wodnych kontrowersyjne przez nastepne 30 lat, brak ich identyfikacji Finkelstein, P. Agre badając grupy antygenowe krwi Rh, wyizolował białko błonowe 28 kda o nieznanej funckji, CHIP28

17 Xenopus oocytes microinjected with AQP1 mrna swell rapidly when placed in a hypo-osmotic medium, in contrast to noninjected oocytes. Takie samo zjawisko obserwowano, gdy wyizolowane białko CHIP28 wbudowano w liposomy. Puchnięcie struktur hamowane było przez jony Hg 2+. CHIP28 = aquaporin 1 lub AQP1

kanałów wodnych i badania nad kanałami jonowymi.

18 Nagroda Nobla z chemii, 2003 struktury przenoszące - H 3 O + Peter Agre Roderick MacKinnon Za odkrycie kanałów wodnych i badania nad kanałami jonowymi. nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/chemanim2.mpg

19 Kanały wodne: -występują we wszystkich organizmach żywych, poczynając od bakterii, - w roślinach kanały wodne są odpowiedzialne za adsorpcję wody w korzeniach i utrzymanie balansu wody w całej roślinie, -regulacja objętości i wewnętrznego ciśnienia osmotycznego komórek, - są niezbędne, gdy istnieje konieczność oddzielenia wody od płynów ustrojowych (np. mocz zbierany w nerkach) Odkryto ok. 11 różnych struktur białkowych kanałów wodnych w komórkach zwierzęcych (gł. związanych ze zmianami chorobowymi). Agre et al., 2002 J Physiol 542, 3-16; Schrier and Cadnapaphornchai, 2003 Prog Biophys Mol Biol 81, Np. W nerkach występują AQP1 i AQP2, które przepuszczają ok l wody dziennie. U roślin w samej Arabidopsis thaliana odkryto ponad 35 różnych kanałów wodnych. Javot and Maurel,2002, Annal Bot 90,

20 Kanały jonowe: -wspomagają (umożliwiają) generowanie i przesyłanie sygnałów elektrycznych; stanowią podstawowe bloki tworzące układ nerwowy - są zamykane bądź otwierane pod wpływem różnych czynników (wiazania ligandów, potencjału błonowego, temperatury, stersu mechanicznego) - są wysoce selektywne dla poszczególnych jonów (Na +, K +, Ca 2+, Cl - ) - osiągają wysoką zdolność przenoszenia, ok jonów / s - zaburzenie ich pracy może doprowadzić do chorób gł. mózgu, serca, mięśni. Hodgkin and Huxley w latach 50-tych - transport jonów w poprzek błony aksonu Nagroda Nobla z medycyny 1963

stężenia (iii) kanały mogą być otwarte lub zamknięte

21 Kanały dyfuzyjne: (i) białka integralne tworzą kanały w błonach (ii) jony przechodzą zgodnie z gradientem stężenia (iii) kanały mogą być otwarte lub zamknięte (iv) nie wymagają energii ( ATP) Mechanizm dyfuzja wymuszona

22 Otwieranie i zamykanie kanałów biernych: (i) przyłączanie cząsteczki sygnalizującej ( np. acetylocholina otwiera kanały sodowe w niektórych synapsach) (ii) mechaniczne otwieranie ( np. rozciąganie) (iii) napięcie, polaryzacja błony ( w mięśniach i neuronach, spadek napięcia wywołuje otwieranie kanałów) Uwaga! Kanały są wysoce specyficzne.

23 Przykład kanału potasowego Odpowiedzialne za repolaryzację błony, Składa się z 4 jednostek, z których każda zawiera 4-6 podjednostek. Kanał K + posiada filtr w postaci odpowiedniej sekwencji aminokwasowej Thr Val Gly Tyr Tyr - Gly Oddychanie rdzenia karbonylowego

Kanały sodowe przepuszczają ok. 7000 cząst.

24 Kanały sodowe przepuszczają ok cząst./ms Receptor acetylocholiny nikotynowej helisa M2, Leu woda błona pentametr w błonie

25 Kanał jonowy Filtr jonowy Błona komórkowa Błona komórkowa bramka Przełom przyniosły badania Roderick MacKinnona, 1998, struktura kanału KcsA K+ z Streptomyces lividans, (Doyle et al., 1998, Science 280, 69-77).

26 Struktura jednostki kanału sodowego Miejsca Wiążące toksyny Domena deaktywująca

27 1.2 nm Filtr dla kanału Na + Asp Gly Lys - Ala nm

28 Przesyłanie impulsu we włóknach nerwowych jest 3-stopniowe: (i) depolaryzacja błony poprzez otwarcie kanałów sodowych (ii) faza zamknięcia kanałów do czasu repolaryzacji błony (iii) ponowne otwarcie kanałów sodowych (i) (ii)

29 Jonowy kanał wapniowy Jednostka modulująca odpowiedź na zmiany napięcia

30 Aktywne pompy jonowe: Jens Skou Nagroda Nobla z chemii, 1957 za kanały aktywowane Na+/K+ ATPase (i) przemieszczanie jonów wbrew gradientowi stężenia (ii) wymagana jest energia, ATP aktywuje proces (iii) jony wychwytywane są i wypuszczane po przeciwnych stronach błony Różnica stężeń cząsteczek po obu stronach błony jest źródłem energii swobodnej G = RT ln (C in /C out ) Różnica stężeń x 10 3 produkuje energię 17kJ/mol (0.18 ev) Dla jonów dodatkowa energia dostępna: G = Z A F F - stała Faraday a 96.5 kj/vmol, potencjał wewnątrzbłonowy ok mv

31 Transport aktywny

Działanie toksyn: - tworzą kanały wpływając na przepuszczalność błon (zaburzają równowagę jonową) - tworzą kanały wprowadzające toksyczne cząsteczki do wnętrza komórki Vibrio cholerae bakteria, która

32 Działanie toksyn: - tworzą kanały wpływając na przepuszczalność błon (zaburzają równowagę jonową) - tworzą kanały wprowadzające toksyczne cząsteczki do wnętrza komórki Vibrio cholerae bakteria, która produkuje toksynę dwudomenową, powodującą uwalnianie elektrolitu z komórek (śmierć przez dehydrolizę) Białko hydrofilne produkowane przez bakterię Staphylococcus aureus Działa na zewnętrzną błonę erytrocytów, która staje się przepuszczalna dla małych cząsteczek i jonów.

33 parzące ryby produkują tetrodoksynę, która blokuje kanały sodowe powodując paraliż oddechowy skorpiony - produkują venomy (małe białka), toksyny i -toksyny Produkują toksyny odurzające ludzi i owady Zastosowanie farmakologiczne Mesobuthus martensii

34 Brachotoksyny Sterydowa trucizna zawarta w ekstrakcie ze skóry żaby Phyllobates aurotaenia. Powoduje depolaryzację błony neuronu zwiększając przepływ jonów sodu poprzez nerw. Znosi się z działaniem tetradotoksyny.

35 Bluza Pitohui, Pitohui dichrous ptak z Nowej Gwinei ptaki śmierci W piórach i skórze znajdują się neurotoksyny homobatrachotoksyny wywołujące mrowienie i drętwienie u innych zwierząt. W większej ilości wywołują śmierć. Chrząszcz Choresine? źródło trucizny

Podobne dokumenty

Transportowane cząsteczki CO O, 2, NO, H O, etanol, mocznik... Zgodnie z gradientem: stężenia elektrochemicznym gradient stężeń

Transportowane cząsteczki CO O, 2, NO, H O, etanol, mocznik... Zgodnie z gradientem: stężenia elektrochemicznym gradient stężeń Transportowane cząsteczki Transport przez błony Transport bierny szybkość transportu gradien t stężeń kanał nośnik Transport z udziałem nośnika: dyfuzja prosta dyfuzja prosta CO 2, O 2, NO,, H 2 O, etanol,