Chemiczne składniki komórek Komórki wykorzystują prawa fizyki i chemii, aby przeżyć Zbudowane z takich samych pierwiastków i związków jak materia nieożywiona Chemia komórki dominują: H 2 O związki organiczne Pierwiastki chemiczne w komórkach: - makroelementy (pierwiastki biogenne) H, O, C, N, S, P, Ca, Mg, K, Na, Cl >1% suchej masy 65% 96,5-99% masy komórek H, O, C i N opiera się na związkach C (związki organiczne) zależy od reakcji przebiegających w środowisku wodnym, wąskim zakresie temperatur wykazuje ogromną złożoność - mikroelementy Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co, J, F, Cr, V, Ni, Si < 0,01% suchej masy - ultraelementy Ra, Au, Ag, Pt, Se <10-6 % suchej masy 18% 24% 3% zdominowana przez cząsteczki polimerowe zachodzące reakcje są ściśle kontrolowane (miejsce, czas) Chemiczne składniki komórek DNA RNA białka polisacharydy ogromne zagęszczenie cząsteczek dynamika ruchu i oddziaływań cząsteczek jony nieorganiczne 1% małe cząsteczki organiczne 3% makrocząsteczki 26% Skład chemiczny komórki bakteryjnej % masy liczba rodzajów komórki cząsteczek jony nieorganiczne 1 20 małe cząsteczki organiczne 3 800 cukry i ich prekursory 1 250 aminokwasy i prekursory 0,4 100 nukleotydy i prekursory 0,4 100 kwasy tłuszczowe i prekur. 1 50 inne 0,2 300 makrocząsteczki 26 3000 1
Małocząsteczkowe związki organiczne: masa cząst. 100 1000 do ok. 30 atomów C ok. 1000 rodzajów cząsteczek w komórce eukariotycznej cukry, aminokwasy, nukleotydy, kwasy tłuszczowe Małocząsteczkowe związki organiczne - aminokwasy wolne cząsteczki w cytoplazmie jednostki monomeryczne makrocząsteczek źródło energii inne funkcje (sygnałowe, nośniki innych grup chemicznych) elementy konstrukcyjne makrocząsteczek i struktur komórkowych forma niezjonizowana R łańcuch boczny forma zjonizowana 20 aminokwasów powszechnych (a-amiokwasów) biogennych kwaśne (Asp, Glu) zasadowe (Lys, Arg, His) polarne bez ładunku (Asn, Gln, Ser, Thr, Tyr) niepolarne (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Met, Trp, Cys) Ogólna reakcja uzyskiwania/degradacji makrocząsteczek H- -OH + H- - - - +H 2 O hydroliza Makrocząsteczki H - - - - - - H 2 O kondensacja wiązania kowalencyjne glikozydowe peptydowe Makrocząsteczki łączenie podjednostek w zdefiniowanej kolejności = sekwencja reakcje katalizowane przez enzymy różnorodność sekwencji Białko o łańcuchu 150 aminokwasów - 20 150 kombinacji DNA o łańcuchu 7 000 nukleotydów - 4 7 000 kombinacji Trisacharyd - setki kombinacji (łańcuchy rozgałęzione) cząsteczka (monomer) - makrocząsteczka fosfodiestrowe 2
Makrocząsteczki różnorodność konformacji - elastyczność łańcuchów (obrót połączonych kowalencyjnie atomów); - nieograniczona liczba kształtów aminokwasy - peptydy/ polipeptydy/ białka polarność strukturalna wiązania niekowalencyjne: wodorowe jonowe van der Waalsa hydrofobowe wiązanie peptydowe a-helisa; b-harmonijka; superhelisa; unikatowy układ przestrzenny makrocząsteczek uprzywilejowane konformacje (stabilne) własności biologiczne sekwencja peptydu: Phe-Ser-Glu-Lys kwasy nukleinowe wiązanie fosfodiestrowe DNA; RNA Makrocząsteczki- zdolność do dysocjacji i asocjacji wiązania niekowalencyjne (słabe ale liczne) - wybiórcze wiązanie innych cząsteczek: podstawa katalizy biologicznej i dynamiki makrocząsteczek tworzenie struktur (zespołów makrocząsteczek) peptyd G-A-T-C powierzchnie nie pasują, ruchy termiczne rozdzielają cząsteczki powierzchnie pasują, cząsteczki związane - wiązania niekowalencyjne 3
komórka otoczenie Błona komórkowa - funkcje a struktura? wysoki niska stopień uporządkowania cząsteczek entropia układu (wielkość stopnia nieuporządkowania) niski wysoka Błony komórki jako bariery pobieranie energii / uwalnianie ciepła Funkcje błon: bariery między przedziałami (kompartmentami) - zapobiegające mieszaniu substancji między przedziałami - zapewniające utrzymanie różnic w składzie i funkcji między organellami - kontrolę składu transport do wnętrza i z wnętrza (selektywna przepuszczalność) Jak zbudowane są błony plazmatyczne? Funkcje błon: bariery między przedziałami (kompartmentami) - zapobiegające mieszaniu substancji między przedziałami - zapewniające utrzymanie różnic w składzie i funkcji między organellami - kontrolę składu transport do wnętrza i z wnętrza (selektywna przepuszczalność) odbieranie bodźców zdolność ruchu i ekspansji możliwość zachodzenia procesów przekształcania energii (synteza ATP) Historia badań Koniec XIX w. badania przepuszczalności błon; badania rozpuszczalności błon; pomiary oporności elektrycznej błony są zbudowane z lipidów pomiary napięcia powierzchniowego błon; obserwacje własności antygenowych błon; obserwacje transportu aktywnego błony są zbudowane z lipidów i białek 4
J. F. Danielli (1935) i H. Dawson (1943) uniwersalny model błony komórkowej białka 2warstwy trójglicerydów; E. Gorter i F.Grendel (1896) wyekstrahowali acetonem lipidy z błon erytrocytów różnych ssaków; określili stosunek powierzchni - 2:1 Hipoteza błona z dwuwarstwy lipidowej (1925) J. Robertson (1959) białka (łańcuchy w formie rozciągniętej) Mikrografia elektronowa błony komórkowej erytrocytu ludzkiego model błony komórkowe ( płaszcz glikoproteinowy) Technika mrożenia i łamania (freeze-fracture) (technika kriorytownicza) - utrwalenie i przepojenie glicerolem (krioprotekcja) - zamrożenie: ciekły azot (-196 o C) - przełamanie w wysokiej próżni - sporządzenie repliki S.J. Singer i G. L. Nicolson (1972) model płynno-mozaikowy błony komórkowej 5
Lipidy błon plazmatycznych Dwuwarstwa lipidowa cząsteczki amfipatyczne Cząsteczki polarne Micela lipidowa oddziaływanie cząsteczki hydrofilowej hydrofobowej z cząsteczkami wody Dwuwarstwa lipidowa Dwuwarstwa lipidowa Lipidy błon - badania na sztucznych błonach Lipidy błon: fosfolipidy glikolipidy sterole inne (sulfolipidy - chloroplasty) Liposomy (od 25nm do 1mm) 6
Fosfolipidy: fosfoglicerydy (55-57%) Cząsteczka tłuszczu obojętnego a cząsteczka fosfolipidu Lipidy błon D-glicerol nierozgałęzione kwasy tłuszczowe (wiązanie estrowe) Archea L-glicerol rozgałęzione łańcuchy izoprenowe (wiązanie eterowe) Fosfolipidy: fosfoglicerydy (55-57%) Cząsteczka tłuszczu obojętnego a cząsteczka fosfolipidu Lipidy błon D-glicerol nierozgałęzione kwasy tłuszczowe (wiązanie estrowe) Archea L-glicerol rozgałęzione łańcuchy izoprenowe (wiązanie eterowe) Najważniejsze fosfolipidy: Najważniejsze fosfolipidy ssaczych błon plazmatycznych: - fosfatydylocholina (PC) (lecytyna) - fosfatydyloseryna (PS) (-) - fosfatydyloetanoloamina (PE) - fosfatydydyloinozytol (PI) - difosfatydyloglicerol =kardiolipina (CR) (prokarioty; wewn.błona mitochondrialna) fosfoglicerydy sfingozyna nienasycony 18C -alkohol 7
Glikolipidy: około 5% lipidów błon (w zewnętrznej warstwie ) na szkielecie diacyloglicerolu ( reszty cukrowe związane z C-3) głównie błony bakterii i komórek roślin zbudowane ze sfingolipidów (pochodne sfingozyny) z dołączonymi resztami cukrowymi = sfingoglikolipidy Rozmaitość sfingoglikolipidów ( około 300 rodzajów) Sfingoglikolipidy: obojętne kwaśne Steroidy - cholesterol (w komórkach zwierzęcych) - estry cholesterolu (błona jądrowa komórek zwierzęcych) - fitosterole (w komórkach roślinnych) - lipidy cykliczne hopanoidy (prokarioty) - A B C D (C3) (C17) Różny skład lipidowy błon komórkowych Różny skład lipidowy błon danej komórki 5 x10 6 cząsteczek/ mm 2 błony 8
Funkcje dwuwarstwy lipidowej Funkcje białek błon plazmatycznych (błony komórkowej) bariera zakotwiczenie białek przekazywanie sygnału (fosfatydyloinozytole) Rodzaje białek błon plazmatycznych Związanie białka błony z dwuwarstwą lipidową Białka transbłonowe Białka powierzchniowe (peryferyjne) Białka zakotwiczone w niektórych klasyfikacjach: białka transbłonowe - zakotwiczone poprzez lipidy białka integralne 9
Białka integralne -transbłonowe białka politopowe białka monotopowe Domena transbłonowa: fragment łańcucha o strukturze α-helisy Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Met, Trp, Cys Domena transbłonowa: kilka fragmentów łańcucha o strukturze α-helisy Białka integralne -transbłonowe Domena transbłonowa: fragmenty łańcucha w formie X-pasmowej struktury β (beczułka β) Białka zakotwiczone poprzez lipidy kotwica GDI glikozylofosfatydyloinozytolowa motyw lipidowo-cukrowy zakotwiczenie białka po zewnętrznej stronie błony komórkowej. harmonijka b Poryna błony Rhodobacter capsulatus Transporter jonów Fe E. coli Ko-translacyjne lub po-translacyjne dołączenie kotwicy lipidowej (przyłączenie co najmniej jednej reszty lipidu lub kwasu tłuszczowego) Kotwice : mirystylowe (kwas mirystynowy C14 do NH 2 - glicyny wiązanie amidowe) palmitylowe (kwas palmitynowy C16 do cysteiny - wiazanie tioestrowe) farnezylowe geranylo-geranylowe 10
Białka powierzchniowe związane z błoną poprzez oddziaływania z innymi białkami uwalniane (przez ekstrakcję roztworami soli) bez zniszczenia struktury dwuwarstwy lipidowej 11