Błona komórkowa - funkcje a struktura? komórka wysoki niska stopień uporządkowania cząsteczek entropia układu otoczenie niski wysoka Błony komórki jako bariery bariery między przedziałami (kompartmentami) - zapobiegające mieszaniu substancji między przedziałami - zapewniające utrzymanie róŝnic w składzie i funkcji między organellami - kontrolę składu
transport do wnętrza i z wnętrza (selektywna przepuszczalność) odbieranie bodźców zdolność ruchu i ekspansji moŝliwość zachodzenia procesów przekształcania energii (synteza ATP) Jak zbudowane są błony plazmatyczne?
Jak zbudowane są błony plazmatyczne? Historia badań Koniec XIX w.- badania błon erytrocytów, wodniczek komórek glonów 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 J. F. Danielli (1935) i H. Dawson (1943) uniwersalny model błony komórkowej białka 2warstwy trójglicerydów; białka (łańcuchy w formie rozciągniętej) J. Robertson (1959) Mikrografia elektronowa błony komórkowej erytrocytu ludzkiego model błony komórkowe ( płaszcz glikoproteinowy)
Technika mroŝenia i łamania (freeze-fracture) (technika kriorytownicza) - utrwalenie i przepojenie glicerolem (krioprotekcja) - zamroŝenie: ciekły azot (-196 o C) - przełamanie w wysokiej próŝni - sporządzenie repliki S.J. Singer i G. L. Nicolson (1972) model płynno-mozaikowy błony komórkowej Film cell membrane model
Lipidy błon plazmatycznych cząsteczki amfipatyczne oddziaływanie cząsteczki hydrofilowej hydrofobowej z cząsteczkami wody Dwuwarstwa lipidowa Micela lipidowa Dwuwarstwa lipidowa
Dwuwarstwa lipidowa - badania na sztucznych błonach Liposomy (od 25nm do 1mm) Lipidy błon: fosfolipidy glikolipidy sterole sulfolipidy (chloroplasty) lizolipidy inne Lipidy błon
Lipidy błon Fosfolipidy: fosfoglicerydy (55-57%) Cząsteczka tłuszczu obojętnego a cząsteczka fosfolipidu D-glicerol nierozgałęzione kwasy tłuszczowe (wiązanie estrowe) Archea L-glicerol rozgałęzione łańcuchy izoprenowe (wiązanie eterowe) NajwaŜniejsze fosfolipidy: - fosfatydylocholina (PC) (lecytyna) - fosfatydyloseryna (PS) (-) - fosfatydyloetanoloamina (PE) - fosfatydydyloinozytol (PI) - difosfatydyloglicerol =kardiolipina (CR) (prokarioty; wewn.błona mitochondrialna) fosfoglicerydy
NajwaŜniejsze fosfolipidy ssaczych błon plazmatycznych: -sfingomieliny (SM) sfingozyna nienasycony aminoalkohol C 18 NajwaŜniejsze fosfolipidy ssaczych błon plazmatycznych: sfingozyna nienasycony 18C -alkohol
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) - fitosterole (w komórkach roślinnych) - lipidy cykliczne hopanoidy (prokarioty) - estry cholesterolu (błona jądrowa komórek zwierzęcych) A B C D (C3) (C17)
RóŜny skład lipidowy błon komórkowych 5 x10 6 cząsteczek/ µm 2 błony RóŜny skład lipidowy błon danej komórki
Białka błon plazmatycznych Funkcje białek błony komórkowej
Białka błon Związanie z dwuwarstwą lipidową ułoŝenie transbłonowe - białka transbłonowe zakotwiczenie poprzez lipidy (kowalencyjne) białka integralne Białka integralne -transbłonowe białka monotopowe Domena transbłonowa: fragment łańcucha o strukturze α-helisy α-helisa
białka politopowe Domena transbłonowa: kilka fragmentów łańcucha o strukturze α-helisy (bakteriorodopsyna, białko pasma 3 erytrocytu) Białka integralne -transbłonowe Domena transbłonowa: fragmenty łańcucha w formie X-pasmowej struktury β (beczułka β) Receptor OmpA E. coli LipazaOMPLA E. coli Poryna błony Rhodobacter capsulatus Transporter jonów Fe E. coli
Białka zakotwiczone poprzez lipidy kotwica glikozylofosfatydyloinozytolowa (GDI) C- końcowa grupa aminokwasu - kwas tłuszczowy (wiązanie amidowe) Białka powierzchniowe związane z błoną poprzez oddziaływania z innymi białkami uwalniane (przez ekstrakcję) bez zniszczenia struktury dwuwarstwy lipidowej
Właściwości błony komórkowej płynność asymetria selektywna przepuszczalność Płynność dwuwarstwy lipidowej - ruchy rotacyjne: obrotowe wokół długiej osi cząsteczki - ruchy fleksyjne zginanie łańcucha alifatycznego - ruchy translacyjne ruch lateralny =dyfuzja boczna ruch transwersalny =ruchy flip-flop fleksja
Płynność i stan fazowy - rodzaj fosfolipidów budujących błonę: stopnia nienasycenia i długości łańcuchów węglowodorowych - obecności cholesterolu - temperatury (obniŝenie temperatury - utrata naturalnej płynności) Homeowiskoza adaptacyjna Płynność zapewnia błonom elastyczność i spójność Filmy 11.1-szczypce 11.2 - Płynność
Płynność błony komórkowej Białka błon poruszają się swobodnie w płaszczyźnie dwuwarstwy lipidowej Płynność błony komórkowej Badania płynności błon komórkowych Technika FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) odzyskiwanie fluorescencji wygaszonej pulsem światła Film - FRAP (10.6 )
ograniczenia poruszania się białek w dwuwarstwie lipidowej poprzez: - tworzenie duŝych agregatów białek w płaszczyźnie błony np. bakteriorodopsyna w błonach purpurowych Holobacterium - sczepienie białek błony z cząsteczkami substancji zewnątrzkomórkowej - wczepienie białek błony w korę komórki - sczepienie białek błony z białkami na powierzchni innych komórek poprzez: - specjalne bariery dyfuzyjne = bariery ograniczające np. w komórkach epitelialnych tight junction
- oddziaływania białko-lipid oraz lipid-lipid film Dwuwarstwa lipidowa Asymetria (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) (-) Asymetria lipidów w dwuwarstwie błony komórkowej
Asymetria - obie warstwy dwuwarstwy lipidowej mają odmienny skład fosfolipidów - układ fosfolipidów powoduje występowanie róŝnicy ładunku pomiędzy monowarstwami - glikolipidy występują głównie w błonie komórkowej i tylko w pozacytozolowej warstwie dwuwarstwy UłoŜenie fosfolipidów w błonie erytrocytu ludzkiego Asymetria błony komórkowej glikoforyna (N-koniec do środowiska) receptor transferyny (C-koniec do środowiska) Kompleksy białkowe centrum fotosyntetyczne bakterii Rhodopseudomonas viridis
Glikokaliks w komórkach zwierzęcych glikoproteiny proteoglikany glikolipidy Glikokaliks glikokaliks cytoplazma jądro błona komórkowa Mikrografia elektronowa powierzchni limfocytu ludzkiego (wybarwienie czerwienią rytenu)
Glikokaliks kotwiczenie białek transbłonowych ochrona powierzchni komórki zwiększenie śliskości powierzchni rozpoznawanie się komórek adhezja komórek Film - turlanie leukocytów Kora komórki Mikrografia elektronowa sieci spektrynowej erytrocytów ludzkich
Kora komórki Film - efekty błonowe w erytrocytach Skaningowa mikrografia elektronowa erytrocytów ludzkich szybka dyfuzja: O 2, CO 2, N 2, benzen Dwuwarstwa lipidowa - przepuszczalność Współczynnik przepuszczalności [cm/s]