Transcript
Biomembranestruktura i funkcija
B. Balen, 19.10.2010.
Kemijski sastav i plan građe membranaMembranski lipidi i fluidnost membranaMembranski proteini i šećeri
Prolaz tvari kroz membranuUloga biomembrana
1. Selektivno-propusna pregrada
Puno više od pasivne barijere:
1. “Kompartimentizacija” ili odjeljivanje
2. Transport otopljenih tvari
3. Provođenje signala
4. Interakcija među stanicama
5. Mjesto biokemijskih aktivnosti
6. Pretvorba energije
Dinamične strukture:
1. Mogu se pomicati
2. Njihove komponente se kontinuirano sintetiziraju i razgrađuju
Karp, J. Wiley & Sons, INC. str. 121
sve stanice su okružene st. membranom (prokarioti i eukarioti)
Indirektna opažanja membrana:
Nägeli (1855. g.) – plazmoliza i deplazmoliza
izotonična otopina hipertonična otopina - plazmoliza
st. donje epiderme lista Rhoeo discolor
Debljina biomembrana: 5 -10 nm (nisu vidljive svjetlosnim mikroskopom)
J.D. Robertson (1950-tih) prve elektronsko-mikroskopske snimke membrana membrane bakterija, biljnih i životinjskih stanica imaju jednak plan građe
Unatoč različitim funkcijama sve biološke membrane imaju zajedničku osnovnu građu:
vrlo tanki film lipidnih i proteinskih molekula koje se zajedno drže uglavnom nekovalentnim interakcijama
dinamične, fluidne strukture
biokemijski sastav: lipidi, proteini, šećeri
membrane sa sličnim funkcijama (npr. iz istih organela) slične su u razl. vrstama
membrane s različitim funkcijama (npr. iz različith organela) vrlo različite unutar iste vrste
A – EM-snimka plazmatske membrane eritirocitaB – 2D slika st. membrane C – 3D slika st. membrane
lipidnidvosloj(5nm)
molekula proteina
molekula lipida
Lipidni dvosloj – dvosloj debljine 5-10 nm
Lipidi – osnovna fluidna struktura → relativno nepropusna barijera
Proteini – sudjeluju u gotovo svim funkcijama membrane → transportni, katalizatori, strukturni, receptori
Šećeri – glikoproteini ili glikolipidi→ uloga u identifikaciji i prepoznavanju
2002 Bruce Alberts, et al.
http://www.wikipedia.org/
TEM-snimka membrane tj lipidnog dvoslojaPrikaz st. membrana dvaju susjednih stanica
Lipidni dvosloj :→ vidljiv EM-om
→ tehnika freeze-fracture otkriva detalje njegove strukture
međustanični prostor
Izgled “željezničkih tračnica” –teški metali vezani za polarne glave fosfolipida
Membranski lipidi→ ~ 50% mase membrane
2004. Cooper i Hausman
Fosfat
Ugljikovodični rep (masne kis)
Amfipatske molekule:
• hidrofilni (polarni) dio
• hidrofobni (nepolarni) dio
Spontano stvaraju dvosloj u vodenoj okolini
1. Fosfolipidi– fosfatidilkolin– fosfatidiletanolamin– fosfatidilserin– sfingomijelin
– fosfatidilinozitol – kvantitativno najmanje zastupljen, ali važna uloga u st. signalizaciji
2. Kolesterol
3. Glikolipidi
2004. Cooper i Hausman
Fosfolipidi – najbrojniji membranski lipidi
Polarna glava
Repovi – masne kiseline (14 – 24 C atoma)
→ jedan rep – 1 ili više cis-dvostrukih veza (nezasićen) → drugi rep – nema cis-dvostruku vezu (zasićen)
Razlike u duljini i zasićenosti → fluidnost membrana
fosfatidilkolin
2002 Bruce Alberts, et al.
hidrofilna(polarna)
glava
hidrofobni(nepolarni)
rep
Hidrofilnaglava
Hidrofobnirep
cis-dvostruka veza
fosfatidilkolin
ili neka dr. polarna grupa
Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani
2002 Bruce Alberts, et al.
• Hidrofilne molekule –nabijene grupe ili nenabijene polarne grupe → stvaraju energentski povoljne interakcije ili vodikove veze s mol. H2O
• Hidrofobne molekule – gotovo svi atomi su nenabijeni i nepolarni → ne mogu stvarati energetski povoljne interakcije s H2O
A) aceton - polarne mol. stvaraju povoljne elektrostatske interakcije s mol. vode, koje su također polarne → topiv u vodi
B) 2-metil propan - hidrofobna mol. te se zbog toga mol. vode reorganiziraju u strukturu poput kaveza sličnu ledu → netopiv u vodi
2002 Bruce Alberts, et al.
Hidrofilne i hidrofobne molekule
Spontano stvaranje lipidnog dvoslojalipidne mol. spontano agregiraju u vodenoj sredini i ovisno obliku mogu
to učiniti na dva načina:
Spontano zatvaranje lipidnog dvosloja u
membranske mjehuriće
• Oblik stošca → micele
• Oblik cilindra → dvosloj
energetski najpovoljniji raspored
2002 Bruce Alberts, et al.
Lipidni dvosloj – 2-D fluid
1970-tih spoznaja – lipidi mogu slobodno difundirati kroz dvosloj
studije sintetičkih lipidnih dvosloja:
A) U obliku sferičnih vezikula– liposomi(promjer 25 nm – 1 µm)
B) Ravni dvosloji - crne membrane
2002 Bruce Alberts, et al.
Pokretljivost fosfolipida u lipidnom dvosloju
Flip-flop– izmjena iz jednog sloja u drugi – rijedak (< 1x mjesečno)
Lateralna difuzija– izmjena mjesta unutar sloja – česta (~107 u sek)
Rotacija
Fleksibilnost ugljkovodičnihlanaca
2002 Bruce Alberts, et al.
Slični rezultati dobiveni i u izoliranim biološkim membranama!
→ ESR spektroskopija - polarna glava obilježena npr. nitroksilnom grupom (>N-O) koja sadrži nespareni el- čiji spin izaziva paramagnetični signal
Fluidnost membrana
Ovisi o:- sastavu - temperaturi
Promjena faze (phase transition) - iz gel- u tekuće-stanje - točka smrzavanja
Točka smrzavanja ovisi o:- duljini ugljikovodičnih lanaca - br. cis-dvostrukih veza (nezasićene masne kis.)
Kraći lanci i/ili više dvostrukih veza → niža točka smrzavanja → veća fluidnost
2002 Bruce Alberts, et al.
steroid - amfipatska molekula koja je važna za regulaciju fluidnosti membrana
eukariotske st. - membrane animalnih st. - biljne st. – srodni spojevi (steroli)
Kolesterol
→ visoke temp. - smanjuje propusnost dvosloja za male molekule topive u vodi
→ niske temp. - razdvaja ugljikovod. lance i sprečava kristalizaciju (phase transition)2002 Bruce Alberts, et al.
Membrane bakterija – uglavnom jedan tip fosfolipida; nema kolesterola
Membrane eukariota – kolesterol (steroli) + mješavina različitih tipova fosfolipida
→ 4 glavna tipa:
derivat Serderivati glicerola
2002 Bruce Alberts, et al.
Vanjski sloj:
→ fosfatidilkolin→ sfingomijelin
Unutarnji sloj:
→ fosfatidiletanolamin→ fosfatidilserin
→ fosfatidilinozitol(malo)
→ derivat glicerola
→ važan za st. signalizaciju
→ nosi - naboj – pridonosi negat. naboju unutarnje membrane
Unutarnji sloj:→ fosfatidiletanolamin→ fosfatidilserin
→ fosfatidilinozitol (malo)
fosfatidilinozitol
Glikolipidilipidi s vezanim šećerima
lipidne molekule s najvećom asimetrijom
samo u necitoplazmatskom (vanjskom) sloju lipidnog dvosloja
A – galaktocerebrozid(neutralni glikolipid)
B – gangliozid(uvijek jedna ili više sijal. kiselina)
C – sijalinska kiselina
2002 Bruce Alberts, et al.
• Bakterije i biljke– glikolipidi derivati glicerola
• Animalne st.– glikolipidi derivati Ser
Gal – galaktoza
Glc – glukoza
GalNAc – acetilgalaktozamin
NANA – sijalinska kiselina
Sastav lipida nekih bioloških membrana
Asimetrična distribucija fosfolipida i glikolipida u lipidnomdvosloju plazmatske membrane crvenih krvnih stanica
2002 Bruce Alberts, et al.
glikolipidi – na površini membrane
fosfatidilkolinsfingomijelin
fosfatidiletanolaminfosfatidilserin(negativan naboj –)
Gortel 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 → 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.
Modeli membrane
Davson- Danielli →model sendvića (1935)
Singer i Nicolson →model tekućeg mozaika(1972)
a - Singer–Nicholson model tekućeg mozaika b - Novija verzija
Nature, 2005
http://www.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc&feature=related
najnoviji modeli
Membrane imaju• varijabilni uzorak
• varijabilnu debljinu
• veći sadržaj proteina
→ uglavnom oligomerni proteini
→ dijelovi s proteinima (“proteinski otoci”)
→ dijelovi bez proteina
Membranski proteini
odgovorni za većinu specifičnih funkcija biol. membrana
količine jako variraju
• mijelinska membrana – manje od 25% proteina
• unutarnja membrana mitohondrija i kloroplasta (ATP) –oko 75% proteina
• većina membrana oko 50% proteina
~50 mol. lipida na svaku mol. proteina
Načini vezanja proteina na membranu
2002 Bruce Alberts, et al.
α-zavojniceβ-bačvasta struktura
kovalentno vezana masna kis. α-zavojnica
lipidnilanac
oligosaharidnilanac
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 (slabe nekovalentne veze)
integralni
Transmembranski proteini
a) vezan α-zavojnicom – u većini slučajeva
Segment transmembranskog polipeptidnog lanca koji prolazi kroz lipidni dvosloj jednom α-zavojnicom (20 - 25 ak)
Gly i Phe – hidrofobne aminokiseline 2002 Bruce Alberts, et al.
oblikovanje α-zavojnica neutralizira polarni karakter peptidnih veza
u reduciranom obliku
Transmembranski proteini
b) vezan β-bačvastom strukturom
→ smatanje β-ploča (8 - 22) u bačvastu konformaciju
2002 Bruce Alberts, et al.
oblikovanje β -zavojnica neutralizira polarni karakter peptidnih veza
-porini u vanjskoj st.membrani bakterija (srodni proteini u membrani mitohondrija i kloroplasta)
Usidreni proteini
Protein vezan za membranu lancem masne
kiseline
Protein vezan za membranu prenilnomskupinom
2002 Bruce Alberts, et al.
Protein vezan na membranu
glikolipidom(GPI sidro)
2004. Cooper i Hausman
→ u membranu usidreni kovalentno vezanim lipidnim lancem
Membranski ugljikohidrati
šećeri koji su vezani za proteine ili lipide u membranama
samo u necitoplazmatskom (vanjskom) sloju lipidnog dvosloja
Antigeni krvnih grupa
Strukture UH krvnih grupa ABO
Gal
GlcNAc
Fuc
GalNAc
R
Gal
GlcNAc
Gal
Fuc
Gal NAc
Gal
Glikokaliks
– ugljikohidratni pokrov od oligosaharida lipida i proteina
TEM snimka stanice epitela crijeva
1. Kako otopiti membranske proteine?
Detergentimanarušavaju hidrofobne veze i razaraju lipidni dvosloj
male amfipatske molekule → u vodenoj sredini stvaraju micele
hidrofobni dio detergenta veže hidrofobnu regiju membranskog proteina → kompleksi detergent-protein
2002 Bruce Alberts, et al.
Triton – blagi ionski detergent→ mogu se dobiti funkcionalno aktivni membranski sustavi
SDS – jaki ionski detergent→ može otopiti i najhidrofobnijemembranske proteine
Eksperimentalni pristupi istraživanju membrana
Primjena blagog detergenta (Triton)
- otapanje, - pročišćavanje i - rekonstrukcija
funkcionalnih sustava membranskih proteina
Na+-K+ pumpa
- izolacija iz lipidnog dvosloja- pročišćavanje - ugradnja u fosfolipidne vezikule
2002 Bruce Alberts, et al.
lipidnidvosloj
otopljeni membranski proteini
pročišćavanje Na+-K+ pumpe
dodatak fosfolipidapomiješanih s detergentom
uklanjanje detergenta
Funkcionalna Na+-K+ pumpa ugrađena u fosfolipidnuvezikulu
Miceli lipid-detergent
Miceli detergenta+ monomeri
Miceli detergenta+ monomeri
Elektroforeza u poliakrilamidnome gelu
SDS otapa, denaturira i disocira većinu proteina u pojedinačne polipeptidnelance
pojedinačni polipeptidnilanci stvaraju kompleks s negativno nabijenim molekulama SDS-a→ razdvajanje na osnovu molekulske mase proteina
proteini putuju prema anodi, a brzina pokretanja obrnuto je proporcionalna molekularnoj masi
2002 Bruce Alberts, et al.
Primjena jakog detergenta (SDS)
Zagrijavanje uz SDS i merkaptoetanol
Protein s dvije podjedinice, A i B,
spojene disulfidnimmostom
Protein s jednom podjedinicom
Poliakrilamid-gel elektroforeza
negativno nabijene SDS molekule
poliakrilamidni gel
2. Crvene krvne stanice (eritrociti) – model za proučavanja plazmatske membrane
dostupne u velikom broju (banke krvi)
nisu kontaminirane s drugim stanicama
nemaju jezgru
nemaju organele (nema kontaminacije s dr. membranama)
2002 Bruce Alberts, et al.
2002 Bruce Alberts, et al.
3. Tehnika smrzavanja i lomljenja (Freeze-fracture)
st. se smrznu u tekućem dušiku
nastali blokovi se režu nožem
ravnina rezanja ide kroz sredinu lipidnog dvosloja i razdvaja dva monomera
dvosloj lipida se rastavlja, a proteini ostaju uklopljeni u jednom od dva sloja
Protein ostaje u lipidnom monomeru koji sadrži veći dio proteina
2002 Bruce Alberts, et al.
Transport molekula kroz membranu
Zbog hidrofobne unutrašnjosti lipidnidvosloj visoko nepropusna barijera za većinu polarnih molekula
Posebni mehanizmi za prijenos u vodi topivih molekula
Što je mol. manja i bolje topiva u ulju brža difuzija kroz lipidni dvosloj
Lipidni dvosloj nepropustan za nabijene molekule i ione bez obzira na veličinu
2002 Bruce Alberts, et al.
Hidrofobnemolekule
Male nenabijene
polarne molekule
Velike nenabijene
polarne molekule
Ioni
Propusnost st. membrane
2004. Cooper i Hausman
Pasivna difuzija
najjednostavniji mehanizam
- molekula se otopi u u lipidnom dvosloju- difundira- zatim se otopi u vodenom mediju na dr. strani
tijek molekula uvijek niz konc. gradijent
neselektivan proces
prolaze samo male, relativno hidrofobne molekule (O2, CO2, benzen, H2O, CH3CH2OH)
http://www.youtube.com/watch?v=s0p1ztrbXPY&feature=related
Olakšana difuzija - membranski transportni proteini
2 skupine:
• Proteini nosači → vežu specifičnu mol. koju treba prenijeti kroz membranu i pri tome prolaze kroz konformacijske promjene (npr. transport glukoze)
• Kanalni proteini → stvaraju pore koje se protežu kroz lipidni dvoslojkroz koje prolaze molekule (ionski kanali, akvaporini)
2002 Bruce Alberts, et al.
(A) Protein nosač (B) Kanalni protein
tijek molekula u smjeru određenom konc. gradijentom ili el. potencijalom membrane
Prolaz tvari kroz membranu
Pasivni transport – provode ga svi kanalni proteini i mnogi proteini nosači
Aktivni transport – uvijek posredovan proteinima nosačima
2002 Bruce Alberts, et al.
Proteini nosačispecifično mjesto vezanja molekule
sudjeluju i u pasivnom i u aktivnom transportu
prijenos šećer, ak, nukleozida
Pasivni transport – niz konc. gradijent
2002 Bruce Alberts, et al.
Razlika između difuzije i olakšane difuzije (putem prenositelja – pasivan prijenos)
2002 Bruce Alberts, et al.
brzina obične difuzijeproporcionalna koncentraciji molekule
brzina olakšane difuzijedostiže max. kada je protein nosač zasićen s molekulama koje veže
2002 Bruce Alberts, et al.
Proteini nosačiprenose mol. s jedne strane na drugu – uniport (npr. animalne st – glukoza u st)
rade kao združeni transporteri – prijenos jednog tipa mol. ovisi o prijenosu dr. tipa molekula:
• u istom smjeru – simport (glukoza uz Na+ iz bubrežnih tubula)
• u suprotnom smjeru – antiport (Na+-K+ pumpa)
slobodna energ. oslobođena prijenosom niz elektrokem. gradijent za transport protiv njihovog elektrokem. gradijenta
Pumpa Na+- K+ ATPaza → primjer antiport proteina nosača
Aktivno pumpa Na+ izvan, a K- u stanicu protiv njihovog elektrokemijskog gradijenta
Za svaki hidroliziranu mol. ATP-a, 3 Na+ se pumpaju van, a 2 K+
unutar stanice
2002 Bruce Alberts, et al.
Pumpa Na+- K+ ATPaza potrebna:
→ za održanje osmotske ravnoteže i
→ za stabilizaciju st. volumena
2002 Bruce Alberts, et al.Odgovor eritrocita na promjene u osmolarnosti
2004. Cooper i Hausman
Tri načina aktivnog transporta
A - združeni transporteri (združeni transport Na+ i glukoze)
B - pumpa → energija ATP-a (ABC-transporteri)
C - pumpa → energija svjetlosti
Aktivno transportirana molekula
Izvor energije
A B C
2Na+1glukoza
http://www.youtube.com/watch?v=STzOiRqzzL4&feature=related
2002 Bruce Alberts, et al.
Kanalni proteiniStvaraju pore ispunjene vodom kroz membranu
Kanalni proteini vanjske membrane bakterija, mitohondrija i kloroplasta imaju velike, neselektivne pore
Kanalni proteini plazmatske membrane biljnih i animalnih st. imaju male, visokoselektivne pore → ionski kanali
→ provode pasivni transport (difuzija Na+ K+ Ca2+ Cl- niz elektrokemijski gradijent)
→ specifični za određene ione
→ “vrata” koja se na kratko otvore
Endocitoza
Proteini nosači i kanalni proteini prenose male molekule kroz membranu
Makromolekule i čestice iz okoline stanice uzimaju endocitozom
Materijal koji se unosi u st. zaokruži se odsječkom membrane koji zatim pupa i oblikuje vezikule
• Fagocitoza (st. hranjenje)
• Pinocitoza (st. napajanje)
Fagocitoza
bakterija
pseudopodiji
fuzija membrana
fagosomlizosom
fagolizosom
st. proždiru bakterije ili dr. stanice
fagosom → stapanje s lizosomom→ fagolizosom → razlaganje (kisele hidrolaze)
Amebe → hranjenje
Višestanični organizmi→ mehanizam obrane protiv mikrorg. → uklanjanje oštećenih i ostarjelih st.
Sisavci → bijele krvne st.• makrofagi i neutrofili – tjelesni obrambeni sustav
2002 Cooper i Hausmanhttp://www.youtube.com/watch?v=4gLtk8Yc1Zc&feature=related
A – ameba koja guta drugog protista
B – makrofagi proždiru crvene krvne stanice
A B
2002 Cooper i Hausman
PinocitozaEndocitoza posredovana receptorom
Mehanizam za selektivno uzimanje spec. makromolekula
makromol se vežu na spec. receptor (klatrinom obložene jažice)
Jažice pupaju → klatrinom obloženevezikule
Vezikule se stapaju s endosomom →sortiranje sadržaja
Spajanje s lizosomom
2004 Cooper i Hausman
receptor
→ uzimanje kolesterola u st. sisavaca
2004 Cooper i Hausman
EM-snimka četiri stadija u oblikovanju klatrinskih vezikula
2002 Cooper i Hausman
Faza 1 Faza 2
Faza 3 Faza 4
animacije st. membrane - http://www.youtube.com/watch?v=vh5dhjXzbXc&feature=related
ZapamtimoPlazmatska membrana je granica između žive stanice i njena okoliša
Membrana omogućuje izmjenu tvari i energije između stanice i okoliša
Omeđuje stanične organele (odjeljke ili kompartimente)
Čini organizacijsku strukturu potrebnu za mnoge metaboličke procese
Membranski lipidi su amfipatske molekule, one čine dvosloj u koji su uronjeni integralni proteini, dok su periferni proteini vezani slabim vezama
Ugljikohidrati su kovalentno vezani za lipide i proteine, okrenuti su prema izvanstaničnom prostoru
Membrane su asimetrične
Stanica kći nasljeđuje membransku osnovu od stanice majke
Sve membrane građene su po istom planu, ali se razlikuju u svom biokemijskom sastavu
top related