3 SB Biomembrane

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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/Turgor_pressure_on_plant_cells_diagram.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/Rhoeo_Discolor_epidermis.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Rhoeo_Discolor_-_Plasmolysis.jpg

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


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


hidrofilna(polarna)

glava

hidrofobni(nepolarni)

rep

Hidrofilnaglava

Hidrofobnirep

cis-dvostruka veza

fosfatidilkolin

ili neka dr. polarna grupa

Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani


• 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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


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


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


Protein vezan na membranu

glikolipidom(GPI sidro)


→ 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


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


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


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)



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


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


Hidrofobnemolekule

Male nenabijene

polarne molekule

Velike nenabijene

polarne molekule

Ioni

Propusnost st. membrane


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)


(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


Proteini nosačispecifično mjesto vezanja molekule

sudjeluju i u pasivnom i u aktivnom transportu

prijenos šećer, ak, nukleozida

Pasivni transport – niz konc. gradijent


Razlika između difuzije i olakšane difuzije (putem prenositelja – pasivan prijenos)


brzina obične difuzijeproporcionalna koncentraciji molekule

brzina olakšane difuzijedostiže max. kada je protein nosač zasićen s molekulama koje veže


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


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


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


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


receptor

→ uzimanje kolesterola u st. sisavaca


EM-snimka četiri stadija u oblikovanju klatrinskih vezikula


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

3 SB Biomembrane

Documents