Transcript Stáhnout

Základy buněčné biologie
•
•
•
•
Ivo Šauman
Julius Lukeš
Roman Sobotka
Michal Žurovec
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
http://kmb.prf.jcu.cz/cs
Struktura membrán
Přenos látek přes membrány
Význam buněčných membrán
•Plasmatická membrána odděluje buněčné složky od
okolního prostředí.
•Umožňuje organelám vykonávat specializované funkce
udržováním obsahu organel odděleně od zbytku buňky
(kompartmentalizace).
•Zajišťuje rozhraní pro vytváření elektrochemických
gradientů, které jsou nutné pro syntézu ATP a
vytváření nervových vzruchů.
Amfipatické lipidy
Proteiny
Nekovalentní interakce
Polární hlavička
Nepolární konec
fosfatidylcholin
(fosfolipid)
Uhlovodíkový
konec odvozený z
mastných kyselin
Nenasycený
uhlovodíkový
řetězec
Nasycený uhlovodíkový řetězec
Mastné kyseliny
*
*
*
*
*
Tři typy membránových lipidů
Fosfolipidy
Amfipatické molekuly minimalizují
interakce mezi vodním (polárním)
prostředím a svými nepolárními
částmi.
Cholesterol
•Cholesterol snižuje
fluiditu membrány protože
omezuje pohyb
uhlovodíkových řetězců.
Důležité chemické vlastnosti
cholesterolu:
• Hydroxylová skupina
představuje polární hlavičku.
• OH je navázána na pevný
cholesterolový zbytek.
•Má jeden uhlovodíkový konec.
Cholesterol
Fluidita membrány
Fluidita plasmatické membrány
FRAP
(Fluorescence Recovery After Photobleaching)
FLIP
(Fluorescence Loss In Photobleaching)
Růst membrán
Polarizace membrán
Fosfatidylcholin
Sfingomyelin
Glykolipidy
Cholesterol
Fosfatidylserin
Fosfatidylethanolamin
Fosfatidylinositol
Polarizace membrán
Glykolipidy
Polarita cytoplasmatické membrány
Membránové proteiny
Transport
Komunikace mezi buňkami
Enzymatické aktivity
Typy membránových proteinů
alpha Helix
Typy aminokyselin
Transmembránová alfa šroubovice
Tloušťka hydrofobní části lipidické
membrány je 3 nm.
Jedna otáčka šroubovije měří 0.54
nm and je tvořena 3.5 a.a. Takže
transmembránová doména tvořená
alfa-šroubovicí je dlouhá přibližně
20 aminokyselin.
Hydropatický graf
Hydropathy plots
Glycophorin
Další vlastnosti mnoha alfa
helikálních transmembránových
proteinů:
•SH skupiny na cytoplasmatické
straně membrány jsou
redukované a na vnější straně
jsou oxidované na S-S.
•Cukry jsou kovalentně navázány
na určité aminokyseliny na vnější
straně plasmatické membrány
(glykosylace).
*
Protein 3 je znám jako beta-soudek (beta barrel) a je složen z
antiparalelních beta skládaných listů stočených do soudkovitého tvaru.
•Mnohem vzácnější než alfa-šroubovicové transmembránové domény –
omezen na vnější membrány bakterií, chloroplastů a mitochondrií (Porin).
•Polární aminokyselinové postranní řetězce jsou umístěny uvnitř soudku a
nepolární aminokyselinové řetězce se nacházejí na vnější straně.
beta-skládaný list
beta barrels
transporter
receptor
enzyme
channel
Slabé neionické detergenty
rozpustí membrány bez
toho, aby denaturovaly
membránové proteiny.
Detergenty
Ionické detergenty
rozpustí membrány a
denaturují proteiny.
Buněčný kortex
Kompartmentalizace membránových proteinů
Červené krvinky (SEM)
Přenos látek
přes membrány
Propustnost plasmatické membrány
Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou membránu je
zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových transportních proteinů.
Konformační změna “přenese”
molekulu přes membránu.
Vodní pór umožňuje průchod
molekul přes membránu.
Čtyři cesty molekul a iontů přes membránu
Elekrochemický gradient
Přenašečové proteiny (Carrier proteins)
Přenašečový protein naváže transportovanou molekulu na jedné
straně membrány, projde konformační změnou a uvolní molekulu na
druhé straně membrány.
Přenašečové proteiny jsou podobné enzymům
Enzym
Vazebná místa pro substrát
Chemicky modifikuje substrát
Rychlost reakce je saturována při
vysoké koncentraci substrátu
Přenašečový protein
Vazebná místa pro transportované molekuly
Transportuje molekuly
Rychlost transportu je saturována při
vysoké koncentraci přenášené látky
Spojením konformační změny se zdrojem energie mohou přenašečové
proteiny provádět aktivní transport.
V závislosti na tom kolik různých molekul je transportováno a
kterým směrem, rozlišujeme tři základní typy transportu: uniport,
symport a antiport.
Na+-K+ pumpa (Na+-K+ ATPase) v plasmatické membráně
je antiporter, který provádí aktivní transport.
Tento protein vytváří koncentrační gradient Na+ a K+ iontů.
Přímý aktivní transport: Na+-K+ pumpa
Na+ gradient vytvořený Na+ - K+ ATPázou pohání transport glukózy do
buňky pomocí Na+ -poháněného glukózového symporteru.
Energeticky příznivý pohyb Na+
po svém electrochemickém
gradientu je spřažen s
energeticky nepříznivým
transportem glukózy proti svému
koncentračnímu gradientu.
Vápníková pumpa sarkoplasmatického retikula
Iontové kanály
a
Membránový potenciál
Iontové kanály jsou iontově selektivní a uzavíratelné
boční pohled
R
R
R
horní pohled – každý kruh
představuje alfa-helix a Rskupiny jsou aminokyselinové
postranní řetězce, které uvnitř
kanálu vytvářejí tzv. selekční
filtr (selectivity filter).
R
R
R
R
R R
R
R
R
R
R
R
Selectivita sodného kanálu
Jak může K+ kanál rozlišit mezi K+ and Na+ když oba mají stejný
náboj a Na+ je menší K+?
Odpověď: Při průchodu
iontu přes selekční filtr,
se iont musí zbavit vodního
obalu. Molekuly kyslíku z
karboxylových skupin mají
částečný záporný náboj a
mohou nahradit molekuly
vody u K+, ale Na+ je příliš
malý. Tudíž Na+ zůstává
přednostně asociován s
vodou a hydratovaný iont
je příliš veliký pro průchod
selekčním filtrem.
Iontové kanály oscilují mezi otevřeným a uzavřeným stavem
za účelem regulace toku iontů.
•Napěťově (elektricky) ovládané kanály reagují na membránový potenciál.
•Chemicky ovládané kanály reagují na navázání malých molekul = ligandy.
•Mechanicky ovládané kanály reagují na pohyb.
Klidový membránový potenciál eukaryotických buněk je výsledkem
koordinované činnosti přenašečových proteinů a iontových kanálů.
1. Na+-K+ ATPáza koncentruje K+ uvnitř buňky
a Na+ vně buňky (aktivní transport).
2. K+ výtokové kanály umožňují K+ difundovat
ven z buňky po svém koncentračním gradientu
(pasivní transport).
3. Negativní náboj zanechaný v cytoplasmě
však brání odtoku K+, takže pouze velmi malé
množství (1/100,000) K+ se dostane ven z
buňky.
4. Odtok malého množství K+ je dostatečný k
vytvoření membránového potenciálu (-70 mV) –
positivní vně a negativní uvnitř.
Membránový potenciál
Nervová buňka - neuron
Tělo buňky – umístění jádra a buněčných organel.
Dendrity – rozvětvené výběžky, které přijímají signály z axonů.
Axon – jediný dlouhý výběžek, který vede signál směrem od těla buňky.
Nervový impuls (vzruch) je výsledkem elektrického narušení v plasmatické membráně,
které se šíří z jedné části buňky do jiné. Toto elektrické narušení membrány se nazývá
akční potenciál a spočívá ve vlně depolarizace membrány pohybující se podél axonu.
Napěťově ovládané Na+ iontové kanály jsou klíčové pro vznik a
šíření akčního potenciálu.
Nadprahová depolarizace způsobí vznik akčního potenciálu.
Po obdržení nervového signálu
dochází k mírné depolarizaci
membrány. Dosáhne-li
depolarizace tzv. prahové
hodnoty, všechny napěťově
ovládané Na+ kanály v dané
oblasti se současně otevřou.
Na+ vteče dovnitř buňky a
způsobí rychlou a velkou
depolarizaci membrány. Tato
rychlá a velká depolarizace
představuje akční potenciál.
Cyklus tří konformací Na+ kanálu – uzavřený, otevřený, inaktivovaný
- zajišťuje propagaci akčního potenciálu podél axonu.
Vznik akčního potenciálu vyžaduje depolarizaci membrány nad
hodnotu prahového potenciálu. Tento proces začíná na synapsích.
presynaptická buňka
postsynaptická buňka
Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší
nervové impulsy na chemických synapsích
Figure 21-28
Excitační vs. Inhibiční synapse
Jediný neuron kombinuje a vyhodnocuje tisíce excitačních a inhibičních signálů
z mnoha dalších neuronů, které ovládají spouštění a frekvenci akčních potenciálů
podél axonu.
Neurotransmitery uvolněné z každé synapse
vyvolají postsynaptický potenciál (PSP).
Napěťově ovládané Na+ kanály jsou umístěny
na počátku axonu (axon hillock).
Akční potenciál vznikne na počátku axonu jen
tehdy, když součet všech excitačních a
inhibičních PSP v tomto místě přesáhne
prahovou hodnotu.
Čím větší je “kombinovaný PSP”, tím vyšší je frekvence akčních potenciálů
vznikajících na počátku axonu (axon hillock). Vlastní hodnota akčního
potenciálu je však ve všech případech stejná, protože membránový potenciál
je limitován koncentrací Na+ iontů vně buňky.
Myelinace zvyšuje rychlost a účinnost šíření akčního potenciálu.
Gliální (Schwann cells) buňky okolo
axonu vytváří elektrickou izolaci
bohatou na glykolipidy.
Ranvierovi zářezy rozmístěné v
pravidelných intervalech podél axonu
jsou místa s přerušenou izolací. Zde
se nacházejí napěťově ovládané Na+
kanály.
Vtok Na+ v místě jednoho Ranvierova
zářezu způsobí depolarizaci v zářezu
následujícím v důsledku rychlé difuze
Na+ v cytoplasmě.
Akční potenciál tímto způsobem
přeskakuje z jednoho zářezu na
druhý, čímž se značně zvyšuje
rychlost a účinnost vedení vzruchu.
Tento proces se nazývá saltatorní
vedení vzruchu.
Akční potenciál přeskakuje rychle z jednoho zářezu na druhý
Neuromuskulární spoj je příklad, jak akční potenciál z neuronu
spouští odpověď v jiném typu buňky.
Elektrické synapse
Srovnání přenosu akčního potenciálu přes elektrické a chemické synapse
The End