Biomembrane struktura i funkcija Funkcije biomembrane Kemijski sastav i plan građe membrana Membranski lipidi i fluidnost membrana Membranski proteini

Транскрипт

1 Biomembrane struktura i funkcija Funkcije biomembrane Kemijski sastav i plan građe membrana Membranski lipidi i fluidnost membrana Membranski proteini i šećeri Prolaz tvari kroz membranu

2 4 Uloga membrana granica života Kompartimentizacija ili odjeljivanje 2. Selektivno-propusna pregrada Transport otopljenih tvari 4. Provođenje signala 5. Interakcija među stanicama 7 6. Mjesto biokemijskih aktivnosti 7. Pretvorba energije

3 Sastav membrane LIPIDI PROTEINI UGLJIKOHIDRATI

4 Membranski lipidi - fosfolipidi Polarna glava Hidrofilna glava Hidrofobni rep Nepolarni rep masne kiseline Figure Građa fosfolipidne molekule. Primjer fosfatidilkolina. Fosfatidilkolin, (A) shematski, (B) formula, (C) prostorni model, i (D) simbol Bruce Alberts, al. Masne kiseline 14-20C, palmitinska, oleinska, miristinska

5 Lipidni dvosloj osim fosfolipida sadrži i kolesterol (1:1) čvrsti dio Polarna glava Nepolarni rep Figure struktura kolesterola. (A) formula, (B) shematski prikaz, i (C) prostorni model by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Figure Kolesterol u lipidnom dvosloju Bruce Alberts, et al.

6 Lipidne molekule imaju mogućnost samoorganizacije u vodenoj sredini Figure Raspored lipidnih molekula u vodenoj sredini. Spontano se slažu u obliku micela ili lipidnog dvosloja Bruce Alberts, et al. Figure Spontano zatvaranje lipidnog dvosloja u membranske mjehuriće

7 Kako je otkriveno da lipidi izgrađuju dvosloj u membrani? Langmuir Blodgett Karp, J. Wiley & Sons, INC. Membrane su izgrađene od lipidnog dvosloja. Gorter i Grendel ( ) Ekstrahirali lipide eritrocita Jedno-molekularni sloj na površini vode. Izmjerili površinu masne mrlje Izračunali oplošje (površinu) eritrocita. Omjer površina 2 :1 ima dovoljno lipida da omotaju eritrocit u 2 sloja. Što je s proteinima, kako su oni ugrađeni u membrane?

8 Lipidi imaju mogućnosti kretanja kroz membranu 8 nm Mogući pokreti fosfolipida u membrani, 2 µm/s Omega 3 masne kiseline ulaze u sastav membrana Membrane mogu mijenjati fluidnost

9 Kako su proteini uključeni u membranu? Stariji model sendviča (lijevo, Davson-Danielli, 1935) zamjenjen je modelom tekućeg mozaika (Singer i Nicolson, 1972.), koji bolje opisuje strukturu i funkciju membrana Molekule lipida i proteina raspoređene u dvije dimenzije Proteini slobodno difundiraju u homogenom lipidnom okruženju Stanična membrana pod TEM

10 Lipidne splavi su male (10-200nm), heterogene, visoko dinamične domene, obogaćene sterolima i sfingolipidima Nakon 30-tak godina bez novih vijesti Služe za odvajanje membranskih procesa 10 1 Membranes An Introduction Tu se često nalaze proteini uključeni u staničnu signalizaciju i endocitozu Fig Domain formation in lipid monolayers, bilayers, and in biological cells. Left: Domain formation in the phase coexistence regime of DPPC monolayers. The dimension of the panel is about 100 µm. From Gudmand/Heimburg, NBI Copenhagen. Center: Confocal fluorescence microscopy image of domain formation in a giant lipid vesicle (DLPC:DPPC = 30:70 at room temperature). The size of the vesicle is about 30 µm in diameter. From Fidorra/Heimburg, NBI Copenhagen. Right: Placental alkaline phosphatase distribution in fibroblast. The size of the segment is about 4 µm. From Harder et al. (1998).

11 Vrste membranskih proteina kovalentno vezana masna kis. oligosaharidni lanac α-zavojnica lipidni lanac α-zavojnice β-bačvasta struktura Figure 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 (vezani slabim nekovalentnim vezama) 2002 Bruce Alberts, et al.

12 Primjeri transmembranskih proteina Porini membrane mitohondrija ili bakterija Glikoforin, membrana eritrocita bogati ugljikohidratima 60% ne vežu se za krvne žile

13 Membranski proteini su također pokretni u membrani

14 Uloge membranskih proteina Pasivni ili aktivni prijenos molekula: hidrofilni kanali koji propuštaju određene molekule, neki hidroliziraju ATP kao izvor energije za aktivni prijenos tvari Npr. glukoze ili steroidnih hormona. Kataliziranje reakcija: aktivna strana enzima u kontaktu s tvarima otopine koja okružuje membranu, nekoliko enzima u skupini može biti odgovorno za odvijanje jednog koraka u metaboličkom putu Npr. enzimi za dobivanje energije u mitohondriju Prijenos signala: proteini na vanjskoj strani plazmatske membrane djeluju kao receptori za npr. hormone, antitijela, viruse i sl., signali iz okoliša stanice mogu potaknuti promjene u konformaciji proteina na unutarnjoj strani membrane što može dovesti do lančane reakcije kemijskih promjena u stanici

15 Uloge membranskih proteina Prepoznavanje stanica: neki glikoproteini služe kao identifikacijski dodatak koji specifično prepoznaju drugu stanicu Npr. u imunološkom sustavu Povezivanje stanica: membranski proteini susjednih stanica mogu biti povezani različitim vrstama međustaničnih veza Npr. u tkivima Učvršćivanje citoskeleta na izvanstanični matrix: mikrofilamenti ili elementi citoskeleta mogu biti vezani za membranske proteine što omogućuje održavanje oblika stanice i kotvljenje membranskih proteina. Oni mogu koordinirati izvanstanične i unutarstanične promjene Npr. u tkivima

16 ABC transporteri, superobitelj proteinskih prenositelja raznih funkcija Prisutna kod eukariota i prokariota Koriste energiju molekula ATP za transport raznih molekula Uključeni u rezistenciju tumora na kemoterapiju (multidrug resistance (MDR) protein) Otpornost bakterija na antibiotike

17 Stanica može reklamirati da je infektivna preko proteina MHC i da ju unište faktorima citotoksičnim Major histocompatibility complex (MHC)

18 Omjer proteina i lipida ovisi o tipu i funkciji membrane Mitohondrijske unutarnje membrane imaju oko 75% proteina (proteini oksidativne fosforilacije) Membrane Schwannovih stanica imaju 18% proteina (fosfolipidi su dobri izolatori)

19 UGLJIKOHIDRATI Glikokaliks ugljikohidratni pokrov od oligosaharida lipida i proteina Zaštita od ionskog i mehaničkog stresa te patogena Međustanične interakcije 3.large.jpg Antigeni krvnih grupa Tipovi ugljikohidrata na sfingolipidima na crvenim krvnim stanicama Enzimi odaberu koji šećeri će biti na eritrocitima

20 Stanična membrana je kompleksni sustav lipida, proteina i ugljikohidrata

21 Drugi, slatki, model stanične membrane

22 Relativna propusnost sintetskog lipidnog dvosloja za različite skupine molekula. Hidrofobne molekule Male nenabijene polarne molekule Velike nenabijene polarne molekule Što je molekula manja i bolje topiva u mastima brže prolazi kroz lipidni dvosloj. Lijekovi moraju biti topivi u mastima! Ioni 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

23 Model tekućeg mozaika daje sposobnost regulacije prijenosa (transporta) tvari membrane su selektivno propusne za različite molekule Neprestani prijenos tvari -šećeri, aminokiseline i druge hranjive tvari ulaze u stanicu -otpadne tvari (metabolički produkti) izlaze iz stanice -kisik potreban za stanično disanje ulazi u stanicu, ugljikov dioksid izlazi iz stanice -kontrola koncentracije anorganskih iona, Na +, K +, Ca 2+, Cl - Tvar Izvanstanična Unutarstanična Na+ 140 mmol/l 10 mmol/l K+ 4 mmol/l 140 mmol/l Ca mmol/l 0.1 micromol/l Mg mmol/l 30 mmol/l Cl- 100 mmol/l 4 mmol/l HCO3-27 mmol/l 10 mmol/l PO4 2 mmol/l 60 mmol/l Glukoza 5.5 mmol/l 0-1 mmol/l Protein 2g/dL 16g/dL

24 Kako tvari prolaze kroz membranu? Slika Pasivni transport: jednostavna difuzija ili olakšana difuzija kroz kanale ili pasivne prenositelje. Aktivni transport: ide protiv koncentracijskog gradijenta i treba dodatnu energiju Bruce Alberts, et al.

25 Pasivni transport: Difuzija jedne ili više molekula kroz membranu Primjer: Otopljeni kisik i CO2 difundiraju kroz membranu stanice tako dugo dok stanici treba za odvijanje staničnog disanja

26 Osmoza - Prolaz molekula vode kroz polupropusnu membranu

27 Održavanje vodne ravnoteže vitalno za život

28 Olakšana difuzija uz membranske transportne proteine dvije skupine: Proteinski nosači vežu specifičnu mol. koju treba prenijeti kroz membranu i pri tome prolaze kroz konformacijske promjene Kanalni proteini stvaraju pore ispunjene vodom koje se protežu kroz lipidni dvosloj kroz koje prolaze molekule vrlo specifični (A) Proteinski nosač (B) Kanalni protein Figure Carrier proteins and channel proteins Bruce Alberts, et al.

29 Prednosti olakšane difuzije nad jednostavnom difuzijom (putem prenositelja pasivan prijenos) Pri jednostavnoj difuziji s porastom koncentracije molekula linearno raste i brzina njihova unosa u stanicu. Figure Kinetika jednostavne i olakšane difuzije Bruce Alberts, et al. Brzina olakšane difuzije dostiže maksimum. kada su proteinski nosači zasićeni molekulama koje prenose

30 Proteinski nosači Figure Konformacijska promjena proteinskog nosača omogućuje pasivni transport, a smjer transporta ovisi o koncentracijskom gradijentu Bruce Alberts, et al.

31 glukoza glukoza-na+ ADP/ATP zamjena u mitohondriju Figure Tri tipa transporta putem membranskih prenositelja. Shematski prikaz proteinskih prenositelja (carrier proteins) po principu uniporta, simporta, i antiporta by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

32 Tri načina aktivnog transporta A - združeni prenositelji (NaCl-saharoza) B - crpka energija ATP-a ( Na+ K+) C - crpka energija svjetlosti (bakteriorodopsin) A B C Figure Three ways of driving active transport by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Aktivni transport - održavanje stalne koncentracije malih molekula u stanici održava veću koncentraciju K + iona u stanici u odnosu na okoliš, odnosno manju koncentracija Na + iona u odnosu na okoliš

33 Primjer aktivnog transporta: Na+ K+ pumpa na membrani svake stanice Izmjenjuju se 3 iona Na+ za 2 iona K+ Višak + iona izvan stanice doprinosi polarnosti membrane + nabijena je izvan stanice - nabijena je u citoplazmi

34 K+ ionski kanal Ionski kanali Iznimna brzina i specifičnost: 10 7 s -1 I do 10 5 puta brži od najbržeg transportera Primjeri: Akvaporini kanali za vodu, znojenje i homeostaza vode u stanici Na +, K + i Ca 2+ ionski kanali stanična signalizacija

35 Ionski kanali se otvaraju i zatvaraju nakon podražaja Naponski kanali u živčanim stanicama Izvanstanična molekula npr. acetilkolin u sinapsama unutarstanična molekula stres savijanje membrane

36 Mutacije u transporterima iona izazivaju razne bolesti: Cistična fibroza Česte upale pluća, pankreatitis, dijabetes, sterilnost,

37 Prijenos teškog i velikog tereta preko membrane (proteini, polisaharidi, itd.) Endocitoza FAGOCITOZA PINOCITOZA RECEPTORSKA ENDOCITOZA Npr. makrofagi, amebe, Npr. stanice tankog crijeva Npr. stanice uzimaju kolesterol iz LDL čestica

38 Mutacije u LDL receptorima - Nasljedna hiperkolesterolemija Broj LDL receptora Količina LDL u krvi

39 Egzocitozom, stanice izbacuju tvari iz stanice Stanice gušterače izbacuju inzulin u krvotok Stanice se mogu rješavati nepotpuno razgrađenog materijala

40 Primjer korištenja lipidnih micela Orthogonal cancer targeting strategy using nanomicelles. a Schematic of the process of photoactivation of Titanocene in disseminated cancer cells in the bone marrow microenvironment. The various phases are numbered: b Schematic of phospholipid NM with VLA-4 homing ligands. c TEM image of micelles alone. Scale bar, 100 nm. Inset: single micelle. Scale bar, 10 nm. d Schematic of phospholipid NM encapsulating TC with VLA-4 homing ligands. e TEM image of micelle incorporated with TC in the membrane. Scale bar, 100 nm. Inset: single NM-TC. Scale bar, 10 nm

41 Sažetak: Membrane se sastoje od lipida, proteina i ugljikohidrata Trenutni model membrane je tekući mozaik Lipidi čine strukturnu osnovu membrane Proteini proširuju funkciju membrane Ugljikohidrati služe za stanično prepoznavanje Membrana je polupropusna Molekule ulaze difuzijom, pasivnim ili aktivnim transportom Ostale tvari mogu ući fagocitozom, pinocitozom ili receptorskom endocitozom Tvari se izbacuju egzocitozom

42 Pitanja za ponavljanje: 1. Što je hipotonična, hipertonična i izotonična otopina? 2. Kako objašnjavamo mogućnost samoorganizacije membrana? 3. Što znači model tekućeg mozaika (Singer i Nicolson 1972.)? Zašto mozaik, a zašto tekući? 4. Što su polarne molekula, a što amfipatske? 5. Na čemu se zasniva hidrofilnost, a na čemu hidrofobnost? 6. Kakav je biokemijski sastav membrana? 7. Koju ulogu imaju pojedine molekularne skupina u membrani?

43 Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani Lipidni dvosloj 8 nm Figure Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani. U vodenoj sredini hidrofobni repovi fosfolipida približavaju se međusobno, a hidrofilni se orijentiraju prema vodi. Ovdje je nastao dvosloj u kojem su hidrofilni dijelovi izloženi vodi. Lipidni dvosloj je osnovna struktura staničnih membrana Bruce Alberts, et al.