Biomembranestruktura i funkcija

➢ Funkcije biomembrane

➢ Kemijski sastav i plan građe membrana

➢ Membranski lipidi i fluidnost membrana

➢ Membranski proteini i šećeri

➢ Prolaz tvari kroz membranu

Uloga membrana – granica života

1. “Kompartimentizacija” ili odjeljivanje

2. Selektivno-propusna pregrada

3. Transport otopljenih tvari

4. Provođenje signala

5. Interakcija među stanicama

6. Mjesto biokemijskih aktivnosti

7. Pretvorba energije

1

2

3

4

5

6

7

LIPIDI PROTEINI

UGLJIKOHIDRATI

Sastav membrane

Membranski lipidi - fosfolipidi

Figure 10-2. Građa fosfolipidne molekule. Primjer fosfatidilkolina. Fosfatidilkolin, (A) shematski, (B) formula, (C) prostorni model, i (D) simbol. 2002 Bruce Alberts, al.

Masne kiseline 14-20C, palmitinska, oleinska, miristinska

Nepolarni repmasne kiseline

Polarna glava

Hidrofobni rep

Hidrofilna glava

Lipidni dvosloj – osim fosfolipida sadrži i kolesterol (1:1)

Figure 10-11. Kolesterol u lipidnomdvosloju. 2002 Bruce Alberts, et al. →

Figure 10-10. struktura kolesterola. (A) formula, (B) shematski prikaz, i (C) prostorni model. © 2002 by Bruce Alberts, Alexander

Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

Nepolarnirep

Polarnaglava

čvrstidio

Lipidne molekule imaju mogućnost samoorganizacije u vodenoj sredini

Figure 10-5. Spontano zatvaranje lipidnog

dvosloja u membranske mjehuriće

Figure 10-4. Raspored lipidnih molekula u vodenoj sredini. Spontano se slažu u obliku micela ili lipidnogdvosloja. 2002 Bruce Alberts, et al.

Gorter 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 → ima

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.

Kako je otkriveno da lipidi izgrađuju dvosloj u membrani?

Langmuir–Blodgett

Lipidi imaju mogućnosti kretanja kroz membranu

Mogući pokreti fosfolipida u membrani, 2 µm/s

Membrane mogu mijenjati fluidnostOmega 3 masne kiseline ulaze u sastavmembrana

8 nm

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

Kako su proteini uključeni u membranu?

http://www.doctortee.com/cgi/image-lookup.cgi?membrane-temStanična membrana pod TEM

Lipidne splavi su male (10-200nm), heterogene, visoko dinamične domene, obogaćene sterolima i sfingolipidima

Služe za odvajanje membranskih procesa

Tu se često nalaze proteini uključeni u staničnu signalizaciju i endocitozu

10 1 Membranes—An Introduction

Fig. 1.10 Domain formation in lipid mono-

layers, 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 Gud-

mand/Heimburg, NBI Copenhagen. Center:

Confocal fluorescence microscopy image

of domain formation in a giant lipid vesicle

(DLPC:DPPC = 30:70 at room tempera-

ture). The size of the vesicle is about 30 µm

in diameter. From Fidorra/Heimburg, NBI

Copenhagen. Right: Placental alkaline phos-

phatase distribution in fibroblast. The size

of the segment is about 4 µm. From Harder

et al. (1998).

biological cells. The right-hand panel shows the formation of protein clusters

(placental alkaline phosphatase=PLAP) in a fibroblast cell form (Harder et al.,

1998). In this paper it was shown that different proteins species tend to colo-

calize in different regions of the cell membrane. In biomembranes a special

kind of domain called “raft” is presently highly discussed. Rafts are thought

to be microdomains consisting predominantly of sphingolipids, cholesterol

and certain GPI-anchored proteins. These phenomena are discussed in much

more detail in Chapters 8 and 9.

Domain formation is also interesting for the electrostatic properties of mem-

branes. Many membrane components carry charges. Thus, domain formation

leads to inhomogeneities in electrostatic potential and to the preferential bind-

ing of proteins.

1.8

Perspectives of this Book

The biological membrane resembles the picture in Fig. 1.11, showing varia-

tions in the membrane thickness, the presence of peripheral and transmem-

brane proteins, as well as the formation of lipid and protein domains (Chap-

ters 8 and 9). The thermodynamics of such phenomena is an essential part of

this book. Cooperative transitions also influence the elastic constants (Chap-

ter 14). Thus, rearrangement of proteins and lipids is also generally linked

to alterations of membrane elasticity and compressibility. Due to the cou-

plings in the thermodynamic equations these relations go in both directions

meaning that changes in the membrane curvature by necessity have to change

Nakon 30-tak godina bez novih vijesti…

http://www.youtube.com/watch?v=73ghXv3nVKA

Vrste membranskih proteina

➢ Figure 10-17. 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.

α-zavojnice

β-bačvasta

struktura

kovalentno vezana

masna kis. α-zavojnica

lipidni

lanac

oligosaharidni

lanac

Primjeri transmembranskih proteina

Glikoforin, membrana eritrocita – bogati ugljikohidratima 60% – ne vežu se za krvne žile

Porini – membrane mitohondrija ili bakterija

Membranski proteini su također pokretni u membrani

https://www.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc

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

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

Uloge membranskih proteina

ABC transporteri, superobitelj proteinskih prenositelja raznih funkcija

Prisutna kod eukariota i prokariotaKoriste energiju molekula ATP za transport raznih molekula• Uključeni u rezistenciju tumora na kemoterapiju (multidrug resistance (MDR) protein)

• Otpornost bakterija na antibiotike

Stanica može reklamirati da je infektivna preko proteina MHC i da ju unište faktorima citotoksičnim

Major histocompatibility complex (MHC)

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)

http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/83/2/388/F3.large.jpg

➢ Glikokaliks – ugljikohidratni pokrov od oligosaharida lipida i proteina

➢Zaštita od ionskog i mehaničkog stresa te patogena

➢Međustanične interakcije

Antigeni krvnih grupa

Tipovi ugljikohidrata na

sfingolipidima na crvenim

krvnim stanicama

Enzimi odaberu koji šećeri

će biti na eritrocitima

UGLJIKOHIDRATI

Stanična membrana je kompleksni sustav lipida, proteina i ugljikohidrata

Drugi, slatki, model stanične membrane

Što je molekula manja i bolje topiva u mastima brže prolazi kroz lipidni dvosloj.

Lijekovi moraju biti topivi u mastima!

© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, JulianLewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter.

Hidrofobne

molekule

Male

nenabijene

polarne

molekule

Velike

nenabijene

polarne

molekule

Ioni

Relativna propusnost sintetskog lipidnog dvosloja za različite skupine molekula.

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+, Ca2+, Cl-

Tvar Izvanstanična Unutarstanična

Na+ 140 mmol/L 10 mmol/L

K+ 4 mmol/L 140 mmol/L

Ca2+ 2.5 mmol/L 0.1 micromol/L

Mg2+ 1.5 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

Kako tvari prolaze kroz membranu?

Slika 11-4.

Pasivni transport: jednostavna difuzija ili olakšana difuzija kroz kanale ili pasivne prenositelje.

Aktivni transport: ide protiv koncentracijskog gradijenta i treba dodatnu energiju.

2002 Bruce Alberts, et al.

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

http://www.youtube.com/watch?v=qBig2wevHhw

Osmoza - Prolaz molekula vode kroz polupropusnu membranu

Održavanje vodne ravnoteže – vitalno za život

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 11-3. Carrier proteins and channel proteins. 2002 Bruce Alberts, et al.

Prednosti olakšane difuzije nad jednostavnom difuzijom (putem

prenositelja – pasivan prijenos)

Figure 11-7. Kinetika jednostavne i olakšane difuzije.2002 Bruce Alberts, et al.

➢ Pri jednostavnoj

difuziji s porastom

koncentracije molekula

linearno raste i brzina

njihova unosa u

stanicu.

➢ Brzina olakšane

difuzije dostiže

maksimum. kada su

proteinski nosači

zasićeni molekulama

koje prenose

❖ Proteinski nosači

Figure 11-6. Konformacijska promjena proteinskog nosača omogućuje pasivni transport, a smjer transporta ovisi o koncentracijskom gradijentu.

2002 Bruce Alberts, et al.

Figure 11-9. Tri tipa transporta putem membranskih prenositelja.

Shematski prikaz proteinskih prenositelja (carrier proteins) po principu

uniporta, simporta, i antiporta.

© 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith

Roberts, and Peter Walter.

glukoza glukoza-Na+ ADP/ATP zamjenau mitohondriju

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 11-8. Three ways of drivingactive transport. © 2002 by BruceAlberts, Alexander Johnson, JulianLewis, 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

Primjer aktivnog transporta: Na+ K+ pumpa namembrani 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

Ionski kanali

Primjeri:Akvaporini – kanali za vodu, znojenje i homeostaza vode u stanici Na+, K+ i Ca2+ ionski kanali – stanična signalizacija

Iznimna brzina i specifičnost: 107 s-1

I do 105 puta brži od najbržeg transportera

K+ ionski kanal

Ionski kanali se otvaraju i zatvaraju nakon podražaja

Naponski kanali – u živčanim

stanicama

Izvanstanična molekula – npr.

acetilkolin u sinapsama

unutarstanična molekula

stres – savijanje membrane

Mutacije u transporterima iona izazivaju razne bolesti: Cistična fibroza

Česte upale pluća, pankreatitis, dijabetes, sterilnost,…

EndocitozaPrijenos „teškog i velikog” tereta preko membrane (proteini, polisaharidi, itd.)

Npr. makrofagi,amebe,…

Npr. stanice tankogcrijeva

Npr. stanice uzimajukolesterol iz LDL čestica

FAGOCITOZA PINOCITOZARECEPTORSKA ENDOCITOZA

Mutacije u LDL receptorima - Nasljedna hiperkolesterolemija

Broj LDL receptora

Količina LDL u krvi

Egzocitozom, stanice izbacuju tvari iz stanice

Stanice gušterače izbacuju inzulin u krvotokStanice se mogu rješavati nepotpuno razgrađenog materijala

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. eTEM image of micelle incorporated with TC in the membrane. Scale bar, 100 nm. Inset: single NM-TC. Scale bar, 10 nm

Primjer korištenja lipidnih micela

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

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?

Struktura i orijentacija fosfolipida u membrani

Figure 2-22. 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.

2002 Bruce Alberts, et al.

8 nmLipidni dvosloj