of 43 /43
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

Biomembrane2].pdf · Lipidne splavi su male (10-200nm), heterogene, visoko dinamične domene, obogaćene sterolima i sfingolipidima Služe za odvajanje membranskih procesa Tu se često

  • Author
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Biomembrane2].pdf · Lipidne splavi su male (10-200nm), heterogene, visoko dinamične domene,...

  • 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

    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

    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

    Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Vrste membranskih proteinaPrimjeri transmembranskih proteinaMembranski proteini su također pokretni u membraniSlide 14 Slide 15 Slide 16 Stanica može reklamirati da je infektivna preko proteina MHC i da ju unište faktorima citotoksičnimOmjer proteina i lipida ovisi o tipu i funkciji membraneSlide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43