Membrána a jej funkcia KB - 2024 PDF

Bunkové membrány Transportné procesy Doc. MVDr. Lenka Luptáková, PhD. UVLF v Košiciach  Bunková membrána – dynamická štruktúra živej bunky – regulačný systém – kľúčová úloha v mnohých biochemických procesoch v bunke  Okrem cytoplazmatickej membrány sú membránou ohraničené aj bunkové...

Bunkové membrány Transportné procesy Doc. MVDr. Lenka Luptáková, PhD. UVLF v Košiciach  Bunková membrána – dynamická štruktúra živej bunky – regulačný systém – kľúčová úloha v mnohých biochemických procesoch v bunke  Okrem cytoplazmatickej membrány sú membránou ohraničené aj bunkové organely  Membrána každej bunkovej organely je špecifická: obsahuje špecifické bielkoviny a lipidy – transport látok + funkcia  Funkcie 1. Štruktúrna (stavebná): vytvára vonkajšie a vnútorné bunkové organely - bičík, ER, GA. Povrch je zosilnený:  Vyšším množstvom nasýtených mastných kyselín a cholesterolom  Zvýšeným obsahom bielkovín  Prepojením polysacharidov a lipoproteínov (bunková stena) 2. Permeabilita:  Bunková membrána je nepriepustná (impermeabilná) pre makromolekuly a hydrofilné substancie 3. Selektívna permeabilita pre rozličné zlúčeniny:  Difúzia, osmóza  transport makromolekúl exocytózou, endocytózou a aktívnym transportom s využitím transportných proteínov (vyžaduje si prísun energie) 4. Vytváranie osmotickej a elektrickej energie:  Rozličná mobilita iónov cez membránu  Absorpcia svetelnej energie špeciálnymi pigmentami v membráne  Transmembránový transport protónov a elektrónov v priebehu bunkového dýchania 5. Premena energie  Vzájomná premena medzi svetelnou, chemickou, osmotickou a elektrickou energiou  Fotosyntéza – slnečné svetlo (svetelná energia) – cukry  Cukry a tuky – ATP (adenozíntrifosfát) 6. Získavanie informácií o prostredí cez membránové senzory = odpoveď na vonkajšie stimuly  Spracovanie signálu – spolupráca - receptory + ligandy - stimulácia alebo inhibícia interných aktivít 7. Regulácia metabolizmu na základe zmeny permeability bunkovej membrány pre metabolity  Enzýmy zabudované v cytoplazmatickej membráne 8. Intracelulárna (vnútrobunková komunikácia)  Identifikácia buniek – eliminácia cudzích buniek bunkami imunitného systému  Interakcia medzi susediacimi bunkami – vzájomná komunikácia – poskytovanie a výmena informácií BIOLOGICKÉ MEMBRÁNY  Intracelulárne (vnútrobunkové) membrány  Cytoplazmatická membrána INTRACELULÁRNE MEMBRÁNY  Tvoria povrch vnútorných bunkových štruktúr, v ktorých prebiehajú rozličné metabolické procesy.  vnútrobunkový tranzit molekúl počas sekrécie, endocytózy a exocytózy CYTOPLAZMATICKÁ MEMBRÁNA  Flexibilnejšia ako intracelulárne membrány  Ohraničuje vnútorný obsah bunky  Najdôležitejšia úloha – regulácia prestupu molekúl – priepustnosť (permeabilita) nie je rovnaká pre všetky molekuly  Semi-permeabilná (polopriepustná) bariéra – permeabilná pre špecifické molekuly – vstup a výstup do/z bunky  Malé molekuly – O2, CO2 – prechod cez membránu bez obmedzenia  Väčšie molekuly – prechod – dôkladne regulovaný Modely membrán Danielli a Davson 1935  Prvý model biologickej membrány  Považovaný za klasický koncept biologickej membrány  Dve vrstvy fosfolipidov a dve vrstvy globulárnych proteínov  Orientácia fosfolipidov – hydrofilné konce smerom von ku globulárnym proteínom – prepojenie s globulárnymi proteínmi  Transportné kanály – prechod molekúl von bunky alebo do bunky Problémy:  Nie všetky bunkové membrány sú identické a umiestnenie proteínov je rozdielne  Ak by boli všetky membrány identické – vykonávali by rovnaké funkcie (čo nie je pravda)  Ak by proteíny boli umiestnené na povrchu membrány – hydrofóbne časti by boli orientované do vodného prostredia a zároveň sú fosfolipidové hlavičky (hydrofilné) oddelené od vodného prostredia  Vrstva proteínov – nestabilná pri tomto postavení Súčasnosť – model fluidnej mozaiky – Singer a Nicolson (1972) Fosfolipidy - dvojvrstva – matrix membrány Proteíny umiestnené v dvojvrstve Mozaika proteínov plávajúcich vo fosfolipidovej dvojvrstve  Základná štruktúra membrány  Lipidy a proteíny prepojené nekovalentnými väzbami  Lipidy - dvojvrstva – slúžia ako štruktúrny základ – bariéra brániaca náhodnému prechodu molekúl  Proteíny – mnoho špecifických funkcií  Pomer - lipidy/proteíny – závisí od  Druhu bunkovej membrány (cytoplazmatická membrána, GC, erytrocyty)  Druh organizmu (baktéria, rastlinná bunka, živočíšna bunka)  Druh bunky (svalová, pečeňová)  Príklad  Vnútorná mitochondriálna membrána – proteíny – elektrónový transportný reťazec  Erytrocyty (červené krvinky)  Myelínová pošva nervovej bunky – lipidy – izolácia – rýchlejší prenos nervového vzruchu Membránové lipidy Tri hlavné typy 1. Fosfolipidy – najväčšie zastúpenie v membráne Amfipatické molekuly – dva regióny v jednej molekule – hydrofóbny a hydrofilný zloženie  hydrofilná hlavička (fosfátová skupina)  hydrofóbne dva chvosty – mastné kyseliny  Hydrofilné konce – hlavičky – orientované do vokajšieho prostredia – na jednej strane membrány do medzibunkového priestoru a na druhej strane do vnútra bunky (cytoplazma)  Prídavné skupiny pripojené k fosfolipidovej hlavičke – cholín – fosfatidylcholín; serín – fosfatidylserín Membránové lipidy 2. Sfingolipidy  Menej zastúpená trieda membránových lipidov - amfipatické  Sfingozín pripojený k mastnej kyseline cez aminoskupinu  Viacero druhov lipidov obsahujúcich pripojený sfingozín  Sfingomyelíny, cerebrozidy, glykolipidy 3. Cholesterol – živočíšne bunky  Môže tvoriť až 50 % lipidových molekúl v plazmatickej membráne  Absencia – väčšina rastlinných buniek a u všetkých bakteriálnych buniek  Menšie lipidy  orientácia – malý hydrofilný región -OH smerom k povrchu membrány  Úloha – zosilnenie membrány, zvýšenie jej flexibility ale zníženie permeability (priepustnosti) Membránové karbohydráty (cukry)  Kovalentne pripojené k lipidom a proteínom bunkovej membrány  Obsah závisí od druhu a bunkového typu - 2-10%  Viac ako 90 % sú kovalentne prepojené s proteínmi - glykoproteíny  Ostatné – prepojené s lipidmi - glykolipidy  Cytoplazmatická membrána – orientácia navonok – do extracelulárneho priestoru  Glykolipidy – krvné skupiny - A, B, AB, O  A - enzým for addition N-acetylgalactosamine  B - enzým for addition galactose  AB – nesie oba enzýmy  O – bez enzýmov  Membránové proteíny  Rozdielne – podľa typu buniek alebo bunkovej štruktúry  Každý membránový proteín má presne definovanú orientáciu vzhľadom ku cytoplazme  Interakcie s inými bunkami alebo ligandami (hormóny, rastové faktory) – trčia von z cytoplazmatickej membrány do extracelulárneho priestoru  Interakcie s cytoplazmou a jej molekulami – trčia do cytoplazmy  3 triedy membránových proteínov 1. Integrálne proteíny – penetrujú fosfolipidovú dvojvrstvu (transmembránové proteíny)  Ich domény trčia na oboch stranách cytoplazmatickej membrány  Sú amfipatické – vo vnútri membrány – hydrofóbny región - – navonok membrány – cytozol alebo extracelulárny priestor – hydrofilná časť proteínu – interakcie s molekulami vody a vo vode rozpustnými molekulami  Vytvárajú kanály – transportná cesta pre molekuly Membránové proteíny 2. Periférne proteíny – pripojené na povrch fosfolipidovej dvojvrstvy; orientované do extracelulárneho priestoru alebo do cytoplazmy  Nekovalentné (slabé) väzby s membránovým povrchom  Cytoplazmatický povrch – vytvárajú fibrilárnu sieť – mechanická opora + ukotvenie integrálnych bielkovín  Glykoproteíny – hlavne u živočíšnych buniek alebo ako receptory 3. Na lipidoch ukotvené proteíny  lokalizované navonok – extracelulárna alebo cytoplazmatická strana  Kovalentne pripojené k lipidovej molekule vo vnútri membrány  Usporiadanie hydrofilných hlavičiek hydrofóbnych chvostov fosfolipidov bráni difúzne prechádzať polárnym molekulám (aminokyseliny, cukry, nukleové kyseliny) cez membránu ale povoľuje pasívny prestup (difúziou) hydrofóbnym molekulám.  Vnútro fosfolipidovej dvojvrstvy – nepolárne – hydrofóbne  Kľúčová úloha fosfolipidovej dvojvrstvy – zabránenie svojvoľnému prechodu vo vode rozpustných molekúl (polárnym)  Táto vlastnosti umožňuje kontrolovať pohyb rozličných molekúl cez transmembránové proteíny  BAKTERIÁLNA BUNKOVÁ STENA  Poskytuje baktérii štruktúrnu integritu  Primárna funkcia – ochrana bunky pred vnútorným tlakom, ktorý je spôsobený vyššou koncentráciou proteínov a ostatných molekúl vo vnútri bunky oproti ich koncentrácii v extracelulárnom priestore.  Bunková stena baktérií sa líši od iných bunkových stien prítomnosťou peptidoglykánu – lokalizovaný priamo na vonkajšej strane cytoplazmatickej membrány  Peptidoglykán – zodpovedný za pevnosť (tuhosť) bakteriálnej bunkovej steny a za udržanie tvaru bunky.  Gram pozitívne a Gram negatívne baktérie  2 základné typy bunkovej steny baktérií, ktoré sa dajú rozlíšiť na základe farbenia podľa Grama  výsledok = Gram pozitívne (G+) alebo Gram negatívne (G-) baktérie  Pre oba typy G+ aj G- - cez peptidoglykán môžu prechádzať čiastočky veľké približne 2 nm  Farbenie podľa Grama – metóda na odlíšenie týchto dvoch typov baktérií na základe chemických a fyzikálnych vlastností ich bunkovej steny  Gram pozitívne baktérie  Prítomnosť hrubej vrstvy peptidoglykánu  Vnorené polyalkoholy – kyseliny teichoové – spojenie s lipidmi – kyselina lipoteichoová  Kyselina lipoteichoová – pripája peptidoglykán k cytoplazmatickej membráne  Gram negatívne baktérie  Obsahujú len tenkú vrstvu peptidoglykánu  Nad cytoplazmatickou membránou sa nachádza periplazmatický priestor, nad ním je situovaná tenká vrstva peptidoglykánu a na túto vrstvu potom nasadá vonkajšia membrána zložená z fosfolipidov a lipopolysacharidov Transport látok cez biomembrány 2 základné typy transportu – podľa potreby energie 1. Ak sa transport molekúl cez membránu nevyžaduje vklad energie – PASÍVNY TRANSPORT  V smere koncentračného spádu – z miesta s vyššou koncentráciou na miesto s nižšou koncentráciou  Typy pasívneho transportu: jednoduchá difúzia, uľahčená difúzia a osmóza 2. Ak transport molekúl cez membránu vyžaduje vklad energie – AKTÍVNY TRANSPORT  transport látok proti koncentračnému spádu – z miesta s nižšou koncentráciou na miesto s vyššou koncentráciou  Typy aktívneho transportu:  Primárny aktívny transport – ak sa pre transport využíva chemická enrgia vo forme ATP (adenozíntrifosfátu)  Sekundárny aktívny transport – pre transport využíva elektrochemický gradient Pasívny transport – DIFÚZIA  Typ pasívneho transportu  Využíva klesajúci koncentračný gradient  Transport molekúl z miesta s vyššou koncentráciou na miesto s nižšou koncentrácioua  Transport končí vyrovnaním koncentrácie a vzniká stav - equilibrium  Kyslík – bunkové dýchanie Pasívny transport – UĽAHČENÁ DIFÚZIA  Pasívny transport – difúzia, ktorej priebeh je uľahčený pomocou špecifických transmembránových transportných proteínov, ktoré sa transportu zúčastňujú  Pomáha transportu vo vode rozpustných molekúl – hydrofilné – problém pre hydrofóbnu vnútornú časť membrány – transportné proteíny vytvárajú pre nich kanál („bránu“), ktorým môžu prejsť  Príklad: transport glukózy – transportný proteín len pre glukózu – v membráne pečeňových buniek Pasívny transport – OSMÓZA  Pasívny transport – pohyb molekúl vody cez polopriepustnú membránu  Pohyb molekúl vody cez polopriepustnú membránu z miesta s vyššou koncentráciou vody (s nízkou koncentráciou (nízka koncentrácia látok) na miesto s nižšou koncentráciou vody (s vyššou koncentráciou rozpustených látok) – kým sa nevyrovnajú koncentrácie  Veľmi dôležitý typ pasívneho transportu v biologických systémoch – kvôli tomu, že membrány sú polopriepustné a to znamená, že sú nepriepustné pre organické molekuly ale priepustné pre malé molekuly ako je voda, kyslík  Ak je roztok, v ktorom je bunka ponorená hypotonický — je to zriedený roztok s nižšou osmotickou koncentráciou ako vo vnútri bunky – voda bude transportovaná do vnútra bunky – aby zriedila vnútorný obsah bunky s vyšším osmotickým tlakom  Ak je roztok izotonický — rovnaká osmotická koncentrácia vo vnútri bunky aj v jej okolí  Ak je roztok hypertonický — koncentrovaný roztok s vysokou osmotickou koncentráciou v porovnaní s vnútrom bunky – voda putuje z bunky von s cieľom zriediť  Živočíšna bunka Hypertonický roztok (veľmi slaný roztok) v okolí bunky  Molekuly vody sú transportované cez biomembránu von z bunky na miesto s vysokou koncentráciou soli – bunka stráca vodu a preto sa scvrkáva  Živočíšna bunka Hypotonický roztok (destilovaná voda) v okolí bunky  Koncentrácia soli je vyššia vo vnútri bunky oproti jej okoliu s destilovanou vodou a preto je voda transportovaná do vnútra bunky pre zriedenie solí – bunka sa nafukuje až nakoniec praskne  Pri erytrocytoch (červené krvinky) sa tento proces označuje ako hemolýza Rastlinná bunka a osmóza  Rastlinné bunky pred praskaním bunkovou stenou na svojom povrchu – preto vedia tolerovať aj veľké osmotické rozdiely medzi ich vnútorným prostredím a extracelulárnym priestorom  Hypertonický roztok – voda ide von z bunky a cytoplazma sa scvrkáva ale tvar bunky ostáva vďaka bunkovej stene zachovaný – plazmolýza  Hypotonický roztok – bunka nasáva vodu, ale nepraská – chráni ju bunková stena Aktívny transport – PRIMÁRNY AKTÍVNY TRANSPORT  Priamy transport – využíva chemickú energiu pre transport cez membránu proti koncentračnému spádu  Chemická energia – ATP (adenozíntrifosfát)  Sodíkovo-draslíková pumpa – pumpa poháňaná ATP Koncentrácia draslíkových katiónov K+ je za normálnych okolností 10- 20 krát vyššia vo vnútri bunky ako v extracelulárnom priestore A koncentrácia sodíka je zase vyššia v extracelulárnom priestore v porovnaní s vnútorným prostredím Aby ostali zachované tieto koncentrácie draslíka a sodíka – sodíkovo- draslíková pumpa v membráne buniek Pumpa funguje ako antiportér (protitransportér) – aktívne pumpuje sodíkové katióny (Na+) von z bunky proti koncentračnému gradientu a následne sú draslíkové ióny (K+) pumpované dovnútra bunky  SEKUNDÁRNY AKTÍVNY TRANSPORT spriahnuté prenášače Transportný proteín spája transport iónov (Na+ alebo H+) v smere ich koncentračného spádu s transport inej molekuly alebo iónu proti koncentračnému spádu – energia uložená pri prechode v smere koncentračného spádu sa použije na transport iónu proti koncentračnému spádu Poháňajúci ión – transport v smere koncentračného spádu Poháňaný ión – transport proti koncentračnému spádu Sekundárny aktívny transport – energia nepochádza priamo z ATP – ale ide o energiu koncentračného spádu 2 varianty Ko-transport (symport) - symport Na+/glukóza Exchange (antiport) - antiport Na+/Ca2+ Sodium (Na) – často používaný ako poháňajúci ión SEKUNDÁRNY AKTÍVNY TRANSPORT Príjem tekutých a pevných čiastočiek bunkou Transfer veľkých molekúl (polysacharidov a proteínov) cez membránu pomocou vezikúl 2 formy: EXOCYTÓZA Export – výdaj látok z bunky Transportné vezikuly prichádzajú k membráne, spájajú sa s ňou a uvoľnia obsah do vonkajšieho prostredia ENDOCYTÓZA Opak exocytózy PRÍJEM látok do bunky pomocou vezikúl cez cytoplazmatickú membránu Endocytóza  Proces, ktorým bunka prijíma molekuly (napr. proteíny) z vonkajšieho prostredia pohltením cytoplazmatickou membránou  Využívané všetkými bunkami tela – keďže veľké polárne zlúčeniny nemôžu voľne prechádzať membránou  Regulácia dôležitých procesov – príjem živín, adhézia buniek, migrácia buniek, neurotransmisia, prezentácia antigénu, mitóza, atď...  Priebeh endocytózy  Cytoplazmatická membrána obkľúči materiál vytvorením panôžok alebo vznikom preliačeniny  Prestavba cytoplazmatickej membrány  Vytvorenie vezikuly na vnútornej strane membrány a odštiepenie tohto mechúrika, ktorý putuje na miesto, kde je potrebný  Typy endocytózy  fagocytóza (“bunkové jedenie”)  pinocytóza (“bunové pitie”) Fagocytóza  Bunkové jedenie – príjem veľkých čiastočiek – napr. mikroorganizmov a bunkového debritu formou endocytickej vakuoly – FAGOZÓMU (>250 nm)  Protozoa – prijímanie potravy touto formou  Cicavce – 2 triedy bielych krviniek fungujú ako profesionálne fagocyty – makrofágy (monocyty) a neutrofily  Fagozóm sa spojí s lyzozómom  Pinocytóza  Bunkové pitie – proces, pri ktorom sú pohlcované rozpustné, nízkomolekulové látky, pričom sa vytvárajú malé vezikuly, ktoré sa v bunke spájajú s lyzozómami – hydrolýza a vďaka tomu získava bunka primárne produkty pre tvorbu napríklad bielkovín  Primárne sa využíva pre absorpciu extracelulárnej tekutiny a vytvára menšie vezikuly ako pri fagocytóze (150nm) Exocytóza  Proces, pri ktorom bunka vylučuje obsah vezikúl cez bunkovú membránu do extracelulárneho priestoru  Napr. membránové lipidy a bielkoviny  Exocytóza je opačný proces endocytózy