Struktura membrán PDF

STRUKTURA MEMBRÁN (Ivo Šaman - 15. 11. 2010) Význam buněčných membrán – Plasmatická membrána odděluje buněčné složky od okolního prostředí. Tím pádem si buňka může vevnitř utvářet chemické prostředí, které potřebuje pro enzymatické procesy. –...

STRUKTURA MEMBRÁN (Ivo Šaman - 15. 11. 2010) Význam buněčných membrán – Plasmatická membrána odděluje buněčné složky od okolního prostředí. Tím pádem si buňka může vevnitř utvářet chemické prostředí, které potřebuje pro enzymatické procesy. – Umožňuje organelám vykonávat specializované funkce udržováním obsahu organel odděleně od zbytku buňky == > Kompartmentalizace = rozdělení buňky na kompartmenty a v každém kompartementu probíhají různé biologické a chemické procesy. – Zajišťuje rozhraní pro vytváření elektrochemických gradientů, které jsou nutné pro syntézu ATP (jeden z nejdůležitějších energetických zdrojů buňky) a vytváření nervových vzruchů. Základní kámen fosfolipidu - amfipatické lipidy, proteiny, nekovalentní interakce Membrána je tvořena nekovalentními interakcemi, což jí umožňuje určitou tekutost (=fluiditu), určité složky mohou různě putovat a pohybovat se. Hlavními složkami membrány jsou antipatické lipidy a proteiny. Antipatická znamená, že má dvě části. Jedna část je nabitá (hydrofilní, polární, rozpustná ve vodě), druhá část je nepolární (nenabitá, hydrofobní, nerozpustná ve vodě). Fosfatidylcholin je struktura, která je obecně stejná pro všechny fosfolipidy. Základní strukturou je glycerol na něj je přes fosfátovou skupinu navázána aminokyselina, to je ta polární hlavička. Na druhé straně jsou zbytky mastných kyselin, které mohou být nasycené nebo nenasycené a to je právě ten nepolární konec. Mastné kyseliny – (Znát ty s hvězdičkami) Nejčastější mastné kyseliny jsou ty, které jsou označené hvězdičkami. Nejčastější jsou palmitová a stearová. Liší se jen počtem uhlíků, jsou úplně nasycené, dále olejová, linolová a linoleová – ty se zase liší počtem dvojných vazeb. Tři typy membránových lipidů a) fosfolipidy b) cholesterol (sterol) – jen u živočišných buněk se vyskytuje další látka mimo fosfatidylserinu (sterol). Podílí se na fluiditě membrány c) galaktocerebrosid (glykolipid) – místo AK je zde navázaný zbytek cukru. 1 Různé druhy fosfolipidů Serin – má celý záporný náboj, sfingomyeliny – fosfátový zbytek je stejný, ale je jiným způsobem navázaný zbytek mastné kyseliny (detail). Uspořádání fosfolipidů Molekuly se snaží zaujmout energeticky nejvýhodnější uspořádání, navazují k sobě hydrofóbní zbytky a vodnímu prostředí nastavují hydrofilní část. Vytváří se dvouvrstva a dále k vytváření vezikulů, neboli váčků. Fosfolipidy mají zvláštní vlastnost pokud je dáme do vodného prostředí. Je to dáno právě tím afipatickým uspořádáním. Pokud mají jen jeden mastný zbytek, tak ve vodném prostředí vytváří micely. Ty polární hlavičky jsou pak vystaveny do vody. V případě membrán jsou ale dva zbytky a nemohou se dostat tak blízko k sobě, aby vytvořily micely, takže tvoří lipidickou dvojvrstvu. Zase hlavičky jsou vystaveny do vodného prostředí. Tato membrána má na svém okraji vystavené ty konce do vodného prostředí, samovolně dochází ke spojování, protože je to nevýhodné, vytváří se tak kompartmenty – základy všech transportních váčků (vpravo) Fosfolipidová vrstva není pevná, má konsistenci gelu (přibližně) Plazmatická membrána umožňuje laterální difusi – umožňuje rotaci a pohyb lipidů a ve vzácných případech i flip-flop (čili přeskočení z jedné strany membrány na druhou), je k tomu třeba ale velké množství energie. Existují na to nespecializované enzymy, které to katalyzují. Je to třeba v různých signálních drahách a nebo při růstu membrán. Některé fosfolipidy mají dvojné vazby a protože ta dvojná vazba má jiný úhel, tak ten konec je ohnutý, ty fosfolipidy se nemohou tak těsně shlukovat, takže se zvyšuje fluidita (=tekutost) membrány. Regulace fluidity je velmi důležitá, buňka potřebuje mít mebránu takovou, aby tam mohlo docházet k těm difúzím apod. U obratlovců jsou téměř všechny membrány uzpůsobeny 37°C, ale co ryby v chladných mořích, kde jsou 4 °C? Potřebují mít stejně fluidní membránu – řeší to tak, že do 2 membrány zakomponují více dvojných vazeb. Cholesterol Tím, že má na rozdíl od normálních fosfolipidů jen jeden uhlovodíkový konec. Normální fosfolipidy mají ty zbytky mastných kyselin dva a volné, mohou se otáčet, ohýbat. Jádro cholesterolu je rigidní pevná struktura, nemůže se otáčet, když se vmezeří cholesterol do membrány, tak snižuje fluiditu membrán a omezuje pohyb uhlovodíkových řetězců. Hydrofilní, polární část je malá a představuje ji jen OH skupin.. Cholesterol je jen v živočišných buňkách. Fluidita membrány Membrána je funkční v dost velkém rozsahu teplot a je to právě díky fluiditě membrán. Regulace je pomocí poměru nasycených a nenasycených kyselin a také pomocí cholesterolu. Dva faktory podílící se na fluiditě plasmatické membrány – Jestliže obohatíme normální kyselinu v membráně (teplota tání asi 28 °C) o kyselinu stearovou, která má nasycené vazby, tak se teplota tání zvedne až na 70 stupňů. Jeden z hlavních faktorů jsou nasycené a nenasycené vazby – Druhým faktorem jsou délky uhlíkových řetězců. (Pravý obrázek) – do deseti uhlíků bude mít teplotu tání asi 10 °C, když tam bude 20 uhlíků, tak už teplota bude až 70 °C. Červené sloupečky ukazují vliv dvojných vazeb. Buňka může ovlivňovat fluiditu membrány. – Regulace fluidity je důležitá u studenokrevných živočichů 3 Růst membrán Když dochází k růstu membrán, tak díky tomu, že fosfolipidy jsou syntetizovány v cytoplazmě a inkorporovány pouze z jedné strany do té membrány (jsou přidávány jen z vnitřní strany). Ale existuje specielní enzym (flipáza) a ta katalyzuje ten flip-flop = přenos fosfolipů z jedné strany na druhou a tak membrána může růst z obou stran. Flipáza tedy zajišťuje přechod z jedné strany na druhou, tím se zajišťuje oboustranný růst. FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching = Obnova fluorescence po fotovysvěcování. Jestliže vezmeme buňku, tak fosfolipidy na povrchu můžeme označit nějakou fluorescenční, pak ji zaměříme do určité oblasti laser a vysvítíme tu fluorescenci. Když se na ni podíváme po vynutí laseru, nebude tam žádná fluorescence, ale po čase ano – je to dáno tím, že se tam přesouvají ty nevysvícené molekuly z okolí = důkaz toho, že dochází k přesunu. FLIP (Fluorescence Loss In Photobleaching) = ztráta fluorescence při fotovysvěcování. Nevysvěcuje se zde jen jedno místo, ale kontinuálně svítíme laserem do jedné oblasti. (viz obrázek vlevo). Prokázat se to dá také pomocí fůze buněk (vpravo). Lidská buňka vpravo (fosfolipidy označeny červeně, myší označeny zeleně). Dokážeme jejich membrány zfázovat, nejdříve uvidíme, že jsou v buňce rozděleny fosfolipidy napůl, ale po 40 minutách už jsou homogenně rozděleny po celé ploše. Celý proces je energeticky pasivní. 4 Polarizace membrán Membrány jsou chemicky jiné na vnější straně a na vnitřní straně. Nejvíce dramatické je to u plazmatické membrány, na povrchu buňky. U organelárních to tak dramatické není. V živočišné buňce se na vnější straně membrány nejčastěji vyskytuje fosfatidylcholin, sfingomyelin, glykolipidy – což jsou molekuly, které mají na svém konci cukerné zbytky. Pomocí struktury ta buňka dokáže rozpoznat, která buňka je vlastní a která může být antigenem. Cukry a jejich struktura je využívaná k rozpoznávání vlastních struktur. Jestliže dojde k poškození a glykolipidy jsou poškozeny, tak dochází k autoimunitním chorobám. Na vnitřní straně membrány je výhradně fosfatidylserin. Když dojde k poškození a reparační systém už ji nezachrání, tak ta flipáza začne přesouvat fosfatidylserin na vnější část a ta to rozezná a určí buňku k zániku. Fosfatidylserin je jen na vnitřní straně plazmatické membrány. – Na vnější straně je sfingomyelin, glykolipidy, mají cukernou složku, nemůže tady být fosfatidylserin – Na vnitřní straně nejsou nikdy ty, co mají cukernou složku, vždy je tady fosfatidylserin – je to signální molekula Polarizace membrán – graficky Sfingomyelin je převážně na vnější straně membrány, stejně tak fosfatidylcholin. Fosfatidylserin je výhradně složkou vnitřní plazmatické membrány (slouží jako signální molekula při poškození buňky). Glykolipidy Na rozdíl od fosfolipidů zde polární hlavičku tvoří cukerný zbytek. Zbytek může být jednoduchý (glaktosiáza) a nebo může být i složitý. Struktura těch sacharidů je velmi důležitá při rozpoznávání molekul imunitním systémem. Glykokalix Do membrány jsou vmezeřené proteiny, pouze na vnější straně membrány jsou různé glykolipidy a proteiny. Proteiny jsou glykolizovány (navazují se na ně cukerné zbytky). Celá tato struktura se nazývá glykokalix. Slouží k rozpoznávání pro imunitní systém. Struktura jde krásně vidět i na 5 elektronovém mikroskopu. Polarita cytoplasmatické membrány Základem jsou fosfolipidy, případně cholesterol, pak vmezeřené proteiny, ty jsou na vnější straně glykolizovány (mají cukerné zbytky), různé struktury extracelulární matrix, na vnitřní straně je zde buněčný kontext, který je součástí cytoskeletu buňky. Membránové proteiny Podílejí se na transportu (z buňky ven nebo z prostředí dovnitř). Buňka se nemůže jen tak uzavřít, potřebuje z vně buňky dovnitř a také se potřebuje některých látek zbavovat. Jsou důležité pro komunikaci mezi buňkami, jedná se o různé receptory, které přijímají nebo vysílají signály do okolí buňky. Mají enzymatickou aktivitu – jsou ukotveny v membráně, katalyzují nějaké chemické reakce. Typy membránových proteinů 1) Nejčastější strukturou je alfa-šroubovice (alfa-helix), protein může mít jednu šroubovici (1), ale může jich mít i více. Nejčastěji jich mívá 7 (2). 2) Beta-barel – struktura vytvářená z beta-skládaných listů (3), vytváří díru v membráně a umožňuje, že mohou některé větší látky procházet. V porovnání s alfa-šroubovicemi jsou to vzácnější struktury, jsou spíše v prokaryotických buňkách (čili i v chloroplastech a mitochondriích). 3) Pomocí zbytku mastných kyselin, které jsou navázány na protein – mohou být z vnitřní i z vnější strany (5 a 6) 4) Proteiny, které interakcemi asociují s rozličnými strukturami, které už jsou v membráně zakotveny (7 a 8) 6 Membránové proteiny ukotvené pomocí lipidů Lipofilní kotva zajišťuje to, že se vmezeří část molekuly do plazmatické membrány (vlevo níže) Alpha-helix (vlevo) Primární struktura je dána pořadím AK v proteinů. Sekundární je alfa-šroubovice a beta-skládaný list. Je vytvářena vodíkovými můstky mezi kyslíkem a vodíkem a mezi jednotlivými AK. Dochází tak ke stáčení do šroubovice. Typy aminokyselin Máme několik skupin AK: a) polární – dobře se rozpouští ve vodě b) nepolární – nenesou žádný náboj částečný ani celkový, nemají rádi vodu, ale mají rádi hydrofobní část plazmatické membrány. Alfašroubovice je převážně vytvářena nepolárními AK, díky tomu dobře interagují se zbytky mastných kyselin a dobře se vmezeřují. Transmembránová alfa šroubovice Tloušťka hydrofobní části lipidické membrány je 3 nm. Jedna otáčka šroubovice měří 0,54 nm a je tvořena 3.5 AK takže transmembránová doména tvořená alfa šroubovicí je dlouhá přibližně 20 aminokyselin. AK musí být převážně hydrofobní, nepolární, tak z primární struktury proteinů (který známe), tak můžeme pomocí určitých programů předikovat, který z protein bude transmembránový. 7 Hydropatický graf A) – je zde jedna struktura, která má jednu transmembránovou alfa- doménu (tmavě zelená) B) – zde je 7 transmembránových alfa-helixů, bude se jednat o protein, který bude mít 7 alfa- helixů, které prostupují tou plazmatickou membránou. U bacteriorhodopsinu jsou ty proteiny uspořádány do kruhu, vytváří se tak buněčný pór. Glycophorin Další vlastnosti mnoha alfa helikálních transmembránových proteinů: – Sh skupiny (z cysteinu) na cytoplasmatické straně membrány jsou redukované a na vnější straně jsou oxidované na S-S (disulfidické můstky), ty jsou důležité pro tvoření terciární struktury (udržují tvar), ale podílejí se i na vytváření kvartérní struktury. – Cukry jsou kovalentně navázány na určité aminokyseliny na vnější straně plasmatické membrány (glykosylace – nese na sobě oligosacharidové zbytky, důležité pro rozpoznávání imunitním systémem). Protein 3 je znám jako beta-soudek (beta barrel) (obrázek dole) a je složen z antiparalelních beta skládaných listů stočených do soudkovitého tvaru. – Je mnohem vzácnější než alfa-šroubovicové trasnmemebránové domény – omezen na vnější membrány bakterií, chloroplastů a mitochondrií (ty mají také prokaryotický původ). – Polární aminokyselinové postranní řetězce jsou umístěny uvnitř soudku, a nepolární aminokyselinové řetězce se nacházejí na vnější straně. Beta-skládaný list (vlevo) Sekundární struktura proteinů, je tvořena pomocí nekovalentních interakcí (vodíkových můstků). 8 Betabarely mohou být od jednodušších až po komplikované (mají třeba 22). Mohou sloužit jako receptory, předávají signál na vnitřní stranu buňky, mohou sloužit jako enzymy, mohou sloužit jako kanály (utvářet póry), ty umožňují zase transport a nebo mohou sloužit jako transportery, na rozdíl od kanálu mají nějaké vazebné místo, na které se to naváže a potřebuje pak energii na to, aby to přesunul z jedné strany na druhou. Detergenty Sulfátová hlavička zajišťuje to, že je to vtaženo do vodného prostředí. Detergenty jsou důležité látky pro studium membránových proteinů. Detergenet se začne vmezeřovat do plazmatické membrány a rozpouští membránové proteiny Slabé neonické detergenty rozpustí membrány bez toho, aby denaturovaly membránové proteiny. Ionické detergenty rozpustí membrány a denaturují proteiny Přítomnost lze zase dokázat pomocí FRAP. V tomto případě neoznačujeme fosfolipidy, ale proteiny a zase se zde vrací fluorescence téměř na původní úroveň. (Obrázek). 9 SDS-PAGE (Polyacrylamide Gel Electrophoresis Po electrophoretickém rozdělení se proteiny v gelu obarví barvivem , které se váže na proteiny. Váže se na proteiny v množství proporcionálním k molekulové hmotnosti proteinu (přibližně 1 SDS molekula na každé 2 aa). Navázané SDS nese velký náboj ---> vnitřní náboj proteinu, takže proteiny se na gelu rozdělují téměř výhradně na základě svých molekulových hmotností. Buněčný kortex (buněčná kůra) - vlevo Na vnitřní straně plasmatické membrány. Skládá se převážně z aktinových filament, které jsou pospojovány a vytváří strukturu. Zvyšuje mechanickou odolnost membrány (zpevňuje ji). Komunikuje s membránou, může některé proteiny ukotvovat Kompartmentalizace membránových proteinů Co když buňka potřebuje, aby některé proteiny byly jen na určité části? Existuje několik mechanismů, jak může buňka zamezit volné difuzi a nebo ji to aspoň znepříjemnit. a) protieny budou vytvářet aglomeráty, budou spolu interagovat, ty pak z hlediska termodynamiky budou mnohem lépe difundovat b) navázáním (nekovalentně) se protieny navážou na struktury extracelulární matrix c) proteiny se také mohou navázat zevnitř na buněčný kortex, to je rigidní struktura, takže se to nebude moc pohybovat d) interagují s proteiny druhé buňky GAP-junction – těsné spoje zamezují difuzí do ostatních částí, proteiny mohou pobíhat jen po jedné části. (vpravo). Když si buňka nepřeje, aby se 10 proteiny nepohybovaly, tak to dokáže zařídit. Červené krvinky slouží, jako jeden z hlavních stud. materiálů. Je to kvůli tomu, že nemají jádro ani žádné další kompartmenty, vše, co je homogenizováno je plazm. membrána. Přenos látek přes membrány – Sodíkové kationty jsou uvnitř buňky velmi potlačované – Draslík je pro buňku velmi důležitý, z velké většiny buňky obsahuje části, které mají záporný náboj a právě tím draslíkem to vyvažují. – Uvnitř buňky je velmi málo sodíku a mnoho draslíku. Venku je to naopak. Propustnost plasmatické membrány (dole) Některé molekuly mohou difundovat samovolně – kyslík, CO2 a nebo benzen – malé hydrofobní molekuly. Další látky, které mohou procházet částečně jsou voda močovina, glycerol – jsou polární. Glukóza a sacharozóza prochází špatně, takže potřebují systém transportu. No a některé nemohou procházet samovolně vůbec, protože jsou odpuzovány. Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou membránu je zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových trasportních proteinů (dole) a) Přenašečové proteiny – je ukotven v membráně, má na sobě vazebné místo pro přenášenou vazebnou molekulu a buď za dodání energie a nebo za využití energie koncentračního gradientu dojde ke konfirmační změně a pak transportu na druhou stranu. b) Kanálové proteiny – umožňují průchod molekul tím, že vytváří pór (dírů) v membráně a látky tak difundují po svém koncentračním gradientu. Pór může být otevřený či uzavřený a je to regulováno celou řadou dalších faktorů. 11 Čtyři cesty molekul a iontů přes membrány Na pravé straně je směr koncentračního gradientu. Máme několik druhů transportů: - difúzi, pak máme - pasivní transport – dostávají se na druhou stranu po koncentračním gradientu, ale samy by nemohly – sem patří i kanálové transportery a nebo přenašečové proteiny. - Aktivní transport - Pokud chce buňka transportovat něco proti gradientu, tak se musí dodat energie (buď hydrolýzou ATP a nebo za použití sluneční energie). Elektrochemický gradient Látky, které nenesou žádný náboj. Látka, která má nějaký náboj a má být transportována to zesložiťuje. Membrána, která nenese žádný náboj, tak se ten její gradient rovná tomu chemickému. Ale jestliže transportuje molekulu, která nese záporný náboj, tak je to mnohem více přitahováno – je to tedy už součet obého – elektrochemický gradient. Jestliže je membrána na vnitřní straně kladně nabitá a transportovaná také, tak se to odečítá, je totiž odpuzována (znázorněno tloušťkou šipky). Součtem chemického (=koncentračního) + gradientu nábojů vzniká elektrochemický gradient. Přenašečové proteiny (Carrier proteins) Přenašečový protein naváže transportovanou molekulu na jedné straně membrány, projde konformační změnou a uvolní molekulu na druhé straně membrány. S využitím energie toho koncentračního gradientu glukózy, dojde ke konfirmační změně a k přenosu na druhou stranu membrány. Přenašečové proteiny jsou ekvivalentem enzymů. Enzym má vazebné místo pro substrát, ale samotný enzym se nemění. Přenašečový protein má vazebné místo, sám se taky nemění, slouží k transportu V závislosti na tom kolik různých molekul je transportováno a kterým směrem, rozlišujeme tři základní způsoby transportu: – Uniport – přes jeden protein přenášena jedna molekula – Symport – kotransport – dvě různé molekuly jedním směrem – Antiport – zase dvě molekuly, ale v opačných směrech 12 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 přenašené látky, těch přenašečových proteinů je tam jen určité množství. Pokud ho zahltíme, tak se ta rychlost stejně zvýšit nemůže. Spojením konformační změny se zdrojem energie mohou přenašečové proteiny provádět aktivní transport. Aktivní transport – molekula se přenáší přes membránu proti svému elektrickému gradientu. To se může dít několika způsoby: a) spřažený transport – žlutá kulička se přenáší proti chemickému gradientu – spolu se žlutou kuličkou se přenáší modrý čtvereček, který má větší energii a stáhne ji sebou, je to tzv. kotransport. b) Využití chemické energie při hydrolýze ATP. Elektrochemický gradient je překonán tou energií, která se uvolní z ATP. c) Přenašeče využívající energii světla - energie z fotonů. Typický příklad antiportu je (Na+-K+ ATPase). Podílí se na tom, že na vnitřní straně je vysoká koncentrace draslíku a nízká sodíku (vytváří koncentrační gradient Na+ a K+ iontů). Na+ a K+ pumpa (Na+-K+ ATPase) v plasmatické membráně je antiporter, který provádí aktivní transport Přímý aktivní transport: Na+ a K+ pumpa V prvním kroce se na vnitřní straně naváží 3 sodíkové ionty do specifického místa a dojde k hydrolýze ATP na ADP. Způsobí to konfirmační změnu té pumpy a uvolnění sodíkových iontů na vnější straně, současně se uvolní místo pro draslíku, uvolní se fosfát, pak dojde navázání draslík a ten je přenesen na druhou stranu. Na+ gradient vytvořený Na+ - K+ ATPázou pohání transport glukózy do buňky pomocí Na+ - poháněného glukózového symporteru. Glukóza má koncentrační gradient ven z buňky, ale tady je transportována dovnitř do buňky. Elektrochemický gradient těch sodných iontů je silnější, než glukózy, takže ji vtáhne sebou a díky pumpě se udržuje sodíkodraslíkový gradient. 13 Ven se transportují jen 2 ionty draslíku a dovnitř 3 sodíky. Jeden je právě používán pro transport glukózy. Energeticky příznivý pohyb Na+ po svém elektrochemickém gradientu je spřažen s energeticky nepříznivým transportem glukózy proti svému koncentračnímu gradientu. Tři přenašečové proteiny patřičně rozmístěné v plasmatické membráně zajišťují transport glukózy přes střevní epitelové buňky. Uvnitř buňky je vysoký gradient glukózy. Glukóza je vychytávána z lumenu proti svému koncentračnímu spádu, je to právě díky tomu symportu. Pak je třeba aby se dostala do krve a tam už to jde po svém koncentračním spádu (i když je tam stále sodíkodraslíková pumpa). Vápníková pumpa sarkoplasmatického retikula (dole) Vysoká koncentrace vápníku je třeba v sarkoplazmatickém retikulu, tento vápník je třeba ke spouštění svalové reakce. Iontové kanály a membránový potenciál Jsou to kanálové proteiny, které se nachází v buněčné membráně, na které se nachází buněčné póry a umožňují průchod iontů. Tyto iontové kanály jsou většinou vytvářeny 5-7mi transmembránovými proteiny. Zbytky Ak, které se nachází uvnitř póru, jsou polární. Tím pádem se utváří vodní pór, který umožňuje, že ionty mohou pronikat přes membránu z jedné strany na druhou. Aby ta buňka mohla fungovat, tak ty kanály musí být iontově selektivní. Každý kanál tak propouští jen jeden typ iontů. Jsou uzavíratelné, je to velmi přesně regulováno. Ionty tak mohou a nemusí pronikat. Horní pohled – každý kruh představuje alfa-helix a R-skupiny jsou aminokyselinové postranní řetězce, které uvnitř kanálu vytvářejí tzv. selekční filtr (sectivity filter). 14 Tabulka propustnosti pro jednotlivé ionty Selektivita sodného kanálu Kanál má určitý průměr, draslíkový iont je větší, nevejde se tam kdežto sodný iont ano. Jestliže budu mít draslíkový kanál, tak bude větší, ale jak zabráníme tomu, aby tam prošel sodík? 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. Karboxylové skupiny nejsou schopny vytěsnit všechny molekuly vody, tím nemůže projít. Celá finta je právě v odstraňování hydratačního obalu. Iontové kanály oscilují mezi otevřeným a uzavřeným stavem za účelem regulace toku iontů a) Napěťově (Elektricky) ovládané kanály reagují na membránový potenciál. b) Chemicky ovládané kanály reagují na navázání malých molekul = ligandy, ty pak třeba vytváří chemické synapse. c) Mechanicky ovládané kanály reagují na pohyb – např. vznik signálů v ušních bubíncích. Klidový membránový potenciál U eukaryotických buněk je výsledkem koordinované činnosti přenašečových proteinů a iontových kanálů. Na membráně buňky je sodíko-draslíková pumpa, která je poháněná energií ATP. Náboje jsou vyrovnané. Během evoluce se objevila vychytávka – výtokové draslíkové kanály (k+ leak channel) – jsou specifické pouze pro draslík, vysoká koncentrace draslíku je vevnitř buňky. Tyto kanály se náhodně otvírají a zavírají. Draslík po svém koncentračním spádu (elektrochemický gradient tu není) se dostává ven z buňky. Každý draslík, který 15 opustí tu buňku, tak za sebou zanechá záporný náboj. Když dojde k vyrovnání, tak vznikne membránový potenciál – je to rovnovážný stav mezi tou silou, která táhne draslík ven a tou, která ho táhne dovnitř. 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 Klidový membránový potenciál: Nernstova rovnice Nervová buňka – neuron Skládá se z několika částí: a) dendrity – rozvětvené výběžky, které přijímají signály z axonů. b) tělo buňky – umístění jádra a buněčných organel. c) axon – jediný dlouhý výběžek, který vede signál směrem od těla buňky Nervový impuls (vzruch) je výsledkem elektrického narušení klidového potenciálu 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 od těla buňky. 16 Pasivně se depolarizace membrány šíří pouze na malé vzdálenosti (vpravo) Napěťově ovládané kanály jsou klíčové pro vznik a šíření akčního potenciálu (níže) Kanál může být buď uzavřený nebo otevřený. V tomto případě je důležité, že existuje stav, kdy je kanál inaktivovaný. Je uzavřený, ale i když dojde k depolarizaci, tak se ten kanál stejně nějakou dobu vůbec neotevře. Vzruch se tak šíří jen jednosměrně (nemůže se šířit tam a zpátky zároveň). Struktura a funkce napěťově ovládaného Na+ kanálu (níže) - Uzavřený kanál, depolarizace, otevře se, sodné ionty mohou vnikat dovnitř, ale po krátkém čase dojde k uzavření a inaktivaci a ani další depolarizace ho neotevře, až po nějaké delší době. Nadprahová depolarizace způsobí vznik akčního potenciálu (vpravo) 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. Ne každá malá depolarizace může způsobit akční potenciál, musí vždycky přesáhnout nějakou prahovou hodnotu. 17 Cyklus konformací Na+ kanálu – uzavřený, otevřený, inaktivovaný – zajišťuje propagaci akčního potenciálu podél axonu. Akční potenciál se nachází uprostřed, došlo k depolarizaci, otevřel se kanál, sodné ionty šly dovnitř, to ve svém okolí způsobuje depolarizaci, vpravo to způsobuje, že se otevře další kanál. Vlevo se ale otevřít nesmí (tam je to v tom inaktivovaném stavu). Vznik akčního potenciálu vyžaduje depolarizaci membrány nad hodnotu prahového potenciálu. Tento proces začíná na chemických synapsích. Elektrický impuls dojde do nervového zakončení toho axonu, tam se nachází neurotransmitery, malé molekuly, které dokáží ovládat chemicky ovládané kanály. Jestliže dojde ten vzruch až do synoptického vehikulu, otevře se vápenatý kanál, ten váček zfúzuje s plazmatickou membránou a dojde k uvolnění toho neurotransmiteru. Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší nervové impulsy na chemických synapsích Z jednoho neuronu na druhý je to předáváno chemicky. Nejznámější neurotransmiter je acetylcholin. Také některé jedy působí na úrovni neurotransmiterů. 18 Excitační vs. inhibiční synapse Excitační přispívají k tomu, aby došlo k dpolarizaci membrány a posunu toho vzruchu. Existují ale i inhibiční synapse a ty fungují opačně. Když dojde k depolarizaci, otevře se kanál, tak uvolní cestu pro chlorné ionty, které jsou záporné a prohloubí se ten potenciál a působí tak opačně. 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 (Scwann 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. Axony, které vedou vzruchy na velké vzdálenosti (až 1 m u obratlovců), mají myelinovou pochvu. Utváří jakousi izolaci. Jsou odděleni asi po 1 mm, tam jsou místa Ranvierovy zářezy, chybí zde izolace a zde se 19 nacházejí napěťově ovládané sodné kanály. Když dojde do jednoho zářezu, sodné ionty se hned přesouvají k dalšímu zářezu a z toho zářezu se šíří zase velmi rychle na další. Nedochází k tak velkým ztrátám. Akční potenciál přeskakuje rychle z jednoho zářezu na druhy Neuromuskulární spoj je příklad, jak akční potenciál z neuronu spouští odpověď v jiném typu buňky. Předává se signál z nervové buňky na buňku jiného typu (svalovou). Zase se na tom podílí acetylcholin. Neurotransmiter se dostane mezi neurosvalovou šterbinu, kde je chemicky ovládaný iontový kanál a dostane se dovnitř. Elektrické synapse Jsou to synapse, kde ty dvě membrány jsou propojeny kanály a ten signál, který dospěje do konce je propagován do postsynaptické buňky. Výhoda je v tom, že elektrická synapse je mnohem rychlejší. Hlavní důvod je, že u elektrických není možné zaručit propagaci toho materiálu jen jedním směrem. U chemických to je jednoznačné. Srovnání přenosu akčního potenciálu přes elektrické a chemické synapse 20