22.02.2012 Wykład 2
TEMAT: Błona komórkowa
Podstawowe cechy błony komórkowej:
delikatna i cienka (5-7 μm)
elastyczna
prezentuje model płynnej mozaiki
półprzepuszczalna - decydują o tym dwie warstwy lipidów, stanowią istotę struktury błony i działają jako bariera przepuszczalności,
ma konsystencje oleju
Przepuszczalność błony komórkowej - im mniejsza cząsteczka i mniej polarna, tym szybciej dyfunduje (woda i małe cząsteczki niepolarne - na drodze prostej dyfuzji). Jony, cukry, aminokwasy itp. - przenoszone przez wyspecjalizowane błonowe białka transportujące.
Funkcje błony komórkowej:
reguluje transport wybranych substancji do i z komórki
reaguje na bodźce chemiczne, termiczne i mechaniczne
funkcje enzymatyczne - katalizuje reakcje metaboliczne
utrzymuje równowagę między ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki
decyduje o kształcie komórki
chroni komórki przed działaniem czynników fizycznych i chemicznych, a także przed wnikaniem do niej ciał obcych
odgrywa rolę w ruchu komórek
Struktury błonowe w komórce:
- retikulum endoplazmatyczne,
- jądro,
- peroksysomy,
- lizosomy,
- aparat Golgiego,
- błona komórkowa,
- mitochondria,
Składniki błon: głównie lipidy, białka, a także węglowodany
LIPIDY BŁON
są amfipatyczne tzn. każda cząstka ma grupę hydrofilową (głowa) i hydrofobową (ogon), części hydrofobowe są skierowane do wewnątrz błony
najliczniejsze są fosfolipidy, także występują glikolipidy i cholesterol
w fosfolipidach hydrofilowa głowa z resztą cząsteczki połączona jest grupą fosforanową (fosfatydylocholina).
występujące fosfolipidy to: fosfatydylocholina, fosfatydyloseryna, fosfatydyloinozytol, fosfatydyloetanoloamina, sfingomielina, cholesterol ( w 10% i nie ma go w komórkach bakterii i w komórkach roślinnych)
Ruchliwość fosfolipidów:
- dyfuzja boczna,
- rotacja,
- flip-flop (rzadko występuje) - przeskok z jednej warstwy do drugiej,
Płynność dwuwarstwy lipidowej zależy od:
rodzaju ogona węglowodorowego fosfolipidu (długości węglowodoru i stopnia nienasycenia)
błona jest tym bardziej płynna im więcej zawiera nienasyconych wiązań w węglowodorowych ogonach
błona jest tym bardziej lepka i mniej płynna im ściślejsze i bardziej regularnie upakowane są ogony węglowodorowe
obecność cholesterolu w komórkach zwierzęcych zwiększa sztywność błony - sztywne cząsteczki steroidu wypełniają wolne przestrzenie między lipidami (brak w bakteriach, drożdżach, roślinach)
Płynność błony dla komórek jest ważną cechą:
- umożliwia szybką dyfuzję białek błonowych w dwuwarstwie lipidowej i ich wzajemne oddziaływanie np. w sygnalizacji komórkowej,
- dzięki płynności możliwe jest dyfuzyjne rozprowadzenie lipidów i białek błonowych z miejsc, w których są one po swojej syntezie wbudowywane do innych obszarów komórki,
- umożliwia fuzję błon ze sobą i wymieszanie ich cząsteczek - to przy podziale komórek zapewnia równomierne rozdzielenie tworzących błonę cząsteczek pomiędzy komórki potomne,
Cholesterol (10%) - należy do steroidów, jego rola to uszczelnienie błony, w komórce zwierzęcej moduluje on płynność błony, brak go u roślin, drożdży i batkerii.
Dwuwarstwa lipidowa jest asymetryczna: lipidy zewnętrznej warstwy zawierają głównie fosfatydylocholinę, sfingomielinę i glikolipidy. Warstwa wewnętrzna zawiera głównie fosfatydyloetanoloaminę, fosfatydyloserynę i fosfatydyloinozytol. Glikolipidy występują tylko w poza-cytozolowej części błony, cholesterol jest rozmieszczony prawie równomiernie w obu warstwach.
Asymetria lipidów ma swój początek w miejscu ich powstawania:
- nowe cząsteczki są syntetyzowane w komórce przez enzymy błonowe (których substratami są kw. tłuszczowe dostępne w jednej monowarstw) - zostają one w monowarstwie,
- następnie, aby błona mogła rosnąć jako całość - odpowiednia część cząsteczek zostaje przeniesiona do drugiej monowarstwy (flipazy - enzymy katalizujące przeniesienie)
Im mniejsze i mniej polarne są cząsteczki, które mają być przepuszczone przez błonę tym szybciej dyfundują. Większość substancji potrzebuje do transportu białek błonowych.
BIAŁKA BŁON
25-75 %, więcej jest ich w błonach struktur aktywnych metabolicznie
u zwierząt 50% masy większości błon,
jest ich więcej w błonach aktywnych metabolicznie,
pełnią większość funkcji które wykazuje błona komórkowa
białka transportujące - pompa Na+-K+
białka łączące - integryny - wiążą wewnątrzcząsteczkowe filamenty aktynowe z białkami substancji zewnątrzkomórkowej
receptory - receptor adrenaliny - wiąże adrenalinę i wytwarza sygnał regulujący metabolizm
enzymy - cyklaza adenylowa - katalizuje tworzenie ATP
Białka śródbłonowe mogą formować albo α-helisy albo zamkniętą strukturę β. Pewne z nich łączą się poprzez kowalencyjne przyłączenie lipidu lub samego łańcucha węglowodorowego lub przez słabe, niekonwalencyjne wiązania z innymi białkami
Sposoby wiązania białek z dwuwarstwą lipidową - białka transbłonowe mogą formować albo a helisy albo zamkniętą strukturę B. Pewne z nich łączą się poprzez kowalencyjnie przyłączenie lipidu lub samego łańcucha węglowodorowego lub poprzez słabe, niekowalencyjne wiązanie z innymi białkami.
WĘGLOWODANY BŁON
stanowią 2-10%
występują głównie jako oligosacharydy związane kowalencyjnie z białkami (glikoproteinami) i lipidami błon - glikolipidy
tylko na zewnętrznej powierzchni błony jako monosacharydy: galaktoza, galaktozamina, kwas sialowy, glukozamina, glukoza
kwas sialowy jest odpowiedzialny za ujemny ładunek glikokaliksu (powierzchnia komórek), zaburzenia mogą doprowadzić do aglutynacji krwinek czerwonych,
węglowodany odgrywają rolę w rozpoznawaniu innych komórek przez wiązanie się ze swoistymi białkami powierzchni
GLIKOKALIKS
zbudowany z bocznych łańcuchów oligosacharydowych przyłączonych do glikolipidów, glikoprotein błonowych a także łańcuchów polisacharydowych włączonych w proteoglikany błonowe; w jej skład mogą także wchodzić glikoproteiny i proteoglikany wydzielone przez komórkę i zwrotne zaabsorbowane na jej powierzchni
decyduje o asymetrii błony zewnętrznej,
ochrania powierzchnię komórki przed uszkodzeniem mechanicznym i chemicznym
oligosacharydy i polisacharydy wchłaniają wodę - zapewnia to śliskość powierzchni komórki (zapobiega zlepianiu się krwinek)
rola we wzajemnym rozpoznawaniu się komórek (np. komórki jajowej przez plemnik)
rola w adhezji (przyleganie)
W celu wykonywania swoich funkcji błona komórkowa pokryta jest specjalnymi tworami. Są to glikokaliks, mikrokosmki, stereocylia, kinetocylia, oraz specjalistyczne połączenia z innymi komórkami.
Mikrokosmki (microvilli) - to wypustkami cytoplazmy na wolnej powierzchni komórek nabłonków pełniących funkcje wchłaniania np. nabłonka jelita czy nabłonka kanalików I rzędu nerki. Zwiększają one powierzchnię chłonną komórek. Specyficznym rodzajem dużych mikrokosmków są stereocilia. Występują w przewodzie najądrza i na komórkach zmysłowych przedsionka i ślimaka.
Pojedynczy mikrokosmek otacza błona komórkowa. Rdzeń mikrokosmka jest zbudowany z pęczka ok. 30 równoległych. do siebie mikrofilamentów aktynowych, które są łączone białkami wiliną i fimbryną.
Rzęski (cilia) - to ruchome wypustki niektórych rodzajów komórek nabłonkowych w nabłonkach wyściełających jajowód czy tchawicę. Aparat ruchowy rzęski to aksonema. Zbudowana jest ona z 9 par mikrotubul położonych obwodowo i połączonych neksyną. W centrum są dodatkowo dwie nie połączone mikrotubule. Wzdłuż par mikrotubul znajdują się ramiona dyneiny - białka motorowego mającego aktywność ATP-azy. Odmianą rzęsek są kinetocylia znajdujące się na powierzchni komórek zmysłowych przedsionka.
Transport przez błony:
- transport bierny,
- transport ułatwiony,
- transport aktywny,
- endo i egzocytoza,
Transport bierny, dyfuzja bierna:
- ruch cząsteczek zgodnie z gradientem stężeń (od wyższego do niższego),
- nie wymaga nakładu energii,
- przykłady transportowanych cząsteczek: tlen, dwutlenek węgla, woda, węglowodory, mocznik, etanol, glicerol,
Szybkość cząsteczek:
- nienaładowanych zależy od różnicy stężęń,
- naładowanych od różnicy stężeń i ładunku elektrycznego,
Transport ułatwiony: odbywa się przez:
- śródbłonowe białka nośnikowe (przenośniki)
- kanały (białka kanałowe)
Śródbłonowe białka nośnikowe:
- cząsteczki białka śródbłonowego podobne są do enzymów,
- wiążą się przejściowo z substratem ulega zmianie konformacji - zmiany te powodują naprzemienne „otwieranie się” cząsteczki białka nośnikowego
Śródbłonowe białka transportujące:
- białka uniportalne - transportujące jeden rodzaj jonów lub cząsteczek w jednym kierunku,
- białka symportalne - transportujące jednocześnie jony i cząsteczki w tym samym kierunku,
- białka antyportalne - transportujące jony i cząsteczki: jony w jednym, cząsteczki w przeciwnym kierunku,
Białka kanałowe:
- mogą być otwarte stale lub zamknięte i otwierać się tylko czasowo,
- otwarte przepuszczają jony i cząsteczki zgodnie z gradientem stężeń i gradientem elektrochemicznym,
- przejściowe otwieranie kanałów białkowych może dokonywać się przez:
związanie ligandu ( np. neuromediatora)
zmianę ładunku elektrycznego błony
Odmianą białek kanałowych są połączenia typu neksus (synapsy elektryczne).
Transport aktywny: odbywa się wbrew gradientowi stężeń wymaga energii z hydrolizy ATP
- wewnątrz komórki stężenie jonów Na wynosi ok. 10 mM, a stężenie jonów K ok. 140 mM,
- zewnątrz komórki stężenia te wynoszą 140 mM dla jonów Na i 5 mM dla jonów K,
W utrzymywaniu różnicy stężeń tych jonów po obu stronach błon komórki biorą udział białka śródbłonowe dwóch rodzajów:
- 1. kompleks enzymatyczn nazywany pompą jonową (pompa sodowo-potasowa jest enzymem adenozynotrójfosfatazą (ATP-azą) - aktywnie pompuje jony przez błonę
- 2. białko kanałowe dla jonów K - bierny przepływ jonów K zgodnie z ich gradientem stężeń,
Mechanizm działania pompy sodowo-potasowej:
- pompuje aktywnie Na na zewnątrz, a K do wnętrza komórki (przeciwko ich gradientowi stężeń),
- utrzymuje niskie stężenie Na w komórce i K na zewnątrz co jest warunkiem istnienia potencjału elektrycznego błony (ma to wpływ na pobudliwość komórek i przewodzenie impulsów),
- istnienie różnie stężeń Na i K między wnętrzem komórki i ich otoczeniem jest źródłem energii dla transportu do komórki np. glukozy, aminokwasów,
Pompa Ca2+ - białko enzymatyczne ATPaza Ca2+
- w cytosolu ludzkich komórek istnieje niskie stężenie jonów Ca w stosunku do otoczenia,
- zwiększenie stężenia Ca w cytosolu powoduje gwałtowną aktywację kinaz oraz doprowadza do wielu czynności komórkowych (np. skurcz komórek mięśniowych mitoza, apoptoza),
Różnica stężenia utrzymywana jest dzięki stałemu i czynnemu wypompowywaniu tych jenów z cytosolu do otoczenia komórki lub do zbiorników gładkiej siateczki śródplazmatycznej.
Znaczenie pomp jonowych
- utrzymanie gradientów stężeń jonów (głównie Na, K, H, Ca) między wnętrzem, a otoczeniem komórki, także cytosolem, a strukturami błoniastymi komórki.
Istnienie gradientów stężeń przyczynia się do:
Przewodzenia impulsów wzdłuż błony,
Transportu substratów poprzez błonę,
Regulacji objętości komórek.
6