background image

Funkcje błon biologicznych

Tworzenie fizycznych granic -

kontrola składu komórki 

Selektywna przepuszczalność -

transport ograniczonej liczby 

cząsteczek

Stanowienie granic faz 

przekazywanie sygnałów 

chemicznych i energii z jednego 

przedziału do drugiego

Zapewnienie optymalnych 

warunków do działania enzymów, 

pomp jonowych i receptorów

BŁONY BIOLOGICZNE BIORĄ 

UDZIAŁ WE WSZYSTKICH PRZEJAWACH

AKTYWNOŚCI KOMÓREK

background image

Główne składniki dwuwarstwy lipidowej

fosfolipidy 

glicerolowe: 

PC,PE,PS,PI,CR

sfingozynowe: SM, 

glikosfingolipidy

sterole

background image

IZOTERMA POWIERZCHNIOWEJ 

MONOMOLEKULARNEJ BŁONY LIPIDOWEJ

– błonka gazowa;

II 

– obszar równowagi ciekłej błonki rozciągniętej i błonki gazowej;

III 

– ciekła błonka rozciągnięta;

IV 

- obszar przejścia od ciekłej błonki rozciągniętej 

do ciekłej błonki skondensowanej;

– ciekła błonka skondensowana;

VI 

- stała błonka 

skondensowana

VI

V

III

I

g

o

- g 

[N/m]

- ciśnienie powierzchniowe; 

g

o

– napięcie powierzchniowe czystej powierzchni cieczy;

g

– napięcie powierzchniowe tej samej cieczy pokrytej błonka powierzchniową

background image

WARSTWY LANGMUIRA-BLODGETT

Podłoże hydrofobowe

Podłoże hydrofilowe

Orientacje cząsteczek

background image

BIMOLEKULARNE BŁONY LIPIDOWE

metody otrzymywania

I

o

I

T

I

R

A

C

B

R =

I

R

I

o

= 4

n – n

0

n + n

0

2

sin

2

n

d

l

gdzie

n – współczynnik załamania światła dla materiału błony; n

o

- współczynnik załamania

światła dla fazy wodnej; 

d

– grubość błony; 

l

– długość fali użytego światła;

R – współczynnik odbicia światła padającego prostopadle do powierzchni błony 

background image

WYZNACZANIE GRUBOŚCI DWUWARSTWY LIPIDOWEJ

(na podstawie pomiaru jej pojemności elektrycznej)

1. Błona stanowi nieprzepuszczalną dla jonów barierę (dielektryk o stałej 

dielektrycznej typowej dla wyższych węglowodorów nasyconych, 

e

= 2,3 –

2,5), rozdzielającą 2 roztwory elektrolitów, stanowiące okładki 

kondensatora.

2. Grubość błony oblicza się przyjmując, że stanowi ona wraz z roztworami 

wodnymi kondensator płaski, którego pojemność wyliczana jest z szybkości 

zaniku impulsów w błonie.

3. Otrzymywana wartość to grubość jedynie hydrofobowego wnętrza błony. 

background image

ZMIANY W ORGANIZACJI 

MIKROSTRUKTURY BŁON LIPIDOWYCH

wbudowanie białek

ZMIANA TEMPERATURY PRZEJŚCIA

T = T

o

-

d

d

dS

, gdzie 

T

o

– temperatura topnienia

d

d

– obniżenie współczynnika napięcia powierzchniowego 

wywołane absorpcją białka

dS – entropia przejścia na jednostkę powierzchni

hydrofobowy 

region bialka

background image

ZMIANY W ORGANIZACJI MIKROSTRUKTURY 

BŁON LIPIDOWYCH

tworzenie domen lipidowych

pH

Ca

2+

t =

N

D

A

X

, gdzie

X – ułamek molowy lipidu,

A – pole powierzchni przypadające na cząsteczkę

D – współczynnik dyfuzji

N – liczba cząsteczek w domenie

np. dla A=75Å, X=0,5, D=10

–7

cm

2

/s domeny liczące 100 cząsteczek (N) powstają w czasie t=10

–7

s

background image

DEFEKTY W BŁONIE LIPIDOWEJ WYWOŁANE 

WBUDOWANIEM BIAŁKA

RELAKSACJA

DYLATACJA

background image

DOMENOWA BUDOWA BŁON 

BIOLOGICZNYCH

background image

PRZEJŚCIA FAZOWE LIPIDÓW - I

CZYNNIKI WYWOŁUJĄCE:

1.

Stopień 

uwodnienia

2.

Temperatura:

a) im dłuższy łańcuch acylowy – tym wyższa
b) im więcej wiązań podwójnych – tym niższa

CZYNNIKI REGULUJĄCE:

1.

Cholesterol (jego dodatek obniża temperaturę 

głównego przejścia fazowego, dzięki czemu 

można uzyskać fazę wysoko uporządkowaną i 

płynną)

2.

pH

3.

Jony Ca

background image

Przejścia fazowe II

background image

PORÓWNANIE PARAMETRÓW FIZYCZNYCH 

BŁONY BIOLOGICZNEJ Z DWUWARSTWĄ LIPIDOWĄ

Dwuwarstwa 

lipidowa

Błona 

biologiczna

Grubość [nm]
Pojemność el. [

m

F/cm

2

]

Napięcie przebicia [mV]
Współczynnik napięcia 

powierzchniowego [N/m]
Opór [

x cm

2

]

6,0 – 7,5
0,4 – 1,0

150 – 200

(0,5 – 2) x 10

–3

10

6

– 10

9

6,0 – 10,0

0,5 – 1,3

Ok. 100

(0,03 - 2) x 10

–3

10

2

– 10

5

background image

MODEL BŁONY (p

łynna mozaika)

wg Singera i Nicolsona (1972)

dwuwarstwa

lipidowa

białko integralne

(po usunięciu z błony detergentami

ma lipidowa otoczkę) 

fragment 

domeny lipidowej

białko powierzchniowe

(

usuwane z błony roztworami o wysokiej sile jonowej)

background image

Połączenie błony z cytoszkieletem

background image

SKŁAD LIPIDOWY BŁON

– rozmieszczenie w dwuwarstwie błony

[%]

100

50

0

100

50

RBC       HEPATOCYTY    PŁYTKI KRWI

Zewnętrzna monowarstwa

Głównie lipidy cholinowe

Wewnętrzna monowarstwa

Ujemnie naładowana 

( grup NH

2

-

obecność PS

- miejsce koncentracji PKC)

Bardziej płynna –

( kwasów nienasyconych)

PC

PE 

PS

PI

background image

PŁYNNOŚĆ BŁONY

PŁYNNOŚĆ BŁONY KOMÓRKOWEJ (ODWROTNOŚĆ 

MIKROLEPKOŚCI)  ZALEŻY OD:

1.

SKŁADU LIPIDOWEGO BŁONY

2.

DYNAMIKI LIPIDÓW I UPORZĄDKOWANIA ŁAŃCUCHÓW 

ACYLOWYCH KWASÓW TŁUSZCZOWYCH, ZALEŻNYCH m.in. 

OD TEMPERATURY GŁÓWNEGO PRZEJŚCIA FAZOWEGO 

3.

ODDZIAŁYWAŃ BIAŁKO-LIPID (zjawisko lipidu 

granicznego), LIPID-LIPID (przede wszystkim stosunek 

zawartości cholesterolu do fosfolipidów i  SM do PC; dualizm 

działania cholesterolu: a) usztywnianie błony w fazie ciekło-

krystalicznej oraz b) upłynnianie jej w fazie żelu) 

UTRZYMANIE STAŁEJ, OKREŚLONEJ PŁYNNOŚCI BŁON JEST 

JEDNĄ Z NAJWAŻNIEJSZYCH CZYNNOŚCI ŻYCIOWYCH 

KOMÓRKI

background image

RUCHY CZĄSTECZKOWE W 

DWUWARSTWIE LIPIDOWEJ

RUCHY W OBRĘBIE JEDNEJ CZĄSTECZKI

1.

Wokół wiązań C – C

2.

Fragmentów fosfolipidów (najmniej ruchliwa 

jest część glicerolowa, najbardziej końce 

metylowe i polarne)

RUCHY CZĄSTECZKI JAKO CAŁOŚCI

1.

Rotacyjne

2.

Translacyjne

background image

RUCHY CZĄSTECZEK W 

DWUWARSTWIE LIPIDOWEJ

Rotacyjne:

• izotropowe

• anizotropowe

Translacyjne:

• lateralne

• transwersalne (flip-flop)

D

rot

q

2

4 t

D

T

=

l

2

4 t

D

RII

Q

D

T

D

T

t

f

D

R

D

RII

t

J

n

J

10

7

cząst./min

1cząst./kilka h

background image

TRANSLACYJNE RUCHY CZĄSTECZEK 

W BŁONIE KOMÓRKOWEJ

LATERALNE

• lipidy

• białka

TRANSWERSALNE

• tylko lipidy

10

7

cząst./min

1 cząst./kilka h 

background image

TRANSPORT WODY PRZEZ 

DWUWARSTWĘ

wolna przestrzeń

1 – 6 / cząst.

P – PRZEPUSZCZALNOŚC

k – WSPÓŁCZYNNIK PODZIAŁU

D – WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI

D – GRUBOŚĆ BŁONY

P = k

D
d

STAN CIEKŁO-KRYSTALICZNY: P=10

–5

m/s

STAN KRYSTALICZNY: P=10

–8

m/s

TRANSPORT JEST NAJINTENSYWNIEJSZY 

W FAZIE PRZEJŚCIA ZE STANU 

CIEKŁO-KRYSTALICZNEGO W KRYSTALICZNY

background image

DYFUZJA CZĄSTECZEK W 

PŁASZCZYŹNIE BŁONY

WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI NIE ZALEŻY OD 

DŁUGOŚCI ŁAŃCUCHA LIPIDÓW, ALE OD 

TEMPERATURY:

D= D

o

x e

–A/T

gdzie 

A- energia aktywacji
D

o

- współczynnik dyfuzji w elektrolicie

T – temperatura

W temperaturze 50

o

C D dla fazy ciekłej 

- 10 

–11

m

2

/s

fazy krystalicznej 

- 10 

–15

m

2

/s

WSPÓŁCZYNNIKI DYFUZJI DLA MAŁYCH 

CZĄSTECZEK SĄ ODWROTNIE PROPORCJONALNE 

DO PIERWIASTKA KWADRATOWEGO Z MASY 

CZĄSTECZKOWEJ

background image

LIPOSOMY 

zastosowanie w biologii i medycynie

Badania właściwości białek błonowych

Modulowanie procesów zachodzących w naturalnych 

błonach

Możliwość wbudowania dodatkowych składników do 

błony komórkowej

Wprowadzanie do komórek substancji trudno 

rozpuszczalnych i łatwo utleniających się w wodzie

Ukierunkowane dostarczanie leków 

Wzmocnienie odpowiedzi immunologicznej

background image

LIPOSOMY 

techniki formowania

Transport substancji

Badanie właściwości białek błonowych

DWUWARSTWOWE

Sonikacja

20 – 50 nm

nm

WIELOWARSTWOWE

Wytrząsanie

5 – 50 

m

m

m

m

background image

LIPOSOMY 

dyfuzja cząsteczek przez błonę liposomów

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

50

100

150

200

250

MASA CZĄSTECZKOWA

lo

p/

k

P – współczynnik przepuszczalności

K – współczynnik podziału

background image

Kanały wodne