błony biologiczne
błony biologiczne
błony biologiczne
(Lipidy + białka )
1) bariera dla otoczenia
2) pompy i furtki działające selektywnie
Lipidy:
fosfolipidy
fosfoglicerydy
fosfosfingozydy
glikolipidy
cholesterol
Fosfatydy
Konfiguracja absolutna
reszty 3-fosfoglicerolu
Wzory wybranych
Wzory wybranych
fosfogliceryd
fosfogliceryd
ó
ó
w
w
Fosfoglicerydy
Fosfoglicerydy
Fosfoglicerydy
f
osfosfingozydy
Sfingolipidy
Sfingolipidy
glikolipidy
Cerebrozydy
Gangliozydy
Cholesterol
Biologicznie ważne pochodne cholesterolu
Dwuwarstwy lipidowe, błony biologiczne
S. Jonathan Singer i Garth Nicholson w roku 1972 zaproponowali
model płynno-mozaikowy
,
jako uniwersalny model budowy błon biologicznych.
1) Błony komórkowe sa asymetryczne strukturalnie i funkcyjnie
2) Grupy cukrowe glikolipidów i glikoprotein są skierowane na zewnątrz
3) Białka i lipidy w błonach są w ciągłym ruchu (
struktura błon jest płynna
)
Lipidowa dwuwarstwa błon biologicznych jest, w swej istocie
nieprzepuszczalna dla jonów i cząsteczek polarnych.
Przepuszczalność jest natomiast umożliwiona przez dwie klasy białek
allosterycznych:
kanały i pompy.
Kanały
umożliwiają szybki przepływ jonów
przez błony w kierunku termodynamicznie korzystnym (ang. downhill).
Pompy
, zużywając źródła swobodnej energii, np.
ATP
lub
światło
,
prowadza transport jonów lub cząsteczek w kierunku wzrastającego
stężenia,a wiec termodynamicznie niekorzystnym.
BAKTERIORODOPSYNA
Halobacterium salinarium
Halobacterium halobium
BAKTERIORODOPSYNA
Reszty tyrozynowe
i cząsteczki wody
Glu
204
O
O
C
H
H
O
H
O
H
O
N H
O
C
O
Asp
85
H
H
Arg
82
NH
N
C
H
N
Asp
212
O
C
O
Tyr
185
O
H
H
O
II
zasada
Schiffa
N H
O
C
O
Asp
85
H
H
Arg
82
NH
N
C
O
H
O
H
O
H
O
H
H
N
H
Asp
212
O
C
O
Tyr
185
O
H
Glu
204
O
O
C
zasada
Schiffa
Reszty tyrozynowe
i cząsteczki wody
I
MODEL KANAŁU PROTONOWEGO BR
Kanał sodowy
Jony Na
+
przechodzą przez błony za pomocą specyficznego kanału sodowego.
Transport taki jest bierny i nie wymaga dostarczenia energii potrzebnej do
przenoszenia jonów Na
+
. Kanał sodowy zbudowany jest z czterech domen (I-IV)
o powtarzających się jednostkach aminokwasowych, które są o podobnej
sekwencji. Każda domena składa się z pięciu hydrofobowych segmentów 1, 2, 3,
5, 6, oraz segmentu 4, który posiada silny ładunek dodatni. Segmenty 1-6 są
przenikającymi przez błony helisami α, przy czym dodatnio naładowane
segmenty 4 (niebieski) są czujnikami potencjału, a segmenty 6 (pomarańczowy)
są bramkami aktywującymi
Kanał sodowy
Cztery domeny zawinięte są w ten sposób, że wewnątrz tej zwiniętej struktury
tworzą kanał o charakterze polarnym za który odpowiedzialne są reszty
aminokwasów. Łączenie segmentu 5 i 6 (czerwony), w każdej domenie, wystaje
poza komórkową powierzchnię tworząc filtr selektywności dla jonów Na
+
. Filtr taki
jest zdolny do odróżniania jonów sodu od jonów o podobnym rozmiarze. Natomiast
bramki (zielony) odpowiedzialne są za to by kanał był otwarty lub zamknięty.
W przypadku kiedy kanał jest zamknięty bramka jest aktywna i nie mogą przez
niego przechodzić żadne substancje .
Kiedy bramka jest nieaktywna, kanał jest otwarty.
Selektywność kanału sodowego
częściowo tłumaczą warunki
steryczne, które nie pozwalają
przejść jonom o średnicy większej
niż średnica kanału (rys.), a
częściowo tłumaczy sposób
oddziaływania przechodzących
jonów z grupami karbonylowymi
kanału
Pompa sodowo-potasowa (pompa Na
+
- K
+
)
Większość komórek zwierzęcych ma w porównaniu ze środowiskiem
zewnętrznym duże stężenie jonów K
+
i małe stężenie jonów Na
+
.
Gradienty jonowe wytwarzane są przez specyficzny system transportu,
nazywany
pompą sodowo-potasową
ze względu na wzajemny związek
ruchu obu rodzajów jonów.
Aktywny transport Na
+
i K
+
ma ogromne znaczenie fizjologiczne. W istocie,
zwierzęta w stanie spoczynku zużywają więcej niż trzecią cześć
ATP
do
pompowania tych jonów.
Gradient Na
+
- K
+
w komórkach zwierzęcych kontroluje objętość komórki,
warunkuje pobudzenie nerwów i mięsni oraz jest siła napędowa aktywnego
transportu cukrów i aminokwasów.
Hydroliza ATP dostarcza energii potrzebnej
do aktywnego transportu tych kationów.
Poziom aktywności ATPazy jest ilościowo
skorelowany z poziomem aktywności
pompy Na
+
- K.
Zmiany w stężeniach Na
+
i K wywierają
wpływ równoległy na aktywność ATPazową
i na transport.
Ponadto, zarówno ATPaza, jak i pompa są
specyficznie hamowane przez steroidy
kardiotoniczne (nasercowe ), ale
tylko gdy
podane są z zewnętrznej strony komórki
.
ATPaza Na
+
- K
+
jest integralna częścią
pompy Na
+
- K
+
Pompa sodowo-potasowa- PODSUMOWANIE
W hydrolizie ATP i równoczesnym transporcie K+ i Na+ przez
pompę udział biorą przynajmniej
cztery stany konformacyjne
.
W tym jednokierunkowym cyklu, trwającym 10 ms, kosztem
hydrolizy jednej cząsteczki ATP transportowane są
trzy jony Na
+
i
dwa jony K
+
.
Pojedyncza pompa pracując przy maksymalnej szybkości (liczba
obrotów 100 s
-1
), może przetransportować w ciągu sekundy 300
Na
+
i 200 K
+
.
Ważną cechą pompy jest to, ze ATP nie ulega hydrolizie dopóty,
dopóki nie odbywa się transport Na
+
i K
+
.
System ten jest tak sprzężony, ze energia zmagazynowana w
ATP nie ulega rozproszeniu.
Receptor acetylocholinowy
Receptor acetylocholinowy jest kanałem
pośredniczącym w przekazywaniu
sygnałów nerwowych poprzez synapsy.
Impulsy nerwowe zostają przekazywane przez
większość synaps z udziałem małych dyfundujących
cząsteczek zwanych przekaźnikami nerwowymi
(neurotransmiterami),
takimi jak
acetylocholina.
Błona presynaptyczna synapsy oddzielona jest od
błony postsynaptycznej szczelina o szerokości około
50 nm, zwana
szczelina synaptyczną
.
Zakończenie aksonu presynaptycznego wypełnione
jest pęcherzykami presynaptycznymi, z których każdy
zawiera około dziesięciu tysięcy cząsteczek
acetylocholiny
Dotarcie impulsu nerwowego powoduje synchroniczny
eksport zawartości około 300 pęcherzyków, co
podnosi stężenie acetylocholiny w szczelinie z
10 nM
do
500 µM
w czasie krótszym niż milisekunda.
Związanie acetylocholiny do błony postsynaptycznej znacząco zwiększa jonowa
przepuszczalność tej ostatniej. Przewodnictwo zarówno dla Na
+
, jak i K
+
znacznie
wzrasta w ciągu 0,1 ms, powodując silny dośrodkowy prąd Na
+
i słabszy odśrodkowy
prąd K
+
.
Dośrodkowy prąd Na
+
depolaryzuje błonę postsynaptyczna i wywołuje prąd
czynnościowy
Acetylocholina powoduje otwarcie jednego tylko rodzaju kanału kationowego, który jest
prawie tak samo przepuszczalny dla Na
+
, jak i dla K
+
.
Wpływ Na
+
do komórki jest znacznie większy niż wypływ K
+
, ponieważ gradient
elektrochemiczny w poprzek błony jest bardziej stromy dla Na
+
.
Do otwarcia kanału niezbędne jest
związanie dwóch cząsteczek
acetylocholiny z receptorem.
Kanał otwiera sie bardzo
sprawnie w odpowiedzi na
nagły wzrost stężenia
acetylocholiny
w szczelinie synaptycznej.
W warunkach fizjologicznych kanał
pozostaje otwarty tylko przez około
milisekundę
, ponieważ acetylocholina jest
w szczelinie synaptycznej błyskawicznie
hydrolizowana przez
esterazę
acetylocholinową
do octanu i choliny.
Organiczne fluorofosforany, takie jak
diizopropylofluorofosforan
(DIPF),
hamują esterazę acetylocholinową
poprzez tworzenie bardzo trwałych
kowalencyjnych kompleksów enzymu z
resztą fosforanową.
Grupa fosforylowa wiąże sie z resztą
seryny w miejscu aktywnym enzymu
podobnie jak w proteazach serynowych
traktowanych DIPF
