BLONY BIOLOGICZNE – są strukturami rozgraniczającymi odrębne przedziały w układach biologicznych. Zaliczamy do nich zarówno błony komórkowe jak i błony organelli wewnętrznych

WYMIENNIK Na⁺ - Ca²⁺ CECHY WYMIENNIKA:

*ma mniejsze powinowactwo do Ca2+ niż ATPaza zależna od Ca2+ , ale jego efektywność w wydalaniu Ca2+ jest znacznie większa (2000 jonów/s, podczas gdy pompa - 30 jonów/s)

*na każdy wydzielony Ca2+ do komórki wchodzą 3 jony Na+

*energia do jego działania pochodzi z elektrochemicznego gradientu Na+

*zmniejsza poziom wapnia w cytosolu do 10-6 m, dalej działa ATPaza

BUDOWA LIPIDÓW

*obszar polarny (hydrofilowy)

*obszar niepolarny (hydrofobowy)

GŁÓWNE KLASY LIPIDÓW BŁONOWYCH

*fosfolipidy

*glikolipidy

*cholesterol (LDL i HDL)

SKŁAD LIPIDOWY BŁON

Procariota:

•głównie fosfolipidy

Eucariota:

•fosfolipidy glicerolowe i sfingozynowe

•sterole

UŁOŻENIE LIPIDÓW NA GRANICY FAZ WODA - POWIETRZE

= - [N/m]

– ciśnienie powierzchniowe; – napięcie powierzchniowe czystej powierzchni cieczy;

– napięcie powierzchniowe tej samej cieczy pokrytej błonka powierzchniową

UŁOŻENIE LIPIDÓW NA GRANICY WODA – WODA

obszar polarny -> obszar niepolarny -> obszar polarny

SKŁAD LIPIDOWY BŁON – rozmieszczenie w dwuwarstwie błony

Zewnętrzna monowarstwa

•Głównie lipidy cholinowe

Wewnętrzna monowarstwa

•Ujemnie naładowana ( grup NH₂ - obecność PS - miejsce koncentracji PKC)

•Bardziej płynna – ( kwasów nienasyconych)

LIPOSOMY – techniki formowania

*sonikacja (dwuwarstwowe)

*wytrząsanie (wielowarstwowe)

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

RUCHY CZĄSTECZKOWE W DWUWARSTWIE LIPIDOWEJ

1.RUCHY W OBRĘBIE JEDNEJ CZĄSTECZKI

•Wokół wiązań C – C

•Fragmentów fosfolipidów (najmniej ruchliwa jest część glicerolowa, najbardziej końce metylowe i polarne)

2.RUCHY CZĄSTECZKI JAKO CAŁOŚCI

•Rotacyjne

•Translacyjne

RUCHY CZĄSTECZEK W DWUWARSTWIE LIPIDOWEJ

Rotacyjne:

•izotropowe

•anizotropowe

Translacyjne:

•lateralne

•transwersalne (flip-flop)

RUCHY CZĄSTECZEK W BŁONIE KOMÓRKOWEJ

LATERALNE

•lipidy

•białka

TRANSWERSALNE

•tylko lipidy

PŁYNNOŚĆ BŁONY ZALEŻY OD:

1.Sładu lipidowego błony

2.Dnamiki lipidów i uporządkowania łańcuchów acylowych kwasów tłuszczowych

3.Oziaływań białko-lipid, lipid-lipid

Urzymanie stałej, określonej płynności błon jest jedną z najważniejszych czynności życiowych komórki.

ZDOLNOŚĆ SUBSTANCJI DO PRZENIKANIA PRZEZ BŁONĘ

*najłatwiej : cząsteczki apolarne: O₂, C0₂,N₂, benzen

*trudniej : małe nienaładowane cząsteczki polarne: H₂O, gliceryna, mocznik

*słabo : duże nienaładowane cząsteczki polarne : glukoza, sacharoza

*w obie strony: jony np.: Na+, K+, H+, Cl-, Ca²⁺, HCO^3-

TRANSPORT PRZEZ BŁONY

1. Bez zmiany struktury błony (małe cząsteczki)

1. Bierny – zgodnie z gradientem stężeń

*filtracja

*beznośnikowy (dyfuzja prosta)

*nośnikowy (dyfuzja ułatwiona)

*osmoza

2. Aktywny – wbrew gradientowi stężeń

*pompa sodowo-potasowa

*pompa zależna od Ca 2+

*pompa protonowa

*bez udziału ATP

2. Ze zmianą struktury błony (duże cząsteczki)

a) Endocytoza:

*fagozytoza

*pinocytoza

b) Egzocytoza

FILTRACJA

Polega na przedostawaniu się przez błonę wody i substancji w niej rozpuszczonych, których średnica jest mniejsza od średnicy porów w błonie.

Proces ten zachodzi dzięki różnicy ciśnień hydrostatycznych występujących po obu stronach błony.

Przykład: pierwszy etap tworzenia moczu w nerkach

ULTRAFILTRACJA

Ciśnienie krwi jest wyższe niż dializatu – powstaje różnica ciśnień

DYFUZJA PROSTA

*Przebiega zgodnie z zasadą dążności do wyrównania stężeń

*Cząstki przechodzą przez błonę z obszaru o większym stężeniu do miejsca o stężeniu mniejszym, tym szybciej, im wyższa różnica stężeń.

Przykład: transport gazów (O₂, N₂ i CO₂) oraz małych cząsteczek (etanol, mocznik)

DYFUZJA PROSTA – PRAWO FICKA

gdzie:

N - liczba moli substancji

t - czas

P - przepuszczalność błony

S - powierzchnia, przez którą przemieszcza się substancja

D - współczynnik dyfuzji

c - różnica stężeń po obu stronach strony błony

X - grubość błony

Transport substancji przez błonę na drodze dyfuzji prostej zależy od różnicy stężeń oraz przepuszczalności błony

Szybkość przemieszczania się substancji z roztworów wodnych do dwuwarstwy hydrofobowej zależy od ich hydrofobowości

CIŚNIENIE OSMOTYCZNE – ciśnienie, jakie musi panować w naczyniu z roztworem, oddzielonym błoną półprzepuszczalną od czystego rozpuszczalnika, aby ten ostatni nie wnikał do roztworu

Różnica ciśnień powstaję w przypadku roztworu wieloskładnikowego, gdy przynajmniej jeden ze składników nie może przenikać przez błonę półprzepuszczalną. W komórkach różnica ciśnień między wnętrzem i otoczeniem powstaje dzięki mechanicznemu napięciu błony komórkowej.

PRAWO VAN’T HOFFA – ciśnienie osmotyczne jest wprost proporcjonalne do stężenia i temperatury

*Roztwory o tym samym ciśnieniu osmotycznym – ROZTWORY IZOTONICZNE

*Roztwór o wyższym ciśnieniu od porównawczego – R. HIPERTONICZNY

*Roztwór o niższym ciśnieniu – R. HIPOTONICZNY

CIŚNIENIE ONKOTYCZNE (koloidowe ciśnienie osmotyczne krwi) – to ciśnienie wywierane przez roztwór koloidalny białek zawartych w osoczu krwi. Jest to siła, z jaką woda ściągana jest do wnętrza naczyń krwionośnych z przestrzeni międzykomórkowych.

Ciśnienie onkotyczne:

*zależy od różnicy zawartości białek w osoczu (7-9%) i płynie międzykomórkowym (1-2%)

*jest mechanizmem przeciwstawiającym się przechodzeniu wody z elektrolitami z osocza do tkanek (dzięki temu zawartość wody w organizmie rozkłada się prawidłowo co zapobiega obrzękom*) ( * gdy zawartość białek w osoczu spada do 3% woda przechodzi z naczyń do tkanek, wywołując obrzęki)

DYFUZJA UŁATWIONA – Polega na przenoszeniu cząsteczek z zewnątrz komórek do ich wnętrza za pomocą przenośników, którymi najczęściej są białka nośnikowe lub integralne błony

Różnice pomiędzy dyfuzją prostą a ułatwioną:

*znacznie większa szybkość

*specyficzność (przenoszone są pojedyńcze cząsteczki lub odpowiednie jony)

*charakteryzyje ją szybkość maksymalna

DYFUZJA UŁATWIONA

Substancja przenikająca łączy się z nośnikiem, czyli odpowiednim białkowym składnikiem błony. Tworzy się kompleks substancja – nośnik. Po przeniesieniu substancji na drugą stronę błony nośnik zostaje uwolniony i może przenieść kolejną cząsteczkę substancji

MODELE DYFUZJI UŁATWIONEJ Z UDZIAŁEM:

a) PRZENOŚNIKÓW

- antybiotykowych

- białek błonowych nośnikowych

b) KANAŁÓW

- antybiotykowych

- białek integralnych błony

Antybiotykowe przenośniki jonów:

-walinomycyna

-nonaktyna

-eniatyna

-nigerycyna

Przykład: transport cząsteczek obojętnych i jonów

PRZEWODNICTWO JONOWE:
1.Przenośniki antybiotykowe

*MAŁA KARUZELA” – (walinomycyna)

*„DUŻA KARUZELA” – (antybiotyki makrocykliczne, rozpuszczające się w wodzie)

2. Kanały antybiotykowe

*nienaturalne

*wielkość 0,4 – 0,5 nm

*mało selektywne

*szybkość przenoszenia kationów – 10⁷/s

Np.: gramicydyna ,alametycyna ,monazomycyna

NATURALNE KANAŁY JONOWE

1.Główne cechy naturalnych kanałów jonowych:

• zbudowane są z wielu homologicznych podjednostek lub domen (większość z 4, 5 lub 6)

*por przebiega zgodnie z osią symetrii kanału

*stopień selektywności zależy od średnicy najwęższej części poru

*wszystkie kanały mają stany otwarte i zamknięte (przede wszystkim te drugie) i tym się różnią od porów wodnych

*czynnikami otwierającymi kanały są:

-zmiany napięcia po obu stronach błony

-związanie odpowiedniej cząsteczki sygnałowej

-bodźce mechaniczne

*bardzo duża szybkośc przenoszenia substancji (100x wieksza niż z udziałem białek nośnikowych) – 10⁶ jonów/s

OTWIERANE PRZEZ ZMIANY NAPIĘCIA:

*Kanały:

-sodowe

-potasowe

-wapniowe

-chlorkowe

*Aktywacja:

depolaryzacja lub hiperpolaryzacja błony

POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY

*Dotyczy wyłącznie komórek w stanie niepobudzonym

*Jest uzależniony od stężenia K+, Na+, Cl- i A-, których stężenie nie jest jednakowe wewnątrz i na zewnątrz komórki

*K+ są transportowane na zewnątrz przez kanały potasowe, aniony organiczne nie są przepuszczane na zewnątrz komórki

*Potencjał wnętrza komórki jest ujemny w stosunku do jego otoczenia (-40 - -100 mV)

*Potencjał spoczynkowy neuronu - -90 mV; utrzymywany jest przede wszystkim przez pompę Na/K

POTENCJAŁ CZYNNOŚCIOWY – związany jest ze zmianą potencjału błony komórkowej

Aby bodziec wytrącił komórkę ze stanu równowagi i wywołał potencjał czynnościowy musi zostać przekroczony PRÓG POBUDLIWOŚCI

KRZYWA PRZEBIEGU POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO W PUNKCIE WŁÓKNA NERWOWEGO (iglica potencjału)

*Faza depolaryzacji

*Faza repolaryzacji

*Potencjał następczy hiperpolaryzacyjny

*Potencjał następczy depolaryzacyjny

Czas trwania potencjału czynnościowego:

*k. nerwowa – kilka ms

*mięśnia szkieletowego – kilkadziesiąt ms

*sercowego – kilkaset ms

Mechanizm powstawania potencjału czynnościowego

* I faza – gwałtowna dyfuzja Na+ do wnętrza komórki – neutralizacja jej ujemnego potencjału, a następnie zmiana na dodatni względem płynu międzykomórkowego

* II faza – ↓ przepuszczalności dla Na+ i ↑ K+

Zmiany stężenia obu jonów podczas pojedynczego procesu depolaryzacji są nieznaczne w porównaniu z całkowitymi stężeniami tych jonów i są po pewnym czasie wyrównywane dzięki stale działającej pompie jonowej

KANAŁ SODOWY – zbudowany z 4 podjednostek; transportuje Na⁺ 8x szybciej niż K+

Jest otwierany przez depolaryzację błony, po przemieszczeniu ładunku w poprzek dwuwarstwy jest spontanicznie inaktywowany; repolaryzacja błony powoduje jego zamknięcie. Równowaga między kanałem otwartym i zamkniętym jest zależna od potencjału błony

KANAŁ POTASOWY – 100x woli potas od sodu ,zbudowany jest z 4 podjednostek, średnica mniejsza, 100x bardziej przepuszczalny dla K+ niż dla Na+ (wydatek energii swobodnej niezbędnej do dehydratacji Na+ (301 kJ/mol) jest wyższy niż dla K+ (230 kJ/mol)); ulega inaktywacji w ciągu kilku ms od otwarcia

AKTYWOWANE CHEMICZNIE:

*poprzez przyłączenie ligandu

*kanał zależny od acetylocholiny- w błonie postsynaptycznej znajduje się receptor dla acetylocholiny

*czas otwarcia 1 ms

AKTYWOWANE MECHANICZNIE

* naprężenia mechaniczne zamieniają sygnały mechaniczne na elektryczne

* komórki rzęsate w błonie podstawnej narządu cortiego

Ruch błony podstawnej w górę i dół wywołuje cykliczne zbliżanie układu Cortiego i błony pokrywkowej – rzęski przeginają się raz w jedną raz w drugą stronę. Przeginanie to połączone jest z otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych znajdujących się w rzęskach

SZCZELINY (transport cząsteczek < 1kDa)

*są kanałami łączącymi komórki (2,5 x 7,75 nm)

*umożliwiają odżywianie się komórek oddalonych od naczyń krwionośnych (soczewka oka, tkanka kostna)

*zbudowane są z 12 cząst. koneksyny, białka o m.cz. 32 kda tworzących konekson

*czynnikami zamykającymi kanały są: wysokie stężenie jonów wapnia i niskie ph

TRANSPORT AKTYWNY

*zachodzi wbrew gradientowi stężeń

*dostarcza komórce substancje do reakcji enzymatycznych,

*zapewnia odpowiednie ciśnienie osmotyczne

*jest znacznie wolniejszy niż przez kanały

*W pompach por jest dostępny tylko z jednej strony błony

*W pompach źródło energii pochodzi z rozkładu ATP (ATPaza hydrolizuje 100 cząst. ATP/s

Przykład: transport aminokwasów, cukrów, jonów sodowo – potasowych

ENERGIA Z ROZKŁADU ATP

ATP + H₂0 → ADP + Pi (ortofosforan) + H⁺

POMPA SODOWO-POTASOWA

*stężenie K+ jest 20-40 x wyższe wewnątrz komórki niż na zewnątrz;

*stężenie Na+ jest 20-40 x wyższe na zewnątrz komórki niż w jej wnętrzu

GRADIENT STĘŻEŃ TYCH JONÓW:

*kontroluje objętość komórki

*warunkuje pobudzenie nerwów i mięśni

*jest siłą napędzającą aktywny transport cukrów i aminokwasów

CECHY POMPY:

* utrzymuje gradient stężeń K+ i Na+

* do działania wymaga energii pochodzącej z hydrolizy ATP do ADP (ok. 30% , a w erytrocytach nawet 50% energii wytworzonej w komórkach jest zużywane na jej działanie)

* jest ATPazą zależną od obecności jonów sodu i potasu

* jest fosforylowana w obecności Na+ , a defosforylowana w obecności K+

* na każdą cząsteczkę hydrolizowanego ATP, 3 Na+ są usuwane na zewnątrz, a 2 K+ dostają się do wnętrza komórki

BLOKERY POMPY:

STEROIDY KARDIOTONICZNE otrzymane z naparstnicy (zwiększają kurczliwość mięśnia sercowego: w wyniku zahamowania działania pompy więcej sodu pozostaje w komórkach, a niższy gradient powoduje zmniejszenie usuwania jonów wapnia z komórki)

POMPA ZALEŻNA OD Ca²⁺

*1 cząsteczka hydrolizowanego ATP transportuje 2 jony wapnia

*ma bardzo duże powinowactwo do Ca 2+, co pozwala natychmiast usuwać je z cytosolu do retikulum sarkoplazmatycznego

*(gdy c Ca 2+ wzrasta, działa dużo aktywniej, aż do momentu, gdy spadnie do 10 -6 M

*usunięte jony są wyłapywane przez kalmodulinę i kalsekwestrynę

*(silnie kwaśne białko, 1 cząsteczka. wiąże 43 Ca 2+)

ANALOGIE Z POMPĄ SODOWO-POTASOWĄ:

*występuje w 2 głównych konformacjach: E1 I E2

*2 jony wapnia wiążąc się z formą E1 uruchomiają fosforylację

*fosforylacja warunkuje powstanie E2, defosforylacja wymusza konformację E1

*miejsca wiązania jonów ulegają ewersji, a ich powinowactwo po przejściu E1 w E2 zmniejsza się 1000x

WYMIENNIK Na⁺ - Ca²⁺ – E pochodzi z pompy sodowo-potasowej

CECHY WYMIENNIKA:

*jego efektywność w wydalaniu Ca2+ jest znacznie większa niż pompy (2000 jonów/s, podczas gdy pompa - 30 jonów/s)

*na każdy wydzielony Ca2+ do komórki wchodzą 3 jony Na+

*zmniejsza poziom wapnia w cytosolu do 10-6 m, dalej działa pompa

POMPA PROTONOWA – miedzy krwią a wnętrzem żołądka; jest zależna od ATP

TRANSPORT BEZ UDZIAŁU ATP

*uniport– np. transport glukozy w erytrocytach

*symport– gradient sodowy uruchamia transport glukozy ( k. nabłonka jelita i nerki)

*antyport– transport jonów chlorkowych do żołądka, transport jonów chlorkowych w erytrocytach, wymiana jonów w mięśniu sercowym

TRANSPORT ZE ZMIANĄ STRUKTURY BŁONY

*Endocytoza

*Egzocytoza – usuwanie z komórek zbędnych lub szkodliwych substancji, np. niestrawionych resztek i produktów metabolizmu (np. hormonów, neuroprzekaźników, śluzu itd.