Základy buněčné biologie

• Ivo Šauman sauman@entu.cas.cz

• Julius Lukeš jula@paru.cas.cz• Roman Sobotka sobotka@alga.cz• Michal Žurovec

zurovec@entu.cas.cz

http://kmb.prf.jcu.cz/cs

Struktura membrán

Přenos látek přes membrány

Význam buněčných membrán

•Plasmatická membrána odděluje buněčné složky od okolního prostředí.

•Umožňuje organelám vykonávat specializované funkce udržováním obsahu organel odděleně od zbytku buňky (kompartmentalizace).

•Zajišťuje rozhraní pro vytváření elektrochemických gradientů, které jsou nutné pro syntézu ATP a vytváření nervových vzruchů.

Amfipatické lipidyProteinyNekovalentní interakce

Polá

rní h

lavič

kaN

epolá

rní ko

nec

Uhlovodíkový konec odvozený z mastných kyselin

Nenasycenýuhlovodíkovýřetězec

Nasycený uhlovodíkový řetězec

fosfatidylcholin (fosfolipid)

**

**

*

Mastné kyseliny

Tři typy membránových lipidů

Fosfolipidy

Amfipatické molekuly minimalizují interakce mezi vodním (polárním) prostředím a svými nepolárními částmi.

•Cholesterol snižuje fluiditu membrány protože omezuje pohyb uhlovodíkových řetězců.

Důležité chemické vlastnosti cholesterolu:• Hydroxylová skupina představuje polární hlavičku.• OH je navázána na pevný cholesterolový zbytek.•Má jeden uhlovodíkový konec.

Cholesterol

Cholesterol

Fluidita membrány

Fluidita plasmatické membrány

FRAP(Fluorescence Recovery After Photobleaching)

FLIP (Fluorescence Loss In Photobleaching)

Růst membrán

Polarizace membrán

FosfatidylcholinSfingomyelinGlykolipidy

Cholesterol

FosfatidylserinFosfatidylethanolaminFosfatidylinositol

Polarizace membrán

Glykolipidy

Polarita cytoplasmatické membrány

Membránové proteiny

Transport

Komunikace mezi buňkami

Enzymatické aktivity

Typy membránových proteinů

alpha Helix

Typy aminokyselin

Tloušťka hydrofobní části lipidické membrány je 3 nm.

Jedna otáčka šroubovije měří 0.54 nm and je tvořena 3.5 a.a. Takže transmembránová doména tvořená alfa-šroubovicí je dlouhá přibližně 20 aminokyselin.

Transmembránová alfa šroubovice

Hydropatický graf

Hydropathy plots

Další vlastnosti mnoha alfa helikálních transmembránových proteinů:•SH skupiny na cytoplasmatické straně membrány jsou redukované a na vnější straně jsou oxidované na S-S.•Cukry jsou kovalentně navázány na určité aminokyseliny na vnější straně plasmatické membrány (glykosylace).

Glycophorin

Protein 3 je znám jako beta-soudek (beta barrel) a je složen z antiparalelních beta skládaných listů stočených do soudkovitého tvaru. •Mnohem vzácnější než alfa-šroubovicové transmembránové domény – omezen na vnější membrány bakterií, chloroplastů a mitochondrií (Porin).•Polární aminokyselinové postranní řetězce jsou umístěny uvnitř soudku a nepolární aminokyselinové řetězce se nacházejí na vnější straně.

*

beta-skládaný list

beta barrels

receptor enzyme channel

transporter

Ionické detergenty rozpustí membrány a denaturují proteiny.

Slabé neionické detergenty rozpustí membrány bez toho, aby denaturovaly membránové proteiny.

Detergenty

Buněčný kortex

Kompartmentalizace membránových proteinů

Červené krvinky (SEM)

Přenos látekpřes membrány

Propustnost plasmatické membrány

Transport molekul, které nejsou propustné přes plasmatickou membránu je zajišťován dvěmi hlavními třídami membránových transportních proteinů.

Konformační změna “přenese” molekulu přes membránu.

Vodní pór umožňuje průchod molekul přes membránu.

Čtyři cesty molekul a iontů přes membránu

Elekrochemický gradient

Přenašečový protein naváže transportovanou molekulu na jedné straně membrány, projde konformační změnou a uvolní molekulu na druhé straně membrány.

Přenašečové proteiny (Carrier proteins)

Přenašečové proteiny jsou podobné enzymům

Enzym Přenašečový protein

Vazebná místa pro substrát Vazebná místa pro transportované molekuly Chemicky modifikuje substrát Transportuje molekuly Rychlost reakce je saturována při Rychlost transportu je saturována při vysoké koncentraci substrátu vysoké koncentraci přenášené látky

Spojením konformační změny se zdrojem energie mohou přenašečové proteiny provádět aktivní transport.

V závislosti na tom kolik různých molekul je transportováno a kterým směrem, rozlišujeme tři základní typy transportu: uniport, symport a antiport.

Na+-K+ pumpa (Na+-K+ ATPase) v plasmatické membráně je antiporter, který provádí aktivní transport.

Tento protein vytváří koncentrační gradient Na+ a K+ iontů.

Přímý aktivní transport: Na+-K+ pumpa

Na+ gradient vytvořený Na+ - K+ ATPázou pohání transport glukózy do buňky pomocí Na+ -poháněného glukózového symporteru.

Energeticky příznivý pohyb Na+ po svém electrochemickém gradientu je spřažen s energeticky nepříznivým transportem glukózy proti svému koncentračnímu gradientu.

Vápníková pumpa sarkoplasmatického retikula

Iontové kanály aMembránový potenciál

Iontové kanály jsou iontově selektivní a uzavíratelné

boční pohled

horní pohled – každý kruh představuje alfa-helix a R-skupiny jsou aminokyselinové postranní řetězce, které uvnitř kanálu vytvářejí tzv. selekční filtr (selectivity filter).

R RR

RR

R

R

R

RR

R

R

R RR

Selectivita sodného kanálu

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.

Iontové kanály oscilují mezi otevřeným a uzavřeným stavem za účelem regulace toku iontů.

•Napěťově (elektricky) ovládané kanály reagují na membránový potenciál.•Chemicky ovládané kanály reagují na navázání malých molekul = ligandy.•Mechanicky ovládané kanály reagují na pohyb.

Klidový membránový potenciál eukaryotických buněk je výsledkem koordinované činnosti přenašečových proteinů a iontových kanálů.

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

Nervová buňka - neuron

Nervový impuls (vzruch) je výsledkem elektrického narušení 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.

Tělo buňky – umístění jádra a buněčných organel. Dendrity – rozvětvené výběžky, které přijímají signály z axonů.Axon – jediný dlouhý výběžek, který vede signál směrem od těla buňky.

Napěťově ovládané Na+ iontové kanály jsou klíčové pro vznik a šíření akčního potenciálu.

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.

Nadprahová depolarizace způsobí vznik akčního potenciálu.

Cyklus tří konformací Na+ kanálu – uzavřený, otevřený, inaktivovaný - zajišťuje propagaci akčního potenciálu podél axonu.

Vznik akčního potenciálu vyžaduje depolarizaci membrány nad hodnotu prahového potenciálu. Tento proces začíná na synapsích.

presynaptická buňka postsynaptická buňka

Neurotransmitery jsou malé molekuly, které přenáší nervové impulsy na chemických synapsích

Figure 21-28

Excitační vs. Inhibiční synapse

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 (Schwann 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.

Akční potenciál přeskakuje rychle z jednoho zářezu na druhý

Neuromuskulární spoj je příklad, jak akční potenciál z neuronu spouští odpověď v jiném typu buňky.

Elektrické synapse

Srovnání přenosu akčního potenciálu přes elektrické a chemické synapse

The End