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