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

Główne składniki dwuwarstwy lipidowej

fosfolipidy

glicerolowe:

PC,PE,PS,PI,CR

•sfingozynowe: SM,

glikosfingolipidy

•sterole

IZOTERMA POWIERZCHNIOWEJ

MONOMOLEKULARNEJ BŁONY LIPIDOWEJ

I

– 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;

V

– 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

WARSTWY LANGMUIRA-BLODGETT

Podłoże hydrofobowe

Podłoże hydrofilowe

Orientacje cząsteczek

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

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.

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

ZMIANY W ORGANIZACJI MIKROSTRUKTURY

BŁON LIPIDOWYCH

tworzenie domen lipidowych

pH

Ca

2+

t =

N

4



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

DEFEKTY W BŁONIE LIPIDOWEJ WYWOŁANE

WBUDOWANIEM BIAŁKA

RELAKSACJA

DYLATACJA

DOMENOWA BUDOWA BŁON

BIOLOGICZNYCH

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

Przejścia fazowe II

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

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)

Połączenie błony z cytoszkieletem

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

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

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

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

TRANSLACYJNE RUCHY CZĄSTECZEK

W BŁONIE KOMÓRKOWEJ

LATERALNE

• lipidy

• białka

TRANSWERSALNE

• tylko lipidy

10

7

cząst./min

1 cząst./kilka h

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

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

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

LIPOSOMY

techniki formowania



Transport substancji



Badanie właściwości białek błonowych

DWUWARSTWOWE

Sonikacja

20 – 50 nm

nm

WIELOWARSTWOWE

Wytrząsanie

5 – 50

m

m

m

m

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

g

p/

k

P – współczynnik przepuszczalności

K – współczynnik podziału

Kanały wodne