W Lodiszu od strony 149
Chemiczne składniki błon biologicznych.
Błony biologiczne składają się z wielu różnorodnych związków chemicznych należących do kilku grup. Są to:
lipidy, w tym:
fosfolipidy
sfingolipidy
glikolipidy
sterole
białka błonowe, w tym
integralne
peryferyjne
lipoproteiny
O białkach będzie później, teraz o lipidach:
Fosfolipidy (inaczej fosfoglicerydy) to pochodne 3-fosfoglicerolu w których do grup hydroksylowych glicerolu połączone są niepolarne łańcuchy reszt kwasów tłuszczowych, a do reszty fosforanowej jakaś polarna grupa. Reszty kwasów tłuszczowych mogą być nasycone albo i nie, a w ssaczych błonach mają typowo 16 albo 18 atomów węgla (choć są też inne, np. bardzo ważny kwas arachidonowy ma 20). Polarną grupą może być etanoloamina, seryna, cholina albo inozytol (fosfolipidy które tworzą to odpowiednio fosfatydyloetanoloamina - PE, fosfatydyloseryna - PS, fosfatydylocholina - PC i fosfatydyloinozytol - PI). Grupy te są najczęściej naładowane albo mają grupy -OH i razem z resztą fosforanową są hydrofilowe. Inna grupa fosfolipidów do plazmalogeny, które różnią się tym, że jeden hydrofobowy łańcuch jest podłączony do glicerolu wiązaniem eterowym a nie estrowym. Taka cząsteczka jest przez to stabilniejsza, ale nie wiadomo czy ma to jakieś znaczenie fizjologiczne. Plazmalogeny to ok. 20% wszystkich fosfolipidów u człowieka, a najwięcej jest ich w mózgu i sercu.
Sfingolipidy to pochodne sfingozyny - aminoalkoholu z długim łańcuchem hydrofobowym. Do grup aminowej jest przyłączona reszta kwasu tłuszczowego (wiązaniem amidowym), a do grupy hydroksylowej różne rzeczy. W najprostszym sfingolipidzie - sfingomielinie (SM) do grupy OH przyłączona jest fosfocholina. Sfingomielina może tworzyć mieszaną dwuwarstwę z normalnymi fosfolipidami, a najwięcej jest jej, jak sama nazwa wskazuje, w osłonce mielinowej ( a także w błonach aparatu Golgiego, bo tam jest syntezowana).
Glikolipidy to sfingolipidy, w których do grupy OH przyłączone są reszty cukrowe. Najprostszy - glukocerebrozyd - ma po prostu jedną cząsteczkę glukozy. Jednak glikolipidy mogą być bardziej skomplikowane np. gangliozydy które mają jeden lub dwa rozgałęzione łańcuchy tłuszczowe z kwasem sjalowym na końcach. Glikolipidy występują u zwierząt głównie w błonach komórek nerwowych, a u roślin jest ich ogólnie dużo więcej i czasami nawet stanowią większość lipidów błony.
Sterole to lipidy o wspólnej strukturze czteropierścieniowego węglowodoru. Jest ich bardzo dużo, a u zwierząt najczęstszym jest cholesterol. Gdyby nie jedna mała grupa OH byłby całkowicie hydrofobowy. I tak jest zbyt hydrofobowy, żeby tworzyć samemu dwuwarstwę, ale może się wbudowywać w dwuwarstwy fosfolipidowe. Ponieważ ma zupełnie inny kształt (jest płaski i sztywny) może zmieniać fizyczne właściwości błony, ale o tym później. U roślin jest wiele charakterystycznych tylko dla nich steroli roślinnych, które mogą stanowić nawet 50% lipidów w niektórych błonach.
Białka integralne to takie, które przebijają się przez zrąb hydrofobowy błony (jedną lub więcej helisami, ale mogą też beta baryłkami). Białka peryferyjne „leżą” na błonie zasocjowane z białkami integralnymi. Lipoproteiny to białka do których kowalencyjnie związana jest jakaś reszta lipidowa, która kotwiczy je w błonie. Białek w błonie może być różna ilość od 18% w osłonce mielinowej do 76% w wew. błonie mitochondrialnej.
Cechy lipidów błonowych.
Lipidy błonowe są cząsteczkami amfifiowymi, to znaczy posiadają część hydrofilową (głowę) i hydrofobową (ogon). Oczywiście, hydrofobowe ogony to reszty kwasów tłuszczowych, a hydrofilowe głowy to reszty fosforanowe z przyłączonymi grupami albo reszty cukrowe. Fosfolipidy, sfingolipidy i glikolipidy mają tendencję do spontanicznego tworzenia dwuwarstwy lipidowej, z częściami hydrofilowymi zwróconymi na zewnątrz, a hydrofobowymi do środka. Przy takiej organizacji głowy mogą swobodnie tworzyć wiązania wodorowe z wodą z otoczenia, a ogony utrzymywane są razem oddziaływaniami van der Waalsa i hydrofobowymi. Cholesterol jak już wspomniano jest na to zbyt hydrofobowy, ale może się wbudowywać do dwuwarstw fosfolipidowych.
Zrąb hydrofobowy, czyli ta część w której znajdują się niepolarne łańcuchy ma grubość ok 3-4nm, która jest zależna od składu lipidowego błony (SM i dodatek cholesterolu zwiększają grubość błony). Od składu lipidowego zależy też kształt błony, tzn. to czy jest płaska czy zaokrąglona. Lipidy o cylindrycznym kształcie tworzą błony płaskie, a o stożkowym - zaokrąglone.
Lipidy mogą poruszać się w błonie, zarówno w obrębie jednego listka jak i zmieniać listki. Dyfuzja lateralna zachodzi szybko, ze średnią prędkością 10-7 cm/s w błonach zbudowanych z czystych lipidów i 10-8 cm/s w błonach naturalnych. Różnica ta spowodowana jest tym, ze białka błonowe powodują agregację lipidów dookoła siebie. Pojawiają się też dowody na to, że w błonie tworzą się domeny z większą zawartością lipidów oddzielone od siebie barierami fragmentów błony zawierających dużo białek. W takim wypadku przejście z jednej domeny lipidowej do drugiej jest niezwykle wolne dla cząsteczki lipidu (przynajmniej w porównaniu do migracji w obrębie jednej domeny). Jeśli chodzi o ruch poprzeczne z listka do listka (flip-flop) to są one duuużo wolniejsze i kontrolowane przez białka zwane flipazami, które utrzymują asymetrię błony, o której za chwilę.
Asymetria błony
Błona biologiczna jest asymetryczna, tzn. skład listka cytozolowego i zewnątrzkomórkowego się różni. Poza tym białka integralne są zorientowane w ściśle określony sposób, a peryferyjne występują po ściśle określonej stronie błony.
Asymetria białek, a także glikoprotein i glikolipidów to tak zwana asymetria absolutna. Reszty cukrowe, nie ważne czy połączone z białkami czy z lipidami ZAWSZE wystają na zewnątrz komórki tworząc strukturę zwaną glikokaliksem. Wiąże się to z mechanizmem dodawania tych reszt. Proces ten zachodzi w świetle aparatu Golgiego i powstałe pęcherzyki transportowe łączą się z błoną tak, że ich wewnętrzna przestrzeń zlewa się z środowiskiem zewnętrznym.
Asymetria nieabsolutna dotyczy lipidów. Nieabsolutną nazywa się dla tego, że jest różna dla różnych błon i komórek. Utrzymywana jest, jak już było wspomniane przez selektywne flipazy. PI jest zwykle po wewnętrznej stronie błony, bo uczestniczy w szlakach sygnalizacyjnych. PS i PE też jest zwykle więcej po wew. stronie błony, natomiast PC i SM zwykle wystają na zewnątrz.
Cholesterol jest zwykle równomiernie rozmieszczony po obu stronach błony.
Sterydy błonowe.
Sterydy błonowe to u zwierząt głównie cholesterol a u roślin rożne fitosterole. Wszystkie mają płaską hydrofobową strukturę 4-pierścieniową i jakąś polarną grupę np. cholesterol ma słabo polarną grupę OH. Choć same nie mogą tworzyć dwuwarstwy to mogą wbudowywać się w dwuwarstwy fosfolipidowe czego funkcja została opisana w rozdziale 19.
Pojęcie płynności błony
Płynność błony to jeden z jej najważniejszych parametrów. Jest wyrazem dynamiki ruchów i oddziaływań hydrofobowych łańcuchów kwasów tłuszczowych. Wpływ na płynność mają:
skład lipidowych
obecność białek integralnych
temperatura
obecność steroli
długość i nasycenie łańcuchów kwasów tłuszczowych
Błona może występować w dwóch stanach płynności - żelu i ciekłokrystalicznym. W żelu łańcuchy hydrofobowe są w miarę uporządkowane i sztywne i wykonują niewielkie ruchy, natomiast w fazie ciekłokrystalicznej mogą się poruszać dużo swobodniej. Jednoskładnikowa błona ma ostro zaznaczoną temperaturę głównego przejścia fazowego, czyli temperaturę przejścia z fazy żelu do fazy ciekłokrystalicznej. Błony biologiczne, ponieważ są wieloskładnikowe, wykazują się rozmytym zakresem temperatur przejścia i topnieją w domenach, tzn. kiedy temperatura zbliża się do temp. przejścia małe fragmenty błony zachowują jeszcze strukturę żelu, ale między nimi pojawiają się nieuporządkowane granice, które są bardzo przepuszczalne.
Krótkie łańcuchy hydrofobowe wykazują większą płynność, bo słabiej ze sobą oddziałują. Nienasycone mają zagięcia w swojej strukturze, co rozluźnia błonę i zwiększa płynność.
Obecność białek zmniejsza płynność błony, ponieważ dookoła nich znajduje się warstwa bardzo uporządkowanych lipidów zwana lipidem granicznym.
W stanie fizjologicznym błony są płynne. Jest to konieczne dla elastyczności komórki i poprawnego zachodzenia procesów błonowych (choćby zlewania się pęcherzyków). Płynność błony regulowana jest dodatkiem cholesterolu, o którym zaraz oraz składem białek błonowych.
Rola cholesterolu w strukturze błon.
Cholesterol ma na błony dwojaki wpływ. W stanie ciekłym grupa OH tworzy wiązania wodorowe z głowami fosfolipidów zwiększając szczelność błony (normalnie w błonie tworzą się np. zagłębienia przez które mogą się przeciskać małe hydrofilowe cząstki jak glukoza), a sztywna część hydrofobowa usztywnia łańcuchy kwasów tłuszczowych zmniejszając płynność. Jednak w stanie żelu cholesterol zwiększa płynność, ponieważ rozdziela łańcuchy kwasów tłuszczowych i osłabia oddziaływania między nimi. Skutek jest taki, że im więcej cholesterolu tym bardziej rozmyta jest temperatura przejścia fazowego. Ponieważ w warunkach fizjologicznych błony są płynne, to normalnie w komórkach im więcej cholesterolu tym sztywniejsza błona. Fitosterole u roślin pełnią prawdopodobnie te same funkcje.
Glikolipidy i glikoproteiny błonowe
Glikolipidy to lipidy zawierające reszty cukrowe, a glikoproteiny to białka zwierające reszty cukrowe. W kom. zwierzęcych glikolipidy to sfingolipidy z cukrem dołączonym do grup OH sfingozyny. Przykłady to wspomniane wcześniej glukocerebrozyd i gangliozydy.
Glikoproteiny zawierają łańcuchy cukrowe podłączone wiązaniem N-glikozydowym do reszt Asn albo O-glikozydowymi do reszt Ser i Thr. Pierwsza reszta to zazwyczaj N-acetyloglukozamina albo N-acetylogalaktozoamina. Łańcuchy te są zazwyczaj bardzo rozgałęzione i zawierają stałe motywy, o których bezie później przy glikozylacji. Glikozylowane są zwykle motywy N-X-S/T.
Łańcuchy cukrowe glikolipidów i glikoprotein wystają zawsze na zewnątrz komórki. Pełnią wiele ważnych funkcji m.in.. w adhezji komórek, jako antygeny powierzchniowe w rozpoznawaniu się komórek itp.