Wykład 1: transport substancji przez
błony komórkowe
Jednym z pierwszych wydarzeń ewolucyjnych prowadzących do
powstania organizmów żywych na Ziemi było wykształcenie
skutecznej bariery, która, z jednej strony, izolowała uporządkowaną i
wrażliwą materię zdolną do replikacji, od rozproszonej materii świata
nieożywionego, z drugiej zaś, umożliwiała szeroko rozumianą
komunikację. Tą barierą była błona biologiczna, która do dziś spełnia
swoje archaiczne, ale jakże podstawowe dla życia funkcje.
Tak różne funkcje błon biologicznych możliwe są dzięki ich unikalnej
budowie. Obecność dwuwarstwy lipidowej o charakterze
hydrofobowym uniemożliwia niemal zupełnie ruch substancji
hydrofilowych, a więc tych, które rzozpuszczaja się w wodzie.
Komunikacja komórki ze środowiskiem możliwia jest dzięki drugiej
frakcji błony  białkom.
Struktura elementarnej błony komórkowej
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Względna przepuszczalność sztucznej dwuwarstwy lipidowej dla
różnych klas cząsteczek
O2
CO2
MAA
E CZ
STECZKI
N2
HYDROFOBOWE
benzen
H2O
MAA
E CZ
STECZKI POLARNE
glicerol
BEZ A
ADUNKU
etanol
Aminokwasy
WI
KSZE CZ
STECZKI POLARNE
glukoza
BEZ A
ADUNKU
nukleotydy
H+, Na+, K+,Ca2=
JONY Mg2+, Cl-,HCO3-
Sztuczna dwuwarstwa
lipidowa
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Płynność błony zależy od długości łańcuchów węglowych kwasów
tłuszczowych i stopnia ich nasycenia (ilości wiązań podwójnych).
Klasy białek błonowych
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
PODSTAWOWE FUNKCJE BIAA
EK BA
ONOWYCH
Białka transbłonowe pod względem
funkcji dzielą się na:
" transporterowe
" łączące
" receptorowe
" enzymatyczne
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
Białka transporterowe obecne są we wszystkich
błonach komórkowych
A
ańcuch polipeptydowy zazwyczaj
przechodzi przez warstwę lipidową jako
ą helisa. Hydrofobowe łańcuchy boczne
aminokwasów tworzących ą helisę stykają
się z hydrofobowymi węglowodorowymi
ogonami lipidów. Części hydrofilowe
Kilka helis (na rysunku 5) może
łańcucha ppolipeptydowego skierowane są
utworzyć hydrofilowy por wodny
do środka i tworzę wewnątrz helisy
wiązania wodorowe.
hydrofobowe boczne łąńcuchy
Por wodny helisa transbłonowa
aminokwasów
wiązania wodorowe
dwuwarstwa lipidowa
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
ą helisa
TRANSPORT BIERNY I AKTYWNY PRZEZ BA
ONY
KOMÓRKOWE
Transport bierny cząsteczek odbywa się
Transport cząsteczki wbrew
zawsze spontanicznie, zgodnie z
gradientowi stężenia zawsze
gradientem jej stężenia. Może zachodzić na
wymaga doprowadzenia energii i
drodze dyfuzji prostej bądz
ułatwionej. W
dlatego nazywa się transportem
tym drugim przypadku w przeniesieniu
aktywnym.
cząsteczki uczestniczą białka błonowe
(kanały bądz
przenośniki).
dyfuzja
prosta
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
SKA
ADOWE SIA
Y NAP
DOWEJ (GRADIENTU
ENERGII SWOBODNEJ) TRANSPORTU BIERNEGO
W PRZYPADKU CZ
STECZEK OBOJ
TNYCH
SIA

NAP
DOW
TRANSPORTU PRZEZ
BA
ONY JEST GRADIENT POTENCJAA
U
CHEMICZNEGO SUBSTANCJI
W PRZYPADKU JONÓW SIA

NAP
DOW

TRANSPORTU PRZEZ BA
ONY JEST
GRADIENT POTENCJAA
U
ELEKTROCHEMICZNEGO SUBSTANCJI ORAZ
POTENCJAA
TRANSBA
ONOWY.
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
TRANSPORT BIERNY UMOŻLIWIAJ
:
1. Kanały białkowe
2. Białka przenośnikowe
BRAMKOWANE KANAA
Y JONOWE
W zależności od typu kanału jonowego bramki otwierają się w odpowiedzi na:
(A) zmianę potencjału błonowego (depolaryzacja lub hiperpolaryzacja błony)
(B) związanie z kanałem chemicznego liganda z zewnątrz lub (C) wewnątrz
(D) stymulację mechaniczną
ABC
Podstawy Biologii Komórki, Alberts i wsp. 1999.)
KANAA
Y JONOWE REGULOWANE ZMIAN
POTENCJAA
U BA
ONOWEGO
1. PLAZMOLEMOWE, WPUSTOWE KANAA
Y POTASOWE aktywowane hyperpolaryzacją błony
(AKT  komórki korzeni i KAT  komórki szparkowe) stanowią najliczniejszą grupę białek
kanałowych regulowanych zmianą potencjału błonowego. Odpowiadają za pobieranie potasu z
roztworów glebowych (AKT) i otwieranie aparatów szparkowych (KAT).
2. PLAZMOLEMOWE, WYPUSTOWE KANAA
Y POTASOWE aktywowane depolaryzacją
błony (SKOR  komórki parenchymatyczne walca osiowego i GORK - komórki szparkowe).
Odpowiadają za uwalnianie potasu z komórek parenchymatycznych do naczyń uczestnicząc w
ten sposób w transporcie dalekim potasu (SKOR) lub z komórek szparkowych (GORK) indukując
zamykanie aparatów szparkowych.
Roślinne kanały regulowane chemicznym ligandem to:
1. Plazmolemowe, wypustowe kanały potasowe (KCO1) regulowane
jonami wapnia
2. Tonoplastowe kanały potasowe regulowane jonami wapnia
3. Wapniowe kanały endomembran (tonoplast i błony ER) regulowane IP3,
cADPR i wapniem
BIERNY TRANSPORT SUBSTANCJI ROZPUSZCZO-NYCH (np.
glukozy) ZA POŚREDNICTWEM PRZENOŚNIKÓ BIAA
KOWYCH
(UNIPORT)
Transportery aktywne dzielą się na:
1. Transportery pierwotne
2. Transportery wtórne
Transportery pierwotne, do przeniesienia cząsteczki przez błonę wykorzystują
energię świetlną bądz
energię chemiczną pochodzącą z rozkładu wiązań
fosforanowych.
Transportery wtórne do przeniesienia przez błonę cząsteczki wbrew gradientowi
jej stężenia wykorzystują pierwotną siłę motoryczną wytworzoną przez pompy
protonowe.
TRANSPORTERY PIERWOTNE
1. Transportery typu ABC
2. Pompy jonowe
" Ca2+ATPazy
" Pompy metalowe
3. Pompy protonowe
TRANSPORTERY TYPU ABC
Transportery typu ABC (od ang. ATP-binding cassete) to P-ATPazy posiadające w
swojej strukturze dwie konserwatywne sekwencje wiążące nukleotydy zwane także
sekwencjami NBF (NBF1 i NBF2). Występują w tonoplaście, transportując do wakuoli
szeroką grupę tzw. wtórnych metabolitów (flawonoidy, antocyjany, produkty rozkładu
chlorofilu) i ksenobiotyki (herbicydy i metale ciężkie). Roślinne ABC transportery
transportują te substancje jako koniugaty glutationowe (GS=glu-cys-glu).
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Ca2+_ATPazy
Ca2+ATPazy należą do grupy P-ATPaz. Są wrażliwe na wanadan, tworzą ufosforylowane
intermediaty i są pojedynczym łańcuchem polipeptydowym, penetrujacym błony 6-10
razy. C-koniec nie ma charakteru regulatorowego. Poszczególne Ca2+ATPazy różnia się
nieco budową. Poniżej przedstawiona jest struktura pompy wapniowej tonoplastu, która na
N-końcu posiada sekwencję wiążącą kalmodulinę (aktywacja enzymu).
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Regulacja aktywności Ca2+-ATPazy przez
kalmodulinę
Pompa aktywna
Pompa nieaktywna
Rozmieszczenie pomp wapniowych w
komórce roślinnej
Ca2+ATPazy występują zarówno w plazmolemie, ER, zewnętrznej i wewnętrznej błonie
chloroplastowej, jak i tonoplascie. Transportują wapń z cytoplazmy komórek roślinnych
regulując jego stężenie i uczestnicząc w przekazywaniu bodz
ców.
Pompy metalowe
(HMA od ang. Heavy Metal transporting ATPases)
Lokalizacja komórkowa HMA
PM
HMA2 HMA4
HMA7/RAN1
WA
HMA1
GA
HMA6/PAA1
HMA3
HMA8/PAA2
CHL
HMA5
V
POMPY PROTONOWE
A. Pompy plazmolemy
Plazmolemowa H+ATPaza jest pojedynczym polipeptydem (około 100kDa) posiadającym 8
do 10 odcinków tranmembranowych (ą-helisa). Duża, wysoce konserwatywna pętla po
stronie cytoplazmatycznej zawiera centrum wiążące ATP, a mała pętla pomiędzy 2 i 3 ą-
helisą ulega fosforylacji tworząc ufosforylowane intermediaty charakterystyczne dla
wszystkich P-ATPaz. Hydrofilny odcinek łańcucha z wolną grupą karboksylową stanowi
domenę autoregulatorową.
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Fosforylacja reszty serynowej
domeny autoihibitorowej
enzymu (C-koniec) umożliwia
przyłaczenie białka 14-3-3 i
odsłonięcie centrum
katalitycznego. ATPaza z
formy nieaktywnej zmienia się
w aktywną. Podobny do
fosforylacji efekt powoduje
przyłączenie fuzikokcyny
(toksyna grzybowa). Forma
aktywna enzymu może być
inaktywowana poprzez
defosforylację i odłączenie
14-3-3.
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
B. POMPY PROTONOWE TONOPLASTU
V-ATPaza: enzym składa się z dwóch sektorów:
V1i V0. Hydrofilny sektor V1 (tzw.główka)
wystający z błony po stronie cytoplazmatycznej
tworzą trzy kopie polipeptydów A (funkcja
PIROFOSFATAZA : 1-14 helisy ttranmembranowe
katalityczna) i B (podjednostka regulatorowa) oraz
tworzące kanał protonowy, sekwencja DVGADLVGKVE -
dodatkowe polipeptydy (C,,E,G,H  stator i D,F,
miejsce wiązania i hydrolizy PPi. CS1, CS2 i CS3 -
tzw. trzonek). Integralny sektor błonowy
konserwatywne segmenty domeny katalitycznej.
zbudowany z 6-ciu kopii proteolipidu c tworzą
kanał protonowy oraz polipeptydów a (stator) i d
(trzonek).
Pompy protonowe plazmolemy i
tonoplastu generują gradient
elektrochemiczny błony stanowiący
tzw. pierwotną siłę protomotoryczną
(pmf) wykorzystywaną przez
transportery wtórne do przenoszenia
substancji przez błony
WTÓRNY TRANSPORT AKTYWNY 
WSPÓLDZIAA
ANIE POMP PROTONOWYCH I
TRANSPORTERÓW WTÓRNYCH
ŚWIATA
O
+
+ + +
++ + +
+ + +
ATP/PPI ADP/PI
+
Transporter Transporter
POMPA
wtórny wtórny
PROTONOWA
(symporter) (antyporter)
Z uwagi na powinowactwo do substratu transportery wtórne
dzielą się na:
1. Transportery wysokiego powinowactwa (HATS, ang.
High Affinity Transport System)
2. Transportery niskiego powinowactwa (LATS, ang. Low
Affinity Transport System)
Mogą mieć charakter białek:
1. Konstytucyjnych (ciągła ekspresja genów kodujących)
2. Indukcyjny (ekspresja genów kodujących indukowana lub
hamowana substratem)
Struktura wtórnych transporterów wysokiego powinowactwa:
potasowego (HKT1), fosforanowego (HPT1) i siarczanowego (HST1)
HKT1 HPT1
HST1
Biochemistry and Molecular Biology (2000,
Buchanan at al.)
Transportery bierne i aktywne (pierwotne i wtórne)
plazmolemy
Transportery pierwotne i wtórne tonoplastu