12. Błony biologiczne
Prof. dr hab. inż. Korneliusz Miksch
Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Environmental Biotechnology Department
Błony biologiczne
Błona biologiczna (błona plazmatyczna) - podstawowa
jednostka strukturalna wszystkich błon występujących w
komórce. Składa się z dwuwarstwy cząsteczek
fosfolipidów oraz z cząsteczek białka, które są na stałe
wbudowane pomiędzy fosfolipidy albo tylko luz
no
przymocowane do błony
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dwuwarstwowa błona (schemat ogólny)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Funkcje błon
" pełnią funkcje enzymatyczne, katalizując różne
reakcje metaboliczne,
" reagują na bodz
ce chemiczne, termiczne i
mechaniczne,
" utrzymują równowagą między ciśnieniem
osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki.
" regulują transport wybranych substancji z i do
komórki,
" chronią komórki przed działaniem czynników
fizycznych i chemicznych, a także przed wnikaniem
obcych organizmów, w szczególności
chorobotwórczych.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Błona biologiczna (schemat z składnikami)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fosfolipidy
Fosfolipidy - Cząsteczka fosfolipidu składa się z dwóch
fragmentów różniących się powinowactwem do wody:
hydrofilowej główki i hydrofobowego ogonka.
Hydrofobowy ogonek cząsteczki fosfolipidu jest utworzony
przez dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych. W skład
hydrofilowej główki fosfatydylocholiny (jednego z
głównych fosfolipidów błon biologicznych) wchodzą:
- reszta glicerolu,
- grupa fosforanowa,
- reszta choliny połączona z grupą fosforanową.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fosfolipid
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fosfolipidy- podstawowa struktura
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fosfolipidy (schemat fosfatydylocholiny)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fosfolipidy
Poszczególne błony komórki różnią się od siebie rodzajem
białek i lipidów, ale ich ogólny schemat budowy jest taki
sam. Cząsteczki fosfolipidów układają się naprzeciw siebie
i tworzą półpłynną dwuwarstwę lipidową, w której są
zakotwiczone białka błonowe. Błona plazmatyczna nie jest
strukturą sztywną: fosfolipidy i białka przez cały czas
poruszają się względem siebie. Wszystkie błony
biologiczne składają się z dwuwarstwy lipidowej oraz
białek, jednak poszczególne rodzaje błon są zbudowane z
różnych białek i lipidów. Na przykład wewnętrzna błona
mitochondrium zawiera inne białka, niż błona komórkowa
(błona oddzielająca wnętrze komórki od płynu
zewnątrzkomórkowego)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Białka błonowe
Białka błonowe to białka związane z błonami biologicznymi.
Dzielą się na białka integralne, wbudowane na stałe w błonę i
białka powierzchniowe, słabo związane z wewnętrzną albo
zewnętrzną powierzchnią błony białkowo-lipidowej
Białka integralne (transbłonowe) - Białka wbudowane w
błonę plazmatyczną. Przynajmniej jeden fragment białka
transbłonowego jest  na stałe zakotwiczony pomiędzy
cząsteczkami fosfolipidów błony
Białka powierzchniowe (peryferyczne) - Luz
no połączone z
błoną białko, które można łatwo usunąć z wewnętrznej albo
zewnętrznej powierzchni błony biologicznej.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Błony komórkowe (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Białka transportowe
Białko transportowe (przenośnikowe, translokujące,
permeazy) - Białko błonowe przenoszące inne cząsteczki lub
jony z jednej strony błony plazmatycznej na drugą. Białka
przenośnikowe (zwane także transporterami) potrafią
rozpoznawać i wiązać cząsteczki przeznaczone do
przeniesienia przez błonę. Cząsteczka przyłączona przez
transporter jest przenoszona na druga stronę błony
biologicznej. Po uwolnieniu przenoszonej cząsteczki białko
przenośnikowe przygotowuje się do transportu następnej
cząsteczki. Niekiedy przenoszeniu cząsteczki przez białko
przenośnikowe towarzyszy transport jakiegoś jonu w tym
samym kierunku w którym przenoszona jest cząsteczka
(symport) albo w przeciwnym kierunku (antyport).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Przepuszczalność błon
Błony biologiczne są selektywnie przepuszczalne.
Oznacza to, że nie wszystkie cząsteczki mogą równie
łatwo przechodzić z jednej strony błony na druga. Dla
niektórych cząsteczek błony plazmatyczne są
nieprzepuszczalne, a inne cząsteczki mogą być
transportowane przez błonę białkowo-lipidową przy
użyciu specjalnych przenośników białkowych
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport związków wielkocząsteczkowych
Komórki mogą pobierać związki wielkocząsteczkowe nie
rozpuszczone, jak i rozpuszczone w wodzie. Ze względu
na wielkość i powierzchniowy ładunek tych związków
transport ich ma odmienny charakter niż błonowy
transport jonów i związków małocząsteczkowych.
Transport związków wielkocząsteczkowych do komórek
organizmów wyższych zachodzi poprzez fagocytozę i
endocytozę, a dla organizmów jednokomórkowych
poprzez pinocytozę. Do takiego transportu nie są zdolne
bakterie.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport wielkocząsteczkowy  fagocytoza, endocytoza,
pinocytoza (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fagocytoza
Fagocytoza jest to pobieranie drobnych, nieroz-
puszczalnych cząstek (bakterii, wirusów, szczątków
organicznych) na zasadzie inwaginacji (wpuklania do
wewnątrz lub wypustek) plazmolemy. Materiał będący w
pobliżu błony komórkowej może być otaczany przez
 pseudopodia plazmolemy. Pęcherzyk zawierający pobraną
cząstkę oddziela się od błony komórkowej i wnika do
cytoplazmy. Wewnątrz cytoplazmy dochodzi do
enzymatycznej degradacji zawartości pęcherzyka (proste
związki organiczne: aminokwasy, cukry włączane są do
wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych). Nie
strawione resztki zostają wydalone z komórki w procesie
egzocytozy.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Fagocytoza
Niektóre komórki układu odporościowego fagocytują i
niszczą mikroorganizmy chorobotwórcze. W ten sposób
chronią nasz organizm przed zakażeniem. Fagocytowana
bakteria przyczepia się do zewnętrznej powierzchni błony
komórkowej. Błona komórkowa rozciąga się i otacza
bakterię, tworząc pęcherzyk zwany fagosomem. Fagosom
przechodzi do cytoplazmy razem z bakteria, która jest w
nim zamknięta. Następnie lizosomy łączą się z fagosomem
i wylewają do niego enzymy trawiące komórkę bakteryjną
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Endocytoza
Endocytoza jest procesem trochę podobnym do
fagocytozy, ale dotyczy mniejszych cząsteczek, na
przykład pojedynczych białek. Cząsteczki pobierane przez
komórkę na zasadzie endocytozy są wyłapywane z
otoczenia komórki przez odpowiednie białka błonowe,
które spełniają funkcję receptorów. Receptory połączone z
wychwyconymi cząsteczkami gromadzą się w obrębie
specjalnych dołków w błonie komórkowej. Dołki
pogłębiają się i tworzą małe pęcherzyki określane jako
endosomy. Endosomy mogą łączyć się w większe
zgrupowania lub rozpadać na mniejsze struktury.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Endocytoza
Pęcherzyki przemieszczają się w głąb cytoplazmy, gdzie
dochodzi do enzymatycznej degradacji ich zawartości.
Jeżeli proces ten jest niekompletny, nie strawione
substancje występują w komórkach jako ciała resztkowe. U
zwierząt wyżej zorganizowanych ciała resztkowe
przebywają w komórkach (nerwowych i mięśniowych)
przez długi okres. Po pewnym czasie endosomy wydalają
swoją zawartość na zewnątrz cytoplazmy. W niektórych
przypadkach po zakończeniu endocytozy cząsteczki
receptorów mogą być z powrotem włączane w błonę
komórkowa.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Endocytoza (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Pinocytoza
Pinocytoza jest to sposób odżywiania się organizmów
jednokomórkowych lub wielokomórkowych (np. gąbek).
Jest to nieswoiste pobieranie małych kropel płynu
zewnątrzkomórkowego do wnętrza komórek. Błona ulega
wpukleniu do środka tworząc pęcherzyk zawierający
pobraną kroplę. Wewnątrz cytoplazmy dochodzi do
enzymatycznej degradacji zawartości pęcherzyka (po
rozpuszczeniu otoczki uwalniane są proste związki
organiczne: aminokwasy, cukry, które są włączane do
wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport związków małocząsteczkowych
Transport przez błony biologiczne związków
małocząsteczkowych - Cząsteczki różnych substancji
mogą przenikać przez błony białkowo-lipidowe na
zasadzie dyfuzji, dyfuzji ułatwionej lub transportu
aktywnego. Proces przechodzenia wody przez błony
biologiczne nosi nazwę osmozy.
Osmoza - Przechodzenie cząsteczek wody przez
selektywnie przepuszczalną błonę białkowo-lipidową.
Dyfuzja - Proces samorzutnego przenikania cząsteczek
jednej substancji pomiędzy cząsteczki drugiej substancji.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport związków małocząsteczkowych
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dyfuzja ułatwiona
Dyfuzja ułatwiona - Transport cząsteczek przez błonę
biologiczną przy użyciu białek transportowych, ale z
zachowaniem gradientu stężeń i bez zużywania energii
przez komórkę. Na drodze dyfuzji ułatwionej mogą być
transportowane cząsteczki niektórych substancji, na
przykład aminokwasów. W tym procesie uczestniczą
specjalne białka przenośnikowe wbudowane w błonę
plazmatyczną. Białka transportowe biorą udział zarówno
w dyfuzji ułatwionej, jak rownież procesach transportu
aktywnego.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dyfuzja ułatwiona
Dyfuzja ułatwiona jest szybsza od zwykłej dyfuzji,
ponieważ białka transportowe sprawnie wyłapują
cząsteczki przeznaczone do przeniesienia przez błonę.
Jednak w przeciwieństwie do transportu aktywnego
dyfuzja ułatwiona zawsze odbywa się zgodnie z
gradientem stężeń - cząsteczki są transportowane z tej
strony błony, gdzie jest ich więcej, na tę stronę, gdzie jest
ich mniej. Dlatego w tym procesie nie jest zużywana
energia zmagazynowana w wysokoenergetycznych
wiązaniach cząsteczek ATP.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport aktywny
Transport aktywny - Transport przez błonę biologiczną,
odbywający się przeciwnie do gradientu stężeń
transportowanej substancji, a więc są one wypompowywane z
roztworu, w którym jest ich mniej, do roztworu, w którym jest
ich więcej. Pokonanie gradientu stężeń wymaga zużycia
pewnej ilości energii zmagazynowanej w ATP.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dyfuzja, dyfuzja ułatwiona, transport aktywny (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Transport grupowy (schemat)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Translokacja grupowa
Translokacja grupowa - Jest formą transportu
aktywnego, ale różni się od typowego tym, że w czasie
wchodzenia do komórki substrat ulega modyfikacji.
Natomiast w omówionym wcześniej typowym transporcie
aktywnym, cząsteczka uwalniana w cytoplazmie jest taka
sama jak na zewnątrz. A w w translokacji grupowej,
pobrany cukier, dostarczany jest do wnętrza komórki w
postaci fosfocukru. Glukoza, fruktoza, mannoza i inne
węglowodany są pobierane za pośrednictwem systemu
fosfotransferazowego zależnego od
fosfoenolopirogronianu (PEP).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Translokacja grupowa
W translokacji grupowej uczestniczą cztery enzymy
(schemat). Enzym II jest integralnym białkiem błony, który
tworzy kanał i katalizuje fosforylację cukru. Grupa
fosforanowa nie pochodzi bezpośrednio od PEP, lecz zostaje
najpierw przekazana przez enzym I do małego,
termostabilnego białka, zwanego HPr. Ufosforylowana forma
HPr (HPr ~ P) reaguje z enzymem peryferycznym białkiem
błony(enzym III), od którego enzym II odbiera grupę
fosforanową i przenosi ją na cukier. Enzymy błonowe II i III
są swoiste dla poszczególnych cukrów, podczas gdy enzym I i
HPr uczestniczą we wszystkich procesach przenoszenia
(translokacji) cukrów z udziałem PEP. W transporcie
niektórych cukrów nie uczestniczy enzym III.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Typy transportu przez błony (schemat blokowy)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Dziękuję za uwagę
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl