Różnica stężeń jonów H+ oraz różnica ładunków powstająca w wyniku przenoszenia protonów określana jako gradient elektrochemiczny jest wykorzystywana przez syntazę ATP do syntezy kluczowego w energetyce komórki związku – ATP. Dehydrogenaza NADH odpowiedzialna jest za wytworzenie około 40% gradientu protonów powstającego w wyniku działania łańcucha oddechowego

SKŁADNIKI BŁON BIOLOGICZNYCH

Błony występują we wszystkich znanych układach biologicznych zdolnych do samodzielnego

życia. Oddzielają one zarówno komórkę od środowiska, jak również mogą dzielić wnętrze komórki

na mniejsze obszary o zróżnicowanych funkcjach.

Główne funkcje błony komórkowej to

:

- oddzielanie wnętrza komórki od środowiska,

- bierny lub czynny transport jonów i substancji niejonowych,

- transport produktów komórki do środowiska,

- reakcje na impulsy pochodzące ze środowiska,

- przenoszenie impulsów do innych okolic komórki lub do innych komórek,

- interakcja miedzy komórkami.

Składnikami błon biologicznych są lipidy, białka i woda. Wzajemny stosunek tych składników

może być różny w różnych błonach, których ułożenie też bywa zmienne. Czyni to błony

strukturami o budowie dostosowanej do pełnionej funkcji.

Lipidy w błonie komórkowej można zaliczyć do trzech klas: fosfolipidów, lipidów obojętnych i

glikolipidów. Podstawową strukturą błony jest podwójna warstwa fosfolipidowa. Błona taka

stanowi środowisko, w którym inne lipidy i białka mogą poruszać się w dwu wymiarach ( w wodzie

cząsteczki poruszają się w trzech wymiarach). Fosfolipidy mają charakter amfipatyczny, czyli tak

są zbudowane, że ich cząsteczki mają w pewnej okolicy grupy hydrofilne, polarne, a w innej

hydrofobowe, polarne. Takie substancje, gdy znajdą się w środowisku wodnym, układają się w ten

sposób, że kierują grupy polarne do środowiska wodnego, a grupy hydrofobowe w kierunku

przeciwnym. Tworzą one kuliste twory, zwane micelami, albo układają się w błony dwu- lub

kilkuwarstwowe, zamykające się w pęcherzyki.

BŁONA ERYTROCYTU

Najlepiej poznaną błoną komórkową jest błona erytrocytu ludzkiego. Przyczyniła się do tego

łatwość otrzymywania dużej liczby tych błon bez konieczności oddzielania ich od błon

śródplazmatycznych. W skład dwu warstw lipidowych błony erytrocytu wchodzą:

- warstwa zewnętrzna od strony środowiska oraz

- warstwa cytoplazmatyczna od strony cytoplazmy.

Pierwsza jest zbudowana głównie z fosfolipidów cholinowych: fasfatydylocholiny (lecytyny) i

sfingomieliny. Natomiast fosfolipidy aminowe, tzw. kefaliny: fosfatydyloseryna i

fosfatydyloetanolamina są skłądnikami warstwy protoplazmatycznej. Te ostatnie mają też łańcuchy

węglowodorowe zawierające więcej nienasyconych wiązań, a fosfatydyloseryna ponadto nosi jeden

ładunek dodatni na dwa ujemne w fizjologicznym pH, ma więc nadmiar ładunków ujemnych. Z

tego wynika, że istnieje asymetria błony spowodowana asymetrią rozmieszczenia grup polarnych

fosfolipidów w dwu warstwach błony, asymetrią łańcuchów weglowodorowych i ładunków

elektrycznych. Asymetria ta utrzymuje się dzięki rzadkim ruchom flip-flop cząsteczek lipidów w

błonie.

Dodatkowo asymetria ta jest spowodowana obecnością glikolipidów w warstwie zewnętrznej.

Glikolipidy decydują o oktywności grupowej krwinek –AB0, a także są powierzchniowymi

receptorami dla pewnych toksyn bakteryjnych, np. cholery. Pochodzenie glikolipidów błony nie jest

jasne. Zarówno one, jak i cholesterol mogą zostać wbudowane do warstwy zewnętrznej błony ze

środowiska otaczającego erytrocyt.

Białka błonowe erytrocytu są wbudowane w podwójną warstwę lipidów również asymetrycznie. Od

strony środowiska są do nich dołączone łańcuchy cukrowcowe. Łatwo można analizować liczbę

różnych białek i ich wzajemne proporcje oraz przybliżoną masę cząsteczkową po solubilizacji

(przeprowadzenie do roztworu wodnego kompleksów detergentów i składników błony) błon

detergentem. Detergent przyłącza się do hydrofobowych okolic cząsteczki białka, zastępując lipidy.

Powstałe kompleksy białko-detergent mogą być rozdzielone elektroforetycznie w wodnym

środowisku zawierającym nadmiar detergentu. Białka błonowe, które można przeprowadzić do

roztworu jedynie w postaci kompleksów z detergentem nazywamy białkami integralnymi w

odróżnieniu od tych, które dają się usunąć z błony wodą, roztworami soli lub czynników

chelatujących. Te ostatnie nazywamy białkami powierzchniowymi.

Trzy białka błonowe erytrocytu poznano najlepiej: białko 3 szczytu elektroforetycznego i główny

glikoproteid erytrocytu, które są białkami integralnymi oraz powierzchniowe białko tektynę A.

Właściwości białek błony erytrocytu człowieka podano niżej:

Białko 3 szczytu elektroforetycznego = komponenta α

1)

Białko integralne, 100 000 daltonów

2)

Wystaje po obu stronach błony

3)

5 x 10

5

kopii na komórkę

4)

Tworzy dimery, także kompleksy z glikoforyną

5)

Niewrażliwe na trypsynę, trawione pronazą, ok. 10% masy stanowią węglowodany

6)

Funkcja kanału dla anionów

Główny glikoproteid = glikoforyna = główny sjaloglikoproteid

1.

Białko integralne, 30 000 daltonów, 131 aminokwasów w tym ¼ ser i thre

2.

Wystaje po obu stronach błony

3.

7 x 10

5

kopii na komórkę

4.

Peptydowy odcinek z 23 aminokwasów tworzy spiralę α w obrębie podwójnej warstwy

lipidowej, kompleksy z białkiem 3 szczytu elektroforetycznego

5.

Wrażliwy na trypsynę, ok. 100 reszt cukrowcowych w 10 łańcuchach polisacharydowych

6.

Łańcuchy cukrowcowe warunkują ujemny ładunek powierzchniowy komórki oraz

aktywnośc grupową MN krwinek, są receptorami błonowymi dla wirusa grypy i lektyn

Spektryna = tektyna A

Białko powierzchniowe, kształt włóknisty, 220 000 (α) i 240 000 (α’) daltonów,

Po cytoplazmatycznej stronie błony

2,2 x 10

5

kopii na komórkę

Tworzy dimery (α+α’)

Nie zna wrażliwości na proteazę

Wykazuje aktywność ATPazy zależnej od Ca

2+

Więcej białek błonowych wystepuje od strony cytoplazmy. Od strony tej leży również tektyna A.

Białko to ma charakter włóknisty i tworzy sieci dochodzące do cytoplazmatycznych, hydrofilnych

części białek integralnych błony. Wzajemnym oddziaływaniem białek integralnych z tektyną

tłumaczy się ich stosunkowo małą ruchliwość w płaszczyźnie błony erytrocytu.

Inne białka integralne błonowe erytrocytu występują w mniejszych ilościach, a niektóre nie daja

sięwykazać metodami barwienia białek w żelach. Należą tu również białka enzymatyczne np.

ATPaza zależna od sodu i potasu oraz acetylocholinesteraza.

Cytoszkielet

(szkielet komórki)- skomplikowana sieć białkowych filamentów rozciągających się w

wnętrzu cytoplazmy.

Odpowiedzialny jest za:

-mechaniczne oddziaływanie z otoczeniem

-przyjowanie różnorodnych kształtów

-wykonywanie skoordynowanych ruchów

-zdolność komórek eukariotycznych do organizowania wielu składników swojego wnętrza

-ruchy na dużą skalę jak i pełzanie komórek po powierzchni

stanowi maszynerię ruchów wewnątrzkomórkowych, takich jak transport organeli z jednego

miejsca na drugie, rozkład chromosomów do dwóch komórek potomnych w trakcie mitozy i

separacja komórek zwierzęcych w czasie podziałów

Cytoszkielet zbudowany jest z trzech rodzajów filamentów białkowych:

filamentów pośrednich,

mikrotubul i filamentów aktynowych

. Rodzina białek włóknistch tworzy filamenty pośrednie,

tubulina jest podjednostką mikrotubul, a aktyna stanowi podjednostkę filamentów aktynowych.

FILAMENTY POŚREDNIE

Mają dużą wytrzymałość i ich główną funkcją jest umożliwienie komórce przeciwstawienia się

mechanicznym stresom, które pojawiają się podczas rozciągania komórki. Nazywane pośrednimi bo

ich średnica wacha się między średnicą filamentów aktynowych a średnicą mikrotubul. Filamenty

pośrednie są najbardziej sztywne i wytrzymałe(gdy komórki są poddawane działaniu stężonych

roztworów soli i detergentów niejonowych to filamenty pośrednie pozostaną gdy reszta ulegnie

zniszczeniu).

Filamenty pośrednie zazwyczaj tworzą sieć wewnątrz cytoplazmy, otaczając jądro komórkowe i

rozciągając się aż do krańców komórki. Wykrywane są w obrębie jądra komórkowego, gdzie

utworzona przez nie sieć zwana laminą (blaszką) jądrową, stanowi podstawę i wzmocnienie otoczki

jądrowj.

Filamenty pośrednie przypominają linę składającą się z wielu długich skręconych nici

(wytrzymałość na rozciąganie). Nici tej liny są wydłużonymi białkami włóknistymi, z których

każde jest złożone z globularnej głowy na końcu aminowym, globularnego ogona na końcu

karboksylowym, oraz domeny środkowej wydłużonej w kształt pałeczki. Domena środkowa o

charakterze alfa umożliwia parom białek filamentów pośrednich stworzyć stabilne dimery poprzez

wzajemne owijanie się jeden wokół drugiego w strukturę superhelisy. Dwa takie dimery łączą się

poprzez wiązanie niekowalencyjne aby utworzyć tetrametr a następnie tetrametry łącza się jeden z

drugim, koniec do końca i bok do boku również przez wiązanie niekowalencyjne aby utworzyć

filament pośredni.

F P dominują w obrębie cytoplazmy komórek narażonych na stresy mechaniczne. Występuja w

dużej ilości wzdłuż aksonów komórek nerwowych, w obrębie komórek mięśniowych czy

nabłonkowych. W tych komórkach F P poprzez napinanie i rozkładanie w wyniku miejscowo

przyłożonych sił zapobiegają pękaniu komórek i ich błon w odpowiedzi na rozciąganie.

KLASY FILAMENTÓW POŚREDNICH

7)

filamenty keratynowe w komórkach nabłonkowych

8)

filamenty wimentynowe i filamenty wimentynopodobne w komórkach tkanki łącznej i

mięśni oraz w komórkach glejowych układu nerwowego

9)

neurofilamenty w komórkach nerwowych

10)

laminy jądrowe które wzmacniają otoczkę jądrową wszystkich komórek zwierzęcych

(1-3 filamenty cytoplazmatyczne a 4 filamenty jądrowe)

najbardziej urozmaiconą rodziną podjednostek stanowią keratyny, różne zestawy keratyn znajdują

się w różnych nabłonkach. Filamenty keratynowe spinają wewnątrz każdej komórki nabłonkowej

poszczególne regiony błony komórkowej, a filamenty w przylegających do siebie komórkach

nabłonkowych są pośrednio złączone poprzez połączenia komórka komórka zwane

desmosomami.końce filamentów keratynowych są przyczepione do desmosomów i łączą się z

innymi elementami komórki poprzez domeny globularne głów i ogonów, które wystają ponad

powierzchnię utworzonego filamentu. Większość filamentów pośrednich jest dodatkowo

stabilizowana i wzmacniana przez białka pomocnicze, które łączą krzyżowo pęczki filamentów

tworząc mocne układy. Takim białkiem jest plektyna, która oprócz utrzymywania razem pęczków

filamentów pośrednich(zwłaszcza wimentynowych) łączy również filamenty pośrednie z

mikrotubulami, z filamentami aktynowymi i z adhezyjnymi strukturami w desmosomie.

O ile cytoplazmatyczne filamenty pośrednie przypominaja liny, o tyle filamenty pośrednie

wyściełające i wzmacniające wewnętrzną powierzchnię wewnętrznej błony jądrowej są

zorganizowane w dwuwymiarową sieć. Filamenty posrednie w obrębie mocnej blaszki jadrowej są

zbudowane z białek zwanych laminami. W odróżnieniu od bardzo stabilnych cytoplazmatycznych

filamentów pośrednich znajdowanych w wielu komórkach, filamenty pośrednie blaszki jądrowej

ulegają demontażowi i formowaniu na nowo przy każdym podziale komórkowym, gdy otoczka

jądra rozpada się podczas mitozy. Demontaż i ponowne montowanie jest kontrolowane przez

fosforylację i defosforylację lamin prowadzoną przez kinazy i fosfatazy białkowe.

MIKROTUBULE

mikrotubule odgrywają decydującą rolę organizacyjną we wszystkich komórkach eukariotycznych.

Są długimi i stosunkowo sztywnymi, wydrążonymi rurkami białowymi, które mogą być szybko

zdemontowane w jednym miejscu i uformowane w innym. Mikrotubule wyrastają z niewielkiej

struktury znajdującej się w pobliżu środka komórki zwanej centrosomem. Rozprzestrzeniając się ku

krańcom komórki tworzą system szlaków, wzdłuż których mogą być przemieszczane pęcherzyki,

organele i inne składniki komórkowe. Te i inne systemy mikrotubul cytoplazmatycznych są częścią

szkieletu komórki odpowiedzialnego głównie za określenie pozycji organeli w jej obrębie oraz za

ukierunkowany transport wewnątrzkomórkowy. Kiedy komórka wchodzi w stadium mitozy,

mikrotubule ulegaja demontażowi, a następnie ponownie formują złożoną strukturę zwaną

wrzecionem mitotycznym, które stanowi maszynerie, która tuż przed podziałem komórki rozdziela

chromosomy równo dlakażdej komórki potomnej. Mikrotubule tworzą również stałe struktury

zwane rzęskami i wiciami.

Mikrotubule są utworzone z podjednostki-cząsteczki tubuliny- z których każda jest dimerem

złożonym z dwóch bardzo podobnych białek glabularnych zwanych tubuliną alfa i tubuliną beta,

powiązanych razem wiązaniem niekowalencyjnym. Podjednostki tubuliną łączą się ze sobą również

przez wiązanie niekowalencyjne, tworząc ścianę wydrążonej cylindrycznej mikrotubuli. Całość ma

kształt cylindra zbudoanego z 13 równoległych protofilamentów, z których każdy jest linearnym

łańcuchem podjednostek tubulinowych z tubulina alfa i beta, występującymi na przemian wzdłuż

całego łańcucha. Każdy protofilament wykazuje strukturalną polarność polegającą na tym, że

tubulina alfa jest eksponowana na jednym końcu( zwanym końcem minus) a tubulina beta na

drugim(zwanym końcem plus), gdyby nie miały polarności nie mogłyby służyć np do określania

kierunku transportu wewnątrzkomórkowego. Mikrotubule powstają z inicjującego pierścienia 13

cząsteczek tubuliny. Dimery tubuliny są dodawane pojedynczo, stopniowo budując strukturę

wydrążonej rurki.

Centrosom jest głównym ośrodkiem organizującym mikrotubule w komórkach zwierzęcych.

Mikrotubule w komórch tworzą sie w wyniku wyrastania z wyspecjalizowanych ośrodków, które

kontrolują ich liczbę, umiejscowienie i orientację w cytoplazmie. Centrosom typowo obecny po

jednej stronie jądra komórkowego, organizuje mikrotubule w układ promieniujący od jądra poprzez

cytoplazmę. Centrosomy zawierają struktury w kształcie pierścienia utworzone przez tubulinę γ .

pierściń tubuliny γ służy jako punkt startowy wzrostu jednej mikrotubuli.dimery tubulin alfa i beta

dołączaja się do pierścienia tubuliny γ w określonej orientacji co jest rezultatem że konie minus

mikrotubuli jest osadzony w centrosomie, a wzrost następuje od końca plus skierowanego na

zewnatrz.

Mikrotubule jak i filamenty aktynowe biorą udział w ruchu w komórkach eukariotycznych. Ruchy

te są generowane przez białka motoryczne które wiążą się z mikrotubulami lub filamentami

aktynowymi i wykorzystują energię z powtarzających się cykli hydrolizy ATP aby przemieszczać

sie wzdłuż filamentów aktynowych lub mikrotubul w jednym kierunku. Białka motoryczne, które

wędrują wzdłuż cytoplazmatycznych mikrotubul tworzą dwie rodziny:

kinezyny-przemieszczające się głównie w kierunku końca plas mikrotubuli(od centrosomu na

zewnątrz)

dineiny- przemieszczające się głównie z końca minus(w kierunku centrosomu do wewnątrz) .

FILAMENTY AKTYNOWE

filamenty aktynowe są znajdowane we wszystkich komórkach eukariotycznych i są niezbędne do

wykonywania ruchów np pełzanie po podłożu czy pochłanianie dużychcząstek w wyniku

fagocytozy. Filamenty aktynowe są niestabilne ale potrafią tworzyć stabilne struktury w komórce

np takie jak aparat kurczliwy mięśnia. W zależności od białka z jakim się łączą mogą tworzyć

sztywne i względnie trwałe struktury takie jak:

-mikrokosmki- umiejscowione na szczytowej powierzchni komórek rąbka szczoteczkowego

wyściełającego jelito

-małe pęczki kurczliwe w cytoplazmie, które są zdolne do skurczu i działają jak “mięśnie” komórki

-tymczasowe struktury takie jak uwypuklenia które powstają na wiodącym końcu pełzającego

fibroblastu

-pierścienie kurczliwe, które dzielą cytoplazmę na dwie części w momencie podziału komórki

Filamenty aktynowe są cienkie i giętkie. Każdy filament jest skręconym łańcuchem identycznych

globularnych cząsteczek aktyny, z których wszystkie “celują” w tym samym kierunku wzdłuż osi

łańcucha,tym samym mają koniec plus i koniec minus. Filamenty aktynowe są cieńsze, krótsze i

bardziej elastyczne od mikrotubul.w komórce jest znacznie więcej pojedynczych filamentów

aktynowych aniżeli mikrotubul. Całkowita długość filamentów aktynowych jest conajmniej 30 razy

większa niż całkowita długość mikrtubul.

Filamenty aktynowe mogą rosnąć przez przyłączanie monomerów aktynowych do każdego z

końców, ale tempo wzrostu jest szybsze przy końcu plus niż przy końcu minus.

BIAŁKA WIĄŻĄCE SIĘ Z AKTYNĄ :

1) tymozyna i profilina wiążą się z monomerami aktyny w cytozolu chroniąc je przed

przyłączeniem ich do końców filamentów aktynowych. Tymozyna gra decydującą rolę w regulacji

polimeryzacji aktyny w komórkach.

2) gelsolina białka tnące filamenty aktynowe na krótsze fragmenty i w ten sposób zmieniają żel

aktynowy w bardziej płynną postać.

3) białka motoryczne tworzą pęczki skurczowe, jak to jest w mięśniach

4) białka wiążące aktynę w pęczki utrzymują filamenty aktynowe razem w równoległych pęczkach

w mikrokosmkach; białka wiążące poprzecznie trzymają razem filamenty aktynowe w

żelopodobnej sieci w obrębie kory komórki-warstwy cytoplazmy tuż pod błoną komórki.

Na polisomach cytoplazmy wytwarzane są białka, które pozostają w cytoplazmie, przemieszczają się do jądra, niekiedy do innych organelli (np. do peroksysomów lub mitochondriów). Natomiast na polisomach związanych z siateczką śródplazmatyczą syntetyzowane są białka, które oddzielane są błoną od zawartości cytoplazmy (białka wydzielnicze, enzymy lizosomowe) lub wchodzą w skład samych błon.