Lekarski 2001- Błony

Błony należą do najważniejszych elementów strukturalnych organizmów żywych. Błona komórkowa odgranicza wnętrze komórki od ośrodka zewnętrznego - dzięki niej komórka może zachować swoją indywidualność. Prócz tego, wewnątrz komórki istnieją wyspecjalizowane struktury - organelle komórkowe - wyodrębnione również dzięki otaczającym je błonom. Chociaż istnieje znaczna różnorodność ilościowych proporcji substancji tworzących błony to jednak podstawowa struktura wszystkich błon biologicznych jest podobna.

Budowa i właściwości błon zależą nie tylko od właściwości związków chemicznych stanowiących ich podstawowy budulec lecz wynikają również z wzajemnych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami wchodzącymi w ich skład.

Te oddziaływania wiązania wodorowe, międzycząsteczkowe siły przyciągania zwane siłami Van der Waalsa oraz oddziaływania hydrofobowe. Siły wynikające z wymienionych oddziaływań są znacznie słabsze od tych, które występują w wiązaniach chemicznych, a mimo to w istotny sposób wpływają na zachowanie pojedynczych cząsteczek i złożonych z nich układów.

Co to są wiązania wodorowe? - Jeśli atom wodoru jest połączony z atomem pierwiastka silnie elektroujemnego, takiego jak azot, tlen czy fluor, to para elektronów tworzących wiązanie kowalencyjne w cząsteczce jest silnie przesunięta w kierunku pierwiastka elektroujemnego a proton staje się stosunkowo ruchliwy. Jeżeli do protonu zbliży się inny atom mający wolną parę elektronów, to pomiędzy tą parą elektronów i protonem pojawia się przyciąganie elektrostatyczne. W efekcie tego oddziaływania pomiędzy atomem i zawierającą wodór cząsteczką powstaje wiązanie, którego istotnym elementem jest jądro wodoru. Jest to wiązanie wodorowe. Energia wiązania wodorowego jest około 20 razy mniejsza od energii wiązania kowalencyjnego.

Znaczenie wiązań wodorowych wynika z faktu, że wodór i silnie elektroujemne pierwiastki - tlen i azot należą do podstawowych składników białek. Zdolność do tworzenia wiązań wodorowych mają również cząsteczki wody.

Siły Van der Waalsa są to niespecyficzne oddziaływania występujące pomiędzy dowolnymi cząsteczkami lub zespołami molekuł obojętnymi elektrycznie. Ich przyczyną jest wzajemna polaryzacja zbliżających się do siebie atomów.

Ogólne pojęcie sił Van der Waalsa obejmuje trzy rodzaje oddziaływań. Są to: oddziaływania orientacyjne wynikające z wzajemnego wpływu cząsteczek obdarzonych trwałym momentem dipolowym. Moment dipolowy wyraża asymetrię rozkładu ładunków elektrycznych w układzie, który jako całość jest obojętny elektrycznie. Drugi rodzaj oddziaływań objętych ogólną nazwa sił Van der Waalsa to oddziaływania indukcyjne, które są wynikiem wpływu trwałych dipoli na dipole indukowane powstające w ich polu elektrycznym. Dipole indukowane są efektem polaryzacji jaka powstaje na skutek przesunięcia się chmur elektronowych atomów względem ich jąder. Oddziaływania indukcyjne noszą również nazwę sił Debaye' a. Jeśli molekuły nie mają własnego momentu dipolowego to występują pomiędzy nimi tylko oddziaływania dyspersyjne zwane również siłami Londona. W odróżnieniu od elektrostatycznych z natury oddziaływań indukcyjnych i orientacyjnych, oddziaływania dyspersyjne mają charakter kwantowo - mechaniczny, który nie ma analogów w mechanice klasycznej. Są one najważniejszym i uniwersalnym rodzajem oddziaływań nie walencyjnych pomiędzy atomami i molekułami.

Siły Van der Waalsa należą do oddziaływań słabych. Ich energia jest kilkakrotnie mniejsza od energii wiązania wodorowego. Pomimo to odgrywają dużą rolę w przyrodzie ponieważ wynikiem ich istnienia są takie zjawiska jak spójność i przyleganie, a także siły prowadzące do powstawania kompleksów drobinowych. Siłom Van der Waalsa w przyrodzie często towarzyszą oddziaływania elektrostatyczne.

Terminem oddziaływania hydrofobowe określa się zjawisko skupiania się wokół siebie grup nie polarnych wprowadzonych do środowiska wodnego. Fizyczna natura oddziaływań hydrofobowych jest szczególnego rodzaju ponieważ są one uwarunkowane swoistymi właściwościami wody. Wprowadzenie grupy nie polarnej do środowiska wodnego powoduje uporządkowanie cząsteczek wody znajdujących się w jej otoczeniu i przesunięcie równowagi układu w kierunku struktury bardziej uporządkowanej co wiąże się ze znacznym spadkiem całkowitej entropii układu. Inaczej mówiąc kontakty pomiędzy grupami nie polarnymi (hydrofobowymi) i cząsteczkami wody są termodynamicznie niekorzystne. Dlatego grupy nie polarne wprowadzone do środowiska wodnego spontanicznie skupiają się co ogranicza ich kontakt z cząsteczkami wody i minimalizuje zmianę entropii i entalpii swobodnej. Oddziaływania hydrofobowe są więc wynikiem dążenia układu do stanu równowagi tzn. stanu odpowiadającego minimum energetycznemu. W biologii znaczenie tych słabych oddziaływań polega na tym, że grają one decydującą rolę w tworzeniu struktury układu.

Analiza chemiczna błon komórkowych pozwoliła ustalić, że mają one skład lipidowo - białkowy z dużą domieszką weglowodanów (10 -20%), które zwiazane są zarówno z cząsteczkami białek jak i lipidów.

Właściwości biologiczne białek są ściśle związane z ich strukturą drugorzędową. Nie wszystkie reszty aminokwasowe mają jednakową zdolność do tworzenia struktury  - helix. Zawartość reszt tworzących tę strukturę w łańcuchu polipeptydowym waha się od 0 do kilkudziesięciu procent ale nigdy nie osiąga 100%. Stąd też w białkach biologicznie czynnych obserwuje się występowanie obszarów o strukturze uporządkowanej obok takich, których konformacja jest względnie nieuporządkowana. Np. obecność proliny zawsze powoduje przerwanie struktury spirali ponieważ w tym aminokwasie atom azotu nie może brać udziału w wiązaniu wodorowym (bo jest częścią pierścienia prolinowego).

Oprócz spirali  możliwa jest również inna stabilna konformacja - struktura pofałdowanego łańcucha czyli struktura . W tym przypadku wiązania wodorowe łączą grupy peptydowe równolegle ułożonych łańcuchów. Kierunek wiązań jest prostopadły do osi łańcucha. W porównaniu ze spiralą  łańcuchy są bardziej rozciągnięte tworząc zygzak. Taką konformację mają białka fibrylarne np. keratyna z włosów lub antybiotyk - gramicydyna S.

Ze względu na fakt, że spełniające rolę biologiczną białka stanowią część układu wodnego, do stabilizacji danej konformacji przyczyniają się nie tylko wiązania wodorowe lecz również wiązania jonowe, siły Van der Waalsa, a przede wszystkim oddziaływania hydrofobowe. W wyniku oddziaływań hydrofobowych, większa część nie polarnych reszt układa się blisko siebie ograniczając kontakt z cząsteczkami wody. Powstałe w wyniku takich oddziaływań trójwymiarowe pofałdowanie łańcucha określa się mianem struktury trzeciorzędowej.

Drugą grupę związków chemicznych mających istotne znaczenie w tworzeniu struktur biologicznych są lipidy. Do podstawowych składników wszystkich błon biologicznych należą fosfolipidy i glikolipidy.

Ryc. 2 - cząsteczki lipidów

Charakterystyczną cechą fizyczną lipidów jest wydłużony kształt cząsteczki, w której można wyróżnić dwie podstawowe części:

- polarną, na którą w fosfolipidach składają się reszty kwasu fosforowego i choliny, seryny lub etanoloaminy i

- apolarną zbudowaną z dwóch łańcuchów węglowodorowych o długości od 16 do 24 atomów węgla. Łańcuchy te mogą posiadać jedno lub kilka wiązań nienasyconych.

Te dwie części różnią się zachowaniem w stosunku do wody. Grupa polarna jest grupą hydrofilową natomiast grupa apolarna ma właściwości hydrofobowe. Ta dwoistość zachowań w stosunku do wody nosi nazwę amfipatyczności lub amfifilności. Amfipatyczność cząsteczek lipidów powoduje, że w środowisku wodnym lipidy nie tworzą jednorodnego roztworu ale grupują się w struktury, których cechą charakterystyczną jest ustawienie do kontaktu z wodą części polarnych - głów lipidowych. Kształt takiej struktury zależy od stosunku lipidów do wody. Ryc. 3 W określonych warunkach mogą one tworzyć układy o znacznym, w skali makroskopowej, stopniu uporządkowania. Takie uporządkowanie dalekiego zasięgu jest przyczyną anizotropii właściwości elektrycznych, magnetycznych i optycznych typowej dla kryształów. A ponieważ uporządkowanie w układach lipidy - woda jest wynikiem słabych oddziaływań między cząsteczkami, energia potrzebna do deformacji takiej struktury jest mała co powoduje, że zachowują one cechy cieczy. Układy takie noszą nazwę ciekłych kryształów.

Frakcja lipidowa błon biologicznych to przede wszystkim fosfolipidy i glikolipidy. Ze względu na cechy fizyczne cząsteczki i usytuowanie w błonie zaliczany jest do niej również cholesterol. Skład ilościowy, rozmieszczenie i wzajemne stosunki konfiguracyjne lipidów w błonie zależą od typu komórki. Są więc błony , w których większość stanowią białka i takie o przewadze lipidów.

Fosfolipidy stanowią od 55 do 57% wszystkich lipidów. Cztery najczęściej występujące to fosfatydylocholina, sfingomielina, fosfatydyloetanlolamina i fosfatydyloseryna. Ważnym składnikiem błon komórkowych jest fosfatydyloinozytol choć jego zawartość w błonach jest niewielka. Cholesterol i glikolipidy stanowią odpowiednio 17 do 25% i 18 do 28% całej frakcji lipidowej.

Podstawę modelu błony stanowi dwucząsteczkowa warstwa lipidowa, w której "zanurzone" są białka.

Białka powierzchniowe są związane z resztą błony poprzez oddziaływanie swych części polarnych z polarnymi grupami lipidów błonowych i innych białek.

Druga grupa to tzw. białka integralne. Charakterystyczną cechą białek integralnych są ich właściwości amfipatyczne. Apolarne fragmenty cząsteczek tych białek oddziaływają z weglowodorowymi łańcuchami stanowiącymi rdzeń dwucząsteczkowej warstwy lipidowej.Te części łańcucha polipeptydowego zachowują konfigurację spiralną. Większość białek amfipatycznych przechodzi przez wszystkie trzy rejony warstwy lipidowej, kontaktując się ze środowiskiem zewnętrznym komórki i cytoplazmą. Z tego powodu noszą one niekiedy nazwę białek transmembranowych. Do tej grupy należą białka tworzące kanały jonowe i receptory błonowe.

Ad 2. Asymetria błon biologicznych jest efektem dość złożonym. Po pierwsze nie tylko białka powierzchniowe związane z zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią błony są różne lecz także monomolekularne warstwy podwójnej warstwy lipidowej mają różny skład chemiczny. Lipidy cholinowe - fosfatydylocholina i sfingomielina wystepują w warstwie zewnetrznej natomiast fosfatydyloinozytol i lipidy aminowe - fosfatydyloetanoloamina i fosfatydyloseryna wchodzą w skład warstwy wewnętrznej. Asymetrię pojedynczych warstw molekularnych podnosi obecność cukrów na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej. Po drugie, składniki pojedynczej warstwy nie są rozłożone jednorodnie lecz tworzą tzw. domeny różniące się dość znacznie rozmiarami, od takich które zajmują rozlegle fragmenty powierzchni błony i mogą być widoczne pod mikroskopem do niewielkich, kilkucząsteczkowych otoczek skupionych wokół białek. Mechanizm utrzymujący asymetrię lipidów jest niezupełnie jasny.

Ad 3. Płynność błon biologicznych jest wynikiem specyficznych właściwości lipidów.

Ponieważ struktura taka utrzymywana jest przez stosunkowo słabe wtórne oddziaływania, cząsteczki zachowują dość dużą swobodę ruchu. Oznacza to, że cząsteczki pozostając w "swojej" warstwie mogą zmieniać położenie na jej powierzchni. Zjawisko to nazywane jest często dyfuzją boczną lub dyfuzją lateralną. Jej efektem jest możliwość występowania lokalnych zmian składu błony czyli zmiana wielkości i położenia domen. Płynność frakcji lipidowej zależy od wielu czynników takich jak: długość łańcuchów weglowodorowych, liczba wiązań nienasyconych (a także od pH środowiska, jego siły jonowej, stężenia jonów dwuwartościowych), obecność cholesterolu. Dlatego właściwości poszczególnych obszarów błony mogą ulegać okresowym zmianom.

W przeciwieństwie do zjawiska dyfuzji w płaszczyźnie błony, przechodzenie cząsteczek z jednej warstwy do drugiej czyli zjawisko filp-flop, jako energetycznie niekorzystne, zachodzi niezmiernie powoli.

Główne cechy modelu to:

1. Niezależne występowanie białek integralnych i powierzchniowych.

2. Asymetria rozmieszczenia różnego rodzaju lipidów i białek miedzy obiema częściami dwucząsteczkowej warstwy lipidowej.

3. Płynność.

Lipidy nie są bierną jedynie barierą odgradzającą komórkę od środowiska zewnętrznego i utrzymującą określony układ białek. Wykazano np., że fosfatydyloinozytol - lipid występujący przede wszystkim w wewnętrznej warstwie błony komórkowej - odgrywa podstawową, czynną rolę w przenoszeniu do wnętrza komórki sygnałów odbieranych przez wiele receptorów błonowych. Ostatnio coraz częściej mówi się również, że w pewnych sytuacjach, przejściowo mogą w błonie komórkowej powstawać ograniczone obszary, w których lipidy tracą strukturę dwumolekularnej warstwy.

1

---