Buněčné membránové struktury Akademický rok: 2023-2024 doc. RNDr. Milan Bartoš, Ph.D. Biologie 1. ročník Obsah přednášky 1. Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva ❖ Struktura a složení biomembrán ❖ Membránové lipidy, asymetrie lipidové dvojvrstvy ❖ Membránové proteiny, jejich funkce 2. Principy přenosu látek přes membrány ❖ Transportní proteiny ❖ Pasivní a aktivní membránový transport ❖ Iontové kanály a elektrické vlastnosti membrán 1. Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva Fluid mosaic model Membrána obklopuje buňku a definuje tak její hranice oproti vnějšímu prostředí ❖ Kolik membrán mají prokaryotické buňky? ❖ U eukaryotických buněk jsou uvnitř organely  intracelulární kompartmenty ❖ A jak je to u buňky eukaryotické? Plazmatická m.; vnitrobuněčná m. = biomembrána Buněčné membrány jsou pro život klíčové Plazmatická membrána kolem buňky ❖ Jádro - jaderná membrána ❖ Endoplasmatické retikulum (ER) ❖ Golgiho aparát (GA) ❖ Mitochondrie ❖ Chloroplasty, chromoplasty a leukoplasty ❖ Lysozómy a sferozómy ❖ Peroxizómy a glyoxizómy ❖ Vakuoly Buněčné struktury s membránou * Podtržené organely mají dvojitou membránu ❖ Ochranná (semipermeabilní bariéra) ❖ Regulační (transport živin a odpadních látek) ❖ Metabolická (růst, změna tvaru, zacelení) ❖ Signální (buněčná signalizace) Význam biomembrán Všechny biomembrány jsou složeny z lipidů a proteinů a mají i přes rozdílné funkce stejnou strukturu LIPIDOVÁ DVOJVRSTVA Lipidové molekuly tvoří 50 % hmotnosti membrán (zbylých 50 % = proteiny*) * Mezi typy membrán jsou rozdíly. Mitochondriální m. obsahují až 75 % proteinů, myosinová m. pouze 27 %. Lipidové molekuly jsou uspořádány do dvou souvislých vrstev. Proteinové molekuly jsou v různé míře vnořeny do lipidové dvojvrstvy Lipidová dvojvrstva Lipidové molekuly v biomembránách jsou AMFIPATICKÉ = hydrofilní i hydrofobní Mají ❖ hydrofilní (polární) hlavičku (“vodu milující“) ❖ 1 nebo 2 hydrofobní (nepolární) konce (“vody se bojící“) Smáčivé či nesmáčivé lipidy? Molekuly jsou v lipidové dvojvrstvě uspořádány tak, že hlavičky jsou otočené ven, zatímco hydrofobní konce jsou schovány uvnitř dvojvrstvy. Toto uspořádání se snaží lipidová dvojvrstva udržovat. Trhlina v membráně se sama zacelí, neboť se snaží o odstranění volného rozhraní mezi vodou a molekulami lipidové dvojvrstvy Má mě ráda, nemá mě ráda? Pět studentů ve vaší třídě sedí vždy společně v první řadě. Může to být proto, že A) Se skutečně mají tak rádi nebo B) Nikdo jiný s nimi nechce sedět Jaké síly jsou zodpovědné za tvorbu lipidové dvojvrstvy? Které z obou vysvětlení platí při utváření dvojné vrstvy lipidů? Co kdyby se lipidové molekuly chovaly opačně? Jak by se změnily vlastnosti lipidové dvojvrstvy? Membránové lipidy ❖ Fosfolipidy ❖ Steroly ❖ Glykolipidy Které se vyskytují nejhojněji? Membrány rozdílných typů buněk obsahují rozdílné typy lipidů v různém poměru Typy membránových lipidů Fosfolipidy Phosphatidyl - ethanolamine - serine - choline ❖ Fosfoglyceridy ve struktuře mají glycerol Fosfolipidy ❖ Sfingomyelin ve struktuře je namísto glycerolu sfingosin fosfát glycerol Ethanolamine Serine Choline 1. Fosfatidyl-etanolamin 2. Fosfatidyl-serin 3. Fosfatidyl-cholin Tři druhy fosfolipidů Mastná kyselina SFINGOSIN FOSFÁT cholin Sfingomyelin Cholesterolová molekula „zapadá“ do mezer mezi sousedními molekulami fosfolipidů v lipidové dvojvrstvě a snižuje tekutost membrán živočišných buněk Polární skupiny Cholesterolem „vyztužený“ úsek Více tekutý úsek cholesterol Steroly ❖ Nacházejí se výhradně v necytosolové polovině lipidové dvojvrstvy otočené ven, kde tvoří až 5% lipidových molekul. ❖ Jejich cukerná složka tvoří ochranný plášť většiny živočišných buněk. ❖ V plazmatické membráně nervových buněk bylo identifikováno více než 40 různých gangliosidů ❖ galaktocerebrosidy ❖ gangliosidy Glykolipidy (A) galaktocerebrosidy - Obsahují galaktózu - Neutrální glykolipidy (B) gangliosidy - Obsahují oligosacharidy a kyselinu sialovou - Glykolipidy s negativním nábojem Chemická struktura glykolipidů Proč se vlastně glykolipidy vyskytují v necytosolové vrstvě membrány? Glykosylace probíhá až v Golgiho aparátu, když už je lipidová vrstva hotová a cukerná složka se na ni „lepí“ zvnějšku Molekuly lipidů nemohou sice opustit dvojvrstvu (uvnitř buňky je vodné prostředí), ale mohou se uvnitř své vrstvy pohybovat. Membrána se chová jako dvojrozměrná tekutina, JE TEDY TEKUTÁ 1.laterální difúze 2.ohýbání 3. rotace 4.překlápění (velmi vzácné) - flipping hydrofobních konců Pohyb lipidových molekul ❖Umožňuje proteinům rychle difundovat v rovině membrány (v určené membránové doméně) a interagovat navzájem (buněčná signalizace) ❖Umožňuje distribuci membránových lipidů a proteinů (z míst syntézy do míst jejich začlenění) ❖Umožňuje membránám vzájemnou fúzi (endocytóza, exocytóza) Proč je pro buňku důležitá tekutost membrány? ❖ na typu fosfolipidu ❖ na povaze uhlovodíkových řetězců - délka řetězce Čím kratší řetězec tím menší snaha uhlovodíkových konců interagovat navzájem = vyšší tekutost dvojvrstvy - stupeň nasycení = počet dvojných vazeb Čím více nenasycených uhlovodíkových konců (s dvojnými vazbami) = vyšší tekutost dvojvrstvy Míra tekutosti závisí na Nenasycené uhlovodíkové řetězce s cis-dvojnými vazbami Nasycené uhlovodíkové řetězce Každá dvojná vazba vytváří malou nepravidelnost v řetězci, která znesnadňuje sbalení (přikládání jednoho řetězce k druhému). Čím jich je více, tím je dvojvrstva tekutější. Proč? Aby bakterie a kvasinky udržely i při měnících se teplotních podmínkách stejnou tekutost membrán, produkují za vyšších teplot membránové lipidy s delšími řetězci a menším počtem dvojných vazeb (snížení tekutosti, která vzrostla díky vyšším teplotám) Vyšší teplota = vzrůstá tekutost membrány Rostlinné tuky jsou obvykle nenasycené a za pokojové teploty kapalné Rostlinné a živočišné tuky Živočišné tuky nasycené a tedy tuhé Hydrogenace rostlinných tuků (přidání atomů vodíku a tím odstranění dvojných vazeb) vede k tomu, že jsou při pokojové teplotě také tuhé (margaríny) Proč je palmový olej polotuhý? Obsahuje velké množství nasycených mastných kyselin (palmitová, stearová, myristová a laurová) Skladba lipidů dvou monovrstev lipidové dvojvrstvy je pozoruhodně rozdílná fosfatidyl- serin fosfatidyl- cholin fosfatidyl- ethanolamin sfingomyelin glykolipidy Cholesterol (není na obrázku) je distribuován zhruba rovnoměrně v obou monovrstvách fosfatidyl cholin sfingomyelin fosfatidyl ethanolamin fosfatidyl serin glykolipidy Asymetrie lipidové dvojvrstvy VNĚJŠÍ MONOVRSTVA (otočená do extracelulár. prostoru) Téměř všechny fosfolipidové molekuly této vrstvy obsahují v molekule řetězec cholinu( fosfatidylcholin, sfingomyelin) VNITŘNÍ MONOVRSTVA (otočená do cytosolu) Téměř všechny fosfolipidové molekuly této vrstvy obsahují v molekule terminální primární aminoskupiny (= fosfatidylethanolamin + fosfatidylserin) Vnitřní monovrstva je negativně nabitá, ale vnější monovrstva je neutrální Má negativní náboj Fosfolipidy s cukernou složkou Nové fosfolipidové molekuly jsou syntetizovány ER za pomocí enzymů a substrátů „cytosolové“ monovrstvy. Specifické lipidové molekuly se pak přesouvají do druhé monovrstvy pomocí enzymů zvaných FLIPÁZY. Nové glykolipidové molekuly získávají cukernou skupinu pomocí enzymů, nacházejících v necytosolové monovrstvě membrány GA. Neexistuje enzym, který by je přenesl do cytosolové monovrstvy, proto zůstávají i v plazmatické membráně v necytosolové = vnější monovrstvě otočené do okolí buňky. Možné příčiny asymetrie lipidů Nejen lipidy, ale i proteiny v membránách vykazují asymetrii Proteiny musí být zanořeny do membrány ve specifické orientaci Asymetrie je funkčně důležitá především pro buněčnou signalizaci a fungování signálních drah Asymetrické jsou celé membrány Jak lipidy, tak i transmembránové proteiny mají hydrofilní a hydrofobní úseky Leží uvnitř lipidové dvojvrstvy. Jsou v kontaktu s hydrofobními konci lipidových molekul Jsou vystaveny vodnému prostředí na obou stranách membrány Membránové proteiny ❖ Lipidová dvojvrstva vytváří strukturu membrán Základní koncept ❖ Membránové proteiny plní většinu specifických funkcí Transport specifických živin, metabolitů, iontů (!!) Transportní proteiny – (přenašeče, kanály, pumpy) Ukotvení membrány k makromolekulám Spojníky (význam v buněčném kortexu) Detekce chemických signálů v okolí buňky Receptory Katalýza specifických reakcí Enzymy Funkce membránových proteinů Integrální membránové proteiny Periferní membránové proteiny Jsou nedílnou součástí lipidové dvojvrstvy nebo jsou s ní spojeny kovalentní vazbou. Nelze je oddělit od membrány bez narušení lipidové dvojvrstvy (lze narušit detergenty). Jsou spojeny nekovalentně s integrálními proteiny. Lze je uvolnit z membrány poměrně snadno extrakčními postupy, které naruší interakci protein-protein, ale lipidová dvojvrstva zůstane nepoškozená. Poloha membránových proteinů ❖ Volně zanořené proteiny (transmembránové) Mají podobu α-šroubovice nebo β-skládaného listu (βsoudek). Mají jedinečnou orientaci v membráně. Procházejí napříč membránou (transmembránové proteiny) nebo mohou být pouze na jedné straně membrány. Integrální membránové proteiny 1/2 ! ❖ Membránové proteiny spojené kovalentní vazbou s molekulou lipidu Mohou být lokalizovány na lipidové dvojvrstvě ve směru ven z buňky nebo dovnitř do cytosolu. Jsou připojeny k lipidové dvojvrstvě kovalentní vazbou ❖ s lipidovým řetězcem ❖ mastnou kyselinou nebo ❖ prenylovou skupinou nebo ❖ přes oligosacharid s fosfatidyl-inositolem) = tzv. GPI - glykofosfatidyl-inositol Integrální membránové proteiny 2/2 ❖ Proteiny vázané na membránu slabými nekovalentními vazbami přes jiné membránové proteiny. Vyskytují se na jedné nebo druhé straně membrány Periferní membránové proteiny 1. Membránové povrchové receptory (nejznámější receptory spřažené s G-proteinem (GPCR) Signální molekula na extracelulární straně se váže na extracelulární část receptorového proteinu. Tím dochází k aktivaci signální kaskády, přes řadu dějů se vytvoří intracelulární signál, který přenáší informaci do nitra buňky. Funkce transmembránových proteinů 1/3 2. Transportérové přenašeče Transportéry váží specifické látky na jedné straně membrány. Dochází k sérii konformačních změn, které umožní přenést navázanou látku na druhou stranu membrány Funkce transmembránových proteinů 2/3 Kanálové proteiny vytvářejí póry jdoucí skrz lipidovou dvojvrstvu pro specifický transport anorganických iontů 3. Iontové kanály Funkce transmembránových proteinů 3/3 ❖ Intracelulární signální molekuly (proteiny rodiny Src , Ras protein, Raf proteiny, …) ❖ Enzymy, které jsou součástí signálních drah (proteinkinázy, adenylylcyklázy (=adenylátcyklázy), fosfolipázy,…) nacházejících se pouze na jedné straně membrány Funkce membránových proteinů Transmembránový protein zaujímá v membráně vždy stejnou - specifickou orientaci a je upoután do určitých oblastí membrány – hovoříme o membránových doménách. Za tím účelem je membránový protein ukotven k lipidové dovjvrstvě přes řetězec mastné kyseliny (myristová, palmitová kyselina...) prenylovou skupinu (farnesyl, geranylgeranyl) nebo fosfatidyl-inositol. Toto kovalentní spojení s určitým typem lipidu napomáhá, aby byl nově syntetizovaný protein umístěn v membráně ve správné orientaci. Membránové domény Cukerné zbytky jsou k proteinu vytvořeném v ER přidány v Golgiho aparátu ❖ Krátké řetězce cukrů (od 2 do 10 jednotek) (oligosacharidy) = glykoproteiny ❖Jeden nebo více dlouhých řetězců (polysacharidy) = proteoglykany Typické pro živočišné buňky Glykosylace membránových proteinů Všechny sacharidy přítomné v glykolipidech, glykoproteinech i proteoglykanech vytvářejí na necytosolové straně membrány sacharidový plášť = GLYKOKALYX. Každá buňka jej má s jinými specifickými oligosacharidy, může to být rozpoznávací znak. (Glykokalyx + voda = slizovitý povrch buňky. Ochrana před mechanickým a chemickým poškozením buňky, usnadněné proklouzávání úzkými mezerami (bílé krvinky). Glykokalyx Musí být zesílena a podpírána sítí vláknitých proteinů, které jsou připojeny k membráně prostřednictvím transmembránových proteinů = buněčný kortex Až 10 000 membrán na sobě je tlustých jak list papíru Buněčná membrána je křehká a tenká Hlavní složkou je protein SPEKTRIN, který má tvar tenkého ohebného vlákna Buněčný kortex Spektrinová síť je spojena s trans- membránovými proteiny v membráně pomocí spojovacích proteinů (integrinů). 2. Principy přenosu látek přes membránu ❖ Membránové transportní proteiny ❖ Pasivní a aktivní membránový transport ❖ Iontové kanály a elektrické vlastnosti membrán Buněčné membrány tvoří bariéru vůči okolí a regulují průchod molekul do buňky a ven. Propustnost záleží na charakteru molekuly. Čím je molekula menší a čím méně ochotně interaguje s vodou (je tedy méně polární a více hydrofobní), tím rychleji bude přes membránu difundovat. Polární molekula = molekula s nenulovým permanentním dipólovým momentem; elektrický náboj je rozložen nerovnoměrně, asymetricky, v jedné části převládá náboj kladný, v druhé náboj záporný. Propustnost lipidové dvojvrstvy se dostávají přes biomembrány pouze ❖ molekuly rozpustné v tucích (hydrofobní) ❖ malé nenabité molekuly K transportu všech ostatních molekul jsou potřebné „ transportní proteiny“ (transmembránové proteiny) Difúzí ❖ Protínají membránu (plazmatickou nebo vnitrobuněčnou) a vytvářejí „průchody“ pro specifické molekuly ❖ Jsou tak zodpovědné za přítomnost konkrétních látek v buňce resp. v intracelulárním kompartmentu ❖ Existují dvě hlavní třídy transportních proteinů a) Kanálové proteiny (tvoří iontové kanály) b) Přenašečové proteiny (transportéry) Kolekce (sady) těchto proteinů se liší podle typu biomembrány Membránové transportní proteiny vytvářejí ▪ poriny a aquaporiny (permanentně otevřené, širší, prochází jimi pouze molekuly vody) ▪ iontové kanály úzké kanály, vykazující iontovou selektivitu – procházejí pouze ionty na základě velikosti a elektrického náboje. Jsou uzavíratelné. Kanálem pronikají pouze malé molekuly se správným nábojem a to pouze je-li otevřený. Vysoká rychlost transportu iontů (za sekundu víc než milion iontů) Kanálové proteiny Struktura aquaporinů V membráně tvoří aquaporiny tetramery Prostorový model Každý monomer obsahuje v centrální části otvor ➢ Jsou vysoce selektivní a přenášejí často jen jediný typ molekuly ➢ Vybírají si selektivně látky, které se hodí do vazebného místa na proteinu Přenašečové proteiny ➢ Přenašeč pracuje jako otáčivá závora s turniketem ➢ Rychlost transportu je cca 1000 molekul za sekundu, což je 1000 x méně než pomocí kanálových proteinů Transport jednoho iontu nebo molekuly společný transport dvou molekul nebo iontů ve stejném směru SYMPORT ANTIPORT společný transport dvou molekul nebo iontů v opačném směru UNIPORT Spřažený transport Tři typy transportu ❖ PASIVNÍ TRANSPORT Probíhá pasivně, bez dodání energie ❖ AKTIVNÍ TRANSPORT Je nezbytné aktivně dodat energii k jeho průběhu Typy transportu podle nutnosti dodávat energii Transportovaná látka putuje z místa o vyšší koncentraci do místa o nižší koncentraci. Je tedy hnána koncentračním gradientem U elektricky nabitých molekul gradientem eletrochemického potenciálu Pasivní transport Pro transport není potřeba dodávat energii z vnějšku Pro udržování svého iontového a látkového složení musí někdy buňky transportovat látky i z míst o nižší koncentraci do míst o vyšší koncentraci, tj. proti koncentračnímu nebo elektrochemickému gradientu Aktivní transport Pro transport je třeba dodat energii z vnějšku 1. Spřažený transport Jedna látka přenášena ve směru koncentračního gradientu („z kopce“), druhá proti směru gradientu („do kopce“) 2. Pumpy poháněné ATP Energie na transport proti směru koncentračního gradientu („do kopce“) je spojen s hydrolýzou ATP a uvolněním energie. 3. Pumpy poháněné světlem (pouze buňky halobaktérií) Způsoby aktivního transportu Živočišné buňky využívají k pohonu aktivního transportu gradient Na+ iontů Rostlinné buňky, baktérie, houby, kvasinky využívají gradient H+ iontů. SPŘAŽENÝ TRANSPORT Spřažený transport 1. Vazba ligandu (Na+, Ca2+ ionty,….) na vazebné místo 2. Hydrolýza ATP na ADP + poskytne energii pro konformační změnu přenašečového proteinu, což umožní 3. přenos ligandu přes membránu P PUMPA POHÁNĚNÁ hydrolýzou ATP Pumpy poháněné hydrolýzou ATP Buňky střevního epitelu mají v apikální části membrány otočené do lumen střeva transportér pro symport Glu+Na+ ionty. Tím se v cytosolu zvyšuje koncentrace glukózy. Na opačné straně membrány je pasivní uniport pro Glu, jímž se dostává k ostatním buňkám po koncentračním gradientu. Glukóza může být přijímána aktivním i pasivním transportem NÍZKÁ NÍZKÁ VYSOKÁ Apikálnípovrch Tightjunctions Přenašeč glukózy Zdrojem energie je gradient Na+ Vazba jednoho z ligandu (Na+, glukóza) vyvolává konformační změnu zvyšující afinitu k druhému ligandu. Koncentrace Na+ iontů je mnohem vyšší v extracelulárním prostoru než v cytosolu. Proto se bude glukóza mnohem ochotněji vázat na přenašeč ve stádiu A (otevřeno do extracelulárního prostoru) než ve stádiu B. Přenašeč funguje jen za přítomnosti obou ligandů !! Symport (spřažený transport) s Na+ ❖ zdrojem energie pro aktivní transport je hydrolýza ATP ❖ mohou přenášet přes membránu ionty i malé molekuly (ABC-transportéry) 1. Pumpy P- typu (ATP-ázy) Jsou strukturálně a funkčně podobné transmembránovým proteinům mnohonásobně procházející membránou (multipass). V průběhu přenosu iontů se fosforylují. Patří sem pumpy zodpovědné za tvorbu a udržování gradientu Na+, K+, Ca2+… ATP-ázové transportéry (pumpy)-1/5 Sodíko-draslíková ATPázová pumpa Pumpa je důležitá jak pro udržení membránového potenciálu, tak i osmotické rovnováhy. Vápníková ATPázová pumpa Koncentrace Ca2+ iontů je v buňce velmi přísně hlídaná. Zvýšení koncentrace Ca2+ iontů je spouštěčem řady biologických dějů (uvolnění mediátoru ze synaptické štěrbiny, svalová kontrakce, sekrece…) Účinky vápenatých iontů jsou nepřímé a jsou zprostředkovány vazbou na tzv. Ca2+ dependentní proteiny (kalmodulin – aktivuje např. proteinkináza C, CaM kináza…) ATP-ázové transportéry (pumpy)-2/5 2. Pumpy F- typu (ATP-syntázy) Jsou tvořeny rozdílnými podjednotkami, které se mohou mnohonásobně opakovat (turbinelike proteins). Pracují opačně, tj. využívají gradientu přenosu H+ iontů přes membránu k syntéze ATP z ADP a fosfátu. Tento gradient H+ iontů je generován v procesu oxidativní fosforylace (v mitochondriích) nebo fotosyntézy (v chloroplastech) Patří sem pumpy ve vnitřní membráně mitochondrií, v thylakoidální membráně chloroplastů, v plazmatické membráně baktérií. ATP-ázové transportéry (pumpy)-3/5 2. Pumpy V-typu (protonové pumpy) Jsou strukturálně blízké pumpám F-typu, přesto tvoří odlišnou skupinu. Primární je odstraňování H+ iontů než syntéza ATP. Patří sem H+pumpy v lysozomech, synaptických vezikulách, rostlinných vakuolách,… slouží k udržování pH uvnitř těchto organel. ATP-ázové transportéry (pumpy)-4/5 V roce 2011 (Whitelegge) bylo zjištěno, že v proteinové struktuře, která pumpu tvoří jsou integrovány specifické molekuly fosfolipidu KARDIOLIPINU 4 molekuly kardiolipinu se váží na 4 transmembránové domény dvou kruhových podjednotek Je to neobvyklý fosfolipid se čtyřmi řetězci mastných kyselin. Kardiolipin ve struktuře F a V pump 3. ABC-transportéry (ATP-binding cassettes) Přenášející přes membránu malé molekuly. Všechny předchozí typy přenášely výhradně ionty. ABC transportéry jsou také na membráně ER – napomáhají přesunu látek z cytosolu do lumen ER. Do této skupiny patří i MDR proteiny (multidrug resistance) nebo CFTR proteiny (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator protein) ATP-ázové transportéry (pumpy)-5/5 ABC transportéry baktérií jsou užívány jak k importu, tak exportu. U eukaryontních buněk jsou specializovány pouze na export (efflux). Známy jsou pro svou schopnost „pumpovat“ hydrofobní léčiva ven z cytosolu (resistence k nádorových buněk k léčivům) Rozdíly mezi ABC transportéry u prokaryot a eukaryot Elektrické vlastnosti membrán Transport iontů přes membránu má v biologii ústřední význam. Pomáhá udržovat vnitřní iontové složení, které je odlišné od okolního prostředí. Iontové kanály jsou uzavíratelné. Vyskytují se ve dvou nebo třech konformacích (zavřeno – otevřeno, inaktivováno). Kanálseuzavřeažponávratu membránydovýchozíhostavu Iontové kanály ❖ Aktivované napětím (otvírají se vlivem depolarizace membrány) ❖ Aktivované vazbou ligandu na receptor (je součástí kanálu) = chemicky ovládané ligand (např. neuromediátor) se může vázat na extracelulární nebo intracelulární část kanálu ❖ Aktivované napěťově i receptorem (otvírají se vlivem depolarizace membrány, ovšem pravděpodobnost, že se otevřou, respektive doba otevření závisí na ovlivnění receptorů) ❖ Aktivované mechanicky (otevření je regulováno mechanicky - mezi kanálem a membránou je zprostředkováno mikrofilamentem- „strunou“). Typy iontových kanálů Tento typ iontových kanálů hraje hlavní roli při šíření elektrického signálu v tzv. excitabilních tkáních (v nervových, svalových a srdečních buňkách). Je regulován membránovým potenciálem. Membránový potenciál je řízen propustností membrány pro specifické ionty. Je to vlastně regulační smyčka. Napěťově řízené Na+ kanály a K+ kanály, napěťově řízené Ca2+ kanály typu N (neurone) a T (transient). Iontové kanály aktivované napětím Otevření kanálu je regulováno navázáním nějaké molekuly ligandu na receptor (extracelulární nebo intracelulární). Tyto kanály zprostředkovávají velmi rychlé odpovědi v řádu milisekund. Jsou obvykle součástí membránových receptorů Acetylcholinový nikotinový receptor je spojen se Na/K nebo Ca kanálem. Je na nervosvalové ploténce nebo ve vegetativních gangliích . Glutamátový receptor je spojený s kanály pro Na, K, příp. Ca. GABAA –receptor a Glycinový receptor spojené s Cl- kanálem Muskarinový receptor M2 spojený s K kanálem (VNS-parasympatikus) Serotoninový receptor - součástí je kationtový kanál Iontové kanály aktivované vazbou ligandu na receptor Acetylcholinový nikotinový receptor Je regulován vazbou acetylcholinu na receptor celková struktura zavřeno otevřeno vazebné místo pro acetylcholin Lipidová dvojvrstva acetylcholin cytosol Otvírají se sice vlivem depolarizace membrány, ovšem pravděpodobnost, že se otevřou, respektive doba jejich otevření závisí na tom, zda je navázán ligand. Iontové kanály aktivované napěťově i receptorem Patří sem: tzv. pomalé kanály pro sodík (typ L) a vápník (typ L) v buňkách převodního systému srdečního. Otevření kanálu je regulováno mechanickou silou, která působí na kanál. Mechanické spojení mezi kanálem a membránou je zprostředkováno mikrofilamentem- „strunou“, která otevírá iontový kanál tehdy, když je membrána napnutá. Patří sem K+ kanály ve vestibulárním aparátu Zvukové vibrace otvírají mechanicky K+ kanály ve vláskových buňkách vnitřního ucha, což vyvolává tvorbu nervového vzruchu, který vede do mozku. Iontové kanály aktivované mechanicky Na+ Cl Cl - Na+K+ K+ PO4 - HCO3 áporně nabité organické molekuly Na+ Podstatou této aktivity je rozdílné zastoupení iontů vně a uvnitř buňky dané selektivitou pohybu iontů přes membránu = elektrický potenciál Membrány jsou elektricky aktivní Uvnitř buňky jsou ve vysoké koncentraci záporné ionty organických molekul. Tento negativní náboj je vyrovnáván ionty K+, které jsou nejvýznamnějším kladným iontem v buňce: ● Buňka K+ ionty aktivně čerpá dovnitř pomocí Na/K pumpy (proti koncentračnímu gradientu) ● K+ ionty unikají tzv. výtokovými draslíkovými kanály ven z buňky (ve snaze vyrovnat koncentrační gradient) Tím dochází k IONTOVÉ NEROVNOVÁZE. V buňce zůstává záporný náboj, který se nedaří vyrovnat. Dochází tím k jakémusi ustálenému – rovnovážnému stavu = = KLIDOVÝ MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL Výchozí stav Síla, která žene iont přes membránu má dvě složky ❖ elektrický potenciál membrány ❖ gradient koncentrace tohoto iontu Velikost membránového potenciálu popisuje tzv. Nernstova rovnice Klidový membránový potenciál kolísá u savčích buněk mezi –50 až –90mV podle druhu buněk. Vyjadřuje se jako záporná hodnota (vnitřek buňky je vzhledem ke svému okolí záporný, tj. záporné ionty jsou v buňce oproti kladným v mírném přebytku) Klidový membránový potenciál Jakákoliv změna v propustnosti membrány pro ionty (především kationty) vyvolává: 1) změnu iontového potenciálu a může vést k 2) narušení klidového membránového potenciálu (KMP) a ke 3) vzniku akčního potenciálu (AP). To je využíváno k elektrické signalizaci buněk v excitabilních tkáních (nervové, svalové, srdeční buňky) Akční potenciál 1. Náhlý přísun kladných iontů do buňky → změna KMP na méně zápornou hodnotu → DEPOLARIZACE MEMBRÁNY 2. Dostatečně velká depolarizace vede k otevření napěťově řízených Na+ kanálů (depolarizační sodíkový iontový kanál INa Tento kanál se otvírá na několik ms). Místní (lokální) depolarizace plazmatické membrány spustí AKČNÍ POTENCIÁL Vznik akčního potenciálu – 1/3 3. Do buňky velmi rychle vstoupí sodíkové ionty, které prohloubí depolarizaci až dochází k obrácení polarity s vrcholem +30 až +40 mV = TRANSPOLARIZACE MEMBRÁNY. V této chvíli dochází k vyrovnání koncentračního gradientu pro Na+ a další Na + ionty už nejeví snahu do buňky vstupovat. 4. Poté se otevírají výtokové draslíkové kanály a zároveň Na/K pumpa vrací iontové poměry do výchozího stavu (Na + ionty ven, K + ionty do buňky). Dochází k REPOLARIZACI MEMBRÁNY (návrat ke KMP) Vznik akčního potenciálu – 2/3 REPOLARIZACE TRANSPOLARIZACE Klidový membránový potenciál Akční potenciál Vznik akčního potenciálu – 3/3 Akční potenciál má schopnost depolarizovat i sousední úseky membrány a tak se šířit jako vlna (tight junctions) Postupně se otvírají další a další napěťově řízené sodíkové kanály a celý proces se zrychluje. Během několika milisekund se mění klidový membránový potenciál z –60mV na +40mV a zase zpět. Akční potenciály = komunikace buněk na dlouhé vzdálenosti. Elektrická aktivita buněk obvykle zprostředkována napěťově řízenými sodíkovými kanály (buňky převodního systému srdečního v myokardu – Ca2+ ionty) Komunikace buněk elektrickou signalizací Co se děje se signálem dál? Popis na dalším snímku presynaptický neuron neurotransmitery ve váčcích synaptická štěrbina postsynaptický neuron transmitery aktivovaný kanál klidový stav aktivní stav plazmatická membrána postsynaptického neuronu 4) Uvolněné nervové mediátory se váží na receptory dalšího neuronu 5) 5) Dojde ke změně membránového potenciálu a vyvolání akčního potenciálu na tomto dalším neuronu Tímto způsobem je elektrický signál převeden na chemický Co se děje se signálem dál? 1) Akční potenciál vyvolá na konci nervové buňky tvorbu váčků plných nervových přenašečů 2) Současně se otevírají vápenaté kanály a Ca2+ proudí do buňky 3) Spustí se fúze váčků s plazmatickou membránou = dojde k uvolnění mediátorů do synaptické štěrbiny Tak se zase chemický signál převede na elektrický Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva SHRNUTÍ Membrány vytvářejí bariéry mezi vnějším a vnitřním prostředím i mezi specifickými oddíly uvnitř buňky Základní strukturou membrány je lipidová dvojná vrstva. Její uspořádání řeší rozpor mezi hydrofobními a hydrofilními částmi lipidových buněk. V lipidové dvojvrstvě jsou zanořeny proteiny. Existují tři hlavní třídy membránových lipidů: Fosfolipidy, steroly a glykolipidy Každá monovrstva lipidové dvojné vrstvy má odlišné lipidové složení Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva SHRNUTÍ Lipidová dvojvrstva je tekutá a jednotlivé lipidové molekuly se mohou pohybovat v rámci své monovrstvy Buňky regulují tekutost svých membrán změnami složení lipidových dvojvrstev Membrána (resp. lipidová dvojvrstva) je nepropustná pro všechny druhy iontů a pro velké polární molekuly. Propouští malé nepolární molekuly (O2 ,CO2,steroidní h.) a velmi malé polární molekuly (H2O) Za specificitu membránových funkcí odpovídají membránové proteiny Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva SHRNUTÍ Membránové proteiny mohou procházet skrz lipidovou dvojvrstvu nebo být ukotvené pouze v jedné monovrstvě – ty se buď vážou kovalentně na lipidové molekuly nebo nekovalentně na jiné transmembránové proteiny Transmembránové proteiny mohou procházet lipidovou dvojvrstvou jedenkrát nebo vícekrát a mohou mít strukturu α –šroubovice nebo méně často β –skládaného listu ve formě soudku Buňky omezují volný pohyb membránových proteinů do určitých domén ukotvením k intracelulárním nebo extracelulárním makromolekulám Plazmatická membrána, lipidová dvojvrstva SHRNUTÍ Cukerné složky proteinů a lipidů vytvářejí na povrchu buňky GLYKOKALYX. Má ochranný význam a účastní se i vzájemného rozpoznávání buněk Většina biomembrán je podpírána tzv. buněčným kortexem, tvořeným sítí fibrilárních proteinů. SHRNUTÍ Principy přenosu látek přes membránu Dvojná vrstva lipidů v membráně je pro většinu molekul nepropustná, proto přenos živin, metabolitů a iontů zajišťují membránové transportní proteiny Existují dvě hlavní třídy transportních proteinů: přenašečové a kanálové proteiny Při pasivním transportu se nenabitá molekula pohybuje ve směru koncentračního gradientu z míst o vyšší koncentraci do míst s nižší koncentrací. Nabitá molekula (ion) se pohybuje do míst s nižším elektrochemickým potenciálem. SHRNUTÍ Principy přenosu látek přes membránu Při aktivním transportu je molekula nebo ion přenášena proti koncentračnímu nebo elektrochemickému gradientu a tento děj vyžaduje energii Přenašečové proteiny mohou zprostředkovávat pasivní i aktivní transport Energii pro aktivní transport získávají přenašečové proteiny z hydrolýzy ATP na ADP nebo spřažením transportu s tokem Na+ nebo H+ iontů po směru elektrochemického gradientu SHRNUTÍ Principy přenosu látek přes membránu Kanálové proteiny vytvářejí buď širší permanentně otevřené poriny pro vstup molekul vody nebo úzké selektivní a uzavíratelné iontové kanály pro vstup iontů dané velikosti a náboje. Prostup přes membránu se děje po spádu elektrochemického potenciálu Transport iontovými kanály je 1000x rychlejší než pomocí přenašečových proteinů Membránový potenciál je dán nerovnoměrnou distribucí elektrického náboje na obou stranách membrány. Klidový membránový potenciál je u živočišných buněk udržován na záporné hodnotě SHRNUTÍ Principy přenosu látek přes membránu Změna v propustnosti membrány pro ionty (otevření Na nebo Ca kanálu) vyvolává změnu klidového membránového potenciálu (KMP) a dává vznik akčnímu potenciálu (AP). Akční potenciál má schopnost depolarizovat i sousední úseky membrány a tak se šířit jako vlna. Toho je využíváno k elektrické signalizaci buněk v excitabilních tkáních (nervové, svalové, srdeční buňky) A Kahoot! nakonec Membrány - Details - Kahoot!