Biologické membrány - strukturní závislosti podle fce membránově vázané enzymy transport látek receptory antigeny Přeměny energie a struktur •Provázané komplexy mezi lipidy a proteiny • !!!! poměr (př: myelinová pochva neuronů 4:1; membrána bakterií 1:3) • !!! funkce proteinů v membráně (srov. s euk.) • •Sacharidy – kovalentně vázané (současným sdílením elektronů dvěma atomy) na proteiny nebo lipidy; asymetricky především z vnější strany membrány • •Lipidy - amfifilní charakter • Monomer v roztoku může existovat jen do jeho určité koncentrace „kritické micelární koncentrace“ (u fosfolipidů je extrémně nízká) a nad ní se již tvoří agregáty (interakcemi nepolárních částí) • •Proteiny - vázány elektrostatickými silami, pohyb laterální difúzí a flip-flopy • 1) na povrchu membrány = periferní proteiny • 2) částečně uvnitř mebrány = zanořené proteiny • 3) uvnitř vázané = integrální proteiny •Ionty – celkový povrchový náboj je negativní --- tedy váže jaké ionty??? •Voda • • • Chemické složení: Mechanismy membránového transportu: • – 1) rozdíl chemického potenciálu – - spontánní přenos kdy? – - spotřeba ATP kdy? – – 2) změny náboje na obou stranách membrány – - jak vzniká membránový potenciál ΔY? • Prostá difúze Malé nenabité ionty se pohybují po spádu koncentračního gradientu usnadněnou difúzí Většina roztoků může procházet membránou pouze membránovým transportem zprostředkovaným proteiny. Pasivní transport po směru koncentračního gradientu. Aktivní transport je umožněn přenašeči a to proti koncentračnímu gradientu, je vyžadována energie Dění na membránách 1) Nespecifická permeace - není potřeba proteinových nosičů - závisí přímoúměrně na koncentračním spádu •průnik lipidickou částí •prochází tak LIPOFILNÍ látky, které se v membráně rozpustí •malinko a s malou rychlostí propustná i pro nabité látky (nepravidelnosti ve struktuře otevírají kanálky) • 2) Průchod IONOFORY • nezávisí nebo závisí na koncentraci • I. Kanály • II. Proteinové nosiče Kanály •váží na sebe iont a transportují jej přes membránu •nezávisí na koncentraci •společnou vlastností je • rozpustnost iontových • komplexů v nepolárních • rozpouštědlech •A) prosté •B) hradlové • figure 10-01 A) KANÁLY prosté •stále otevřené válcové struktury s centrálním vodním kanálem •neregulovány, selektivita až na CM •př: poriny β vnější membrány • - maltoporin umožňující difúzi maltodextrinů • figure 10-06 Maltoporin v komplexu s maltodextrinem (6 Glu jednotek). figure 10-05a Dimer Gramicidinu A tvoří kanálek pro transport Iontu K+ • B) KANÁLY hradlové B) KANÁLY hradlové •otevřenost je regulována •část polypeptidického řetězce = uzavíratelé hradlo •mají specifitu – pomocí vazebných míst rozpoznávají ionty •hradlo regulováno: • - napětím = změnou membránového potenciálu • - chemicky reakcí na extracelulární chemické stimuly • - mechanicky místní deformací lipidové vrstvy •specifické iontové kanály slouží pro rychlý průchod iontů jako Na+, K+ a Cl- důležitý pro osmotickou rovnováhu a přenos signálů •Př: K+ pasivně difundují z cytoplasmy do extracelulárního prostoru přes transmembránové proteiny • - tetramery řízené el. polem (Difúze K+10 000x rychlejší než Na+) • •ve spodní části K+ obklopen molekulami vody •terminální konce helixů stabilizují K+ iont elektrostaticky jako dipól •systém póru: váže jen DEHYDRATOVANÉ ionty K+ • (vyžaduje ˂ energie než vazba malých Na+) •Struktura proteinů: rigidní rozměr póru •Př. Kanál Streptomyces lividans - KcsA.Turret – otočná věžička • figure 10-07c Proteinové nosiče, přenašeče •průchod závisí na koncentraci •konformační změna přenašeče malá • - zavírá jednu stranu přenašečového kanálku a druhá se otevírá • - následuje návrat do původní konformace figure 10-17 Model transportu glukosy Usnadněná difúze přenašeči, po gradientu •a) pasivní = zprostředkovaná difúze – netřeba energie, nevede k zakoncentrování přenášené látky maximálně se může koncentrace vyrovnat •b) aktivní – vede ke kumulaci látky, transport proti koncentračnímu spádu za spotřeby ATP • I) primární – zdroj energie nesouvisí s dalším průběhem přenosu (fotony, redoxní reakce, hydrolýza ATP, dekarboxylace) •ATPázy – přenáší ionty; fosforylovaný enzym = meziprodukt při hydrolýze • Proteinové nosiče, přenašeče unnumbered figure pg 304 ☺ Fosforylace probíhá na zbytku kys. asparagové L Inhibováno vanadičitanem – zapojuje se namísto P Aktivní transport tři cesty kotransport s jinou molekulou hydrolýza ATP hlavně u bakterií – využití E světla Příklady primárních aktivních nosičů •ABC transportéry – motivy vážící ATP a štěpící jej při příjmu látky; u bakterií stovky typů pro transport živin, vitamínů (E. coli tak přijímá vit. B12 z prostředí), export toxinů • •F0 F1 ATPáza – podjednotka F0 dává enzymu citlivost, kruh z 12ti C kanálem pro H+, F1 katalytická fce střídajících se podjednotek α a β; syntéza nebo hydrolýza ATP • - hydrolyzuje ATP i po izolaci z membrány – - u E. coli je z osmi podjednotek (3x α, 3x β, γ, δ), kódováno – operonem unc – - Mitchellova chemiosmotická – teorie • 4 typy ATPáz ABC Bakterie Člověk Dvě transmembránové Domény (T) Dvě domény v cytosolu Vázající ATP • elektrony prochází řetězcem • protony jsou pumpovány membránou • výsledkem je pH a elektrický gradient • protony se navrací dovnitř F0 póry ATP syntetázy syntetizující ATP díky gradientu protonů a změně konformace enzymu • odpuzování nábojů, pootočení, elektrostatický pohon v kyselém prostředí - H20 •b) aktivní • II) sekundární • – proces spojen se změnou koncentrace na membráně • - volná energie generovaná jiným procesem • - ATPása pumpující protony • - využita pro transport neutrálních molekul proti • koncentračnímu spádu • uniport – jednosměrný pohyb poháněný elektrickou složkou gradientu • symport – energii dodá současně přenášená látka • antiport • •Na+K ATPáza – symport Na+ a Glu, zároveň antiport Na+ a K+ •3 Na+ (in) + 2 K+ (out) + ATP + H2O « 3 Na+ (out) + 2 K+ (in ) + ADP + Pi • Proteinové nosiče, přenašeče Cukry, AMK, organické molekuly •Transport proti koncentračnímu gradientu řízen elektrochemickým gradientem: • živočišné buňky ----sodné ionty (Na+/K+ ATPáza) rostliny, houby, bakterie ----Protony(H+ ATPáza) Příklad: laktosa permeasa figure 10-26b Model povrchu laktosa permeasy – modrá barva pozitivní náboj, červená barva negativní, bíla neutrální. Uprostřed laktosový analog. Schéma kotransportu H+ galaktosy laktosovou permeasou E. coli. figure 10-25 •Laktosa permeasa •Gram negativní bakterie • - několik systémů aktivního transportu cukrů •Systém laktosa permeasy = galaktosid permeasa • - využívá protonový gradient přes • bakteriální buněčnou membránu • ke kotransportu H+ a laktosy • (tvořen oxidativním metabolismem • (jako v mitoch.) • - monomer - 417 aminokyselin, • 12 transmembránových helixů • - stejně jako Na/K ATPasa má • dva konformační stavy. • - stavy E-1 a E-2 se • vzájemně převádí jen pokud • vazebná místa obsazena H+ a laktosou. •To brání průchodu H+ a ztrátě gradientu bez • vstupu laktózy • • figure 10-25 3) skupinová translokace •méně častá •při transportu substrát chemicky modifikován •př: fosfotransferázový systém u bakterií – fosforylace substrátu; akumulace PEP • 4) transport s lokální přestavbou membrány •přes membránu transportovány i velké molekuly •přestavbou membrány vzniká váček •málo časté, neprostudované •př: transport NK • Dění na membránách • Two classes of membrane transport proteins •(1)Carrier proteins are responsible for both the passive and the active transport. (2)Channel proteins are only responsible for passive transport. •Carrier proteins bind one or more solute molecules on one side of the membrane and then undergo a conformational change that transfer the solute to the other side of the membrane. Most of the channel proteins are ion channels, including three types, with ion channels that they can be opened and closed •The channel proteins,in contrast, interact with the solute to be transported much more weakly. The channel proteins facilitate diffusion by forming hydrophilic transmembrane channels (7) Transport through channel proteins occurs at a much faster rate than transport mediated by carrier proteins. •This process differs from facilitated diffusion in two crucial aspects (1)Active transport maintains the gradients for potassium, sodium, calcium, and other ions across the cell membrane. Always moves solutes up a concentration or electrochemical gradient; (2)Active transport couples the movement of substances against gradients to ATP hydrolysis. i.e Always requires the input of energy. zdroje •Zdroje: Wiley J. and Sons (2006): Fundamentals of Biochemistry •http://www.geocities.com/bioelectrochemistry/mitchell.htm •