I.BŁONY KOMÓRKOWE
1.Błony występują we wszystkich znanych układach biologicznych zdolnych do samodzielnego życia. Oddzielają one komórkę od środowiska, a w komórkach Eukariota dzielą również wnętrze komórki na mniejsze obszary o zróżnicowanych funkcjach (budują struktury błoniaste: endoplazmatyczne retikulum, aparat Golgiego, pojedyncza błona otacza wakuolę, lizosomy, peroksysomy a podwójna jądro komórkowe, mitochondria i plastydy). Błony różnią się składem białek i fosfolipidów oraz nieznacznie właściwościami.
Błony biologiczne uczestniczą w:
· biernym lub czynnym, selektywnym transporcie jonów i substancji niejonowych,
· wydzielaniu produktów komórki do środowiska (egzocytoza) oraz pobieraniu makrocząsteczek do komórki (endocytoza),
· reakcjach na sygnały pochodzące ze środowiska (transdukcja sygnałów) poprzez receptory błonowe,
· przenoszeniu sygnałów do innych okolic komórki lub przekazywaniu ich do innych komórek,
· oddziaływaniu między komórką i podłożem oraz między komórkami.
Ich rolą jest też:
· oddzielenie wnętrza komórki od środowiska,
· oddzielanie w komórkach kompartymentów (przedziałów) o różnej koncentracji różnych substancji (enzymów, jonów, substratów),
· pośredniczenie w transporcie biernym i czynnym,
· wytwarzanie potencjału elektrochemicznego - różnej koncentracji jonów,
· miejsce przebiegu procesów (np. łańcuch transportu elektronów w mitochondriach i chloroplastach)
2. Budowa błon biologicznych
Wszystkie błony w komórce zbudowane są z lipidów i białek, oraz mają wspólny plan budowy ogólnej.
Głównymi składnikami są lipidy i białka. Wzajemny stosunek tych składników może być różny w różnych błonach, a ich ułożenie też bywa zmienne.
2.1.Lipidy w błonach należą do trzech klas: fosfolipidów, glikolipidów i lipidów obojętnych (sterole). Podstawową strukturą błony jest dwuwarstwa lipidowa utworzona z fosfolipidów. Błona taka stanowi ośrodek, w którym lipidy i białka mogą przemieszczać się po powierzchni błony a także w poprzek błony.
Fosfolipidy zawierają dwie cząsteczki kwasów tłuszczowych połączone z dwoma spośród trzech atomów węgla glicerolu. Trzeci węgiel w glicerolu połączony jest z ujemnie naładowaną hydrofilową grupą fosforanową do której z kolei jest przyłączony mały związek hydrofilowy, taki jak cholina. Każda cząsteczka fosfolipidu zawiera więc hydrofobowy „ogon", złożony z dwóch łańcuchów kwasu tłuszczowego, oraz hydrofilową „głowę", gdzie znajduje się fosforan. Cząsteczki takie jak fosfolipidy, z regionami zarówno hydrofobowymi jak i hydrofilowymi, są nazywane cząsteczkami amfipatycznymi.
Zdolność fosfolipidów do tworzenia błon jest związana z ich amfipatycznym charakterem. Fosfolipidy rozprzestrzeniają się na powierzchni wody, tworząc pojedynczą warstwę cząsteczek fosfolipidowych, z hydrofobowymi „ogonami" skierowanymi ku górze, i hydrofilowymi „głowami" kontaktującymi się z wodą. Dwie takie jednocząsteczkowe warstwy mogą łączyć się na zasadzie „ogon z ogonem", tworząc dwuwarstwę fosfolipidową. Taka orientacja jest najbardziej korzystna pod względem energetycznym, gdyż pozwala na swobodny kontakt hydrofilowych głów z wodą, podczas gdy hydrofobowe łańcuchy kwasów tłuszczowych unikają kontaktu z wodą, gromadząc się w środku układu. Dodatkowo cząsteczki fosfolipidów mają w przybliżeniu jednakową szerokość, co również sprzyja układaniu się ich w podwójne warstwy cylindrycznych struktur.
Cząsteczka fosfolipidu w błonie nie jest sztywna. Oprócz ruchów obrotowych całej cząsteczki wokół swojej osi występuje rozchodzenie się i zginanie łańcuchów kwasów tłuszczowych. Mniej ruchliwa jest okolica polarna cząsteczki, natomiast schowane w głębi warstwy hydrofobowej końce łańcuchów węglowodorowych wykonują szybkie ruchy. Ruchliwość łańcucha węglowodorowego jest tym większa im jest on krótszy i ma liczniejsze wiązania nienasycone. Fosfolipidy łatwo przemieszczają się w obrębie jednej warstwy lipidowej błony (dyfuzja boczna) - zachodzi co około 10-6 sekundy. Natomiast wymiana cząsteczek lipidów między jedną i drugą warstwą (tzw. ruchy flip-flop) może być bardzo wolna i zachodzić raz na kilkaset godzin.
W komórkach bakterii i drożdży, które muszą adaptować się do różnych temperatur, zarówno długość jak i stopień nienasycenia kwasów tłuszczowych są stale dopasowywane, tak aby utrzymać względnie stały poziom płynności błony: w wyższych temperaturach komórka wytwarza lipidy o łańcuchach dłuższych i zawierających mniej wiązań podwójnych, co sprzyja zachowaniu stabilności i płynności błony.
Płynność błon umożliwia fuzję błon ze sobą i mieszanie się ich składników, co przy podziale komórki zapewnia równomierne rozdzielenie budujących błonę cząsteczek pomiędzy komórki potomne.
Glikolipidy - są to cząsteczki lipidów połączone z łańcuchami polisacharydowymi. Zlokalizowane są w zewnętrznej warstwie błony. Domeny polarne glikolipidów wystają ponad powierzchnię błony komórkowej, prezentując swoje grupy polarne do środowiska. Jakkolwiek rola glikolipidów nie jest do końca poznana, to przypisuje się im rozmaite funkcje: 1) utrzymują asymetryczność błony komórkowej, 2) oddzielają komórki od środowiska i stabilizują błonę komórkową, 3) są receptorami dla niektórych hormonów peptydowych i toksyn bakteryjnych, 4) dzięki specyficznej kombinacji topograficznej reszt cukrowych w błonach erytrocytów określają grupy krwi (ABO). Glikolipidy są na tyle ważnymi składnikami błon, że w przypadku wad genetycznych związanych z ich metabolizmem występują duże zaburzenia rozwojowe, kończące się przedwczesną śmiercią noworodka. Warstwa glikolipidów pokrywa większość komórek zwierzęcych tworząc tzw. glikokaliks. Glikolipidy uzyskuja swoje grupy cukrowe w aparacie Golgiego.
Sterole - zbudowane są ze sztywnego poczwórnego pierścienia węglowego z bocznymi podstawnikami. W komórkach zwierzęcych głównym sterolem (steroidem) jest cholesterol, zaś u roślin występują fitosterole: sitosterol, kamposterol i stigmosterol. W błonie lokalizują się pomiędzy łańcuchami węglowodorowymi fosfolipidów. Cholesterol jest lipidem o słabych właściwośćiach amfipatycznych. Jego cząsteczka składa się z części hydrofobowej – steroidowej i łańcucha alifatycznego dołączonego do węgla 17 w pierścieniu D. Domena hydrofilowa reprezentowana jest przez grupę (OH-), związaną z 3. węglem w pierścieniu A. Cholesterol jest umiejscowiony w błonie komórkowej, podobnie jak glikolipidy, w jej zewnętrznej warstwie. W niej wiąże się swoją grupą hydroksylową z 1. węglem łańcucha alifatycznego kwasu tłuszczowego fosfolipidu. Cholesterol jest podstawowym czynnikiem regulującym przepuszczalność błon komórkowych. Położenie grupy hydrofobowej pomiędzy łańcuchami alifatycznymi fosfolipidów zapobiega przejściu fazowemu dużych obszarów błony ( zapobiega zbytniemu zbliżaniu się łańcuchów i uniemożliwia powstawanie pomiędzy nimi oddziaływań van der Waalsa, co prowadziło by do ich unieruchomienia i przejście w stan stały), utrzymuje wewnętrzną, hydrofobową część dwuwarstwy lipidowej w stanie płynnym. Natomiast grupy polarne cholesterolu uszczelniają oraz usztywniają i stabilizują zewnętrzne krawędzie dwuwarstwy lipidowej, zapobiegając niekontrolowanej migracji małych cząstek rozpuszczalnych w wodzie pomiędzy cząsteczkami fosfolipidów.
Cząsteczka cholesterolu
2.2 Białka błonowe:
Umownie dzieli się je na dwie grupy:
1. Białka które dają się łatwo usunąć z błony wodą, roztworami soli lub czynników chelatujących nie niszcząc dwuwarstwy lipidowej - są to białka powierzchniowe (peryferyjne) błony. Są one luźno związane z powierzchniami błony i często połączone z łańcuchami sacharydowymi (glikoproteiny) oraz kwasami tłuszczowymi czy długołańcuchowymi alkoholami, poprzez które polipeptydy te zakotwiczają się w obrębie błony. Białka powierzchniowe są cząsteczkami hydrofilnymi i najczęściej występują w rejonach, w których sterczą z błon fragmenty białek integralnych i są z nimi powiązane oddziaływaniami niekowalencyjnymi. Mogą również wiązać się z polarnymi fragmentami fosfolipidów. Część białek może znajdować się całkowicie poza rejonem błony, a jedynie wiązać się z nią za pomocą kowalencyjnego wiązania z cząsteczką lipidową błony.
2. Te które można wyizolować z błony do roztworu wodnego jedynie w postaci kompleksów z detergentem (solubilizacja detergentem - przeprowadzenie do roztworu wodnego kompleksów detergentu i składników błony) niszczącym uporządkowanie dwuwarstwy lipidowej - są to białka integralne na trwałe wbudowane w dwuwarstwę
Białka integralne mogą być zbudowane z jednej lub kilku podjednostek. Fragmenty cząsteczek białkowych mogą wyłaniać się na jednej lub na obu powierzchniach błony, bądź są prawie całkowicie schowane w części hydrofobowej dwuwarstwy lipidowej. Białka integralne mają w łańcuchu polipeptydowym przynajmniej jedną sekwencję składającą się z co najmniej 22 aminokwasów hydrofobowych, które pozwalają na zakotwiczenie się w błonie. W niektórych białkach reszty aminokwasów hydrofobowych tworzą kilka skupień, co sprawia, że łańcuch polipeptydowy kilkakrotnie przemierza dwuwarstwę lipidową. Koniec karboksylowy [C] łańcuchów polipeptydowych czasem jest skierowany do cytoplazmy, a koniec aminowy [N] na powierzchnię zewnętrzną błony, może też być przeciwnie. Białka mogą również kotwiczyć się w błonie poprzez kowalencyjnie związane z nimi łańcuchy kwasów tłuszczowych lub cząsteczkę glikofosfolipidu. Białka błonowe rozmieszczone są w błonie asymetrycznie. Ich ułożenie nie jest przypadkowe ale wynika ze specyficznych oddziaływań łańcucha polipeptydowego z dwuwarstwą lipidową. Wszystkie te cechy białek integralnych przyczyniają się do asymetrii błony. Większość białek integralnych błon biologicznych jest glikoproteinami
Funkcje białek błonowych
Wyróżnia się kilka klas funkcjonalnych białek błonowych:
1. Białka transportujące – uczestniczą w transporcie przez błony małych cząsteczek, tworzą kanały i pompy prowadząc transport kontrolowany (np. pompa sodowa, aktywnie wypompowuje z komórki jony sodu i wprowadza do niej jony potasu).
2. Białka wiążące – są elementami wyspecjalizowanych struktur odpowiedzialnych za utrzymywanie łączności pomiędzy komórkami lub z cytoszkieletem (np. integryny wiążące elementy wewnątrzkomórkowe filamenty aktyny z białkami substancji zewnątrzkomórkowej).
3. Białka receptorowe – pośredniczą w przekazywaniu informacji ze środowiska zewnętrznego do komórki, związanie cząsteczki sygnałowej indukuje zmiany w aktywności komórkowej (np. receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu, który wytwarza wewnątrzkomórkowe sygnały powodujące wzrost i podział komórki).
4. Białka enzymatyczne – enzymy, których miejsca katalityczne znajdują się po jednej ze stron błony bądź w jej wnętrzu (np. cyklaza adenylanowa, w odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe katalizuje wytwarzanie wewnątrzkomórkowego cyklicznego AMP, będącego wewnątrzkomórkowym przekaźnikiem)
Uważa się, że białka integralne pełniące funkcje transportowe, których łańcuch polipeptydowy wielokrotnie przemierza dwuwarstwę lipidową - tworzy przez błonę kanały. Modele kanałów błonowych przyjmują, że 22-aminokwasowe hydrofobowe odcinki łańcucha polipeptydowego tworzą struktury a-helisy, a kilka takich a- helis obok siebie stanowi ścianę kanału. Oprócz tych zewnętrznych a-helis mocujących kanał w dwuwarstwie lipidowej, wewnątrz kanału mogą biec dodatkowe, wewnętrzne odcinki łańcucha, zbudowane z hydrofilnych aminokwasów. Pełnią one właściwe funkcje transportowe np. białko kanałów wapniowych.
Właściwości błon
Półpłynność: dwuwarstwa lipidowa błony biologicznej jest w stanie półpłynnym lub inaczej płynno-krystalicznym. Ze względu na wysoki stopień uporządkowania ma ona właściwości krystaliczne (fosfolipidy ułożone w szeregi, biegunem polarnym na zewnątrz, apolarnym do środka). Z drugiej zaś strony podwójna warstwa lipidowa wykazuje właściwości płynne, bowiem pomimo tego uporządkowania łańcuchy węglowodorowe pozostają w ciągłym ruchu, co oznacza, że cząsteczki fosfolipidów mają swobodę rotacji i mogą dyfundować w obrębie pojedynczej warstwy błony, w której występują. Nadaje to podwójnej warstwie fosfolipidowej charakter cieczy krystalicznej, który bywa też określany jako półpłynny. Niektóre błony biologiczne w temperaturze optymalnej dla wzrostu komórki zawierają jednak pewne lipidy w formie krystalicznej. Krystaliczna struktura jest stanem, w którym cząsteczki lipidów są względem siebie uporządkowane, co powoduje ich wzajemne powiązanie a tym samym unieruchomienie .
Półpłynny charakter dwuwarstwy lipidowej w błonie komórek ma ważne znaczenie biologiczne dla organizmów żywych. Zachowanie odpowiedniej płynności błon umożliwia dyfuzję białek błonowych w płaszczyźnie obu warstw fosfolipidów i ich wzajemne oddziaływanie (np. podczas procesów transdukcji sygnałów), wzajemne zlewanie się błon (np. w czasie egzo- i endocytozy) i mieszanie się jej składników (zachodzące podczas podziałów komórkowych). Organizmy poikilotermiczne (zmienno cieplne, żyjące w środowisku o zmiennej temperaturze) takie jak bakterie i drożdże dostosowują skład lipidowy błon do temperatury otoczenia w jakim żyją. Temperatura przejścia fazowego ich błon staje się wyższa wówczas, gdy organizm dostosuje się do wzrostu w podwyższonej temperaturze, a niższa, gdy rośnie w hodowli o obniżonej temperaturze. To dostosowanie ma istotne znaczenie dla funkcji błony związanej z oddziaływaniem różnych cząsteczek białkowych i lipidowych wymagających jej półpłynnego stanu.
Dynamiczność: jest wyrażona w ruchach budujących błonę lipidów i białek. Cząsteczki fosfolipidów w błonie nie są sztywne. Mniej ruchliwe są ich okolice polarne, natomiast zanurzone w głębi warstwy hydrofobowej końce łańcuchów węglowodorowych wykonują szybkie ruchy, tym szybsze im te łańcuchy są krótsze i zawierają liczniejsze wiązania podwójne. Białka błony mogą natomiast być w jej płaszczyźnie przemieszczane dyfuzyjnie, wykonywać ruchy obrotowe w osi prostopadłej do powierzchni błony oraz wynurzać się z dwuwarstwy lipidowej lub w niej zanurzać.
Ruchliwość składników błon powoduje zamykanie wszelkich wyrw i ubytków. Błony w żywych komórkach nigdy nie tworzą wolnych krawędzi. Dzięki temu wnętrze komórki i poszczególnych jej przedziałów jest zawsze otoczone selektywnie przepuszczającą barierą. Ponieważ błona jest dwuwymiarowym płynem, wiele jej białek, podobnie jak i lipidów, może swobodnie poruszać się w obrębie płaszczyzny dwu-warstwy lipidowej. Można to w sposób łatwy i oczywisty wykazać, doprowadzając do fuzji komórki myszy z komórką ludzką, tworząc podwójnej wielkości komórkę hybrydową, a następnie śledząc rozmieszczenie białek błony komórkowej zarówno myszy, jak i człowieka. Aczkolwiek na początku białka te pozostaną na powierzchni swych odpowiednich połówek nowo powstałej komórki hybrydowej, to już po niecałej godzinie dwa zestawy tych białek zostaną równomiernie wymieszane na całej powierzchni komórki.
Jednakże obraz morza lipidów, w którym wszystkie białka pływają swobodnie, jest zbyt uproszczony. Komórki mają swoje sposoby ograniczenia lokalizacji poszczególnych białek błony komórkowej do pewnych pól dwuwarstwy, co prowadzi do powstania na powierzchni komórki wyspecjalizowanych funkcjonalnie obszarów, czyli domen błonowych.
Białka mogą być złączone z trwałymi strukturami na zewnątrz komórki, na przykład z cząsteczkami substancji międzykomórkowej. Białka błonowe mogą być także zakotwiczone do względnie nieruchomych struktur wewnątrz komórki, zwłaszcza do rozwiniętej pod powierzchnią błony komórkowej części cytoszkieletu, czyli kory komórki. W końcu, komórki mogą wytwarzać bariery ograniczające obecność poszczególnych składników błony do jednej domeny błonowej. Na przykład w komórkach nabłonka wyścielającego jelito ważne jest, aby białka transportujące, działające przy pobieraniu substancji odżywczych z jelita, występowały tylko w szczytowej powierzchni komórek (powierzchni zwróconej do światła jelita) oraz aby obecność innych białek, wyprowadzających rozpuszczone substancje z komórki nabłonkowej do tkanek i krwiobiegu, była ograniczona do powierzchni podstawnej i bocznej (rys. 11-37). To asymetryczne rozmieszczenie białek błonowych jest zachowywane dzięki barierze utworzonej wzdłuż strefy, w której komórka jest zespolona z przyległymi komórkami nabłonkowymi przez tak zwane, połączenia zamykające. W miejscu tym wyspecjalizowane białka łączące formują wokół komórki ciągły pas, gdzie kontaktuje się ona ze swoimi sąsiadami, wytwarzając ścisłe zespolenie pomiędzy przylegającymi do siebie błonami komórkowymi. Białka błonowe nie mogą w drodze dyfuzji przekroczyć tego połączenia.
Asymetryczność: polega na różnicach w budowie obu powierzchni błony, skierowanych na zewnątrz i ku wnętrzu komórki lub organelli. Dwie warstwy dwuwarstwy często zawierają różny skład fosfolipidów i glikolipidów a białka są wtopione w dwuwarstwę ze specyficzną orientacją przestrzenną, konieczną dla ich funkcji. W błonie komórkowej (plazmolemie) wyróżnia się dwie warstwy:
· warstwę lipidową zewnętrzną E (ang. exoplasmic) od strony środowiska,
· ...
lenka_997