1. előadás Membránok felépítése, mebrán raftok, caveolák jellemzője, funkciói

Átírás

1 1. előadás Membránok felépítése, mebrán raftok, caveolák jellemzője, funkciói

2 Plazmamembrán Membrán funkciói: sejt integritásának fenntartása állandó hő, energia, és információcsere biztosítása homeosztázis biztosítása

3 Alkotórészei: Foszfolipidek: Hidrofób és hidrofil molekularészletek. Membránok alkotórészei Emulgeáló szerek Vízben szuszpendálva spontán rendezett struktúrát vesznek fel: hidrofób csoportok a közép felé, hidrofil csoportok a vizes fázis felé fordulnak

4 Szfingolipidek Membránlipidek második legnagyobb csoportja. Szfingolipidek amfipatikus vegyületek, glicerin helyett szfingozin, egy hosszú szénláncú telítetlen aminoalkohol van Két nagy csoportja van: szfingolipidek pl szfingomielin és idegsejtek egyéb membránalkotói szfingofoszfolipidek: Cerebrozidok: egyetlen szénhidrátmolekula, rendszerint galaktóz Szulfatidok: a galaktocerebrozidok szulfátészterei Gangliozidok: komplex oligoszacharid részek

5 Koleszterin: Szteroid: Baktériumokban nincs. Nem kell a membránnak szilárdnak lennie, arra van a sejtfal. Emlősökben rengeteg: fluiditás és fázisátmenet szabályozása

6 Szénhidrátok: Membrán külső felszínén glikolipidek Mikroaggregátumokká asszociálódnak hidrogén-kötések révén. A cukor rész rendszerint galaktóz, glükóz vagy inozitol Vércsoport antigének A membrán-lipidekhez hasonlóan a proteineknek is lehet oligoszaharid lánca (glikoproteinek). A sejtburok alapvetően szénhidrátokból áll (glycocalyx)

7 Fehérjék: A lipidek adják a biológiai membránok alapvető struktúráját és impermeábilis tulajdonságát, az összes többi speciális tulajdonság pedig a membránfehérjék következménye. Típusaik: Integráns membránfehérjék Perifériás membránfehérjék

8 Integráns membránfehérjék: Szoros kapcsolatban állnak a lipid kettős réteggel transz-membránfehérjék: áthatolnak a membránon, annak mindkét oldalán kilógnak. Egyszer vagy többször is átszelhetik a membránt. A legtöbb membránfehérje -hélix-szel szeli át a kettős réteget Amfipatikusak, akárcsak a membránt alkotó lipidek, a hidrofób aminosav oldalláncaik a foszfolipidekkel lépnek kölcsönhatásba, a hidrofil részeik pedig a membránt körülvevő vízzel. A transzmembrán proteinek mindkét oldalon funkció képesek: pórusokat képeznek vagy sejtfelszíni receptorok extracelluláris ligand felismerő résszel és intracelluláris szignált kialakító résszel.

9 Perifériális membránfehérjék (extrinsic fehérjék): Nincsenek közvetlen kapcsolatban a foszfolipid kettősréteg hidrofób részével. Általában az integráns mebránfehérjék rögzítik a membránhoz nem kovalens kötéssel. Tipikusan az intracellulárisan képződött szignál továbbításában szerepet játszó proteinek illetve egyes extracelluláris mátrix proteinek. Fontos csoportjuk enzimaktivitással rendelkezik: pl foszfolipázok, sérült sejtek membránjának degradálását végzik

10 Membrán felépítése: folyékonymozaik-modell (Singer és Nicolson modell ): membránt amfipatikus lipid molekulák kettős rétege alkotja, a két réteget a lipidek hidrofób oldalláncai tartják össze, a hidrofil oldalláncok a membrán külső felszínén, a lipid rétegébe fehérjemolekulák süllyednek bele, a lipidek szabadabb oldalirányú elmozdulása: folyékonyság fehérjemolekulák mozaikos elrendeződése és egymás kapcsolódása: stabilitás biztosítása.

11 poláris fejű, hidrofób farkú lipidek kettős membránon keresztül szállítása a flippáz (foszfolipid transzlokátor) ABC-transzporterek szupercsaládjába tartozó transzmembrán szállító fehérjékkel történik

12 Mozgások a membránban: Flip-flop: lipid molekula egyik rétegből a másikba ugrása, termodinamikailag nem kedvezményezett kb. havonta egyszer Laterális diffúzió: membrán kétdimenziós síkjában elmozdulás, kb 2 μm/sec sebességgel Rotáció: a molekula saját tengelye körül forog 109 sec-1

13 Fluiditás: Összetétel: rövidebb és telítetlen zsírsavakat tartalmazó membránoknak alacsonyabb a fagyáspontjuk, mert a rövidebb és merevebb láncok között gyengébbek a Van der Waals erők, Koleszterin: A koleszterin membránra gyakorolt hatása függ a koleszterinnek a lokális koncentrációjától, a körülötte lévő lipidek és proteinek mennyiségétől és minőségétől. A koleszterin telítetlen zsírsavak esetén növeli, míg telített zsírsavak esetén csökkenti a membrán fluiditását.

14 Fluiditásnak alapvető szerepe van a membránfolyamatokban Élő sejtben a membrán nem egységes: különböző területei ugyanazon pillanatban más és más permeabilitási, mozgékonysági, folyékonysági, vastagsági és összetételi állapotban vannak Membrán állapota külső és belső jelek hatására folyamatosan változnak

15 Lipid raft modell (lipid tutajok) A membránokban a lipidek nem random helyezkednek el, A sejtmembránok nagy számú és egyedi lipid kombinációja nélkülözhetetlen számos sejtfunkció optimális működtetéséhez. A plazmamembránt építő lipidek és fehérjék magas fokú lokális rendezettségét fedezték fel, a strukturált szerkezetű, telített lipidekben, koleszterinben, szfingolipidekben és proteinekben gazdag, alacsony sűrűségű membrán doméneket (dinamikus funkcionális szerkezeti egységek) nevezik angolul lipid raftoknak. A lipid raftokat folyadékfázisú rendezettség jellemzi (Lo rendezett fázis), szemben a membrán más részeivel (Ld rendezetlen fázis).

16 A lipid raftok jellegzetes sajátsága, hogy hideg (4oC-os), nemionos detergensben (pl. Triton X-100 vagy Brij-98) oldhatatlanok, ilyen detergensekben a lipid Lo rendezett szerkezetű raft domének sértetlenek maradnak. A lipid raftok tartalmaznak telítetlen (PUFA) zsírsavakat, de kisebb koncentrációban, minta a Ld részek. A PUFA raftokba történő beépülése modulálja azok tulajdonságait,elősegítve az apoptotikus folyamatokat. Egy-egy adott sejtben egyszerre számos (kialakuló, leépülő, fuzionáló) lipid raft létezik minőségileg és mennyiségileg eltérő protein és lipid tartalommal.

17 A koleszterin kulcs szerepet játszik a raftok szerkezetének kialakulásában és funkciójában. A tipikus lipid raftban a koleszterin, szfingomielin és glikoszfingolipid tartalmú rész a kettősmembrán külső felében, az etanolamin tartalmú glicerofoszfolipid raftok elsősorban a plazmamembrán belső, citoszol felőli részében fordulnak elő. A lipid raftok - a receptor aktiválása során - képesek megnövelni a különböző molekulák lokális koncentrációját és elősegíteni a szignál átvitel szempontjából fontos molekuláris kölcsönhatások kialakulását.

18 Raftok szerepe: szignáltranszdukciós folyamatokban, szekrécióban/endocitózisban, patogén kórokozók inváziójában/felvételében, apoptózisban, a koleszterin és glükóz felvétel szabályozásban, a membrán proteinek szelekciójában és szállításában, a kalcium homeosztázis szabályozásában, a membrán vízcsatorna aquaporinok szabályozásában

19 Kaveolák: Endocitózisban résztvevő sejtfelszíni képződmények. A plazmamembrán palack formájú betüremkedései. Keresztmetszeti elektronmikroszkópos felvételeken omega alakúak, átmérőjük nm. Csoportosan, gyöngysorszerű képletekben sorakoznak Caveolin fehérjék képezik fehérje összetevőinek döntő hányadát A caveolin monomerből felépülő stabil oligomereket képez, melyek a koleszterin megkötésével stabilizálódnak. Ez az oligomerizáció teszi lehetővé, hogy a caveolin mint vázfehérje kialakítsa a caveolák jellegzetes formáját.

20

21 Funkciói: Caveolák szerepe a transzport folyamatokban: Dynamint tartalmaznak Dynamin GTP felhasználásával, elősegíti a vezikulák lefűződését a plazmamembránról. A caveolákban receptoraikhoz kötve, koncentrálódhatnak különböző anyagok, majd lefűződve tartalmukat a citoplazmába üríthetik, vagy az endoplazmatikus retikulummal fúzionálva annak lumenébe. A kiürült caveolák ezt követően visszatérnek a membránba. Ezt a fajta reciklációt is magába foglaló transzportot nevezik potocitózisnak. Endothel sejtekben gyakori a transzcitózis, a lefűződött caveolák tartalmukat a sejt ellentétes oldalán exocitózissal adják le.

22 Caveolák szerepe a jelátviteli folyamatokban A caveoláknak fontos szerepük van a különböző jelátviteli pályák módosításában, amihez nem szükséges lefűződniük a plazmamembránról. Ez a módosító szerep egyrészt annak köszönhető, hogy a caveola speciális lipidkörnyezetében - mint a raftokban - lokálisan koncentrálódnak a különböző molekulák, ezáltal a köztük létrejövő kölcsönhatások esélye megnő. Másrészt a caveolin molekula maga is kapcsolódhat több jelátviteli molekulával.

23 A caveolák szerepe a sejtosztódásban A caveolák a sejtosztódást gátolják Számos olyan molekula koncentrálódik a caveolákban, melyek fontos szerepet játszanak a növekedési jelpályákban, a G fehérjéket és az src kinázokat a caveolin inaktív formában köti, caveolák nagy száma a G0 fázisban lévő véglegesen differenciált sejtekre jellemző, a tumorokból és a transzformált sejtekből viszont hiányoznak. A caveolák szerepe a sejtek koleszterin homeosztázisában. A caveolin-1 molekula rendkívül nagy affinitással köti a koleszterint

24 Membrán transzport folyamatok: Diffúzió: Gázok: O2, CO2 NO, N2O, Kis apoláros molekulák: éter, etanol, szteroidok, urea Víz Membránproteinek segítségével Legtöbb molekula integráns membránproteinek segítségével halad át a membránon Még a diffuzibilis molekulák egy része (H2O, urea) transzportját is segítik specifikus membránproteinek.

25 Transzport proteinek típusai: Csatornák: Integráns proteinek hidrofil, adott molekulára szelektív pólust alakítanak ki a membránban. Ionok, kisebb molekulák áthaladása a koncentráció gradiensük irányába Csoportosításuk: Feszültség/membránpotenciál függő csatornák Ligand/neurotranszmitter függő csatornák Egyéb: ph, nyomás, hőmérséklet

26

27 ATPázok: ATP energiáját használják a transzporthoz. Koncentráció vagy elektrokémiai gradiens ellenében szállítanak. Ca2+, Na+ és H+ pumpák

28 Transzporterek: A szubsztrát molekula kötése után konformáció változás, és a kötött molekulát/kat átjuttatja a membránon. A konformáció változás időigényes: lassúbb transzport mint a csatornákon keresztül. Uniporterek: 1 molekula transzportálása koncentrációgradiens irányába glükóz és aminosavak Kotranszporter: Antiporter: 2 molekula ellentétes irányba Synporter: 2 molekula azonos irányba. Egyik elektrokémiai vagy koncentráció gradiensét használjuk a másik molekula koncentráció gradiens ellenében transzportálásához glükóz - Na+, aminosavak - Na+

29 Transzport proteinek típusai:

30 Exo- és endocitózis Membránnal körülvéve kerül be illetve kerül ki a sejtből transzportálandó anyag Makromolekulák, receptor ligand komplexek, szekrétumok, baktériumok átjutása a membránon.

31 Endocitózis: anyagfelvétel compartmentek protein vagy lipid alkotórészeinek traszportja metabolikus folyamatokat és sejtosztódást befolyásoló szignálok sejtbejuttatása mikroorganizmusok elleni védelem Fagocitózis szilárd fázishoz közel álló anyag felvétele Pinocitózis folyadék fázisú anyagok felvétele

32 Exocitózis: Új membránrészek, sejtfelszíni receptorok membránba juttatása Enzimek, hormonok, neurotranszmitterek felszabadulása

33 Energetikai szempontból: passzív transzport: nem igényel energiát, koncentráció gradiens irányába aktív transzport: energiát igényel, ATP bontás vmilyen anyag koncentráció gradiense (Na+, H+) magasabb koncentrációjú hely felé

34 Citoplazma: Sejt alapanyaga. Körülveszi a többi sejtalkotót Főbb összetevői: a víz és az ebben található szervetlen és szerves anyagok. Szerkezete: A makromolekulák a víz egy részét felületi töltéseikkel magukhoz kötik. A plazmafehérjék egymással kapcsolódva a citoplazmában hálózatos szerkezetet alkothatnak, ezek adják a plazmaállomány rugalmasságát. A térhálós szerkezet nem állandó, a kötések hol itt, hol ott szakadnak fel, majd újra kialakulnak. Emiatt a plazmaállomány belső súrlódása

35 viszonylag nagy. Citoplazma részei: citoszol: Folyékony, vízben gazdag. A fehérjefonalak által határolt teret tölti ki. citogél: Finom szálakból áll, az egész sejtet behálózó vázfehérje-szövedék. Befolyásolja a sejtek alakját, elősegíti a sejtalkotók mozgását, alkalmazkodik a sejt életműködéséhez.

36 Citoplazma funkciói: Mechanikai: sejt alakját és konzisztenciáját biztosítja. Raktározás: életműködésekhez nélkülözhetetlen molekulák tárolása Reakció színhely: glikolízis fehérje szintézis citoplazmatikus enzimek állítják elő a különböző sejtorganellumok számára felvehető kisebb molekulákat pl mitokondriumnak a piruvátot glükózból. Anyagcsere: organellumok és az extracelluláris folyadék között