7. előadás: A plazma mebrán szerkezete és funkciója. Anyagtranszport a plazma membránon keresztül.

Átírás

1 7. előadás: A plazma mebrán szerkezete és funkciója. Anyagtranszport a plazma membránon keresztül. A plazma membrán határolja el az élő sejteket a környezetüktől Szelektív permeabilitást mutat, így lehetővé teszi, hogy egyes anyagok könnyebben jussanak át rajta, mint mások

2 A sejt membránok fehérjék és lipidek folyékony mozaikjai A plazmammembrán anyagának nagy részét foszfolipidek alkotják A foszfolipidek amfipatikus molekulák, melyek hidrofiléshidrofóbrégiótis tartalmaznak A biológiai membránok folyékony mozaik modellje szerint a membrán egy folyékony struktúra, melybe különböző fehérjék mozaikjai vannak beleágyazva

3 A membrán modelljének alakulása: 1915: A membránok kémiai analízise azt mutatta, hogy azok lipidekből és fehérjékből épülnek fel 1925: Az első struktúrális következtetés: a membrán foszfolipid kettősréteg

4 Hidrofil fej VÍZ Hidrofób farok VÍZ

5 1935: Hugh Davson és James Danielli bemutatta a szendvics modellt, melyben a membrán kétoldalán található globuláris fehérjék között lipid kettősréteg volt A későbbi vizsgálatok rámutattak a modell hiányosságaira pl. olyan fehérjék elhelyezkedése, melyek a hidrofób és a hidrofil részekkel is rendelkeznek 1972: S. J. Singer és G. Nicolson feltételezi, hogy a membrán a kettősrétegben dispergált fehérjék mozaikja, ahol csak a hidrofil részek érintkeznek a vízzel

6 Foszfolipid kettősréteg A fehérjék hidrofób részei A fehérjék hidrofil régiói

7 A plazma membránfagyasztva töréses vizsgálata alátámasztotta a folyékony mozaik modellt A fagyasztva töréses eljárás során a folyékony nitrogénnel lehűtött preparátumot eltörik. Ha a törés síkja a membrán mentén fut beléphet annak belsejébe, és a kettős réteg kettéhasadhat.

8 FAGYSZTVA TÖRÉS Extracelluláris réteg Kés Fehérjék Plazma membrán Citoplazmatikus réteg EREDMÉNY Az extracelluláris lemez belseje Az intracelluláris lemez belseje

9 Az extracelluláris mátrix Rostjai(ECM) Glikoprotein Szénhidrát Glikolipid EXTRACELLULARIS OLDAL Koleszterin A citoszkeleton mikrofilamentjei Periferiális proteins Integráns protein INTRACELLULÁRIS OLDAL

10 A membránok fluiditása A plazmammebrán foszfolipidjei el tudnak mozdulni a membránban A lipidek legtöbbje és a fehérjék oldalirányban (laterálisan) mozdulnak el Nagyon ritkán a molekulák ún. flip-flop (transzverzális) mozgása is megfigyelhető

11 A laterális mozgás szer Fordul elő másodpercenként. Flip-flop mozgás nagyon ritka ( havonta egyszer).

12 Tudnak-e mozogni a membrán fehérjék? KÍSÉRLET Membrán fehérjék Egér sejt Emberi sejt Hibrid sejt 1 óra elteltével a fehérjék elkeveredtek

13 A hőmérséklet csökkenésével a membránok folyékony állapotbólszilárdba mennek át. A membránok dermedésihőmérséklete függ az őket felépítő lipidek típusától. A telítetlen zsírsavakat tartalmazó membránok folyékonyabbak, mint a telítetteket tartalmazóak. A membránoknakfolyékonyaknak kell maradniuk, hogy megfelelően működjenek

14 A koleszterolnak a hömérséklettől függő hatása van a biológiaimembránokra Magasabb hőmérsékleten (pl. 37 C) a koleszterol megakadályozza a foszfolipidek mozgását Alacsonyabb hőmérsékleten megőrzi a fluiditást, mert megakadályozza a szénhidrogén láncok tömörödését

15 Folyékony Viszkózus Telítetlen szénhidrogén láncok Telített szénhidrogén láncok (a) Telítettlen, ill. telített zsírsavak hatása (b) Koleszterol az állati sejtek membránjában Koleszterol

16 A biológiai membránok lipidösszetételének változása evolúciós előny lehet A sejtmembrán lipidösszetételének változatai segítik az adaptációt a különböző környezetekhez (túl alacsony- túl magas hőmérséklet) Olyan környezetekben, ahol a hőmérséklet szélsőségesen változik, egyes előlények változtatni tudják a plazmamembrán lipid összetételét.

17 A membrán fehérjékés funkcióik A perifériás membrán fehérjék a membrán felszínéhez kapcsolódnak az integráns membrán fehérjék belehatolnak a membrán hidrofób magjába Azokat az integránsmembránfehérjéket, amik átérik a membránt, transzmembrán fehérjéknek nevezzük Az integráns fehérjék hidrofób régiói apoláris aminosav-maradékokat tartalmaznak, gyakran alfa-hélix strukrúrában

18 EXTRACELLULÁRIS OLDAL N-terminális α helix C-terminális INTRACELLULÁRIS OLDAL

19 A membránfehérjék hat legfontosabb funkciója: Szignál molekula Enzimek Receptor (a) Transzport ATP (b) Enzimatikus aktivitás Jelátvitel (c) Jelátvitel

20 A membránfehérjék hat legfontosabb funkciója: Glycoprotein (d) Sejt-sejt felismerés (e) Sejt-sejt kapcsolat (f) Kapcsolódás a sejtvázhoz és/vagy az extracelluláris mátrixhoz (ECM)

21 A membrán szánhidrátok szerepe a sejt-sejt felismerésben A sejtek egymást a felszíni molekuláik segítségével ismerik fel, ebben gyakran szénhidrátok vesznek részt A membrán szénhidtátjai lehetnekkovalensen kötöttek lipidekhez (glikolipid) vagy fehérjékhez (glikoprotein), ez a gyakoribb A plazmamembrán extracelluláris oldalán elhelyezkedő szénhidrátok a fajok, az egyedek és egy egyed különböző sejttípusai között is különbözhetnek (pl. vércsoport antigének)

22 Transzmembrán glikoprotein Szekréciós protein Golgi apparátus ER ER lumene Vezikula Glikolipid Plasma membrán: Citoplazmatikus oldal Extracelluláris oldal Transzmembrán glikoprotein Membrán glikolipid Szerretált fehérje

23 A membránok felépítése szelektív permeabilitást eredményez A plazma membrán különbözőképpen átjárható az egyes anyagokra A hidrofób anyagok (pl. szénhidrogének) feloldódnak a lipidrétegben, így gyorsan átkerülnek A poláros molekulák (pl. cukrok) nem jutnak át könnyen a membránon

24 A membránok lipidösszetétele sejt specifikus, de jellegzetes különbséget mutat a sejtmembrán (plazmamembrán) A plazmamembrán és organellumok membránjainak összetétele lipid is. Ezt összetétele tünteti fel egy patkány májsejt és átjárhatósága esetében a ábra. Az ábrából az is kitűnik, hogy a membránok leggyakoribb alkotóelemei a glicerofoszfolipidek ábra: Biomembránok lipidösszetétele kettősréteg egymás felé néző apoláros belső része közel átjárhatatlan (impermeábilis) a legtöbb lekula és főleg az ionok számára. Ez alól kivétel az oxigén és széndioxid gáz, s részben a ák (de vannak olyan membránok, amelyeken a víz is nagyrészt csak vízcsatornákon, aquaporin keresztül közlekedik a membrán két oldala között). ábra: Biomembránok Természetesen lipidösszetétele az apoláros molekulák eroid hormonok) szabadon átdiffundálnak a membránokon. A kismolekulák (és ionok) tása arányos A membrán a A vizes membrán kettősréteg és apoláros egymás oldószerben szelektíven felé néző mérhető apoláros belső oldhatóságuk permeábilis része közel arányával átjárhatatlan (lásd(impermeábilis) ábra). a legtöbb poláros molekula és főleg az ionok számára. Ez alól kivétel az oxigén és széndioxid gáz, s részben a vízmolekulák (de vannak olyan membránok, amelyeken a víz is nagyrészt csak vízcsatornákon, aquaporin fehérjéken keresztül közlekedik a membrán két oldala között). Természetesen az apoláros molekulák (például szteroid hormonok) szabadon átdiffundálnak a membránokon. A kismolekulák (és ionok) permeabilitása arányos a vizes és apoláros oldószerben mérhető oldhatóságuk arányával (lásd ábra). A membrán asszimetrikus ábra: A membrán kettősréteg permeabilitása ábra: Foszfolipidek aszimmetrikus megoszlása a membrán kettősrétegben

25 Lipid tutaj (lipid raft) Normál membrán Lipid tutaj Glikolipidek, glikoproteinek

26 Transzport fehérjék A transzport fehérjék lehetővé teszik a hidrifil molekulák számára az átjutást a membránon Számos fehérje csatornát képez a membránon keresztül A víz átjutását is hasonló fehérjék (vízcsatornák) aquaporinok segítik Más transzport fehérjék megkötik a molekulákat az egyik oldalon és alakváltozást szenvedve átjuttatják a túloldalra

27

28 A passzív traszport az anyagok elektrokémiai gradiense menténvalósul meg A diffúzió a molekulák azon tendenciája, hogy a rendelkezésre álló teret egyenletesen töltsék ki. Bár minden molekula véletlenszerűen mozog, a molekulacsoportok diffúziója mégis lehet irányított Dinamikus egyensúlyi állapotban, a ki- és a belépő molekulák mennyisége egyensúlyban van

29 Festék molekulák membrán (keresztmetszet) VÍZ Nettó diffúzió Nettó diffúzió Egyensúly (a) Egy oldott anyag diffúziója Nettó diffúzió Nettó diffúzió Nettó diffúzió Nettó diffúzió Egyensúly Egyensúly (b) Két oldott anyag diffúziója

30 Az oldott anyagok a koncentráció gradiensüknek megfelelőendiffundálnak Ebben az esetben nem kell munkát befektetni. A biológiaimembránokon keresztül lezajló diffúzió esetén, nem kell a sejtnek energiát befektetni az anyagok szállításába: passzív transzport

31 Az ozmózis jelensége Az ozmózis a víz féligáteresztő hártyán történő diffúziója Ozmózis során a víz a hígabb oldatrész felől a töményebb felé mozog addig, míg a koncentráció ki nem egyenlítődik.

32 Alacsony oldott anyag koncentráció Magasabb oldott anyag koncentráció Az oldott anyag koncentrációja egyforma Sugar molecule H 2 O Félig áteresztő membrán Ozmózis

33 Víz egyensúly sejtfal nélküli sejtekben Izotóniás oldat: Az oldottanyag koncetrációja egyforma a membrán két oldalán, nincs nettó vízmozgás Hipertóniás oldat: Az oldott anyag koncetrációja extracellulárisan magasabb, a sejt vizet veszít Hipotóniás oldat: Az oldott anyag koncetrációja extracellulárisan alacsonyabb, a sejtbe víz áramlik be

34 (a) Állati sejt Hipotóniás oldat Izotóniás oldat Hipertóniás oldat H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Lízis Normál Zsugorodás (b) Növényi sejt H 2 O Cell wall H 2 O H 2 O H 2 O Turgor (normál) Petyhüdt Plazmolizált Osmosis

35 A hipotóniásvagy hipertóniáskörnyezetek problémát okoznak a szervezeteknek Az ozmoreguláció során a szervezet szabályozza a az oldott anyag koncentrációját és a víz egyensúlyt, ez elengedhetetlen az ilyen környezetekhez való adaptációhoz Pl.: A papucsállatka (Paramecium), mely hipertóniásaz édesvizi környezetben, kontraktilis vakuólával kell hogy rendelkezzen, hogy kipumpálja a bejutó vizet

36 Kontraktilis vakuóla (lüktető űröcske) 50 µm

37 Vízegyensúly sejtfallal rendelkező sejtekben A sejtfal segíti a vízegyensúly kialakítását A növényi sejtek hipotóniásközekben addig duzzadnak, amíg a sejtfal megakadályozza a további vízfelvételt; a sejt turgor állapotú lesz Ha a növényi sejt izotóniás közegbe kerül, akkor nics nettó vízmozgás, a sejt petyhüdt lesz, és a növény hervadt

38 Hipertóniás közegben a növényi sejt vizet veszít és a plazmamembrán elválhat a sejtfaltól: plazmolízis

39 Facilitált passzív traszport: diffúzió fehérjék segítségével Facilitált diffúzió során, a molekulák plazmamembránon keresztül zajló passzív mozgását transzport fehérjék gyorsítják fel A csatorna fehérjék olyan környezetet alakítanak ki, melyben specifikus molekulák vagy inok áramolhatnak át a plazmamembránon Ilyen csatorna fehérjék pl.: Aquaporinok: a víz facilitált diffúziója Ion csatornák, melyek meghatározott hatásra/stimulusra nyílnak ki

40 EXTRACELLULÁRIS TÉR (a) Csatorna fehérje Csatorna fehérje CYTOPLAZMA oldott anyag Szállító fehérje oldott anyag (b) Szállító fehérje

41 Aktív transzport során oldott anyag koncentráció gradiensével szemben mozog A facilitált diffúzió passzív transzport, hiszen az oldott anyag koncentráció gradiensének megfelelően mozog, így a transzport nem igényel energiát Számos transzport fehérje az oldott anyagokat a koncentráció gradienssel szemben is tudja szállítani, ez energia igényes folyamat (ATP-t, elektrokémiai gradienst használ)

42 Passive transport Active transport Diffusion Facilitated diffusion ATP

43 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low CYTOPLASM 1 [ ] low [K + ] high

44 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low CYTOPLASM [ ] low 1 [K + ] high 2 P ADP ATP

45 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low [ ] low ATP CYTOPLASM P 1 [K + ] high 2 ADP 3 P

46 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low [ ] low ATP CYTOPLASM P 1 [K + ] high 2 ADP 3 P K + K + 4 P P i

47 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low [ ] low ATP CYTOPLASM P 1 [K + ] high 2 ADP 3 P K + K + K + K P P i

48 EXTRACELLULAR FLUID [ ] high [K + ] low [ ] low ATP CYTOPLASM P 1 [K + ] high 2 ADP 3 P K + K + K + K + K + 6 K P P i

49

50 Az ion pumpák membrán potenciált alakítanak ki A membrán potenciál feszültség különbség a membrán két oldala között, mely a különböző töltések egyenlőtlen megoszlása miatt jö létre Az ionok mozgására az elektrokémiai gradiensük hat (a koncentrációjuk és a töltésük)

51 Az elektrogénpumpák olyan transzport fehérjék, melyek feszültség különbséget generálnak a membránon Állati sejtekben a -K + pumpa a legfontosabb elektrogén pumpa Növényekben, gombákban és baktériumokban a legfőbb elektrogén pumpa a proton pumpa Az elektrogén pumpák segítenek energiát tárolni, melyet a sejt később felhasználhat

52 ATP H + Proton pump + + EXTRACELLULAR FLUID H + H + + H + H + CYTOPLASM + H +

53 Kotranszport: Másodlagos aktív transzport Kotranszport: másodlagos aktív transzport az elektrokémiai gradienssel szemben - egy másik ion elektrokémia hajtóereje hajtja A növényi sejtek gyakran a proton pumpa általa generáltelektrikémiai gradienst használják fel más anyagok aktív transzportjához

54 ATP + H + H + H + Proton pump H + + H + + H + H + H + Sucrose-H + cotransporter Diffusion of H + Sucrose + Sucrose

55 Figure 7.22a Phagocytosis Pseudopodium of amoeba EXTRACELLULAR FLUIDSolutes Pseudopodium Bacterium Food vacuole 1 µm An amoeba engulfing a bacterium via phagocytosis (TEM). Food or other particle Food vacuole CYTOPLASM

56 Figure 7.22b Pinocytosis 0.5 µm Plasma membrane Pinocytosis vesicles forming in a cell lining a small blood vessel (TEM). Vesicle

57 Receptor-Mediated Endocytosis Plasma membrane Coat proteins Ligand Receptor Coat proteins 0.25 µm Top: A coated pit. Bottom: A coated vesicle forming during receptor-mediated endocytosis (TEMs). Coated pit Coated vesicle