1. előadás Membránok felépítése, mebrán raftok, caveolák jellemzője, funkciói
Plazmamembrán Membrán funkciói: • sejt integritásának fenntartása • állandó hő, energia, és információcsere biztosítása • homeosztázis biztosítása
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
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
Koleszterin: Szteroid:
Baktériumokban nincs. Nem kell a membránnak szilárdnak lennie, arra van a sejtfal. Emlősökben rengeteg: fluiditás és fázisátmenet szabályozása
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)
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
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.
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
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.
• poláris fejű, hidrofób farkú lipidek kettős membránon keresztül szállítása a flippáz (foszfolipid transzlokátor) ABC-transzporterek szupercsaládjába tartozó transzmembrán szállító fehérjékkel történik
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
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.
• 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
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).
• 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.
• 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.
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
Kaveolák: • Endocitózisban résztvevő sejtfelszíni képződmények. • A plazmamembrán palack formájú betüremkedései. • Keresztmetszeti elektronmikroszkópos felvételeken omega alakúak, átmérőjük 100-150 nm. • Csoportosan, gyöngysorszerű képletekben sorakoznak • Caveolin fehérjék képezik fehérje összetevőinek döntő hányadát • A caveolin 15-20 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.
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.
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.
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
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.
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
ATPázok: ATP energiáját használják a transzporthoz. Koncentráció vagy elektrokémiai gradiens ellenében szállítanak. Ca2+, Na+ és H+ pumpák
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+
Transzport proteinek típusai:
Exo- és endocitózis Membránnal körülvéve kerül be illetve kerül ki a sejtből transzportálandó anyag Makromolekulák, receptor ligand komplexek, szekrétumok, baktériumok átjutása a membránon.
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
Exocitózis: Új membránrészek, sejtfelszíni receptorok membránba juttatása Enzimek, hormonok, neurotranszmitterek felszabadulása
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
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
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.
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
