BIOFYZIKA. RNDr. Lucie Koláèná, Ph.D.

Transkript

1

2 BIOFYZIKA BUÒKY A TKÁNÍ RNDr. Lucie Koláèná, Ph.D.

3 BUÒKA

4 BUÒKA Ètyøi strukturnì-organizaèní principy buòky Pamì ový nukleové kyseliny (chromosomy, ribosomy) Membránový lipidy membrány Cytoskeletální podpùrné vnitrobunìèné proteinové struktury (aktinová filamenta, støední filamenta, mikrotubuly) Stìnový (obalový) polysacharidy tvoøící bunìèné stìny mikroorganismù a rostlin; u živoèichù se neuplatòuje

5 Velikosti bunìk a jejich èástí

6 První obrázky bunìk Kresby živé rostlinné buòky (vlasová buòka z kvìtiny Tradescantia), jejíž rozdìlení na dvì dceøiné buòky bìhem 2,5 h pozoroval v r Eduard Strasburger. Srovnatelná živá buòka fotografovaná pod moderním svìtelným mikroskopem.

7 Vnitøní membrány a cytosol (A) membránové oddíly v eukaryontních buòkách specializované na zvláštní funkce (B) cytosol zbytek buòky

8 Struktura fosfolipidù a jejich orientace v membránì ve vodném prostøedí se hydrofobní konce fosfolipidù seskupují, aby vytìsnily vodu vzniká dvojvrstva s hydrofilními hlavièkami fosfolipidù obrácenými do vodného prostøedí

9 Fosfolipidové dvojné vrstvy volné rozhraní fosfolipidù s vodou energeticky nevýhodné fosfolipidové dvojné vrstvy se samovolnì uzavírají samy do sebe vytváøejí uzavøené oddíly uzavøená struktura stabilní (nedochází k energeticky nepøíznivému vystavení hydrofobních uhlovodíkových øetìzcù do vodného prostøedí)

10 Struktury vytváøené fosfolipidy Lipidová dvojná vrstva (ve vodném prostøedí) Micela ve vodném prostøedí a v organickém rozpouštìdle Liposom ve vodném prostøedí

11 Membránové transportní proteiny jsou zodpovìdné za pøenos malých ve vodì rozpustných molekul pøes bunìèné membrány (A) umìlá dvojná vrstva lipidù neobsahuje proteiny, nepropustná pro vìtšinu ve vodì rozpustných látek (B) bunìèná membrána obsahuje proteiny, propustná pro látky rozpustné ve vodì každý typ transportního proteinu specifický pro urèitý typ molekuly urèitý typ solutù bude uvnitø buòky

12 Struktura membrán Trojrozmìrný pohled na bunìènou membránu

13 Bunìèné membrány jako fyzikální bariéry membrány jako fyzikální bariéry mezi dvìma oddíly brání smísení molekul z jedné strany s molekulami z druhé strany (A) mezi vnitøkem buòky a vnìjším prostøedím (B) mezi dvìma intracelulárními oddíly

14 Nìkteré funkce plasmatické membrány fyzikální bariéra pøíjem informace vstup a výstup molekul mechanické vlastnosti: schopnost pohybu a rùstu receptory rozpoznávají zmìny v okolí a reagují na nì transportní proteiny zajiš ují selektivní transport látek enzymy snižují energii potøebnou pro bunìèné reakce

15 Lipidy v plasmatické membránì fosfolipidy pìt typù glykolipidy (s šestiúhelníkovými hlavièkami cukrù) všechny glykolipidové molekuly ve vnìjší monovrstvì membrány cholesterol zastoupen pøibližnì rovnomìrnì v obou monovrstvách

16 Pohyblivost fosfolipidù Tøi typy možných pohybù molekul fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvì (dùsledek tepelných pohybù lipidových molekul) laterální difúze rotace pøeklápìní (flip-flop) vzácnì (ménì než 1 za mìsíc)

17 Tekutost lipidové dvojné vrstvy a membrány snadnost pohybu lipidových molekul ve dvojné vrstvì vrstvy s velkým obsahem nenasycených mastných kyselin tekutìjší (dvojná vazba = nepravidelnost) umožòuje membránovým proteinùm rychle difundovat v rovinì membrány zpùsob rychlé distribuce membránových lipidù (napø. z místa syntézy) umožòuje fúzi membrán

18 Úloha cholesterolu v bunìèných membránách cholesterol pouze v živoèišných buòkách, snižuje tekutost membrán (A) struktura cholesterolu (B) pøedstava, jak struktura zapadá do mezer mezi molekulami fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvì

19 Funkce proteinù plasmatické membrány

20 Protein má v membránì obvykle strukturu!-helixu (A) transmembránový protein (B) protein spojený s membránou (lipidem) kovalentní vazbou (C) protein spojený s membránou (transmembránovým proteinem) nekovalentními interakcemi

21 Úsek helixu procházející lipidovou dvojnou vrstvou hydrofobní postranní øetìzce aminokyselin (struktura -helixu), jsou v kontaktu s hydrofobními uhlovodíkovými øetìzci fosfolipidových molekul; hydrofilní èásti polypeptidové páteøe se uvnitø šroubovice navzájem spojují vodíkovými mùstky. K pøekonání tlouš ky plasmatické membrány je tøeba asi 20 aminokyselin. Transmembránový hydrofilní pór tvoøený skupinou helixù pìt transmembránových -helixù tvoøí vodou naplnìný kanál napøíè dvojnou vrstvou lipidù; hydrofobní postranní øetìzce aminokyselin na jedné stranì každé šroubovice se stýkají s hydrofobními uhlovodíkovými øetìzci, zatímco hydrofilní postranní øetìzce na opaèné stranì šroubovic tvoøí pór, který je naplnìn vodou.

22 Ètyøi zpùsoby omezení laterální pohyblivosti proteinu plasmatické membrány Omezení laterální pohyblivosti proteinù plasmatické membrány (A) pøipojení k bunìènému kortexu uvnitø buòky (B) pøipojení k molekulám extracelulární matrix (C) pøipojení k proteinùm na povrchu jiné buòky (D) difúzní pøepážky (erné obdélníky) udržují proteiny v urèité membránové doménì

23 Náboj membrán na povrchu membrány elektrický náboj mc/m 2 vìtšinou negativní odpovídá aniontových skupin kationtových skupin pøevažující záporný náboj pøitahuje kladnì nabité ionty z roztoku adsorpèní vrstva vnì této vrstvy difuzní vrstva (obohacená zápornì nabitými ionty) dohromady tvoøí elektrickou dvojvrstvu nerovnomìrná distribuce iontù okolo buòky povrchový potenciál p: p = 4 /!(1 + r/") nábojová hustota,! permitivita dielektrická konstanta (pro vodu 0,75 nf/m), r prùmìr buòky, " je tlouš ka elektrické dvojvrstvy

24 Klidový membránový potenciál Tok iontù pøes membránu mìøitelný jako elektrický proud Hromadìní iontù (není-li vyváženo hromadìním opaènì nabitých iontù akumulace elektrického náboje = membránový potenciál Klidový membránový potenciál pøi takovém ustáleném stavu, kdy je tok záporných a kladných iontù pøes plasmatickou membránu vyvážen, takže se ani na jedné ani na druhé stranì membrány nehromadí náboj. Vnitøek buòky záporný, proto záporný ( 20 až 200 mv) Hlavní kationty: K + Zmìna koncentrace (propustnosti) iontù! zmìna potenciálu! až kladné hodnoty

25 Distribuce iontù a membránový potenciál Membránový potenciál vzniká díky tenké vrstvì iontù (< 1 nm) v tìsné blízkosti membrány, které jsou ve své poloze drženy pøitahováním k opaènì nabitým iontùm na druhé stranì membrány. Poèet iontù, které musí procházet membránou, aby se ustavil membránový potenciál, je pouze malou èástí všech iontù K + procházejících 1!m 2 " zmìna membránové potenciálu o 100 mv poèet K + v 1!m 3 cytoplasmy vyšší

26 Úloha K + pøi tvorbì membránového potenciálu pøes plasmatickou membránu hypotetická situace s nulovým membránovým potenciálem: ionty K + se snaží opustit buòku po spádu své koncentrace volnì prùchodnými kanály pro K + membrána nemá žádné kanály pro jiné druhy iontù než K + : ionty K + procházejí membránou, nejsou následovány zápornì nabitými ionty výsledek: pøebytek kladného náboje na vnìjší stranì membrány a pøebytek záporného náboje uvnitø buòky! vznik membránového potenciálu, který se snaží hnát ionty K + zpìt do buòky rovnováha: efekt koncentraèního gradientu K + vyrovnán úèinkem membránového potenciálu! k výslednému pohybu K + jedním smìrem nedochází

27 Nernstova rovnice Nernstova rovnice umožòuje vypoèítat teoretický klidový potenciál, známe-li pomìr vnitøní a vnìjší koncentrace iontù. Síla, která žene ion pøes membránu, má dvì složky: první z nich je elektrický potenciál, druhou je gradient koncentrace tohoto iontu. V rovnováze jsou obì složky vyrovnány; tento stav popisuje Nernstova rovnice: V k ln c c e i V membránový potenciál ve voltech; k konstanta závislá na teplotì a na náboji daného iontu; druhý výraz rovnice je pøirozený logaritmus podílu extracelulární a intracelulární koncentrace iontu; konstanta k definována vztahem k = RT/zF, R plynová konstanta, T absolutní teplota v K a F Faradayova konstanta

28 Procesy v membránách tok hmoty tok energie tok informace Tok hmoty pøenos látek pøes membrány (membránový transport) pohyby v membránách (rotace, difuze komponent) enzymové reakce

29 Tok energie Pøemìna minimálnì 4 druhù energií Primární forma Záøivá energie Volná energie oxidace Gradient elektrochemického potenciálu Energie chemické vazby Sekundární forma Pøíklad gradient elektrochemického potenciálu halobakterie oxidaènì-redukèní potenciál zelené rostliny gradient elektrochemického potenciálu mitochondrie luminiskující buòky záøivá energie gradient chemického potenciálu sekundární aktivní transport energie chemické vazby syntéza ATP (ATP-syntáza) mechanická energie pohyb bièíkù teplo mitochondrie hnìdého tuku elektrická energie elektrický orgán ryb gradient chemického potenciálu primární aktivní transport neelektrolytù gradient elektrochemického potenciálu primární aktivní transport iontù

30 Tok informace Fyzikální signály Signál Projev, výskyt fotokineze, fototaxe, fotofobie u sinic Svìtlo enzymová aktivita u rostlin zrak u živoèichù Teplo teplotnì citlivá tìlíska v kùži Elektrický potenciál napì ovì regulované kanály citlivost ryb a nìkterých savcù Magnetické pole magnetobakterie, snad stìhovaví ptáci sluch (vláskové buòky støedního ucha) Mechanický tlak pøilnavost bunìk k podloží pohyb listù rostlin hmat

31 Tok informace Chemické signály Signál Atraktanty a repelenty Vnìjší èichové a chu ové signály Vnitøní signály vícebunìèných organismù Imunitní systém Projev, výskyt chemotaxe, aerotaxe u bakterií èich a chu hormony, cytokiny a nervové mediátory makrofágy, T-buòky, B- buòky, komplement

32 Relativní propustnost syntetické dvojné vrstvy lipidù pro jednotlivé tøídy molekul Èím je molekula menší a èím ménì ochotnì interaguje s vodou (èím ménì je polární), tím rychleji difunduje dvojnou vrstvou. Mnohé z molekul, které buòka používá jako živiny, jsou pøíliš velké a polární na to, aby mohly èistou dvojnou vrstvou lipidu projít.

33 Difúze Veškeré látky mají tendenci pøecházet z prostøedí s vyšší koncentrací do prostøedí s nižší koncentrací. Pokud se èástice mohou pohybovat, rozptylují se do celého prostoru, kterého mohou dosáhnout, a postupnì ve všech jeho èástech vyrovnají svou koncentraci è látky difundují Hustota difúzního toku (tok látky) J: množství látky vyjádøené poètem molù, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní Difúze seøídí Fickovými zákony 1. Hustota difúzního toku (tok látky) je pøímo úmìrná koncentraènímu gradientu látky 2. Èasová zmìna koncentrace látky v daném místì je úmìrná prostorové zmìnì gradientu koncentrace (konstanta úmìrnosti difúzní koeficient) J dx dt D dc D dx 2 d c D 2 dx kt 6 r

34 Osmóza Rozpouštìdlo má tendenci pronikat pøes polopropustné membrány do míst, kde je koncentrace osmoticky aktivních látek vyšší, a øedit je. Ve výsledku jsou tedy roztoky na obou stranách membrány stejnì koncentrované. Osmotický tlak je jedna ze základních sil, které ovlivòují živé buòky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná.

35 Osmóza Espero Publishing, s.r.o. Pokud je koncentrace solutu uvnitø buòky vyšší než v okolí buòky, bude voda osmoticky vstupovat dovnitø a buòka nabobtná. Pøi dostateènì velkém rozdílu koncentrace rozpuštìné látky buòka praskne.

36 Osmóza

37 Tøi zpùsoby, kterými se buòky vyhýbají osmotickému zbobtnání (A) živoèišná buòka udržuje nízkou vnitøní koncentraci solutu aktivním odèerpává ionty (B) rostlinná buòka pøed nabobtnáním a prasknutím chránìna tuhou stìnou (C) prvok periodicky vystøikuje vodu nahromadìnou v buòce

38 Osmotický tlak jedna ze základních sil, které ovlivòují živé buòky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná tlak toku rozpouštìdla pronikajícího pøes semipermeabilní (polopropustnou) membránu do roztoku, ve kterém je vyšší koncentrace rozpuštìných molekul nebo iontù osmotický tlak: = c R T závisí na teplotì a koncentraci roztoku c molární koncentrace, R molární plynová konstanta, T absolutní teplota tok rozpouštìdla membránou: J = k S ( 1-2 ) 1 a 2 osmotické tlaky roztokù oddìlených membránou, k koeficient propustnosti