11Budowa błon
DWUWARSTWA LIPIDOWA
BIAŁKA BŁONOWE
Zasady transportu błonowego
Transportery i ich funkcje
Kanały jonowe i potencjał błonowy
Kanały jonowe i sygnalizacja w komórkach nerwowych
Żywa komórka jest samoreprodukującym się układem cząsteczek zawartych wewnątrz swego rodzaju zbiornika, który utworzony jest przez błonę komórkową (plazmatyczną) - tłuszczową powłokę z zawartymi w niej białkami, tak cienką, że nie można jej zobaczyć bezpośrednio w mikroskopie świetlnym. Każda komórka na Ziemi wykorzystuje błonę do ochrony i oddzielania swoich składników chemicznych od środowiska zewnętrznego. Bez błon nie byłoby komórek, a więc nie byłoby życia.
Konstrukcja błony komórkowej jest prosta: składa się ona z podwójnej warstwy cząsteczek lipidów o grubości około 5 nm - lub 50 atomów - zawierającej białka. Jednakże jej właściwości są inne niż w przypadku warstwy jakiegokolwiek materiału, z którym mamy do czynienia w życiu codziennym. Chociaż błona komórkowa przede wszystkim stanowi barierę chroniącą przed rozproszeniem się zawartości komórki i jej mieszaniem się z cząsteczkami w otaczającym środowisku (ryc. 11.1), oprócz tego pełni znacznie więcej funkcji. Jeśli komórka ma przeżyć i rosnąć, muszą do niej wnikać składniki odżywcze, a produkty zbędne muszą być z niej usuwane. Aby ułatwić tę wymianę, błona zawiera wysoce selektywne kanały i transportery - białka, które umożliwiają importowanie i eksportowanie określonych małych cząsteczek i jonów. Inne białka w błonie działają z kolei jako czujniki lub receptory, które umożliwiają komórce odbiór informacji o zmianach w jej otoczeniu i odpowiedź na te zmiany. Właściwości mechaniczne błony komórkowej są równie imponujące. Gdy komórka rośnie, jej błona także rośnie: ta niezwykła struktura powiększa swój obszar, dodając nowe fragmenty i nie tracąc przy tym swej ciągłości. Może także odkształcać się bez uszkodzeń, umożliwiając komórce ruch lub zmianę kształtu (ryc. 11.2). Błona jest również strukturą samonaprawiającą się: jeśli zostaje przebita, nie pęka jak balon ani nie rozdziera się; zamiast tego szybko się zasklepia i uszczelnia.
Ryc. 11.1. Błony komórki odgrywają rolę selektywnych barier. Błona komórkowa oddziela komórkę od otoczenia, umożliwiając różny skład cząsteczkowy komórki i otoczenia. (A) U niektórych bakterii błona komórkowa jest jedyną błoną. (B) Oprócz błony komórkowej komórki eukariotyczne mają również wewnętrzne błony, które otaczają poszczególne organelle. Wszystkie błony komórki zapobiegają swobodnemu mieszaniu się cząsteczek z jednej strony z cząsteczkami z drugiej, jak pokazano schematycznie za pomocą kolorowych kropek
Ryc. 11.2. Błona komórkowa uczestniczy w wielu istotnych funkcjach, w tym w komunikacji komórkowej, imporcie i eksporcie cząsteczek oraz we wzroście komórek i ich ruchliwości. (1) Białka receptorowe w błonie komórkowej umożliwiają komórce odbieranie sygnałów ze środowiska; (2) kanały i transportery w błonie umożliwiają import i eksport małych cząsteczek; (3) elastyczność błony i jej zdolność do ekspansji pozwalają komórce rosnąć, zmieniać kształt i przemieszczać się
Jak pokazano na rycinie 11.1, wiele bakterii ma tylko jedną błonę - błonę komórkową - podczas gdy komórki eukariotyczne zawierają również błony wewnętrzne, które otaczają przedziały wewnątrzkomórkowe. Wewnętrzne błony tworzą różne organelle, w tym retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, endosomy i mitochondria (ryc. 11.3). Chociaż te wewnętrzne błony są zbudowane w ten sam sposób co błona komórkowa, różnią się subtelnie składem, zwłaszcza składem przynależnych danej błonie białek.
Ryc. 11.3. Błony wewnętrzne tworzą wiele różnych przedziałów w komórce eukariotycznej. Pokazano tu niektóre z głównych organelli otoczonych błoną w typowej komórce zwierzęcej. Zauważ, że jądro i mitochondria są otoczone dwiema błonami
Niezależnie od lokalizacji w komórce wszystkie błony składają się z lipidów i białek oraz mają wspólny plan ogólnej budowy (ryc. 11.4). Lipidy są ułożone w dwóch ściśle przylegających, przeciwstawnie zorientowanych warstwach, tworząc dwuwarstwę lipidową (patrz Suntago). Ta podwójna warstwa lipidowa służy jako bariera przepuszczalności dla większości rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, podczas gdy wbudowane w nią białka, pełniąc różne funkcje, nadają różnym błonom ich indywidualne cechy.
Ryc. 11.4. Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej, w której osadzone są białka. (A) Mikrografia elektronowa błony komórkowej ludzkiego erytrocytu widzianej w przekroju. Na tym obrazie białka, które rozciągają się z obu stron dwuwarstwy, tworzą dwie blisko rozmieszczone ciemne linie oznaczone przez nawiasy; cienka, biała warstwa między nimi jest dwuwarstwą lipidową. (B) Schematyczny rysunek przedstawiający trójwymiarową strukturę błony w komórce (A: za zgodą E.L. Bearer)
W tym rozdziale omówimy strukturę błon biologicznych i organizację ich dwóch głównych składników: lipidów i białek. Chociaż skupimy się głównie na błonie komórkowej, większość omawianych pojęć dotyczy także błon wewnętrznych przedziałów komórki. Wyspecjalizowane funkcje błon w komórce, w tym ich rola w komunikacji komórkowej, transporcie małych cząsteczek i przekształceniach energetycznych, będą rozważane w kolejnych rozdziałach.
Dwuwarstwa lipidowa
Ponieważ komórki są wypełnione i otoczone wodą, struktura ich błon jest określona przez sposób, w jaki lipidy błonowe zachowują się w środowisku wodnym. Cząsteczki lipidów nie są dobrze rozpuszczalne w wodzie, chociaż łatwo rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzen. To właśnie tę właściwość naukowcy wykorzystali w 1925 roku, kiedy postanowili zbadać, jak lipidy są rozmieszczone w błonach komórkowych.
Za pomocą benzenu badacze wyekstrahowali wszystkie lipidy z błon komórkowych pochodzących z oczyszczonych erytrocytów (krwinek czerwonych). Warstwę tych lipidów rozprowadzili na powierzchni wody, którą wypełnili rynienkę, co przypominało plamę oleju na powierzchni kałuży. Następnie, używając ruchomej przegrody, naukowcy ścisnęli pływające lipidy, aż utworzyły ciągłą warstwę o grubości jednej cząsteczki. Kiedy zmierzyli pole powierzchni tej monowarstwy, odkryli, że zajmuje ona dwukrotnie większą powierzchnię niż wyjściowe nienaruszone komórki. Na podstawie tej obserwacji wywnioskowali, że w nienaruszonej błonie komórki cząsteczki lipidów muszą tworzyć podwójną warstwę (dwuwarstwę). Odkrycie to miało głęboki wpływ na biologię komórki.
W tej części przyjrzymy się bliżej dwuwarstwie lipidowej, która stanowi podstawową strukturę wszystkich błon komórki. Rozważymy, w jaki sposób tworzą się dwuwarstwy lipidowe, jak jest utrzymywana ich struktura i jak ich właściwości ustalają ogólne właściwości wszystkich błon komórki.
Lipidy błonowe tworzą dwuwarstwy w środowisku wodnym
Lipidy znajdujące się w błonach komórki łączą dwie bardzo różne właściwości w pojedynczej cząsteczce: każdy lipid ma hydrofilową ("lubiącą wodę") głowę i hydrofobowy ("bojący się wody") ogon. Najliczniej występującymi lipidami w błonach komórki są fosfolipidy, które posiadają zawierającą grupę fosforanową hydrofilową głowę połączoną z parą hydrofobowych węglowodorowych ogonów (ryc. 11.5). Na przykład fosfatydylocholina, jeden z najliczniej występujących fosfolipidów w błonach zwierząt i roślin, ma hydrofilową głowę zbudowaną z małej cząsteczki choliny połączonej z grupą fosforanową (ryc. 11.6).
Ryc. 11.5. Błony komórkowe są zbudowane z fosfolipidów. Typowa cząsteczka fosfolipidu błonowego ma hydrofilową głowę i dwa hydrofobowe ogony
Ryc. 11.6. Fosfatydylocholina jest fosfolipidem najpowszechniej występującym w błonach komórki. Przedstawiono ją schematycznie w (A), jako wzór chemiczny w (B), jako model przestrzenny w (C) i jako symbol w (D). Ten szczególny fosfolipid zbudowany jest z pięciu części: hydrofilowej głowy, która składa się z choliny połączonej z grupą fosforanową; dwóch łańcuchów węglowodorowych, które tworzą hydrofobowe ogony; i cząsteczki glicerolu, która łączy głowę z ogonami. Każdy z hydrofobowych ogonów jest kwasem tłuszczowym - łańcuchem węglowodorowym z grupą karboksylową (-COOH) na jednym końcu; glicerol przyłącza się przez tę grupę karboksylową, jak pokazano w (B). Wygięcie jednego z łańcuchów węglowodorowych występuje wtedy, gdy pojawia się podwójne wiązanie między dwoma atomami węgla ("fosfatydyl" w nazwie fosfolipidu odnosi się do części cząsteczki zbudowanej z grupy fosforanowej, glicerolu i kwasów tłuszczowych)
Fosfolipidy to niejedyne lipidy błonowe, które są amfipatyczne, co oznacza, że ich cząsteczki zbudowane są z części zarówno hydrofilowych, jak i hydrofobowych. Amfipatyczne są również glikolipidy, których hydrofilowa głowa zawiera cukry i cholesterol znajdujący się w błonach komórek zwierząt (ryc. 11.7).
Ryc. 11.7. Mimo różnic w budowie różne typy lipidów błonowych są cząsteczkami amfipatycznymi. Każdy z trzech przedstawionych tutaj typów ma hydrofilową głowę i jeden lub dwa hydrofobowe ogony. Hydrofilową głową w fosfatydyloserynie jest fosforan seryny (niebieskie i żółte tło), w cholesterolu grupa -OH (niebieskie tło) oraz grupa -OH i cukier galaktoza (niebieskie tło) w cząsteczce galaktocerebrozydu (patrz także panel 2.4, s. 82)
Posiadanie zarówno hydrofilowych, jak i hydrofobowych części odgrywa kluczową rolę w organizacji cząsteczek lipidów w dwuwarstwy w środowisku wodnym. Jak omówiono w rozdziale 2 (patrz panel 2.2, s. 78), cząsteczki hydrofilowe łatwo rozpuszczają się w wodzie, ponieważ zawierają grupy naładowane albo nienaładowane grupy polarne, które mogą tworzyć przyciąganie elektrostatyczne lub wiązania wodorowe z cząsteczkami wody (ryc. 11.8). Natomiast cząsteczki hydrofobowe są nierozpuszczalne w wodzie, ponieważ wszystkie lub prawie wszystkie ich grupy są nienaładowane i niepolarne; dlatego nie mogą tworzyć wiązań z cząsteczkami wody. Zamiast tego zmuszają sąsiednie cząsteczki wody do reorganizacji wokół cząsteczki hydrofobowej w strukturę podobną do klatki (ryc. 11.9). Ponieważ struktura ta jest bardziej uporządkowana niż pozostała część wody, jej utworzenie wymaga dostarczenia energii. Ten wydatek energetyczny zostaje jednak zminimalizowany, jeśli hydrofobowe cząsteczki zgrupują się razem, ograniczając w ten sposób kontakt z otaczającymi je cząsteczkami wody. Tak więc całkowicie hydrofobowe cząsteczki, takie jak tłuszcze występujące w olejach z nasion roślin i adipocytach (komórkach tłuszczowych) zwierząt (ryc. 11.10), po rozproszeniu w wodzie łączą się w pojedynczą dużą kroplę tłuszczu.
Ryc. 11.8. Cząsteczka hydrofilowa przyciąga cząsteczki wody. Zarówno aceton, jak i woda są cząsteczkami polarnymi: stąd aceton łatwo rozpuszcza się w wodzie. Atomy tworzące wiązania spolaryzowane w cząsteczce wody i acetonu zaznaczono kolorem czerwonym i niebieskim, przy czym ?- wskazuje częściowy ładunek ujemny, a ?+ oznacza częściowy ładunek dodatni. Pomiędzy cząsteczkami acetonu i wody tworzą się wiązania wodorowe (kolor czerwony) i przyciąganie elektrostatyczne (kolor żółty). Grupy niepolarne zaznaczono na szaro
PYTANIE 11.1
Mówi się, że cząsteczki wody "reorganizują się w strukturę podobną do klatki" wokół związków hydrofobowych (np. patrz ryc. 11.9). Wydaje się to paradoksalne, ponieważ cząsteczki wody nie oddziałują ze związkiem hydrofobowym. Jak więc mogą "wiedzieć" o jego obecności i zmienić swoje zachowanie, aby oddziaływać na siebie w inny sposób? Rozważ to zastrzeżenie, rozwijając w ten sposób przejrzystą koncepcję tego, co rozumie się przez pojęcie "podobny do klatki". Jak ma się ona do struktury lodu? Dlaczego struktura klatki byłaby energetycznie niekorzystna?
Ryc. 11.9. Hydrofobowa cząsteczka unika cząsteczek wody. Ponieważ cząsteczka 2-metylopropanu jest całkowicie hydrofobowa, nie może tworzyć korzystnych oddziaływań z wodą. Powoduje to, że sąsiednie cząsteczki wody reorganizują się dookoła niej, tworząc strukturę podobną do klatki, aby zmaksymalizować wiązania wodorowe między sobą
Natomiast cząsteczki amfipatyczne, takie jak lipidy błonowe (patrz ryc. 11.7), podlegają dwóm sprzecznie działającym siłom: hydrofilowa głowa jest przyciągana do wody, podczas gdy hydrofobowe ogony unikają wody i dążą do agregacji z innymi cząsteczkami hydrofobowymi. Ten konflikt jest pięknie rozwiązany przez utworzenie dwuwarstwy lipidowej - formy uporządkowania satysfakcjonującej wszystkie strony i najbardziej korzystnej energetycznie. Hydrofilowe głowy zwrócone są ku wodzie po obu stronach dwuwarstwy, podczas gdy hydrofobowe ogony są osłonięte przed wodą we wnętrzu dwuwarstwy, jak wypełnienie kanapki (ryc. 11.11).
Ryc. 11.10. Cząsteczki tłuszczów obojętnych są całkowicie hydrofobowe. W przeciwieństwie do fosfolipidów, triacyloglicerole, które są głównymi składnikami tłuszczów zwierzęcych i olejów roślinnych, są całkowicie hydrofobowe. W tym przypadku trzeci hydrofobowy ogon cząsteczki triacyloglicerolu jest skierowany do góry w celu porównania ze strukturą fosfolipidu (patrz ryc. 11.6), chociaż zwykle jest on przedstawiony jako skierowany do dołu (patrz panel 2.5, s. 84).
Ryc. 11.11. Amfipatyczne fosfolipidy tworzą dwuwarstwę w wodzie. (A) Schematyczny rysunek dwuwarstwy fosfolipidowej w wodzie. (B) Symulacja komputerowa pokazująca cząsteczki fosfolipidów (czerwone głowy i pomarańczowe ogony) i otaczające je cząsteczki wody (niebieskie) w przekroju dwuwarstwy lipidowej (B: zaadaptowany z R.M. Venable i in., Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity, Science, 262, 1993, s. 223-228)
Te same siły, które napędzają tworzenie dwuwarstwy przez cząsteczki amfipatyczne, sprawiają, że dwuwarstwa jest strukturą samouszczelniającą się. Jakiekolwiek rozdarcie dwuwarstwy prowadzi do powstania wolnej krawędzi mającej kontakt z wodą, a ponieważ ta sytuacja jest energetycznie niekorzystna, cząsteczki dwuwarstwy przegrupowują się spontanicznie, aby taką wolną krawędź wyeliminować. Jeśli rozdarcie jest małe, spontaniczne przegrupowanie wyklucza cząsteczki wody i prowadzi do naprawy dwuwarstwy, przywracając jej ciągłość. Jeśli rozdarcie jest duże, warstwa może zawijać się i rozpadać na oddzielne zamknięte pęcherzyki. W obu przypadkach zasadą nadrzędną jest szybka eliminacja wolnych krawędzi.
"Zakaz" otwartych krawędzi ma ważne konsekwencje: jedynym sposobem, w jaki amfipatyczna warstwa może uniknąć posiadania wolnych krawędzi, jest utworzenie z tej warstwy osłonki wokół zamkniętej przestrzeni (ryc. 11.12). Dlatego amfipatyczne cząsteczki, takie jak fosfolipidy, muszą składać się w samouszczelniające się opakowania, które ograniczają zamknięte przedziały - od pęcherzyków i organelli do całych komórek. To niezwykłe zachowanie, fundamentalne dla stworzenia żywej komórki, jest w istocie produktem ubocznym natury lipidów błonowych: hydrofilowych z jednej strony i hydrofobowych z drugiej.
Ryc. 11.12. Dwuwarstwy fosfolipidowe spontanicznie zasklepiają się, tworząc zamknięte przedziały. Zamknięta struktura jest stabilna, ponieważ unika ekspozycji hydrofobowych węglowodorowych ogonów do środowiska wodnego, co byłoby energetycznie niekorzystne
Dwuwarstwa lipidowa jest elastycznym dwuwymiarowym płynem
Środowisko wodne wewnątrz i na zewnątrz komórki uniemożliwia ucieczkę lipidów błonowych z dwuwarstwy, ale nic nie powstrzymuje tych cząsteczek przed przemieszczaniem się i wymienianiem się miejscami w płaszczyźnie błony. Dwuwarstwa lipidowa zachowuje się zatem jak dwuwymiarowy płyn, co jest kluczowe dla funkcjonowania i integralności błon.
Jednocześnie dwuwarstwa lipidowa jest elastyczna - to znaczy może się wyginać. Podobnie jak płynność, elastyczność jest ważna dla funkcji błony i narzuca dolną granicę wielkości tworzonych przez błony komórki pęcherzyków, którą jest średnica około 25 nm.
Płynność dwuwarstw lipidowych można badać przy użyciu sztucznych (syntetycznych) dwuwarstw lipidowych, które można łatwo otrzymać przez spontaniczną agregację w wodzie amfipatycznych cząsteczek lipidów. Na przykład czyste fosfolipidy po dodaniu do wody utworzą zamknięte, kuliste pęcherzyki, nazwane liposomami; ich średnica mieści się w zakresie od około 25 nm do 1 ?m (ryc. 11.13).
Ryc. 11.13. Fosfolipidy mogą tworzyć zamknięte, kuliste struktury - liposomy. (A) Schematyczne przedstawienie małego, kulistego liposomu w przekroju poprzecznym. (B) Mikrografia elektronowa liposomu w wodzie. Struktura błony pęcherzyka oparta na dwuwarstwie przypomina klasyczny tor kolejowy; jaśniejsza linia w środku dwuwarstwy reprezentuje jej hydrofobowy rdzeń (B: z J. Kotouček i in., Preparation of nanoliposomes by microfluidic mixing in herring-bone channel and the role of membrane fluidity in liposomes formation, Scientific Reports, 10, 2020, nr art. 5595)
Za pomocą takich prostych sztucznych dwuwarstw badacze mogą mierzyć ruchy cząsteczek lipidów w dwuwarstwie lipidowej. Pomiary te ujawniają, że niektóre rodzaje tego ruchu są rzadkie, podczas gdy inne są częste i szybkie. Zatem w sztucznych dwuwarstwach lipidowych cząsteczki fosfolipidów bardzo rzadko przeskakują z jednej monowarstwy (połowy dwuwarstwy) do drugiej. Szacuje się, że ten rodzaj ruchu, nazwany "flip-flop", w warunkach podobnych do tych panujących w komórce, ale bez udziału ułatwiających go białek, dla pojedynczej cząsteczki lipidu występuje rzadziej niż raz w miesiącu. Jednocześnie w wyniku losowych ruchów termicznych cząsteczki lipidów w sposób ciągły wymieniają się miejscami z sąsiadami w obrębie tej samej monowarstwy. Ta wymiana prowadzi do szybkiej dyfuzji bocznej cząsteczek lipidów w płaszczyźnie każdej monowarstwy tak, że na przykład lipid w sztucznej dwuwarstwie może dyfundować na odległość równą obwodowi całej komórki bakteryjnej (~2 ?m) w około jedną sekundę.
Podobne badania pokazują, że cząsteczki poszczególnych lipidów nie tylko wyginają swoje ogony węglowodorowe, lecz także obracają się szybko wokół swojej długiej osi, osiągając niekiedy prędkość 500 obrotów na sekundę. Badania całych komórek i izolowanych błon wskazują, że cząsteczki lipidów w błonach komórki podlegają takim samym ruchom, jak w sztucznych dwuwarstwach. Ruchy cząsteczek fosfolipidów błonowych podsumowano na rycinie 11.14.
Ryc. 11.14. Fosfolipidy błonowe poruszają się w obrębie dwuwarstwy lipidowej. Z powodu tych ruchów dwuwarstwa zachowuje się jak dwuwymiarowy płyn, w którym poszczególne cząsteczki lipidów są w stanie poruszać się w obrębie własnej monowarstwy. Zauważ, że cząsteczki lipidów nie przemieszczają się spontanicznie z jednej monowarstwy do drugiej; taki ruch jest energetycznie niekorzystny, ponieważ hydrofilowa głowa lipidu musiałaby przejść przez hydrofobowy środek
Płynność dwuwarstwy lipidowej zależy od jej składu
Płynność błony, czyli łatwość, z jaką jej cząsteczki lipidowe poruszają się w płaszczyźnie dwuwarstwy, jest ważna dla jej funkcji i musi być utrzymywana w określonych granicach. To, jak płynna jest dwuwarstwa lipidowa w danej temperaturze, zależy od wchodzących w jej skład fosfolipidów, a zwłaszcza od charakteru ich ogonów węglowodorowych: im ściślejsze i bardziej regularne jest upakowanie ogonów, tym bardziej lepka i mniej płynna jest dwuwarstwa.
Na upakowanie ogonów węglowodorowych w dwuwarstwie mają wpływ ich dwie główne właściwości - długość i liczba podwójnych wiązań, które zawierają. Mniejsza długość łańcucha wiąże się z mniejszą skłonnością ogonów węglowodorowych do interakcji poprzez oddziaływania van der Waalsa (jak opisano w rozdz. 2), a zatem zwiększa płynność dwuwarstwy. Ogony węglowodorowe fosfolipidów błonowych zawierają od 14 do 24 atomów węgla, przy czym najczęstsze są te o liczbie 18 lub 20 atomów. W większości fosfolipidów jeden z ogonów węglowodorowych zawiera tylko pojedyncze wiązania między sąsiednimi atomami węgla, podczas gdy drugi ogon zawiera jedno lub więcej wiązań podwójnych (patrz ryc. 11.6). Ogon, który zawiera podwójne wiązanie, nie zawiera maksymalnej liczby atomów wodoru, które optymalnie mogłyby być przyłączone do jego szkieletu węglowego; dlatego mówi się, że jest nienasycony w odniesieniu do wodoru. Ogon węglowodorowy bez podwójnych wiązań ma pełny zestaw atomów wodoru i mówi się, że jest nasycony. Każde podwójne wiązanie w nienasyconym ogonie tworzy w nim małe zgięcie (patrz ryc. 11.6), co utrudnia upakowanie ogonów między sobą. Z tego powodu dwuwarstwy lipidowe, które zawierają duży stosunek nienasyconych ogonów węglowodorowych do nasyconych, są bardziej płynne niż te o niższym stosunku.
W komórkach bakteryjnych i drożdżowych, które muszą przystosować się do zmiennych temperatur, zarówno długości, jak i stopień nasycenia ogonów węglowodorowych w dwuwarstwie są regulowane w sposób ciągły. Dla przykładu, aby utrzymać względnie stały poziom płynności błony w wyższych temperaturach, komórka produkuje lipidy z dłuższymi ogonami węglowodorowymi i zawierające mniej podwójnych wiązań. Podobne rozwiązanie jest stosowane w produkcji margaryny z olejów roślinnych. Tłuszcze wytwarzane przez rośliny są na ogół nienasycone, a zatem płynne w temperaturze pokojowej, w przeciwieństwie do tłuszczów zwierzęcych, takich jak masło lub smalec, które są zazwyczaj nasycone, a zatem mają stałą konsystencję w temperaturze pokojowej. Aby wytworzyć margarynę, oleje roślinne są uwodorniane: dodatek wodoru usuwa ich podwójne wiązania, dzięki czemu oleje stają się bardziej stałe i przypominają masło w temperaturze pokojowej.
W komórkach zwierząt płynność błony komórkowej jest modulowana przez włączenie w strukturę błony cholesterolu. Cząsteczka ta występuje w szczególnie dużych ilościach w błonie komórkowej, gdzie stanowi około 20 % masy lipidów. Dzięki krótkiej i sztywnej strukturze pierścienia steroidowego cholesterol może wypełniać przestrzenie między sąsiednimi cząsteczkami fosfolipidów, które powstały przez zagięcia ich nienasyconych ogonów węglowodorowych (ryc. 11.15). W ten sposób cholesterol usztywnia dwuwarstwę, czyniąc ją mniej elastyczną, a także mniej przepuszczalną.
Ryc. 11.15. Cholesterol usztywnia błony komórki. (A) Kształt cząsteczki cholesterolu. Wzór chemiczny cholesterolu przedstawiono na rycinie 11.7. (B) Dopasowanie cholesterolu do przestrzeni między cząsteczkami fosfolipidów w dwuwarstwie lipidowej. (C) Model przestrzenny dwuwarstwy z cząsteczkami cholesterolu zaznaczonymi kolorem zielonym. Chociaż niepolarny ogon węglowodorowy cholesterolu zaznaczono na zielono, aby wizualnie odróżnić go od ogonów węglowodorowych fosfolipidów błonowych, w rzeczywistości hydrofobowy ogon cholesterolu jest chemicznie równoważny hydrofobowym ogonom fosfolipidów (C: z H.L. Scott, Modeling the lipid component of membranes, Current Opinion in Structural Biology, 12, 2002, s. 495-502)
Ryc. 11.16. Nowo syntetyzowane fosfolipidy są dodawane do cytozolowej strony błony ER i następnie przenoszone przez transportery między monowarstwami dwuwarstwy lipidowej. Enzymy uczestniczące w syntezie nowych fosfolipidów są związane ze skierowaną do cytozolu monowarstwą błony ER (nie pokazano). Enzymy te wytwarzają nowe fosfolipidy z wolnych kwasów tłuszczowych i wstawiają je do monowarstwy od strony cytozolu. Transportery zwane skramblazami losowo przenoszą cząsteczki fosfolipidów z jednej monowarstwy do drugiej, pozwalając błonie rosnąć jako dwuwarstwie, w której obie monowarstwy są wyrównywane pod względem rozmiaru i składu lipidowego
PYTANIE 11.2
Na Twoim roku studiów pięciu studentów zawsze siedzi razem w pierwszym rzędzie. Może to być spowodowane tym, że (A) naprawdę się lubią lub (B) nikt inny nie chce siedzieć obok nich. Które wyjaśnienie pasuje do tworzenia się struktury dwuwarstwy lipidowej? Wyjaśnij to. Przypuśćmy, że to drugie wyjaśnienie jest prawdziwe dla cząsteczek lipidów. W jaki sposób zmieniłyby się wówczas właściwości dwuwarstwy lipidowej?
Dla wszystkich komórek płynność błon jest ważna z wielu powodów. Umożliwia wielu białkom błonowym szybkie przemieszczanie się w płaszczyźnie dwuwarstwy i wzajemne oddziaływania, co ma kluczowe znaczenie na przykład w sygnalizacji komórkowej (omówionej w rozdz. 16). Pozwala lipidom i białkom błonowym dyfundować z miejsc, w których są wprowadzane do dwuwarstwy po ich syntezie do innych obszarów komórki. Zapewnia też, że cząsteczki błony są równomiernie rozłożone między komórkami potomnymi, gdy komórka się dzieli. Jednocześnie w odpowiednich warunkach umożliwia błonom łączenie się ze sobą i mieszanie się ich cząsteczek (omówione w rozdz. 15). Trudno sobie wyobrazić, jak komórki mogłyby żyć, rosnąć i reprodukować się, gdyby błony biologiczne nie były płynne.
Składanie błony rozpoczyna się w retikulum endoplazmatycznym
W komórkach eukariotycznych nowe fosfolipidy są wytwarzane przez enzymy związane z cytozolową powierzchnią retikulum endoplazmatycznego (ER). Używając wolnych kwasów tłuszczowych jako substratów (patrz panel 2.5, s. 84), enzymy te odkładają nowo wytworzone fosfolipidy wyłącznie w cytozolowej części dwuwarstwy.
Pomimo niezrównoważonego dodatku w postaci nowo wytworzonych fosfolipidów, błony w komórce rosną równomiernie. Jak więc nowe fosfolipidy docierają do przeciwległej monowarstwy? Jak pokazano na rycinie 11.14, ruchy typu flip-flop, które przenoszą lipidy z jednej monowarstwy do drugiej, rzadko występują spontanicznie. Przenoszenie fosfolipidów jest natomiast prowadzone przez skramblazę (z ang. scramblase), rodzaj białka transportującego, które usuwa losowo wybrane fosfolipidy z jednej części dwuwarstwy lipidowej i wstawia je do drugiej. (Transportery i ich funkcje omówiono szczegółowo w rozdz. 12). W wyniku tego mieszania nowo wytworzone fosfolipidy są równo rozdzielane między każdą monowarstwę błony ER (ryc. 11.16).
Część nowo złożonej błony pozostanie w ER; reszta zostanie wykorzystana do dostarczenia świeżej błony do innych przedziałów w komórce, w tym aparatu Golgiego i błony komórkowej (patrz ryc. 11.3). Ten dynamiczny proces, w którym błony pączkują z jednego przedziału komórkowego i łączą się z innym, omówimy szczegółowo w rozdziale 15.
Występowanie niektórych fosfolipidów jest ograniczone do jednej strony błony
Większość błon komórkowych jest asymetryczna: dwie części dwuwarstwy często zawierają uderzająco różne zestawy fosfolipidów. Ale jeśli błony wyłaniają się z ER z równomiernie rozmieszczonymi zestawami fosfolipidów, to gdzie powstaje ta asymetria? Zaczyna się ona w aparacie Golgiego.
Błona aparatu Golgiego zawiera kolejną rodzinę transporterów obsługujących fosfolipidy, nazwaną flipazami. W przeciwieństwie do skramblaz, które przesuwają losowo fosfolipidy z jednej części dwuwarstwy do drugiej, flipazy wykorzystują energię hydrolizy ATP do przenoszenia określonych fosfolipidów z jednej strony dwuwarstwy na drugą - w tym przenoszenia wybranych lipidów z monowarstwy skierowanej na zewnątrz do tej zwróconej w stronę cytozolu (ryc. 11.17).
Ryc. 11.17. Flipazy ułatwiają ustanowienie i utrzymanie asymetrycznego rozkładu fosfolipidów charakterystycznego dla błon komórek zwierząt. Gdy błony opuszczają ER i są włączane w błony aparatu Golgiego, napotykają inny zestaw transporterów - flipazy, które selektywnie usuwają fosfatydyloserynę (kolor jasnozielony) i fosfatydyloetanoloaminę (kolor żółty) z monowarstwy skierowanej w stronę przeciwną niż cytozol i przenoszą je do monowarstwy skierowanej do cytozolu. W wyniku tego transferu fosfatydylocholina (kolor czerwony) i sfingomielina (kolor brązowy) zostają zagęszczone w niecytozolowej części dwuwarstwy. Wynikająca z tego asymetria błony może pomóc zakrzywić lub zagiąć dwuwarstwę błonową, co jest niezbędne dla istotnych procesów takich jak pączkowanie pęcherzyków błonowych (omówione w rozdz. 15)
Działanie flipaz - i podobnych transporterów w błonie komórkowej - inicjuje i utrzymuje asymetryczny układ fosfolipidów, który jest charakterystyczny dla błon komórek zwierzęcych. Ta asymetria utrzymuje się, gdy błony pączkują z jednej organelli i łączą się z błoną innej organelli - lub z błoną komórkową. Oznacza to, że wszystkie błony komórki mają odrębną powierzchnię "wewnętrzną" i "zewnętrzną": monowarstwa cytozolowa zawsze jest zwrócona w stronę cytozolu, podczas gdy monowarstwa niecytozolowa jest zwrócona albo na zewnątrz komórki - w przypadku błony komórkowej - albo do przestrzeni wewnętrznej (światła) organelli. Ta zachowawczość orientacji dotyczy nie tylko fosfolipidów, które tworzą błonę, lecz także wszelkich białek, które mogą zostać wprowadzone do błony (ryc. 11.18). Jest to bardzo ważne, ponieważ orientacja białka w dwuwarstwie lipidowej jest kluczowa dla jego funkcji (patrz ryc. 11.20).
Ryc. 11.18. Błony zachowują swoją orientację podczas przenoszenia między przedziałami komórkowymi. Błony są transportowane w procesie pączkowania pęcherzyków i ich fuzji z błoną docelową. Tutaj pokazano pęcherzyk pączkujący z aparatu Golgiego i łączący się z błoną komórkową. Należy zauważyć, że podczas tego procesu orientacja zarówno lipidów, jak i białek błonowych zostaje zachowana: wyjściowa powierzchnia dwuwarstwy lipidowej skierowana do cytozolu (kolor różowy) pozostaje zwrócona w stronę cytozolu, a powierzchnia skierowana w stronę przeciwną niż cytozol, czyli niecytozolowa (kolor czerwony) jest zwrócona w stronę światła aparatu Golgiego i światła pęcherzyka transportującego lub w kierunku macierzy zewnątrzkomórkowej. Podobnie pokazana tu glikoproteina (kolor niebieski i zielony) pozostaje w tej samej orientacji, z dołączonym cukrem zwróconym w stronę niecytozolową
Wśród lipidów najbardziej nierównomierny rozkład w błonach komórki wykazują glikolipidy, które są zlokalizowane głównie w błonie komórkowej i tylko w niecytozolowej części dwuwarstwy (ryc. 11.19). Grupy cukrowe tych lipidów błonowych są skierowane na zewnątrz komórki, gdzie tworzą część ciągłej warstwy węglowodanów, która otacza i chroni komórki zwierzęce. Cząsteczki glikolipidów nabywają swoje grupy cukrowe w aparacie Golgiego, gdzie są zamknięte enzymy przeprowadzające tę modyfikację chemiczną. Enzymy te działają w taki sposób, że cukry są dodawane tylko do cząsteczek lipidów w niecytozolowej części dwuwarstwy. Gdy cząsteczka glikolipidu zostanie utworzona, pozostaje uwięziona w tej monowarstwie, ponieważ nie ma flipaz, które przenoszą glikolipidy do strony cytozolowej. Zatem gdy cząsteczka glikolipidu zostaje ostatecznie dostarczona do błony komórkowej, eksponuje swoje cukry na zewnątrz komórki.
Inne cząsteczki lipidów wykazują różne rodzaje asymetrycznego rozkładu, które związane są z ich specyficznymi funkcjami. Na przykład fosfolipidy inozytolu - nieliczne składniki błony komórkowej - odgrywają szczególną rolę w przekazywaniu sygnałów z powierzchni komórki do wnętrza komórki (omówione w rozdz. 16); w związku z tym są one skoncentrowane w cytozolowej części dwuwarstwy lipidowej.
Ryc. 11.19. Fosfolipidy i glikolipidy są rozmieszczone asymetrycznie w dwuwarstwie lipidowej błony komórkowej komórek zwierzęcych. Fosfatydylocholina (kolor czerwony) i sfingomielina (kolor brązowy) występują głównie w monowarstwie skierowanej w stronę przeciwną niż cytozol (monowarstwa niecytozolowa), podczas gdy fosfatydyloseryna (kolor jasnozielony) i fosfatydyloetanoloamina (kolor żółty) są głównie obecne w monowarstwie po stronie cytozolu (monowarstwa cytozolowa). Oprócz tych fosfolipidów w monowarstwie cytozolowej są pokazane fosfatydyloinozytole (ciemnozielona grupa głowy), występujące w niewielkich ilościach, ale kluczowe w sygnalizacji komórkowej (omówione w rozdziale 16). Glikolipidy narysowano z sześciokątnymi niebieskimi grupami głów, które reprezentują cukry; znajdują się one wyłącznie w niecytozolowej monowarstwie błony. W obrębie dwuwarstwy cholesterol (kolor zielony) rozmieszczony jest prawie równomiernie w obu monowarstwach
Białka błonowe
Chociaż dwuwarstwa lipidowa stanowi podstawową strukturę wszystkich błon komórki i służy jako bariera przepuszczalności dla cząsteczek hydrofilowych po obu jej stronach, większość funkcji błon jest realizowana przez białka błonowe. U zwierząt białka stanowią około 50 % masy większości błon komórkowych, reszta to lipidy oraz w stosunkowo małych ilościach węglowodany występujące w niektórych lipidach (glikolipidach) i wielu białkach (glikoproteinach). Ponieważ cząsteczki lipidów są znacznie mniejsze niż białka, błona komórkowa zazwyczaj zawiera około 50 razy więcej cząsteczek lipidów niż białek (patrz ryc. 11.4B).
Białka błonowe pełnią wiele funkcji. Niektóre przenoszą określone składniki odżywcze, metabolity i jony przez dwuwarstwę lipidową. Inne łączą błonę z makrocząsteczkami po obu jej stronach. Jeszcze inne działają jako receptory, które wykrywają sygnały chemiczne w środowisku komórki i przekazują informację do jej wnętrza lub działają jako enzymy katalizujące określone reakcje w błonie (ryc. 11.20 i tab. 11.1). Każdy rodzaj błony komórki zawiera inny zestaw białek, odzwierciedlający wyspecjalizowane funkcje danej błony. W tej części omówimy strukturę białek błonowych i sposoby ich łączenia się z dwuwarstwą lipidową.
Ryc. 11.20. Białka błony komórkowej pełnią różne funkcje. Transportują cząsteczki i jony, unieruchamiają inne białka, wykrywają sygnały lub katalizują reakcje
TABELA 11.1. PRZYKŁADY BIAŁEK BŁONY KOMÓRKOWEJ I ICH FUNKCJE
Klasa funkcjonalna
Przykład białka
Swoista funkcja
Transportery
Pompa Na+-K+
aktywnie pompuje Na+ na zewnątrz komórki i K+ do wnętrza komórki (omówiona w rozdz. 12)
Kanały jonowe
Spoczynkowy kanał K+
pozwala jonom K+ opuścić komórki, wpływając tym samym na pobudliwość komórek (omówiony w rozdz.12)
Białka kotwiczące
Integryny
łączą wewnątrzkomórkowe filamenty aktynowe z białkami macierzy zewnątrzkomórkowej (omówione w rozdz. 20)
Receptory
Receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu (PDGF)
wiąże zewnątrzkomórkowy PDGF i w konsekwencji generuje sygnały wewnątrzkomórkowe, które kierują komórkę do wzrostu i podziału (co omówiono w rozdz. 16 i 18)
Enzymy
Cyklaza adenylanowa
katalizuje wytwarzanie cyklicznego AMP, małej wewnątrzkomórkowej cząsteczki sygnałowej, w odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe (co omówiono w rozdz. 16)
Białka błonowe łączą się z dwuwarstwą lipidową w różny sposób
Chociaż dwuwarstwa lipidowa ma jednolitą strukturę, białka mogą oddziaływać z błoną komórki na wiele różnych sposobów.
- Wiele białek błonowych przechodzi przez dwuwarstwę, wystawiając swoje fragmenty po obu jej stronach (ryc. 11.21A). Podobnie jak sąsiadujące z nimi lipidy, białka transbłonowe są amfipatyczne, tzn. mają regiony zarówno hydrofobowe, jak i hydrofilowe. Ich regiony hydrofobowe znajdują się we wnętrzu dwuwarstwy, gdzie kontaktują się z hydrofobowymi ogonami cząsteczek lipidów, podczas gdy regiony hydrofilowe są wystawione na działanie środowiska wodnego po obu stronach błony.
- Inne białka błonowe znajdują się prawie całkowicie w cytozolu i są związane z cytozolową częścią dwuwarstwy lipidowej przez amfipatyczną helisę ? znajdującą się na powierzchni białka (ryc. 11.21B).
Ryc. 11.21. Białka błonowe mogą się łączyć z dwuwarstwą lipidową na różne sposoby. (A) Białka transbłonowe mogą przechodzić przez dwuwarstwę jako pojedyncza helisa ?, jako wiele helis ? lub jako harmonijka ? w obrębie struktury nazywanej beczułką ?. Niektóre białka eksponują część swojej struktury po obu stronach błony; inne eksponują przeważającą część tylko po jednej lub drugiej stronie błony.(B) Niektóre białka błonowe są zakotwiczone w cytozolowej części dwuwarstwy lipidowej za pomocą amfipatycznej helisy ?. (C) Inne są połączone z którąkolwiek ze stron dwuwarstwy przez kowalencyjnie przyłączoną cząsteczkę lipidu (czerwone zygzaki). (D) Wiele białek może się łączyć z błoną tylko przez stosunkowo słabe, niekowalencyjne oddziaływania z innymi białkami błonowymi. (A-C) są przykładami integralnych białek błonowych; białka przedstawione w (D) są przykładami białek peryferycznych
- Niektóre białka leżą całkowicie poza dwuwarstwą, z jednej lub drugiej strony, ale są zakotwiczone w błonie przez jedną lub więcej kowalencyjnie przyłączonych grup lipidowych (ryc. 11.21C).
- Jeszcze inne białka są związane pośrednio z błoną po jednej lub drugiej stronie w wyniku oddziaływań z innymi białkami błonowymi (ryc. 11.21D).
Białka bezpośrednio przyłączone do dwuwarstwy lipidowej - niezależnie od tego, czy są transbłonowe, związane z monowarstwą lipidową, czy zakotwiczone przez lipidy - można usunąć tylko przez rozbicie dwuwarstwy za pomocą detergentów, co wkrótce omówimy. Takie białka są znane jako integralne białka błonowe. Pozostałe białka błonowe są klasyfikowane jako peryferyczne białka błonowe; mogą być uwalniane z błony przez łagodniejsze procedury ekstrakcji, które zakłócają interakcje białko-białko, nie naruszając przy tym dwuwarstwy lipidowej.
Łańcuch polipeptydowy zwykle przechodzi przez dwuwarstwę lipidową jako helisa ?
Wszystkie białka błonowe mają unikatową orientację w dwuwarstwie lipidowej, co jest niezbędne dla ich funkcji. Na przykład w przypadku transbłonowego białka receptorowego jego część, która odbiera sygnał ze środowiska, musi znajdować się na zewnątrz komórki, podczas gdy część, która przekazuje informacje o sygnale, musi być umiejscowiona w cytozolu (patrz ryc. 11.20). Ta orientacja jest konsekwencją sposobu syntezy białek błonowych (omówionej w rozdziale 15). Części białka transbłonowego znajdujące się po obu stronach dwuwarstwy lipidowej są połączone wyspecjalizowanymi segmentami łańcucha polipeptydowego przechodzącego przez błonę (patrz ryc.11.21A). Segmenty te, biegnące przez środowisko hydrofobowe wnętrza dwuwarstwy lipidowej, składają się głównie z aminokwasów z hydrofobowymi łańcuchami bocznymi. Ponieważ te łańcuchy boczne nie mogą tworzyć korzystnych oddziaływań z cząsteczkami wody, preferują oddziaływania z hydrofobowymi ogonami cząsteczek lipidów, gdzie wody nie ma.
Jednak w przeciwieństwie do hydrofobowych łańcuchów bocznych, wiązania peptydowe łączące kolejne aminokwasy w białku są zwykle polarne, dzięki czemu szkielet łańcucha polipeptydowego sam w sobie jest hydrofilowy (ryc. 11.22). Ponieważ woda jest nieobecna we wnętrzu dwuwarstwy, atomy tworzące szkielet łańcucha polipeptydowego ulegają presji tworzenia między sobą wiązań wodorowych, których najwięcej może powstać wtedy, gdy łańcuch polipeptydowy tworzy regularną helisę ?; dlatego znaczna większość segmentów łańcuchów polipeptydowych przechodzi przez dwuwarstwę jako helisy ? (patrz ryc. 4.12). W tych "spinających" obie powierzchnie błony helisach ? hydrofobowe łańcuchy boczne są eksponowane na zewnątrz helisy, gdzie kontaktują się z hydrofobowymi ogonami lipidów, podczas gdy atomy hydrofilowego szkieletu polipeptydowego tworzą między sobą wiązania wodorowe wewnątrz helisy (ryc. 11.23).
Ryc. 11.22. Szkielet łańcucha polipeptydowego jest hydrofilowy. Atomy po obu stronach wiązania peptydowego (czerwona linia) są połączone spolaryzowanymi wiązaniami kowalencyjnymi i dlatego zyskują cząstkowy ładunek dodatni lub ujemny (odpowiednio, ?+ lub ?-). Ładunki te umożliwiają tym atomom tworzenie wiązań wodorowych między sobą, gdy polipeptyd składa się w helisę ?, która przechodzi przez dwuwarstwę lipidową (patrz ryc. 11.23)
Ryc. 11.23. Transbłonowy łańcuch polipeptydowy zwykle przechodzi przez dwuwarstwę lipidową jako helisa ?. W tym segmencie białka transbłonowego hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów tworzących helisę ? (kolor jasnozielony) kontaktują się z hydrofobowymi ogonami węglowodorowymi cząsteczek fosfolipidów, podczas gdy hydrofilowe części szkieletu polipeptydowego tworzą między sobą wiązania wodorowe (przerywane czerwone linie) wzdłuż wnętrza helisy. Do całkowitego przejścia przez błonę komórkową wymagana jest helisa ? zawierająca około 20 aminokwasów
W wielu białkach transbłonowych łańcuch polipeptydowy przechodzi przez błonę tylko raz (patrz ryc. 11.21A, z lewej). Wiele z tych "jednoprzebiegowych" (ang. single-pass) białek transbłonowych jest receptorami sygnałów zewnątrzkomórkowych. Inne białka transbłonowe działają jako kanały, tworząc pory wodne w dwuwarstwie lipidowej, aby umożliwić małym, rozpuszczonym w wodzie cząsteczkom przejście przez błonę. Takie kanały nie mogą być tworzone przez białka z pojedynczą transbłonową helisą ?. Zamiast tego zazwyczaj składają się z szeregu helis ?, z których każda przechodzi przez dwuwarstwę (patrz ryc. 11.21A, środek). W wielu z tych "wieloprzebiegowych" (ang. multi-pass) białek transbłonowych jeden lub więcej regionów przechodzących przez błonę wykazuje amfipatyczność, ponieważ mają postać helisy ?, która zawiera zarówno hydrofobowe, jak i hydrofilowe aminokwasowe łańcuchy boczne. Te aminokwasy mają tendencję do rozmieszczania w taki sposób, że hydrofobowe łańcuchy boczne leżą po jednej stronie helisy, podczas gdy hydrofilowe łańcuchy boczne są skoncentrowane po jej drugiej stronie. W środowisku hydrofobowym dwuwarstwy lipidowej helisy ? tego typu upakowują się obok siebie w formie pierścienia, z hydrofobowymi łańcuchami bocznymi wystawionymi do hydrofobowych ogonów lipidowych i z hydrofilowymi łańcuchami bocznymi tworzącymi wyściółkę hydrofilowych porów w błonie (ryc. 11.24). Sposób działania takich kanałów w selektywnym transporcie małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, zwłaszcza jonów nieorganicznych, omówimy w rozdziale 12.
Ryc. 11.24. Wiele amfipatycznych helis ? może utworzyć hydrofilowy por transbłonowy. W tym przykładzie pięć amfipatycznych transbłonowych helis ? tworzy wypełniony wodą kanał przechodzący przez dwuwarstwę lipidową. Hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów po jednej stronie każdej helisy (kolor zielony) stykają się z hydrofobowymi ogonami węglowodorowymi dwuwarstwy lipidowej, podczas gdy hydrofilowe łańcuchy boczne po przeciwnej stronie helis (kolor czerwony) tworzą por wypełniony wodą
Chociaż helisa ? jest zdecydowanie najpowszechniejszą formą umożliwiającą łańcuchowi polipeptydowemu przejście przez dwuwarstwę lipidową, łańcuch polipeptydowy niektórych białek transbłonowych przechodzi przez błonę jako harmonijka ?. Większa liczba harmonijek ? tworzy baryłkowatą strukturę nazwaną beczułką ? (patrz ryc. 11.21A, po prawej). Jak należałoby oczekiwać, łańcuchy boczne aminokwasów, które są zwrócone do wnętrza beczułki, a zatem wyścielają por wodny, są przeważnie hydrofilowe, podczas gdy te na zewnątrz beczułki i kontaktujące się z hydrofobowym rdzeniem dwuwarstwy lipidowej są wyłącznie hydrofobowe. Przykładem białek o strukturze beczułki ? są poryny, które tworzą duże, wypełnione wodą kanały w mitochondrialnych i bakteryjnych błonach zewnętrznych (ryc. 11.25). Mitochondria i niektóre bakterie są otoczone podwójną błoną, a poryny umożliwiają przenikanie małych składników odżywczych, metabolitów i jonów nieorganicznych przez ich błony zewnętrzne, zapobiegając jednocześnie przechodzeniu niepożądanych większych cząsteczek.
Ryc. 11.25. Białka poryn tworzą wypełnione wodą kanały w zewnętrznej błonie bakterii. Przedstawione białko pochodzi z E. coli i składa się z 16 harmonijek ? tworzących łącznie kanał wypełniony wodą. Jego strukturę przestrzenną określono metodą krystalografii rentgenowskiej. Chociaż nie pokazano tego na rycinie, trzy cząsteczki poryny łączą się, tworząc trimer z trzema oddzielnymi kanałami
Białka błonowe można przeprowadzić w formę rozpuszczalną w detergentach
Aby w pełni zrozumieć białko, należy dokładnie poznać jego strukturę, co w przypadku białek błonowych stwarza szczególne problemy. Większość procedur biochemicznych ustalono dla cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie. Białka błonowe są jednak skonstruowane tak, aby działały w środowisku, które jest częściowo wodne i częściowo tłuszczowe, a wyprowadzenie ich z tego środowiska w celu badania w izolacji od niego i przy zachowaniu ich podstawowej struktury nie jest łatwym zadaniem.
PYTANIE 11.3
Wydaje się paradoksalne, że dwuwarstwa lipidowa może być płynna, a mimo to asymetryczna. Wyjaśnij to.
Zanim pojedyncze białko zostanie szczegółowo zbadane, musi zostać oddzielone od wszystkich innych białek komórkowych. W przypadku większości białek błonowych pierwszym etapem tego procesu oczyszczania jest solubilizacja (rozpuszczenie) błony czynnikami, które niszczą dwuwarstwę lipidową przez rozerwanie oddziaływań hydrofobowych. Najczęściej stosowanymi w tym celu czynnikami są detergenty - małe, amfipatyczne, podobne do lipidów cząsteczki różniące się od fosfolipidów błonowych tym, że mają tylko jeden hydrofobowy ogon (ryc. 11.26). Z powodu pojedynczego ogona hydrofobowego cząsteczki detergentu są w kształcie stożka; w wodzie te stożkowe cząsteczki mają tendencję do agregowania w małe skupiska zwane micelami, nie tworzą natomiast dwuwarstw jak fosfolipidy, które - dzięki dwóm ogonom hydrofobowym - mają bardziej cylindryczny kształt.
Gdy zmieszamy duży nadmiar detergentu z błonami, hydrofobowe końce cząsteczek detergentu oddziałują z przechodzącymi przez błonę obszarami hydrofobowymi białek transbłonowych, jak również z hydrofobowymi ogonami cząsteczek fosfolipidów, i tym samym zakłócają strukturę dwuwarstwy lipidowej i oddzielają białka od większości fosfolipidów. Ponieważ drugi koniec cząsteczki detergentu jest hydrofilowy, oddziaływania te przeprowadzają białka błonowe do roztworu wodnego jako kompleksy białko-detergent; w tym samym czasie detergent powoduje także solubilizację fosfolipidów (ryc. 11.27). Kompleksy białko-detergent można następnie oddzielić od siebie i od kompleksów lipid-detergent w celu wykonania dalszych badań.
Ryc. 11.26. SDS i Triton X-100 to dwa powszechnie stosowane detergenty. Dodecylosiarczan sodu (SDS) jest silnym detergentem jonowym - to znaczy ma zjonizowaną (obdarzoną ładunkiem) grupę na swoim hydrofilowym końcu (kolor ciemny złoty). Triton X-100 jest łagodnym niejonowym detergentem - to znaczy zawiera niezjonizowane, ale polarne ugrupowanie na swoim hydrofilowym końcu (kolor ciemny złoty). Część hydrofobową obu detergentów zaznaczono kolorem żółtym. Ujęta w klamrę część cząsteczki Triton X-100 jest powtórzona około osiem razy. Silne detergenty jonowe, takie jak SDS, nie tylko oddzielają cząsteczki lipidów od białek, lecz także rozfałdowują białka (patrz panel 4.5, s. 181)
Ryc. 11.27. Białka błonowe mogą przechodzić w formę rozpuszczalną (ulec solubilizacji) przy użyciu łagodnego detergentu, takiego jak Triton X-100. Cząsteczki detergentu (kolor złoty) pokazano zarówno jako monomery, jak i micele, powstające w wyniku agregacji tych cząsteczek w wodzie. Detergent rozrywa dwuwarstwę lipidową i oddziałuje z przechodzącą przez błonę hydrofobową częścią białka (kolor ciemnozielony). To powoduje wprowadzenie białek do roztworu w postaci kompleksów białko-detergent. Jak pokazano, fosfolipidy w błonie również ulegają solubilizacji przez detergenty, tworząc micele lipid-detergent
Znamy kompletną strukturę względnie niewielu białek błonowych
Znaczną część wiedzy o strukturze białek błonowych zdobyto pośrednio. Standardową metodą bezpośredniego określania przestrzennej struktury białka jest krystalografia rentgenowska. Wymaga ona jednak uporządkowanego układu krystalicznego cząsteczki. Ponieważ białka błonowe muszą być oczyszczane w micelach tworzonych przez detergent, które często mają niejednorodną wielkość, ich krystalizacja jest trudniejsza niż białek rozpuszczalnych, znajdujących się w cytozolu komórki lub środowisku zewnątrzkomórkowym. Niemniej jednak, dzięki najnowszym postępom w technice krystalografii rentgenowskiej, polegającym na stosowaniu nowych potężnych narzędzi, takich jak mikroskopia krioelektronowa, poznano struktury o wysokiej rozdzielczości licznych białek błonowych (patrz panel 4.6, s. 182).
Jednym z przykładów takich białek jest bakteriorodopsyna. Jej struktura po raz pierwszy ujawniła, jak dokładnie helisy ? przechodzą przez dwuwarstwę lipidową.
Bakteriorodopsyna jest małym białkiem występującym w dużych ilościach w błonie komórkowej Halobacterium salinarium, archeona żyjącego w słonych bagnach. Bakteriorodopsyna jest transbłonowym białkiem transportującym, które pompuje H+ (protony) z wnętrza komórki na zewnątrz. Każda cząsteczka bakteriorodopsyny zawiera pojedynczy chromofor, absorbującą światło, niebiałkową cząsteczkę nazwaną retinalem, która nadaje białku i całemu organizmowi kolor głębokiego fioletu. Gdy retinal, który jest kowalencyjnie przyłączony do jednej z transbłonowych helis ? bakteriorodopsyny, pochłania foton światła, zmienia kształt. Ta zmiana kształtu powoduje, że otaczające helisy przechodzą szereg małych zmian konformacyjnych, których skutkiem jest wypompowanie jednego protonu z retinalu na zewnątrz komórki (ryc. 11.28).
Ryc. 11.28. Bakteriorodopsyna działa jako pompa protonowa. Łańcuch polipeptydowy tego małego białka (o długości około 250 aminokwasów) przechodzi przez dwuwarstwę lipidową w postaci siedmiu helis ?. Zaznaczono umiejscowienie retinalu (kolor fioletowy) i prawdopodobną ścieżkę transportu protonów podczas cyklu pompowania aktywowanego światłem (czerwone strzałki). Strategicznie rozmieszczone polarne łańcuchy boczne aminokwasów - zaznaczone kolorem czerwonym, żółtym i niebieskim - kierują ruchem protonu (H+) w poprzek dwuwarstwy, pozwalając mu uniknąć kontaktu ze środowiskiem lipidowym. Retinal jest następnie regenerowany przez pobranie H+ z cytozolu, co przywraca białko do wyjściowej konformacji. Retinal służy także do wykrywania światła w ludzkim oku, gdzie jest przyłączony do białka o strukturze bardzo podobnej do bakteriorodopsyny (zaadaptowano z H. Luecke i in., Structural changes in bacteriorhodopsin during ion transport at 2 angstrom resolution, Science, 286, 1999, s. 255-261)
PYTANIE 11.4
Wyjaśnij, dlaczego łańcuch polipeptydowy większości białek transbłonowych przechodzi przez dwuwarstwę lipidową jako helisa ? lub beczułka ?.
W obecności światła słonecznego tysiące cząsteczek bakteriorodopsyny pompuje H+ z komórki, wytwarzając gradient stężeń H+ w poprzek błony komórkowej. Komórka wykorzystuje ten gradient protonów do przechowywania energii i przekształcania jej w ATP, jak omówimy to szczegółowo w rozdziale 14. Bakteriorodopsyna jest pompą, klasą białka transbłonowego, która aktywnie przenosi małe cząsteczki organiczne i nieorganiczne jony do i z komórek. Działanie innych ważnych pomp transbłonowych omówimy w rozdziale 12.
Błona komórkowa jest wzmocniona przez znajdującą się pod nią korę komórki
Błona komórkowa sama w sobie jest niezwykle cienka i delikatna. Trzeba by nałożyć na siebie 10 000 błon komórkowych, aby osiągnąć grubość kartki papieru. Dlatego też większość błon komórkowych jest wzmacniana i podparta rusztowaniem białek przyłączonych do błony przez białka transbłonowe. W przypadku roślin, drożdży i bakterii kształt komórki i jej właściwości mechaniczne wynikają z obecności sztywnej ściany komórkowej - otaczającej błonę komórkową włóknistej warstwy białek, cukrów i innych makrocząsteczek. Natomiast błona komórkowa komórek zwierząt jest stabilizowana przez sieć włóknistych białek, nazwaną korą komórki, przymocowaną do cytozolowej powierzchni błony.
Kora ludzkiego erytrocytu ma stosunkowo prostą i regularną strukturę i została szczególnie dobrze zbadana. Erytrocyty są małe i mają charakterystyczny kształt obustronnie wklęsłych krążków (ryc. 11.29A). Głównym składnikiem ich kory jest tworzące dimer białko spektryna, mające kształt wydłużonych, cienkich oraz giętkich pręcików o długości około 100 nm. Spektryna tworzy sieć, która stanowi podporę dla błony komórkowej i utrzymuje dwuwklęsły kształt komórki. Sieć spektrynowa jest połączona z błoną poprzez wewnątrzkomórkowe białka łączące, które wiążą spektrynę z określonymi białkami transbłonowymi (ryc. 11.29B). Znaczenie tej sieci jest widoczne u myszy i ludzi, u których ze względu na zmiany genetyczne wytwarzana jest forma spektryny o nieprawidłowej strukturze. Osobniki takie cierpią na anemię, ponieważ liczba ich erytrocytów jest niższa od normy i ich erytrocyty zamiast być spłaszczone, są kuliste i wyjątkowo delikatne.
Ryc. 11.29. Kora komórki zbudowana głównie ze spektryny nadaje charakterystyczny kształt ludzkim erytrocytom. (A) Skaningowa mikrografia elektronowa pokazująca ludzkie erytrocyty, które mają spłaszczony, dwuwklęsły kształt. Komórki te nie zawierają jądra i innych organelli wewnątrzkomórkowych. (B) W korze komórki erytrocytów dimery spektryny (kolor czerwony) są połączone końcami w dłuższe tetramery. Tetramery spektryny wraz z mniejszą liczbą cząsteczek aktyny tworzą sieć. Sieć ta połączona jest z błoną komórkową w wyniku wiązania co najmniej dwóch typów białek łącznikowych (zaznaczonych kolorem żółtym i niebieskim) z dwoma rodzajami białek transbłonowych (zaznaczonych kolorem zielonym i brązowym). Przedstawiona tutaj sieć spektrynowa została rozciągnięta, aby umożliwić dostrzeżenie szczegółów jej struktury; w normalnym erytrocycie sieć spektrynowa zawiera znacznie więcej białek, a pokazana tutaj liczba cząsteczek zajmowałaby może jedną dziesiątą zilustrowanego obszaru (A: dzięki uprzejmości Bernadette Chailley)
PYTANIE 11.5
Wyjaśnij, dlaczego w przypadku dwóch detergentów przedstawionych na rycinie 11.26 części cząsteczek zaznaczone kolorem ciemnozłotym są hydrofilowe, a kolorem żółtym - hydrofobowe. Narysuj krótki odcinek łańcucha polipeptydowego złożonego z trzech aminokwasów z hydrofobowymi łańcuchami bocznymi (patrz panel 2.6, s. 86) i zastosuj podobny schemat kolorów. Wskaż, które części polipeptydu utworzyłyby wiązania wodorowe z wodą.
Białka podobne do spektryny i związanych z nią białek łączących z błoną są obecne w korze większości komórek zwierząt. Ale kora w tych komórkach jest znacznie bardziej złożona niż ta w erytrocytach i jest szczególnie bogata w aktynę i białko motoryczne miozynę. O ile erytrocyty potrzebują swojej kory głównie w celu zapewnienia wytrzymałości mechanicznej w czasie przeciskania się przez wąskie naczynia krwionośne, o tyle inne komórki wykorzystują ją również do selektywnego pobierania materiałów ze swojego środowiska, zmiany kształtu i przemieszczania się, o czym będzie mowa w rozdziale 17. Ponadto komórki wykorzystują swoją korę, aby powstrzymać dyfuzję białek w błonie komórkowej, co teraz omówimy.
Komórka może ograniczać przemieszczanie się białek błonowych
PYTANIE 11.6
Przyjrzyj się uważnie białkom transbłonowym pokazanym na rycinie 11.29B. Co możesz powiedzieć o ich ruchliwości w błonie?
Ponieważ błona jest definiowana jako dwuwymiarowy płyn, wiele jej białek, podobnie jak lipidów, może się swobodnie poruszać w płaszczyźnie dwuwarstwy. Tę dyfuzję boczną po raz pierwszy wykazano przez eksperymentalne połączenie komórki mysiej z komórką ludzką, co doprowadziło do utworzenia komórki hybrydowej o podwójnej wielkości. Następnie sprawdzono rozmieszczenie pewnych białek błony komórkowej tych komórek. Początkowo występowanie mysich i ludzkich białek jest ograniczone do odpowiednich połówek nowo utworzonej komórki hybrydowej, ale w ciągu około pół godziny białka te zostają równomiernie wymieszane na całej powierzchni komórki hybrydowej (ryc. 11.30). Kilka innych technik badania ruchu białek błonowych opisujemy w panelu Skąd to wiemy? (s. 422).
Ryc. 11.30. Powstanie komórek hybrydowych z komórek myszy i człowieka pokazuje, że niektóre białka błony komórkowej mogą się przemieszczać bocznie w dwuwarstwie lipidowej. Początkowo po połączeniu komórek mysich i ludzkich ich białka pozostają w odpowiednich połówkach nowo utworzonej hybrydowej błony komórkowej. Jednak w krótkim czasie białka błonowe - i lipidy - całkowicie się mieszają. Aby monitorować ruch wybranych białek, komórki są znakowane przeciwciałami, które wiążą się z białkami ludzkimi albo mysimi. Przeciwciała te są sprzężone z dwoma różnymi znacznikami fluorescencyjnymi - na przykład rodaminą (kolor czerwony) i fluoresceiną (zaznaczoną tutaj kolorem niebieskim), co umożliwia ich rozróżnienie mikroskopie fluorescencyjnym (patrz panel 4.2, s. 152) (na podstawie obserwacji: L.D. Frye i M. Edidin, The rapid intermixing of cell surface antigens after formation of mouse-human heterokaryons, Journal of Cell Science, 7, 1970, s. 319-335)
Jednakże przedstawianie błony komórkowej jako morza lipidów, w którym swobodnie pływają wszystkie białka, jest zbytnim uproszczeniem. Komórki mają sposoby ograniczania obecności poszczególnych białek do określonych obszarów dwuwarstwy, tworząc w ten sposób funkcjonalnie wyspecjalizowane regiony lub domeny błonowe na powierzchni komórki lub organelli.
Jak pokazano na rycinie 11.31, białka błony komórkowej mogą zostać unieruchomione poprzez "zacumowanie" do struktur na zewnątrz komórki - na przykład do cząsteczek w macierzy zewnątrzkomórkowej lub na sąsiedniej komórce (co omówiono w rozdziale 20) - lub do stosunkowo nieruchomych struktur wewnątrz komórki, szczególnie do kory komórki (patrz ryc. 11.29B). Dodatkowo komórki mogą tworzyć bariery, które ograniczają poszczególne składniki błony do jednej domeny tejże błony. Na przykład w komórkach nabłonkowych wyściełających jelito ważne jest, aby białka transportujące zaangażowane w pobieranie składników odżywczych z jelita były ograniczone do powierzchni szczytowej części komórek (zwróconej w stronę światła jelita), a obecność innych białek transportujących - w tym białek biorących udział w eksporcie substancji rozpuszczonych z komórki nabłonkowej do tkanek i krwiobiegu - ograniczona do powierzchni części podstawnej i bocznej (patrz ryc. 12.17). Ten asymetryczny rozkład białek błonowych jest utrzymywany przez barierę wzdłuż miejsca zespolenia danej komórki z przyległymi komórkami nabłonkowymi, czyli tak zwane połączenie zamykające (ryc. 11.32). W tym miejscu wyspecjalizowane białka łączące formują ciągły pas na obszarze kontaktu komórki z jej sąsiadami, tworząc ścisłe zespolenie między sąsiadującymi błonami komórkowymi (patrz ryc. 20.22). Białka błonowe nie są w stanie dyfundować przez połączenie zamykające.
Ryc. 11.31. Dyfuzja boczna białek w błonie komórkowej może być ograniczana na kilka sposobów. Białka mogą być mocowane (A) do kory komórki wewnątrz komórki, (B) do cząsteczek macierzy zewnątrzkomórkowej poza komórką lub (C) do białek na powierzchni innej komórki. (D) Bariery dyfuzyjne (pokazane jako czarne słupki) mogą ograniczać występowanie białka do określonej domeny błonowej
Ryc. 11.32. W błonie komórkowej komórki nabłonka jelita obecność białka jest ograniczona do określonej domeny tejże błony. Białko A (zielone) i białko B (czerwone) mogą dyfundować bocznie w obrębie domen błonowych, w których się znajdują, ale ich przejście do innej domeny uniemożliwiają wyspecjalizowane połączenia komórkowe nazywane połączeniami zamykającymi. błona podstawna (kolor żółty) to cienka warstwa macierzy zewnątrzkomórkowej, która stanowi podporę wszystkich komórek nabłonkowych (co omówiono w rozdz. 20)
Powierzchnia komórki pokryta jest węglowodanami
Dowiedzieliśmy się wcześniej, że niektóre lipidy w zewnętrznej warstwie błony komórkowej łączą się kowalencyjnie z cukrami. To samo dotyczy większości białek w błonie komórkowej. Do większości tych białek, nazywanych glikoproteinami, są przyłączone krótkie łańcuchy cukrowe, czyli oligosacharydy. Inne białka błonowe, proteoglikany, zawierają jeden lub więcej długich łańcuchów polisacharydowych. Wszystkie węglowodany wchodzące w skład glikoprotein, proteoglikanów i glikolipidów znajdują się tylko na jednej zewnętrznej (niecytozolowej) stronie błony komórkowej, gdzie tworzą płaszcz cukrowy nazywany warstwą węglowodanową lub glikokaliksem (ryc. 11.33).
Ryc. 11.33. Komórki eukariotyczne są opłaszczone cukrami. Ta bogata w węglowodany warstwa składa się z oligosacharydowych łańcuchów bocznych przyłączonych do glikolipidów błonowych i glikoprotein oraz łańcuchów polisacharydowych wchodzących w skład proteoglikanów błonowych. Jak pokazano, w tworzeniu glikokaliksu mogą również uczestniczyć glikoproteiny, które zostały wydzielone przez komórkę, a następnie zwrotnie przyłączone do jej powierzchni. Należy zauważyć, że cały węglowodan znajduje się na zewnętrznej (niecytozolowej) powierzchni błony komórkowej
Skąd to wiemy?Pomiar płynności błon
Istotną cechą dwuwarstwy lipidowej jest jej płynność, która jest kluczowa dla integralności i funkcji błon komórki. Ta właściwość pozwala wielu białkom osadzonym w błonie poruszać się w płaszczyźnie dwuwarstwy, dzięki czemu mogą one angażować się w różne oddziaływania białko-białko, od których to oddziaływań komórka jest zależna. Płynna natura błon w komórce jest tak ważna dla ich właściwej funkcji, że może wydawać się zaskakujące, iż ta właściwość została rozpoznana dopiero na początku lat 70. ubiegłego wieku.
Biorąc pod uwagę znaczenie tej cechy dla struktury i funkcji błony, zadajmy pytanie, jak mierzymy i badamy płynność błon komórki? Najbardziej powszechne są metody wizualne: po prostu znakuje się niektóre cząsteczki dwuwarstwy, a następnie obserwuje, jak się przemieszczają. Takie podejście po raz pierwszy wykazało ruch boczny białek błonowych, do których dołączono znakowane przeciwciała (patrz ryc. 11.30). Ten eksperyment wydawał się sugerować, że białka błonowe dyfundują swobodnie, bez ograniczeń, w otwartym morzu lipidów. Teraz wiemy, że taka interpretacja nie jest poprawna. Aby dokładniej zbadać dynamikę błony, naukowcy musieli wynaleźć bardziej precyzyjne metody śledzenia ruchu białek w błonach, takich jak na przykład błona komórkowa żywej komórki.
Laserowy atak FRAP
Jedna z takich technik, nazwana odzyskiwaniem fluorescencji wygaszonej pulsem światła, FRAP (ang. fluorescence recovery after photobleaching)[1] obejmuje jednolite znakowanie składników błony komórkowej - jej lipidów lub, częściej, białek - znacznikiem fluorescencyjnym. Znakowanie białek błonowych można osiągnąć przez inkubację komórek z przeciwciałem znakowanym fluorescencyjnie lub przez kowalencyjne przyłączenie do białka błonowego białka zdolnego do fluorescencji, takiego jak białko zielonej fluorescencji (GFP), przy wykorzystaniu techniki rekombinacji DNA omówionej w rozdziale 10.
Po wyznakowaniu białka mały fragment błony jest naświetlany intensywnym impulsem światła z ostro skupionej wiązki laserowej. Powoduje to nieodwracalne wygaszenie fluorescencji znakowanych białek w tym małym, o powierzchni około 1 ?m2, fragmencie błony. Fluorescencja tej naświetlonej błony jest monitorowana za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego: mierzy się czas potrzebny sąsiednim, nietraktowanym światłem lasera, białkom zdolnym do fluorescencji na przemieszczenie się do wygaszonego obszaru błony (ryc. 11.34). Szybkość tego "odzyskiwania fluorescencji" jest bezpośrednią miarą szybkości, z jaką cząsteczki białka mogą dyfundować w błonie. Takie eksperymenty wykazały, że ogólnie mówiąc, błony komórkowe są tak samo lepkie jak oliwa z oliwek.
Ryc. 11.34. Techniki oparte na wygaszaniu fluorescencji światłem lasera, takie jak FRAP, można stosować do pomiaru szybkości dyfuzji bocznej białka błonowego. Dane białko błonowe można wyznakować przeciwciałem znakowanym fluorescencyjnie (jak pokazano tutaj) lub można przeprowadzić jego ekspresję po uprzedniej rekombinacji z genem kodującym białko zdolne do fluorescencji, takie jak GFP, uzyskując białko fuzyjne zdolne do fluorescencji. W technice FRAP cząsteczki zdolne do fluorescencji są wygaszane na małym obszarze błony za pomocą wiązki laserowej. Po pewnym czasie następuje powrót fluorescencji w to miejsce na skutek przemieszczania się na drodze dyfuzji "wygaszonych" i "niewygaszonych" cząsteczek białek (pokazane tutaj z boku i z góry). Współczynnik dyfuzji jest następnie obliczany z wykresu szybkości odzyskiwania fluorescencji: im większy współczynnik dyfuzji białka błonowego, tym odzyskiwanie fluorescencji jest szybsze
Badanie poszczególnych białek
Wadą metody FRAP jest to, że monitoruje ona ruch dość dużych populacji białek - setek lub tysięcy - w obrębie stosunkowo dużego obszaru błony. Technika ta nie pozwala na śledzenie ruchu poszczególnych cząsteczek białek, co może utrudniać analizę wyników. Jeśli na przykład znakowane białka nie migrują do strefy błony z wygaszoną fluorescencją w trakcie badania metodą FRAP, czy oznacza to, że są one nieruchome, zasadniczo zakotwiczone w jednym miejscu w błonie? Albo, alternatywnie, czy ich ruch jest ograniczony do bardzo małego obszaru - wydzielonego przez białka cytoszkieletu - a zatem tylko wydają się nieruchome?
Aby obejść ten problem, naukowcy opracowali metody znakowania i obserwacji ruchu poszczególnych cząsteczek lub ich małych skupisk. Jedna z takich technik, nazywana mikroskopowym śledzeniem pojedynczych cząstek (SPT; ang. single-particle tracking microscopy), polega na znakowaniu cząsteczek białka przeciwciałami pokrytymi nanocząstkami złota. Nanocząstki złota wyglądają jak maleńkie czarne kropki, gdy są oglądane pod mikroskopem świetlnym, a ich ruch, a tym samym ruch pojedynczo oznakowanych cząsteczek białka, można śledzić za pomocą mikroskopu połączonego z kamerą wideo.
Z dotychczas przeprowadzonych badań wynika, że białka błonowe mogą wykazywać różnorodne wzorce ruchu: od losowej dyfuzji do całkowitego bezruchu (ryc. 11.35). Niektóre białka szybko przełączają się między tymi różnymi rodzajami ruchu.
Ryc. 11.35. Białka dyfundują w różnym zakresie. Badania techniką śledzenia pojedynczych cząstek ujawniają niektóre szlaki, którymi podążają pojedyncze białka na powierzchni żywej komórki. Poniżej przedstawiono niektóre trajektorie ruchu reprezentujące różne rodzaje białek w błonie komórkowej. (A) Droga przebyta przez białko, które może swobodnie losowo dyfundować w dwuwarstwie lipidowej. (B) Droga przebyta przez białko zatrzymane w obrębie małej domeny błonowej przez inne białka. (C) Droga przebyta przez białko "przycumowane" do cytoszkieletu, a zatem zasadniczo nieruchome. Ruch białek jest monitorowany przez okres kilku sekund
Uwolnione z komórek
W wielu przypadkach naukowcy chcą zbadać zachowanie określonego typu białka błonowego w sztucznej dwuwarstwie lipidowej, pod nieobecność innych białek, które mogłyby ograniczać jego ruch lub zmienić jego aktywność. Do takich badań białka błonowe można izolować z komórek, a następnie oczyścić i poddać rekonstytucji w sztucznych pęcherzykach fosfolipidowych (ryc. 11.36). Lipidy pozwalają oczyszczonemu białku na zachowanie jego właściwej struktury i funkcji, tak aby jego aktywność i zachowanie mogły być szczegółowo analizowane.
Ryc. 11.36. Łagodne detergenty można stosować do solubilizacji i rekonstytucji funkcjonalnych białek błonowych. Białka wbudowane w sztuczne dwuwarstwy lipidowe na ogół dyfundują swobodniej i szybciej niż w błonach komórkowych
Z takich badań wynika, że białka błonowe dyfundują swobodniej i szybciej w sztucznych dwuwarstwach lipidowych niż w błonach komórkowych. Fakt, że większość białek jest mniej mobilna w błonie komórkowej ma sens, ponieważ błony te są przepełnione wieloma typami białek i zawierają większą różnorodność lipidów niż sztuczna dwuwarstwa lipidowa. Ponadto wiele białek błonowych w komórce jest "przycumowanych" do białek w macierzy zewnątrzkomórkowej lub zakotwiczonych w korze komórki tuż pod błoną komórkową, albo związanych na oba te sposoby (jak pokazano na rycinie 11.31). Podsumowując, badania takie zrewolucjonizowały nasze rozumienie białek błonowych oraz architektury i organizacji błon w komórce.
Ta warstwa węglowodanów pomaga chronić powierzchnię komórki przed uszkodzeniami mechanicznymi. A ponieważ oligosacharydy i polisacharydy przyciągają cząsteczki wody, powierzchnia komórki staje się śliska. Pomaga to ruchliwym komórkom, takim jak leukocyty (krwinki białe), przeciskać się przez wąskie przestrzenie i zapobiega przywieraniu komórek krwi do siebie lub do ścian naczyń krwionośnych.
Jednak węglowodany na powierzchni komórki nie tylko chronią ją i zapewniają śliskość jej powierzchni. Odgrywają one również ważną rolę we wzajemnym rozpoznawaniu się komórek i ich przyleganiu (adhezji). Białka transbłonowe zwane lektynami są wyspecjalizowane w wiązaniu z łańcuchami bocznymi określonych oligosacharydów. Chociaż oligosacharydowe łańcuchy boczne glikoprotein i glikolipidów są krótkie (zawierają zazwyczaj mniej niż 15 jednostek cukrowych), to jednak wykazują ogromną różnorodność. W odróżnieniu od białek, w których wszystkie aminokwasy są połączone w łańcuch liniowo za pomocą identycznych wiązań peptydowych, cukry mogą być łączone w różny sposób, tworząc skomplikowane, rozgałęzione struktury oligosacharydowe (patrz panel 2.4, s. 82). Już trzy różne cukry mogą być łączone ze sobą w tak różnych kombinacjach wiązań kowalencyjnych, że utworzą setki różnych trisacharydów.
W organizmie wielokomórkowym glikokaliks na powierzchni komórek służy jako rodzaj wyróżniającego okrycia, podobnie jak jest nim mundur dla funkcjonariusza policji. Warstwa węglowodanowa jest charakterystyczna dla każdego typu komórki i rozpoznawana przez inne typy komórek, które z nią oddziałują. Na przykład określone oligosacharydy w warstwie węglowodanowej biorą udział w rozpoznawaniu komórki jajowej przez plemniki (co omówiono w rozdz. 19). Podobnie we wczesnych stadiach infekcji bakteryjnej węglowodany na powierzchni leukocytów nazwanych neutrofilami są rozpoznawane przez lektynę na komórkach wyściełających naczynia krwionośne w miejscu infekcji; to rozpoznanie powoduje, że neutrofile przylegają do ściany naczynia krwionośnego, a następnie migrują z krwiobiegu do zakażonej tkanki, gdzie pomagają w usuwaniu bakterii (ryc. 11.37).
Ryc. 11.37. Rozpoznanie węglowodanów na powierzchni komórek neutrofilów umożliwia tym komórkom immunologicznym rozpoczęcie migracji z krwi do zainfekowanych tkanek. Wyspecjalizowane białka transbłonowe (nazywane lektynami) są wytwarzane przez komórki śródbłonka wyściełającego naczynie krwionośne w odpowiedzi na sygnały chemiczne pochodzące z miejsca zakażenia. Białka te rozpoznają określone grupy cukrowe glikolipidów i glikoprotein na powierzchni neutrofili (rodzaj leukocytów, nazywanych również krwinkami białymi) krążących we krwi. Neutrofile w konsekwencji przylegają do komórek śródbłonka, które wyściełają ścianę naczyń krwionośnych. To połączenie nie jest zbyt silne, ale umożliwia tworzenie znacznie silniejszych oddziaływań białko-białko (nie pokazano), które pomaga prześlizgiwać się neutrofilowi między komórkami śródbłonka, dzięki czemu może on migrować z krwiobiegu do miejsca zakażenia w danej tkance
Streszczenie
- Błony umożliwiają komórkom tworzenie barier ograniczających występowanie poszczególnych cząsteczek do określonych przedziałów. Składają się one z ciągłej podwójnej warstwy - dwuwarstwy - cząsteczek lipidów, w której osadzone są białka.
- Dwuwarstwa lipidowa stanowi podstawę struktury wszystkich błon w komórce i umożliwia im pełnienie funkcji bariery.
- Cząsteczki lipidów błonowych są amfipatyczne, mają rejony zarówno hydrofobowe, jak i hydrofilowe. Po umieszczeniu w wodzie ta właściwość sprzyja ich spontanicznemu składaniu się w dwuwarstwy tworzące zamknięte przedziały, które w przypadku uszkodzenia spontanicznie się zasklepiają.
- Istnieją trzy główne klasy cząsteczek lipidów błonowych: fosfolipidy, steroidy i glikolipidy.
- Dwuwarstwa lipidowa jest płynna, a poszczególne cząsteczki lipidowe są zdolne do dyfuzji w obrębie własnej monowarstwy; nie przechodzą jednak spontanicznie z jednej monowarstwy do drugiej.
- Dwie monowarstwy błony komórkowej mają różne składy lipidowe, odzwierciedlające różne funkcje dwóch powierzchni błony.
- Komórki bakteryjne żyjące w różnych temperaturach zachowują płynność błony poprzez modyfikację składu lipidowego ich błon[2].
- Białka błonowe są odpowiedzialne za większość wyspecjalizowanych funkcji błon komórkowych, w tym za transport małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek przez dwuwarstwę lipidową.
- Białka transbłonowe przechodzą przez dwuwarstwę lipidową, zwykle jako jedna lub więcej helis ?, ale czasami jako wiele harmonijek ? tworzących łącznie strukturę beczułki.
- Inne białka błonowe nie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową, ale są przyłączone do jednej lub drugiej strony błony poprzez niekowalencyjne połączenie z innymi białkami błonowymi, przez kowalencyjne przyłączenie do lipidów lub przez połączenie odsłoniętej amfipatycznej helisy ? z pojedynczą monowarstwą lipidową.
- Większość błon komórkowych jest wzmocniona przymocowanym do niej rusztowaniem białek. Szczególnie ważnym przykładem jest sieć włóknistych białek, która pod powierzchnią błony komórkowej tworzy korę komórki.
- Chociaż wiele białek błonowych może szybko dyfundować w płaszczyźnie błony, komórki mają sposoby ograniczania obecności białek do określonych domen błonowych. Mogą również unieruchamiać poszczególne białka błonowe, przyłączając je do wewnątrzkomórkowych lub zewnątrzkomórkowych makrocząsteczek.
- Wiele białek i niektóre lipidy eksponowane na powierzchni komórek mają przyłączone łańcuchy cukrowe. Tworzą one warstwę węglowodanową, która pomaga chronić powierzchnię komórki i nadać jej śliskość, a jednocześnie bierze udział w specyficznym rozpoznawaniu komórek między sobą.
Pytania
HASŁA
amfipatyczny
bakteriorodopsyna
białko błonowe
błona komórkowa
cholesterol
detergent
domena błonowa
dwuwarstwa lipidowa
fosfatydylocholina
fosfolipid
glikokaliks
kora komórki
kropla tłuszczu
nasycone (wiązanie)
nienasycone (wiązanie)
DLACZEGO UFAMY NAUCE?
W 1925 roku naukowcy pracujący z lipidami wyekstrahowanymi z czerwonych krwinek doszli do wniosku, że błony komórkowe zbudowane są z dwuwarstwy lipidowej (s. 405). W tym samym roku inny badacz - który analizował czerwone krwinki w inny sposób - stwierdził, że ich błony muszą być jednowarstwowe. Jeszcze inny zespół badawczy popierał model trójwarstwowy, w którym nieuporządkowana warstwa oleistego cholesterolu była rozmazana między dwuwarstwą fosfolipidową - propozycja ta dominowała w podręcznikach do lat siedemdziesiątych. Kiedy naukowcy opracowują tak sprzeczne modele, oparte na starannie przeprowadzonych eksperymentach, jak mogą zdecydować, który z nich jest poprawny?
PYTANIE 11.7
Opisz różne metody stosowane przez komórki do ograniczenia występowania białek do określonych obszarów błony komórkowej. Czy błona z wieloma takimi białkami nadal może być płynna?
PYTANIE 11.8
Które z poniższych stwierdzeń są poprawne? Wyjaśnij swoje odpowiedzi.
A. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej obracają się szybko wokół swojej długiej osi.
B. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej szybko wymieniają się miejscami w obrębie jednej monowarstwy.
C. Lipidy w dwuwarstwie lipidowej nie przemieszczają się łatwo ruchem "flip-flop" z jednej monowarstwy lipidowej do drugiej.
D. Wiązania wodorowe, które tworzą się między grupami głów lipidów i cząsteczkami wody, są nieustannie zrywane i ponownie formowane.
E. Glikolipidy przemieszczają się podczas syntezy między różnymi błonami zamykającymi przedziały, ale zawsze pozostają po tej samej stronie dwuwarstwy lipidowej.
F. Margaryna zawiera więcej nasyconych lipidów niż olej roślinny, z którego jest wytwarzana.
G. Niektóre białka błonowe są enzymami.
H. Warstwa cukru otaczająca komórki sprawia, że komórki są bardziej śliskie.
PYTANIE 11.9
Co oznacza termin "płyn dwuwymiarowy"?
PYTANIE 11.10
Strukturę dwuwarstwy lipidowej określają szczególne właściwości jej cząsteczek lipidowych. Co by się stało, gdyby:
A. Fosfolipidy miały tylko jeden ogon węglowodorowy zamiast dwóch?
B. Ogony węglowodorowe były krótsze niż normalnie, na przykład zawierały około 10 atomów węgla?
C. Wszystkie ogony węglowodorowe były nasycone?
D. Wszystkie ogony węglowodorowe były nienasycone?
E. Dwuwarstwa zawierała mieszaninę dwóch rodzajów cząsteczek fosfolipidów; z dwoma nasyconymi ogonami węglowodorowymi i z dwoma nienasyconymi ogonami węglowodorowymi?
F. Każda cząsteczka fosfolipidu była kowalencyjnie połączona przez końcowy atom węgla jednego z jej ogonów węglowodorowych z ogonem fosfolipidu w drugiej monowarstwie?
PYTANIE 11.11
Jakie są różnice między cząsteczką fosfolipidu a cząsteczką detergentu? Jak musiałaby zmienić się struktura cząsteczki fosfolipidu, aby stała się detergentem?
PYTANIE 11.12
A. Cząsteczki lipidów błonowych wymieniają miejsca ze swoimi sąsiadami lipidowymi co 10-7 sekundy. Cząsteczka lipidu dyfunduje z jednego końca komórki bakteryjnej o obwodzie 2 ?m do drugiego w około 0,2 sekundy. Czy te dwie liczby są zgodne (załóżmy, że średnica grupy głowy lipidu wynosi około 0,5 nm)? Jeśli nie, czy możesz znaleźć przyczynę tej niezgodności?
B. Aby wyobrazić sobie dużą szybkość dyfuzji cząsteczek, załóżmy, że grupa głowy lipidu ma rozmiar piłeczki do ping-ponga (średnica 4 cm) i że podłoga w salonie (6 × 6 m) jest zakryta od ściany do ściany tymi kulkami. Gdyby dwie sąsiednie piłeczki wymieniały się miejscami raz na 10-7 sekundy, jaka byłaby ich prędkość w kilometrach na godzinę? Ile czasu zajęłoby piłeczce przesunięcie się z jednej strony pokoju na drugą?
PYTANIE 11.13
Dlaczego błona komórkowa erytrocytów potrzebuje białek transbłonowych?
PYTANIE 11.14
Wyobraź sobie białko transbłonowe, które tworzy hydrofilowy por w błonie komórkowej komórki eukariotycznej. Kiedy białko to jest aktywowane przez wiązanie specyficznego liganda po stronie zewnątrzkomórkowej, pozwala jonom Na+ wejść do komórki. Białko składa się z pięciu podobnych podjednostek transbłonowych, z których każda zawiera przechodzącą przez błonę helisę ? z hydrofilowymi łańcuchami bocznymi aminokwasów na jednej powierzchni helisy i hydrofobowymi łańcuchami bocznymi aminokwasów na przeciwległej powierzchni helisy. Biorąc pod uwagę funkcję białka jako kanału dla jonów Na+ wchodzących do komórki, zaproponuj możliwe rozmieszczenie pięciu błonowych helis ? w błonie.
PYTANIE 11.15
W błonie erytrocytu człowieka stosunek masy białek (średnia masa cząsteczkowa = 50 000) do masy fosfolipidów (masa cząsteczkowa = 800) i do cholesterolu (masa cząsteczkowa = 386) wynosi około 2 : 1 : 1. Ile cząsteczek lipidów przypada na każdą cząsteczkę białka?
PYTANIE 11.16
Narysuj schemat, który pokazuje dwie błony komórkowe łączące się ze sobą podczas fuzji komórek, jak pokazano na rycinie 11.30. Zaznacz białka błonowe w obu komórkach, które zostały wyznakowane z zewnątrz przez przyłączenie różnokolorowych cząsteczek znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał. Uwzględnij na rycinie los tych kolorowych znaczników, gdy komórki ulegną fuzji. Czy znaczniki fluorescencyjne pozostaną na zewnątrz komórki hybrydowej po fuzji komórek i nadal tam będą po wymieszaniu białek błonowych, które następuje podczas inkubacji w 37 °C? Jaki byłby wynik eksperymentu, gdyby inkubację przeprowadzono w 0 °C?
PYTANIE 11.17
Porównaj siły hydrofobowe, które utrzymują białko błonowe w dwuwarstwie lipidowej z siłami, które pomagają białkom zwinąć się w unikatową strukturę przestrzenną (co opisano w rozdz. 4, s. 131-132 i s. 138).
PYTANIE 11.18
Który z poniższych organizmów będzie miał największą procentową zawartość nienasyconych fosfolipidów w błonach? Wyjaśnij swoją odpowiedź.
A. Ryba antarktyczna
B. Wąż pustynny
C. Człowiek
D. Niedźwiedź polarny
E. Termofilna bakteria, która żyje w gorących źródłach w temperaturze 100 °C.
PYTANIE 11.19
Która z trzech 20-aminokwasowych sekwencji wymienionych poniżej i zapisanych w jednoliterowym kodzie aminokwasowym jest najbardziej prawdopodobnym kandydatem do utworzenia regionu transbłonowego (helisa ?) białka transbłonowego? Wyjaśnij swoją odpowiedź.
A. I T L I Y F G N M S S V T Q T I L L I S
B. L L L I F F G V M A L V I V V I L L I A
C. L L K K F F R D M A A V H E T I L E E S
PYTANIE 11.20
Rycina P11.20 przedstawia strukturę triacyloglicerolu. Czy cząsteczka ta może zostać włączona do dwuwarstwy lipidowej? Jeśli tak, która część cząsteczki byłaby skierowana do wnętrza dwuwarstwy i która byłaby skierowana do środowiska wodnego po obu stronach dwuwarstwy? Jeśli nie, to jaki rodzaj struktury tworzą te cząsteczki w środowisku wodnym wewnątrz komórki?
Ryc. P11.20
12Transport przez błony
ZASADY TRANSPORTU BŁONOWEGO
TRANSPORTERY I ICH FUNKCJE
KANAŁY JONOWE I POTENCJAŁ BŁONOWY
KANAŁY JONOWE I SYGNALIZACJA W KOMÓRKACH NERWOWYCH
Komórki żyją i rosną dzięki wymianie cząsteczek z otoczeniem. Muszą pobierać składniki odżywcze, takie jak cukry i aminokwasy, oraz usuwać zbędne produkty metabolizmu. Muszą także regulować stężenia jonów nieorganicznych w cytozolu i organellach. Niektóre cząsteczki rozpuszczone w wodzie, takie jak CO2 i O2, mogą przenikać przez dwuwarstwę lipidową błony komórkowej, ale ogromna ich większość tego nie potrafi. Tak więc ich przenoszenie przez błonę jest uzależnione od błonowych białek transportujących, które przechodząc przez całą szerokość dwuwarstwy, zapewniają swoisty transport wybranych substancji (ryc. 12.1).
Ryc. 12.1. Błony komórkowe zawierają wyspecjalizowane błonowe białka transportujące, które przenoszą małe jony lub cząsteczki rozpuszczone w wodzie. (A) Pozbawione białek sztuczne dwuwarstwy lipidowe, takie jak liposomy (patrz ryc. 11.13), są nieprzepuszczalne dla większości cząsteczek rozpuszczonych w wodzie. (B) Natomiast błony komórkowe zawierają błonowe białka transportujące (jasnozielony), a każde z nich przenosi określoną substancję w poprzek błony. Taki selektywny transport może zachodzić na drodze dyfuzji ułatwionej określonych jonów lub cząsteczek w poprzek błony (niebieskie koła), jak również aktywnego pompowania określonych substancji na zewnątrz (fioletowe trójkąty) lub do wnętrza (zielone paski) komórki. Dla pozostałych cząsteczek błona jest nieprzepuszczalna (czerwone kwadraty). Wspólne działanie różnych białek transportujących prowadzi do nagromadzenia się określonego zestawu cząsteczek w przedziale odizolowanym błoną, takim jak cytozol lub organelle
Ryc. 12.2. Szybkość, z jaką substancja rozpuszczona dyfunduje przez pozbawioną białek sztuczną dwuwarstwę lipidową, zależy od jej wielkości i rozpuszczalności. Wiele cząsteczek organicznych wykorzystywanych przez komórkę jako substancje odżywcze (czerwony), to cząsteczki zbyt duże i polarne, by mogły przejść przez sztuczną dwuwarstwę pozbawioną odpowiednich białek transportujących
W tym rozdziale omówimy sposoby kontroli ruchu jonów nieorganicznych i małych rozpuszczonych w wodzie cząsteczek do środka i na zewnątrz komórki oraz jej organelli otoczonych błonami. Komórki potrafią również selektywnie przenosić przez błony duże makrocząsteczki, takie jak białka, ale transport ten wymaga skomplikowanej maszynerii, którą omówiono w rozdziale 15.
Rozdział ten rozpoczniemy od zarysu niektórych podstawowych zasad dotyczących transportu jonów i małych cząsteczek przez błony komórkowe. Następnie opiszemy dwie główne klasy białek błonowych, które odpowiadają za ten transport: transportery i kanały. Transportery przenoszą małe cząsteczki organiczne lub jony nieorganiczne z jednej strony błony na drugą poprzez zmianę swojej konformacji. Kanały natomiast tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje rozpuszczone mogą przechodzić na zasadzie dyfuzji. Większość kanałów przepuszcza tylko jony i dlatego określa się je jako kanały jonowe. Ponieważ jony mają ładunek elektryczny, ich przemieszczanie może wytworzyć znaczną siłę elektryczną, czyli napięcie elektryczne w poprzek błony. W ostatniej części tego rozdziału omówimy sposób, w jaki siły te umożliwiają komórkom nerwowym wzajemną komunikację, i ostatecznie wpływają na to, jak myślimy i jak się zachowujemy.
ZASADY TRANSPORTU BŁONOWEGO
Jak omówiliśmy w rozdziale 11, hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy lipidowej tworzy barierę dla przepływu większości cząsteczek hydrofilowych, w tym wszystkich jonów. Cząsteczki te tak samo niechętnie wchodzą w środowisko tłuszczowe, jak cząsteczki hydrofobowe niechętnie oddziałują z wodą. Ale komórki i ich organelle muszą umożliwiać przepływ wielu hydrofilowych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, takich jak jony nieorganiczne, cukry, aminokwasy, nukleotydy i liczne metabolity komórkowe. Cząsteczki te zbyt wolno przenikają dwuwarstwy lipidowe na drodze dyfuzji prostej, więc ich przejście przez błony musi być przyspieszone przez wyspecjalizowane białka transportujące. Proces ten nazywany jest dyfuzją ułatwioną. W tej części omówimy podstawowe zasady takiego ułatwionego transportu przez błony i przedstawimy różne typy białek błonowych, które pośredniczą w takim transporcie. Wyjaśnimy również, dlaczego transport - w szczególności jonów nieorganicznych - ma tak fundamentalne znaczenie dla wszystkich komórek.
Dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów i większości substancji rozpuszczalnych w wodzie
Jeśli czas obserwacji będzie wystarczająco długi, okaże się, że praktycznie każda cząsteczka dyfunduje przez dwuwarstwę lipidową. Szybkość dyfuzji zmienia się jednak znacznie w zależności od wielkości cząsteczki i cech jej rozpuszczalności. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza oraz im bardziej hydrofobowa lub niepolarna jest cząsteczka, tym szybsza będzie jej dyfuzja przez dwuwarstwę lipidową.
Oczywiście wiele ważnych dla funkcjonowania komórki cząsteczek rozpuszcza się w wodzie i ma charakter polarny. Tego typu substancje rozpuszczone (w tym przypadku rozpuszczone w wodzie) nie są w stanie przejść przez dwuwarstwę lipidową bez pomocy błonowych białek transportujących. Względną łatwość, z jaką różne substancje rozpuszczone mogą przenikać dwuwarstwę lipidową bez udziału białek transportujących, pokazano na rycinie 12.2.
1. Małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen cząsteczkowy (O2, masa cząsteczkowa 32 daltony) i dwutlenek węgla (CO2, 44 daltony), łatwo rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują; przepuszczalność dla gazów jest dla komórki bardzo istotna, ponieważ umożliwia ona procesy oddechowe, omówione w rozdziale 14.
2. Nienaładowane cząsteczki polarne (cząsteczki o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku elektrycznym) również dyfundują poprzez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe. Na przykład woda (18 daltonów) i etanol (46 daltonów) przechodzą dość szybko, podczas gdy glicerol (92 daltony) dyfunduje wolniej.
3. Większe nienaładowane cząsteczki polarne, takie jak glukoza (180 daltonów), nie dyfundują prawie wcale.
4. Dwuwarstwy lipidowe są natomiast wysoce nieprzepuszczalne dla wszystkich substancji naładowanych, w tym jonów nieorganicznych, nawet jeśli są one bardzo małe. Ładunek cząsteczek i ich silne przyciąganie elektryczne do cząsteczek wody uniemożliwiają naładowanym cząsteczkom wejście do węglowodorowego rdzenia dwuwarstwy. Tak więc pozbawione białek dwuwarstwy lipidowe są miliard (109) razy bardziej przepuszczalne dla wody niż dla tak małych jonów jak Na+ lub K+.
Błonowe białka transportujące ułatwiają przemieszczanie się wybranych substancji przez błony komórkowe
Chociaż błony komórkowe pozwalają na przenikanie małych, niepolarnych cząsteczek w wyniku dyfuzji, komórki wymagają dostępu do wielu substancji - cukrów, aminokwasów, jonów i innych metabolitów - które przenikają przez dwuwarstwy lipidowe bardzo powoli. Aby przetransportować te substancje przez błonę, komórki posiadają niezliczoną ilość błonowych białek transportujących. Każde z tych białek stanowi unikatowy portal w błonie komórkowej, przeznaczony dla określonej, niskocząsteczkowej substancji rozpuszczalnej w wodzie. Większość tych białek jest selektywna, co oznacza, że pozwala na przepływ jedynie określonych substancji: niektóre z nich umożliwiają transport jonów Na+, ale nie K+, podczas gdy inne umożliwiają przepływ K+, ale blokują Na+, i tak dalej.
Jak omówiono w rozdziale 11, wszystkie zbadane do tej pory błonowe białka transportujące mają łańcuchy polipeptydowe, które wielokrotnie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową - są to więc białka o domenach transbłonowych. Gdy te odcinki transbłonowe skupiają się razem, tworzą wyścielony białkiem tunel, który pozwala wybranym małym, hydrofilowym cząsteczkom przejść przez błonę bez bezpośredniego kontaktu z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej (patrz ryc. 11.24).
Komórkowe błonowe białka transportujące dzielimy na dwie główne klasy: transportery i kanały. Zasadnicza różnica między transporterem a kanałem polega na sposobie, w jaki rozróżniają one substancje rozpuszczone, dzięki czemu transportują tylko niektóre z nich (ryc. 12.3). Kanały rozróżniają transportowane cząsteczki głównie na podstawie rozmiaru i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, mogą przez niego przechodzić tylko jony o odpowiednim rozmiarze i ładunku. Z drugiej strony, transporter przenosi tylko te cząsteczki lub jony, które pasują do określonych miejsc wiążących w białku. Transportery wiążą przenoszone substancje rozpuszczone z dużą swoistością, w taki sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat, i to właśnie ten wymóg specyficznego wiązania nadaje transporterom ich selektywność.
Ryc. 12.3. Jony nieorganiczne i małe polarne cząsteczki organiczne mogą przechodzić przez błonę komórkową z udziałem transporterów lub kanałów. (A) Kanał tworzy w poprzek dwuwarstwy lipidowej hydrofilowy por, przez który mogą dyfundować określone jony nieorganiczne lub, w niektórych przypadkach, polarne cząsteczki organiczne. Kanały jonowe mogą istnieć w stanie otwartym lub zamkniętym, ale transportują jony tylko wtedy, gdy znajdują się w pokazanym na rycinie stanie otwartym. Otwieranie i zamykanie kanałów jest zazwyczaj kontrolowane przez bodźce zewnętrzne lub przez warunki istniejące w komórce. (B) Transporter przechodzi szereg zmian konformacyjnych w celu przeniesienia małych substancji rozpuszczonych przez dwuwarstwę lipidową. Transportery są bardzo selektywne dla rozpuszczonych substancji, wiążą je i przenoszą znacznie wolniej niż kanały
Każdy rodzaj błony komórki ma swój własny charakterystyczny zestaw białek transportujących. Ten charakterystyczny zbiór określa dokładnie, które substancje mogą przekroczyć daną błonę, umożliwiając komórce lub organelli ustanowienie wewnętrznego środowiska, które różni się od otoczenia.
Stężenia jonów wewnątrz komórki różnią się bardzo od ich stężeń na zewnątrz
Ponieważ dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów nieorganicznych, żywe komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w ich otoczeniu. Różnice te są kluczowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. Najważniejszymi dla komórek jonami nieorganicznymi są Na+, K+, Ca2+, Cl-, i H+ (protony). Ich przechodzenie przez błony komórkowe stanowi istotną część wielu procesów komórkowych, ale chyba najbardziej uderzającym przykładem jest synteza ATP prowadzona przez wszystkie komórki (co omówimy w rozdz. 14) i działanie komórek nerwowych (o czym będziemy mówić później).
Na+ jest najobficiej występującym dodatnio naładowanym jonem (kationem) na zewnątrz komórki ssaków, podczas gdy K+ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu (tab. 12.1). Aby komórka nie została rozerwana przez siły elektryczne, liczba ładunków dodatnich wewnątrz komórki musi być równoważona przez prawie taką samą liczbę ładunków ujemnych, przy czym to samo dotyczy ładunków w otoczeniu komórki. Duże stężenie Na+ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl-, podczas gdy duże stężenie K+ wewnątrz komórki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych organicznych i nieorganicznych jonów (anionów), w tym kwasy nukleinowe, białka i liczne metabolity wewnątrzkomórkowe (patrz tab. 12.1).
TABELA 12.1. PORÓWNANIE STĘŻEŃ JONÓW NA ZEWNĄTRZ I WEWNĄTRZ TYPOWEJ KOMÓRKI SSAKA
Jon
Stężenie wewnątrzkomórkowe (mM)
Stężenie zewnątrzkomórkowe (mM)
Kationy
Na+
5-15
145
K+
140
5
Mg2+
0,5*
1-2
Ca2+
10-4*
1-2
H+
7 × 10-5 (10-7,2 M, czyli pH 7,2)
4 × 10-5 (10-7,4 M, czyli pH 7,4)
Aniony**
Cl-
5-15
110
* Podane stężenia Mg2+ i Ca2+ dotyczą wolnych jonów. W komórkach jest łącznie około 20 mM Mg2+ i 1-2 mM Ca2+, ale większość tych jonów jest związana z białkami i innymi cząsteczkami organicznymi, a w przypadku Ca2+ przechowywana jest w różnych organellach.
** Oprócz Cl- komórka zawiera wiele innych anionów niewymienionych w tej tabeli. W rzeczywistości większość składników komórki ma ładunek ujemny (HCO3-, PO43-, białka, kwasy nukleinowe, metabolity zawierające grupy fosforanowe i karboksylowe itp.).
Różnice w stężeniu jonów nieorganicznych w poprzek błony komórkowej tworzą potencjał błonowy
Chociaż ładunki elektryczne wewnątrz i na zewnątrz komórki są utrzymywane we względnej równowadze, może się pojawić mały nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych. Zagęszczenie tych ładunków jest największe w bezpośrednim sąsiedztwie błony komórkowej. Obecna w poprzek błony nierównowaga elektryczna tworzy różnicę potencjałów elektrycznych, którą określa się jako potencjał błonowy.
Gdy komórka nie jest pobudzona, przepływ kationów i anionów przez błonę komórkową jest precyzyjnie równoważony. W tak ustabilizowanych warunkach różnica potencjałów między obiema stronami błony komórkowej, zwana spoczynkowym potencjałem błonowym, w skrócie potencjałem spoczynkowym, utrzymuje się na stałym poziomie. Jednakże wartość potencjału spoczynkowego nie jest równa zeru. Na przykład w komórkach zwierzęcych jego wartość mieści się między -20 a -200 miliwoltów (mV), w zależności od organizmu i typu komórki. Wartość ta jest wyrażona jako liczba ujemna, ponieważ wnętrze komórki jest bardziej naładowane ujemnie niż jej otoczenie.
Potencjał błonowy dostarcza komórkom nerwowym - i innym komórkom, które są elektrycznie pobudliwe - skuteczny sposób komunikacji z ich sąsiadami. W dalszej części tego rozdziału omówimy, jak kanały i transportery ułatwiają tę niesamowitą wymianę informacji, co daje nam zdolność myślenia, odczuwania i działania. Jednocześnie potencjał błonowy pomaga również w napędzaniu ruchu wielu jonów i metabolitów, których komórki potrzebują do przetrwania.
Transport bierny i aktywny umożliwiają substancjom rozpuszczonym przejście przez błonę
Transportery i kanały pozwalają małym hydrofilowym cząsteczkom i jonom przenikać przez błonę komórkową. Ale co kontroluje kierunek przechodzenia tych substancji do środka lub na zewnątrz komórki (lub organelli)? W wielu przypadkach kierunek transportu zależy tylko od stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach błony. Jeśli tylko istnieje odpowiednia droga, substancje spontanicznie przechodzą "w dół", z przedziału o wysokim stężeniu do przedziału o niskim stężeniu. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły napędowej. Jeśli na przykład substancja rozpuszczona występuje w wyższym stężeniu poza komórką niż w jej wnętrzu i gdy w błonie komórkowej obecny jest odpowiedni kanał lub transporter, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki dzięki transportowi biernemu (nazywanemu też dyfuzją ułatwioną [przyp. tłum.]), bez wydatku energii ze strony białka transportującego. Dzieje się tak, ponieważ nawet jeśli substancja może przemieszczać się w obu kierunkach przez błonę, więcej substancji będzie przemieszczać się do wnętrza niż na zewnątrz, aż stężenia się wyrównają. "Środkami" transportu biernego są wszystkie kanały i wiele transporterów.
Aby jednak przenieść substancję rozpuszczoną wbrew gradientowi stężeń, białko transportujące musi wykonać pracę: musi napędzać przepływ substancji "pod górę" z przedziału o niższym stężeniu do przedziału o wyższym stężeniu. Aby było to możliwe, sprzęga ono transport z innym procesem, który dostarcza energii (jak omówiono w rozdziale 3). Ten sposób przemieszczania substancji rozpuszczonej przez błonę nazywany jest transportem aktywnym. Prowadzony jest on przez określony typ transporterów nazwany pompami, które mogą do procesu transportu zaprzęgnąć określone źródła energii, takie jak hydroliza ATP (ryc. 12.4).
Ryc. 12.4. Transport bierny lub aktywny umożliwia przejście substancji rozpuszczonych przez błonę. Niektóre małe niepolarne cząsteczki, takie jak CO2 (patrz ryc. 12.2), mogą się przemieszczać bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową bez udziału błonowego białka transportującego, dzięki dyfuzji prostej w kierunku zgodnym ze swoim gradientem stężeń. Jednak większość substancji rozpuszczonych wymaga udziału kanału, nośnika lub pompy. Transport bierny przebiega w kierunku zgodnym z gradientem stężeń i zachodzi spontanicznie, podczas gdy transport aktywny przebiega wbrew gradientowi stężeń i wymaga dodatkowego nakładu energii. Tylko transportery prowadzą transport aktywny. Transportery takie nazywane są pompami
