Podstawy biologii komórki t. 2

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Składanie błony rozpoczyna się w ER

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), 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 rysunku 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 (rys. 11.16).


Rys. 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

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 rys. 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 usuwają określone fosfolipidy ze strony dwuwarstwy skierowanej w stronę przeciwną niż cytozol i przerzucają je do monowarstwy zwróconej do cytozolu (rys. 11.17).


Rys. 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 pomaga później napędzać pączkowanie pęcherzyków błonowych

PYTANIE 11.3

Wydaje się paradoksalne, że dwuwarstwa lipidowa może być płynna, a mimo to asymetryczna. Wyjaśnij to.

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 (rys. 11.18). Jest to bardzo ważne, ponieważ orientacja białka w dwuwarstwie lipidowej jest kluczowa dla jego funkcji (patrz rys. 11.20).


Rys. 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


Rys. 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. 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

Wśród lipidów najbardziej nierównomierny rozkład w błonach komórki wykazują glikolipidy, które są zlokalizowane głównie w błonie komórkowej i tylko w niecytozolowej części dwuwarstwy (rys. 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.

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 rys. 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 (rys. 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.

 

Rys. 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 (rys. 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 α znajdującą się na powierzchni białka (rys. 11.21B).

 Niektóre białka leżą całkowicie poza dwuwarstwą, z jednej lub drugiej strony, ale są zakotwiczone w błonie przez jedną lub więcej kowalencyjnie przyłączonych grup lipidowych (rys. 11.21C).

 Jeszcze inne białka są związane pośrednio z błoną po jednej lub drugiej stronie w wyniku oddziaływań z innymi białkami błonowymi (rys. 11.21D).


Rys. 11.21. Białka błonowe mogą się łączyć z dwuwarstwą lipidową na różne sposoby. (A) Białka transbłonowe mogą przechodzić przez dwuwarstwę jako pojedyncza helisa α, jako wiele helis α lub jako harmonijka β w obrębie struktury nazywanej beczułką β. (B) Niektóre białka błonowe są zakotwiczone w cytozolowej części dwuwarstwy lipidowej za pomocą amfipatycznej helisy α. (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

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 α

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 rys. 11.20). Ta orientacja jest konsekwencją sposobu syntezy białek błonowych (omówionej w rozdz. 15). Części białka transbłonowego znajdujące się po obu stronach dwuwarstwy lipidowej są połączone wyspecjalizowanymi segmentami łańcucha polipeptydowego przechodzącego przez błonę (patrz rys.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 (rys. 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 α; dlatego znaczna większość segmentów łańcuchów polipeptydowych przechodzi przez dwuwarstwę jako helisy α (patrz rys. 4.12). W tych „spinających” obie powierzchnie błony helisach α 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 (rys. 11.23).


Rys. 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, δ+ lub δ). Ładunki te umożliwiają tym atomom tworzenie wiązań wodorowych między sobą, gdy polipeptyd składa się w helisę α, która przechodzi przez dwuwarstwę lipidową (patrz rys. 11.23)


Rys. 11.23. Transbłonowy łańcuch polipeptydowy zwykle przechodzi przez dwuwarstwę lipidową jako helisa α. W tym segmencie białka transbłonowego hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów tworzących helisę α (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 α zawierająca około 20 aminokwasów

W wielu białkach transbłonowych łańcuch polipeptydowy przechodzi przez błonę tylko raz (patrz rys. 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 α. Zamiast tego zazwyczaj składają się z szeregu helis α, z których każda przechodzi przez dwuwarstwę (patrz rys. 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 α, 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 α 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 (rys. 11.24). Sposób działania takich kanałów w selektywnym transporcie małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, zwłaszcza jonów nieorganicznych, omówimy w rozdziale 12.


Rys. 11.24. Wiele amfipatycznych helis α może utworzyć hydrofilowy por transbłonowy. W tym przykładzie pięć amfipatycznych transbłonowych helis α 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

PYTANIE 11.4

Wyjaśnij, dlaczego łańcuch polipeptydowy większości białek transbłonowych przechodzi przez dwuwarstwę lipidową jako helisa α lub beczułka β.


Rys. 11.25. Białka poryn tworzą wypełnione wodą kanały w zewnętrznej błonie bakterii. Przedstawione białko pochodzi z E. coli i składa się z 16 harmonijek β tworzących łącznie kanał wypełniony wodą. Jego strukturę przestrzenną określono metodą krystalografii rentgenowskiej. Chociaż nie pokazano tego na rysunku, trzy cząsteczki poryny łączą się, tworząc trimer z trzema oddzielnymi kanałami

Chociaż helisa α jest zdecydowanie najpowszechniejszą formą umożliwiającą łańcuchowi polipeptydowemu przejście przez dwuwarstwę lipidową, łańcuch polipeptydowy niektórych białek transbłonowych przechodzi przez błonę jako harmonijka β. Większa liczba harmonijek β tworzy baryłkowatą strukturę nazwaną beczułką β (patrz rys. 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 β są poryny, które tworzą duże, wypełnione wodą kanały w mitochondrialnych i bakteryjnych błonach zewnętrznych (rys. 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.