Podstawy biologii komórki t. 2

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

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 też, 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 cracking 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 (rys. 11.35). Niektóre białka szybko przełączają się między tymi różnymi rodzajami ruchu.


Rys. 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 (rys. 11.36). Lipidy pozwalają oczyszczonemu białku na zachowanie jego właściwej struktury i funkcji, tak aby jego aktywność i zachowanie mogły być szczegółowo analizowane.


Rys. 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 rys. 11.31). Podsumowując, badania takie zrewolucjonizowały nasze rozumienie białek błonowych oraz architektury i organizacji błon w komórce.

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 (rys. 11.37).


Rys. 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 prowadzi do innego, znacznie silniejszego oddziaływania 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 (film 11.9)

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 błon1.

 Białka błonowe są odpowiedzialne za większość 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 α, ale czasami jako wiele harmonijek β 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 α 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.

HASŁA

amfipatyczny

bakteriorodopsyna

białko błonowe

błona komórkowa

cholesterol

detergent

domena błonowa

dwuwarstwa lipidowa

fosfatydylocholina

fosfolipid

glikokaliks

kora komórki

kropla tłuszczu

nasycone (wiązanie)

nienasycone (wiązanie)

Pytania

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 μm 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 α 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 α 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 rysunku 11.30. Zaznacz białka błonowe w obu komórkach, które zostały wyznakowane z zewnątrz przez przyłączenie różnokolorowych cząsteczek znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał. Uwzględnij na rysunku 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).

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 α) 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

Rysunek 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?


Rys. P11–20


ROZDZIAŁ DWUNASTY 12

Transport 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 (rys. 12.1).


Rys. 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 rys. 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

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, a w konsekwencji – wpływają na to, 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 rysunku 12.2.


Rys. 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

 

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 szybko 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. Większe nienaładowane cząsteczki polarne, takie jak glukoza (180 daltonów), nie dyfundują prawie wcale.

3. 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+.