Građa Stanične Membrane I Transport Kroz Staničnu Membranu

Front 1

Opišite građu stanične membrane.

Back 1

Singer i Nicolson su predložili model tekućeg mozaika za opisivanje građe stanične membrane. Taj model opisuje biomembrane kao dvodimenzionalne otopine usmjerenog lipidnog dvosloja i globularnih proteina koji se nalaze između njih, u njima je sve u pokretnu, te membrana nije čvrsta. Lipidne molekule su složene kao kontinuirani dvosloj debeo 4-5 nm. Lipidni dvosloj daje membrani osnovnu strukturu i služi kao relativno nepropusna zapreka za protok većine molekula topljivih u vodi. Osim fospolipida, lipidni dvosloj čine i drugi lipi primjerice kolesterol i glikolipidi, svi ti lipidi su amfipatske molekule. Membranski proteini mogu biti integralni proteini, uronjeni u dvosloj, ili periferni proteini, vezani za površinu. Uronjeni u taj dvojsloj posreduju u mnogobrojnim funkcijama membrane. Primjerice: služe za transport specifičnih molekula u ili iz stanice; crpke, kanali; također su i enzimi koji kataliziraju reakcije vezane uz membranu, služe kao strukturne veze, povezuju citoskelet s izvanstaničnim matriksom i susjednim stanicama ili mogu biti receptori koji primaju i prenose kemijske signale iz staničnog okoliša u stanicu. Sve biološke membrane, uključujući staničnu membranu i unutarnje membrane, imaju zajedničku strukturu, a molekule u njima su međusobno povezane nekovalentnim vezama. Čest naziv je i plazma membrane. Omjer lipida i proteina varira ovisno o funkciji stanice, one gdje je potrebna čvrstoča imaju više lipida, dok je više proteina tamo gdje je potrebno više pumpa.

Front 2

Opišite građu fosfolipida te kako fosfolipidi grade dvosloj stanične membrane.

Back 2

Fosfolipidi nastaju iz glicerola (fosfogliceridi). Fosfogliceridi se sastoje od: glicerolske okosnice, dva lanca masnih kiselina, fosforiliranog alkohola i male polarne molekule (kolin, serin). Dva hidrofobna masnokiselinska lanca su vezana na hidrofilnu skupinu koja sadrži fosfat. Lanci masnih kiselina u fosfolipidima i glikolipidima sadrže obično paran broj ugljikovih atoma (14-24). Najčešće su masne kiseline sa 16 i 18 ugljikovih atoma, palmitinska (zasićena, 16 Catoma) i oleinska kiselina (1 nezasićenje, 18 C atoma). Još neke su miristinska (14 C atoma), stearinska (18 C atoma) i linoleinska (18 C atoma, dva nezasićenja). Membranski lipid koji nema glicerola je sfingomijelin. Okosnica te molekule je sfingozin (složeniji alkohol). Fosfolipidi brzo i spontano stvaraju dvosloje u vodenim otopinama procesom samosastavljanja zbog slabe topljivosti hidrofobnih repova. Zbog toga su oni skriveni u unutrašnjosti membrane, a glave su izložene dodiru s vodom. Takav dvosloj lipida nastoji formirati zatvoreni odjeljak tako da spriječi slobodnim krajevima, odnosno hidrofobnim repovima da dođu u dodir s vodom. Fosfolipidi i glikolipidi nakupljaju se u vodi da se smanji broj vodi izloženih ugljikovodičnih lanaca, a to uzrokuje tri biološki važne posljedice:

• lipidnim dvoslojima svojstvena je težnja da budu opsežni.

• teže vlastitom zatvaranju, tako da nemaju rubova s ugljikovodičnim lancima izloženim vodi, što dovodi dostvaranja odjeljaka.

• sami sebe “krpaju”, jer je rupa u dvosloju energetski nepovoljna.

Glavna pogonska sila za stvaranje lipidnih dvosloja su hidrofobne i hidrofilne interakcije: privlačne van der Walsovesile, elektrostatske interakcije i vodikovi mostovi (nema kovalentnih veza!)

Također, eksperimenti s umjetnim dvoslojem su pokazali da je pojedina molekula lipida sposobna slobodno difundirati unutar lipidnog dvosloja, dok lipidne molekule vrlo rijetko prelaze iz jednog sloja u drugi, procesom nazvanim "flip-flop". Načini kretanja fosfolipidnih molekula u lipidnom dvosloju: bočna difuzija, rotacija, svijanje, poprečna difuzija, “flip-flop”. (vrlo rijetko dva fosfolipida zamijene mjesta)

Front 3

Objasnite utjecaj duljine i zasićenosti lanca masne kiseline na stabilnost fosfolipidnog dvosloja.

Back 3

Duljina i stupanj zasićenosti masnih kiselina određuju fluidnost membrane:

kratkolančane MK – slabije interakcije pa su membrane manje krute i kod nižih temperatura, tj. povećana im je fluidnost i smanjena stabilnost

dugolančane MK – bolje interakcije jer ima više mjesta za interakciju što znači da im je smanjena fulidnost i povećana stabilnost.

Dvostruke veze u nezasićenim ugljikovodičnim lancima povećavaju fluidnost (tekuće stanje) dvosloja lipida, tako što otežavaju pakiranje lanaca. Zasićene masne kiseline pogoduju krutom stanju, jer njihovi ravni ugljikovodični lanci jedni s drugima stupaju u povoljne interakcije. cis-dvostruka veza svija ugljikovodični lanac; takvo “koljeno”ometa visoko uređeno zbijanje lanaca masnih kiselina. Prokarioti raguliraju fluidnost svojih membrana promjenom broja dvostrukih veza i duljine lanaca masnih kiselina.

Front 4

Koja je funkcija kolesterola u staničnoj membrani?

Back 4

Kolesterol se sastoji od 4 ugljikovodična prstena, ugljikovodični prstenovi izrazito hidrofobni, ali je hidroksilna skupina slabo hidrofilna, stoga je i kolesterol amfipatska molekula. Zbog krute prstenaste strukture kolesterol igra posebnu ulogu ustrukturi membrane/ membranskoj fluidnosti dajući joj čvrstoću. On se ugrađuje u dvosloj lipida: polarna OH skupina uz polarne glave fosfolipida i tako smanjuje pokretljivost lanca MK i učvršćuje tu membransku regiju. Uloga kolesterola u membrani: imobilizira prvih nekoliko ugljikovodičnih grupa molekula fosfolipida čime smanjuje deformiranost dvosloja i smanjuje njegovu propusnost za male u vodi topljive molekule. Kolesterol sprečava kristalizaciju ugljikovodika i faze pomaka u membrani. Učinak kolesterola na fluidnost stanične membrane ovisi o temperaturi:

-na visokim temperaturama ograničava pokretljivost te regije čineći vanjski dio membrane manje fluidnim i propusnim za male molekule

- na niskim temperaturama obrnuti efekt; onemogućava međudjelovanje MK, sprečava smrzavanje membrana i održava njihovu fluidnost

Bez kolesterola (kao kod bakterija) stanice bi trebale imati staničnu stjenku. Kod biljnih stanica tu ulogu preuzimaju fitosteroli npr. stigmasterol.

Front 5

Što je amfipatska molekula?

Back 5

Amfipatska molekula je ona koja ima hidrofilni (polarni) i hidrofobni (nepolarni) kraj. Molekule koje grade staničnu membranu su amfipatske: lipidi (fosfolipidi, kolesterol, glikolipidi), te membranski proteini : njihove hidrofobne regije koje djeluju s hidrofobnim repovima molekula lipida u unutrašnjosti dvosloja, i hidrofilne regije koje su izložene vodi s jedne ili češće s obje strane membrane.

Front 6

Navedite i opišite pet funkcija membranskih proteina.

Back 6

Membranski proteini su odgvorni za većinu dinamičkih procesa koje obavljaju membrane, tj za trasportu, komunikaciju, pretvorbu energije.

Transportni proteini Protein koji premošćuje membranu stvara hidrofilni kanal kroz membranu, taj kanal je selektivan za određene (male) molekule. Neki transportni proteini hidroliziraju ATP kao izvor energije da bi aktivno crpili molekule kroz membranu - crpke.

Enzimi Protein ugrađen u membranu može biti enzim sa svojim aktivnim mjestom izloženim molekulama u susjednoj otopini. U nekim slučajevima, nekoliko enzima poredani su u membrani kao tim koji izvršava niz koraka metaboličkog puta.

Proteini kao receptorska mjesta Dio membranskog proteina koji je izložen s vanjske strane stanice može imati vezno mjesto specifičnog oblika koje je komplementarno obliku kemijskog glasnika, kao što je hormon. Ako proteinski receptor premošćuje membranu, vanjski signal može izazvati konformacijsku promjenu koja aktivira dio proteina sa citoplazmatske strane membrane i započeti lanac reakcija kemijskih promjena u stanici. Međustanične veze Membranski proteini susjednih stanica mogu biti povezani na različite načine u staničnim vezama. I time povezivati dvije susjedne stanice.

Povezivanje sa citoskeletom Aktinska vlakna ili drugi dijelovi citoskeleta mogu se povezati s membranskim proteinima, što je važno za održavanje staničnog oblika i zadržavanja položaja nekih membranskih proteina

Front 7

Koje su funkcije ugljikohidrata u staničnoj membrani?

Back 7

U eukariotskim stanicama su ugljikohidrati kovalentnim vezama vezani na proteini ili lipide, zbog čega razlikujemo glikoproteine i glikolipide. Kao takvi se nalaze na vanjskoj strani stanične membrane gdje ju štite od mehaničkih i kemijskih oštećenja, te daju stanici gipkost tako što apsorbiraju vodu i olakšavaju prolaz između između drugih stanica, te imaju važnu ulogu u međustaničnom prepoznavanju i adheziji. Stanični omotač ili glikokaliks čine svi proteini, ugljikohidrati i lipidi koji se nalaze na vanjskoj strani stanične membrane.

Front 8

Što sve pridonosi fluidnosti stanične membrane?

Back 8

Ključno svojstvo membrana je fluidnost koja ovisi o temperaturi i lipidnom sastavu. Interakcije između kratkolančanih masnih kiselina slabije su od onih između dugolančanih MK, pa su membrane koje sadržavaju kraće MK manje krute, te ostaju fluidne i kod nižih temperatura. Lipidi koji sadržavaju nezasićene masne kisleine također povećavaju membransku fluidnost, jer prisustvo dvostrukih veza izaziva izlomljenost masnokiselinskih lanaca pa se oni teže zbližuju u membranskoj strukturi. Zbog svoje ugljikovodične prstenaste strukture molekula kolesterola ima zasebnu ulogu u održavanju membranske fluidnosti. Molekule kolesterola usađuju svoje poralne hidrofilne skupine u dvosloj iz hidrofilne skupine fosfolipida. Time kruti ugljikovodični prsteni kolesterola smanjuju pokretljivost udaljenijeg dijela masnokiselinskog lanca i ukrućuju pripadnu membransku regiju. S druge strane, usađeni kolesterol ometa interakcije među MK lancima pri niskim temperaturama čime održava fluidnost. Inače temperatura utječe na fluidnost tako da je porastom temp. veća fluidnosti i vice versa.

Front 9

Zašto je stanična membrana asimetrična, što doprinosi njenoj asimetričnosti?

Back 9

Stanična memebrana je asimetrična jer na vanjskoj strani ima ugljikohidrate, dok ih u unutrašnjosti nema. Sve eukariotske stanice imaju ugljikohidrate na svojim površinama, najčešće kao oligosaharidne postrane lance kovalentno vezane uz proteine na staničnoj površini (glikoproteini) i u manjoj mjeri vezane uz lipide (glikolipidi) vanjskog sloja.Glikolipidi i glikoproteini čine 2-10% membranske mase. Glikolipidi viših organizama nastaju od sfingozina, te jednog ili više ostataka šećera. Neke stanične membrane sadrže i integralne molekule proteoglikana s polisaharidnim lancima izloženim površini.

Front 10

Kako djeluje penicilin?

Back 10

Penicilin inibira enzim zadužen za vezanje lanaca peptidoglikana čime sprječava formiranje sloja peptidoglikana, tako interferira sa sintezom stanične stijenke i blokira rast bakterija (naročito u Gram pozitivnim vrstama).

Front 11

Da li se membrane eukariotskih stanica međusobno razlikuju u građi?

Back 11

Razlikuju se jer životinjske stanice nemaju stanični stijenku kao još jednu membranu, te imaju kolesterol u staničnoj membrani. S druge strane, biljne stanice umjesto kolesterola imaju fitosterol u njihovoj staničnoj membrani koja se naziva protoplast, a staničnu stijenku gradi celuloza (biljke i alge) ili hitin (gljive).

Front 12

Objasnite pasivnu difuziju.

Back 12

To je prolaz molekula kroz staničnu membranu niz koncentracijski gradijent, tj. iz područja veće koncentracije na područje manje koncentracije. Molekula se pritom otopi u lipidnom dvosloju, u ovom transportu ne sudjeluju proteini. Molekule koje prolaze pasivnom difuzijom kroz membranu su:

1. Male hidrofobne (nepolarne) molekule: O2, N2, C6H6, te vrijedi pravilo ako su dvije molekule jednako topljive u dvosloju, manja će proći brže

2. Male nenabijene polarne (hidrofilne) molekule: H2O, CO2, urea, glicerol

Front 13

Objasnite olakšanu difuziju.

Back 13

Olakšana difuzija –je prolazak molekula kroz staničnu membranu, niz koncentracijski gradijent, ali pomoću ili proteina nosača ili proteina kanala, jer se time prenose molekule koje se ne otapaju u lipidnom dvosloju (polarne i nabijene molekule ili velike molekule: AK, nukleotidi, ioni); Primjer: nosač glukoze – uvijek niz konc. gradijent – jednom kada stanica uzme glukozu ona se brzo metabolizira pa vrlo brzo imamo opet u stanici nižu konc glukoze (nosač može transportirati i u suprotnom smjeru, tj. i u i iz stanice)

Front 14

Objasnite razlike između slobodne difuzije, olakšane difuzije i aktivnog transporta.

Back 14

Slobodna difuzija se vrši bez posredovanja proteina niz koncentracijski gradijent. Njom se prenose male nenabijene ili nepolarne molekule. Olakšana difuzija se također vrši niz koncentracijski gradijent ali uz pomoć proteina nosača ili proteinskog kanala, njome se prenose velike ili nabijene molekule. Aktivni transport se vrši isključivo pomoću proteina nosača, jer proteini kanali nemaju mjesto za vezanje ATP, a za aktivni transport je potrebna energija jer ide suprotno od koncentracijskog gradijenta.

Front 15

Koje vrste transportnih proteina razlikujemo?

Back 15

Dvije glavne skupine membranskih proteina posreduju u prijenosu molekula:

Proteini nosači vežu specifičnu molekulu koju trebaju prenijeti kroz membranu i pritom podliježu nizu konformacijskih promjena. Potreban je ATP.

Proteini kanali formiraju hidrofilne pore koje se protežu kroz lipidni dvosloj; kada su te pore otvorene, one dozvoljavaju posebnim molekulama (obično anorganskim ionima odgovarajuće veličine i naboja) prolaz kroz njih, a time i prolaz kroz membranu. Prijenos kroz proteine kanale odvija se mnogo većom brzinom nego prijenos posredovan proteinima nosačima.

Front 16

Što znači transport niz koncentracijski gradijent za neku molekulu?

Back 16

To znači da molekula ide s područja (otopine) u kojoj je veća koncentracija u područje (otopinu) s manjom koncentracijom te molekule. Koncentracija je veća tamo gdje je te molekule otopljeno više, a proces se odvija sve dok se ne uspostave jednake koncentracije s obje strane barijere.

Front 17

Što se događa sa životinjskom stanicom u hiperosmotskoj tekućini, a što u hipoosmotskoj uz pretpostavku da je živa?

Back 17

Kada se stanice prebace u hiperosmotsku otopinu (voda izlazi iz stanice, više nego što ulazi), one će se skupiti i vjerojatno umrijeti. To je i jedan od razloga zašto životinje ugibaju ako jezero postane preslano. Međitim, i uzimanje previše vode može biti opasno po životinju. Ako stanicu stavimo u otopinu koja je za nju hipoosmotska, voda će u stanicu ulaziti brže nego što ju napušta, a stanica će nabubriti i puknuti (lizirati), kao jedan prenapunjeni vodeni balon.

Front 18

Kapljica 5% otopine NaCl stavi se na list vodene biljke Elodeae. Kada se list promatra pod mikroskopom, na rubovima svake stanice pojavljuju se bezbojna područja kako se stanične membrane skupljaju (odvajaju) od staničnih stijenki. Što se događa u tim stanicama?

Back 18

Stanica je plazmolizirala, to je posljedica toga što biljna stanica kada je uronjena u hiperosmotsko okruženje gubi vodu i skuplja se, te se stanična membrana odvoji od stanične stijenke, i vakuole postaju konkavne.

Front 19

Što su ionski kanali, kako mogu biti kontrolirani?

Back 19

Proteini koji se specifično bave transportom anorganskih iona zovu se ionski kanali. Oni koriste olakšanu difuziju. Kanali ne mogu vezati izvor energije potreban za izvođenje aktivnog transporta, tako da je transport koji oni vrše uvijek pasivan ("niz gradijent"). Uloga ionskih kanala je da omoguće specifičnim anorganskim ionima, uglavnom Na+, K+, Ca2+, ili Cl- da brzo difundiraju niz svoje elektrokemijske gradijente kroz lipidni dvosloj. Ionski kanali su visoko selektivni transport samo jedne vrste iona kroz pojedini kanal. Protok iona kroz ionske kanale ovisi o ionskom gradijentu = ionski sastav citoplazme različit od ionskog sastava izvanstanične tekućine.

Osnovne karakteristike ionskih kanala:

Kanali nisu uvjek otvoreni. Naprotiv, oni su djelić sekunde otvoreni (provodljivi), a ostalo su vrijeme zatvoreni (neprovodljivi). Kada je kanal otvoren može propuštati više od 106 iona/sek. Provodljivost kanala varira. U konačnoj analizi sveukupna sposobnost kanala za prijenos iona proporcionalna je produktu provodljivosti u vremenu u kojem su kanali otvoreni. Kanali mogu biti otvoreni i zatvoreni pomoću zapreka, koje kontroliraju prolaz iona. Otvaranje kanala regulirano je “vratnicama”:

-regulirani ligandom (neurotransmitorom ili nekom drugom signalnom molekulom)

-regulirani naponom (otvaraju se na promjenu električnog potencijala)

Front 20

Što je to membranski potencijal i kako nastaje?

Back 20

Membranski potencijal je transmembranski napon stanice u mirovanju. To je razlika naboja s unutrašnje i vanjske strane membrane, do te razlike u nabojima dolazi zbog transporta iona kroz membranu čime se stvara ionski, tj. električni gradijent. Izvan stanice oko membrane je više pozitivnog, dok je unutar stanice uz membranu više negativnog naboja. Membrana je polarizirana na način da je vanjska strana većeg potencijala od unutrašnje strane membrane.

Front 21

Što su elektrogene crpke? Navedi primjere za biljnu i za životinjsku stanicu.

Back 21

Transportni protein koji stvara membranski potencijal kroz membranu, zove se elektrogena crpka. U biljnoj stanici je to protonska crpka koja veže ATP i aktivno prenosi vodikove atome tj protone iz stanice u njen okoliš i time prenosi pozitivan naboj iz citoplazme u izvanstaničnu tekućinu. Protonska je crpka važna kod kloroplasta i mitohondrija. Pomoću ionskog gradijenta (konkretno gradijenta vodikovih iona) biljna stanica aktivno transportira aminokiseline, šećere i druge velike molekule u stanicu. Ovdje specifični protein veže povratak H+ iona niz svoj koncentracijski gradijent, a molekula saharoze ulazi u stanicu suptorno svom konc. gradijentu tako što koristi zajednički transportni protein kao aveniju za difuziju. Tako se saharoza proizvedena u procesu fotosinteze sprema u specijalizirane stanice u žilama listova, dok se šećer pohranjuje u korijen biljke i ostale nefotosintetske organe. U životinjskoj stanici je glavna elektrogena crpka natrij-kalij crpka koja uvodi u stanicu 2 iona kalija, dok izvodi iz nje tri iona natrija. Jedan pozitivan naboj više se nalazi u izvanstaničnoj tekućini, a proces pohranjuje energiju u obliku napona (električna potencijalna energija).

Front 22

Koja je važnost Na+ /K+ crpke za životinjsku stanicu?

Back 22

Ona je potrebna za održavanje osmotske ravnoteže, stabilizaciju staničnog volumenta, održavanje živčanih i mišićnih membranskih stanica električki podražljivima (održavanje membranskog potencijala), te proizvodnju energije za sekundarni aktivni transport šećera i aminokiselina.

Front 23

Da li se aktivni transport može odvijati bez ATP?

Back 23

Može i onda se radi o sekundarnom aktivnom transportu, gdje se energija dobiva sekundarno iz ionskih koncentracijskih gradijenta, primjerice natrij-kalij crpka. Dakle, ne koristi se izravno ATP već se energija oslobađa protokom iona niz elektrokemijski gradijent, najčešće iona s mjesta veće na mjesto manje koncentracije. Oslobođena energija omogućava da se na protein nosač veže i druga stvar koja ide uz svoj koncentracijski gradijent. Tako razlikujemo kontrasport tj transport u paru koji može biti simport ili antiport. Primjerice, aktivni transport (simport) glukoze pomoću nosača glukoze --> protok Na+ iona daje energiju aktivnom transportu šećera i aminokiselina u životinjskim stanicama. Aktivan prijenos može biti vođen ionskim gradijentima. Izravni pogon mnogim transportnim procesima daje i protok iona niz elektrokemijski gradijent, kada se oslobađa energija. Glukoza se crpi u mnoge životinjske stanice usporednim ulaskom Na+ iona. Ion natrija i glukoza vežu se na specifični prijenosni protein i zajedno ulaze. Ioni natrija koji u stanicu ulaze zajedno s molekulama glukoze procesom simporta, iz stanice se izbacuju pomoću Na+ - K + crpke. Molekula koja se crpi kroz membranu može, kad curi natrag difuzijom, oslobađati svoju potencijalnu energiju, i pri tom izvoditi neki rad, analogno vodi koja se pumpa gore, a izvodi rad kada teče natrag prema dolje.