STANIČNE MEMBRANE
1
Stanična membrana
Stanična membrana jedna je
od temeljnih struktura u
staničnoj evoluciji.
Sve stanice i prokariotske i
eukaritske okružene su
staničnom membranom koja
određuje stanične granice i
odjeljuje njihov sadržaj od
okoliša.
2
Služeći kao selektivna barijera za prolazak molekula, ona
određuje sastav citoplazme.
Postoji nekoliko modela građe stanične membrane, među
kojima su dva najpoznatija;
◦ Davison i Danielli – troslojni model (dva sloja proteina
između kojih je sloj fosfolipida)
◦ Singer-Nicolson – mozaični model (polazi sa stajališta da
je fosfolipidni sloj tekući, a da u njemu plivaju proteinske
forme stvarajući mozaik)
3
Stanična membrana
Pod običnim mikroskopom stanična membrana izgleda kao
gušći površinski sloj osnovne plazme.
Elektronskim mikroskopom se stanična membrana vidi kao
oštro omeđena tvorba, koja se sastoji od dvije tamne pruge
koje između sebe zatvaraju svijetlju prugu – trilaminarna
struktura.
Membrane kojim su omeđene stanične organele i one koje
čine ovojnicu jezgre, po svojoj su ultrastrukturi gotovo
identične staničnoj membrani.
4
Stanična membrana
Posebno koristan model za izučavanje membranske strukture
je membrana crvenih krvnih stanica sisara. Crvene krvne
stanice sisara nemaju jezgre ni bilo koju drugu unutar
staničnu membranu pa su zato, izvrsne za izolaciju čistih
staničnih membrana za biohemijske analize.
Dvoslojna struktura
stanične membrane.
Elektronskomikroskopska
slika crvene krvne stanice
čovjeka.
Vezanje teških metala se koriste kao boja u transmisijskoj
elektronskoj mikroskopiji, za skupine polarnih glava
fosfolipida
5
Stanična membrana
Unutarnji sastav stanice održava se zahvaljujući selektivnoj
permeabilnosti stanične membrane za male molekule.
Većina bioloških molekula ne može difundirati kroz fosfolipidni
dvosloj, pa tako membrana stvara prepreku koja blokira
slobodnu razmjenu molekula između citoplazme i
izvanstaničnog prostora.
Membrna ima dvostruku ulogu:
◦ izolira citoplazmu i
◦ posreduje u interakcijama između stanice i njenog okoliša.
6
Stanična membrana
Stanična membrana Stanična membrana današnjih stanica sastoji se od lipida i
proteina.
◦ Osnova strukture je fosfolipidni dvosloj koji je
nepropustan za većinu u vodi topivih molekula.
◦ Ioni i većina bioloških molekula mogu prolaziti kroz
membrane samo zahvaljujući proteinima koji su odgovorni
za selektivni transport molekula u stanicu i iz stanice.
7
Stanična membrana
Ostali proteini stanične membrane nadziru međustanične
interakcije u višestaničnim organizmima ili služe kao senzori
pomoću kojih stanica prima signale iz svoje okoline.
Membranski proteini obavljaju mnoge specijalizirane zadaće;
◦ neki služe kao receptori koji omogućuju stanici da odgovara na
vanjske signale,
◦ neki su odgovorni za selektivni transport molekula kroz
membranu,
◦ neki sudjeluju u transportu elektrona i oksidativnoj fosforilaciji,
◦ neki nadziru interakcije između stanica u višestaničnim
organizmima.
8
Struktura i funkcija stanica ovisi o membranama koje ne
odvajaju samo unutrašnjost stanice od njezine okoline, nego
također određuje interne odjeljke eukariotskih stanica
uključujući i jezgru.
Oblikovanje bioloških membrana temelji se na osobinama
lipida.
Sve stanične membrane imaju zajedničku strukturnu
organizaciju:
◦ dvosloj fosfolipida i
◦ pridružene proteine.
9
Stanična membrana
Stanična membrana je kompleksni sustav lipida, proteina i
ugljikohidrata
10
Stanična membrana
ULOGA MEMBRANA
1. Kompartimentizacija”ili
odjeljivanje
2. Selektivno-propusna pregrada
3. Transport otopljenih tvari
4. Provođenje signala
5. Interakcija među stanicama
6. Mjesto biohemijskih
aktivnosti
7. Pretvorba energije
11
Stanična membrana
Membranski lipidi Osnovne gradivne jedinice svih membrana su fosfolipidi koji su
amfipatične molekule
◦ Sastavljene su od dva hidrofobna masnokiselinska lanca vezana za
hidrofilnu čeonu grupu koja sadrži fosfat.
◦ 14C-20C – palmitinska, oleinska, miristinska
12
Membranski lipidi
Spontano zatvaranje
lipidnog dvosloja u
membr. mjehuriće
13
Raspored lipidnih molekula u
vodenoj sredini. Spontano se slažu u
obliku micela ili lipidnog dvosloja.
Hidrofobni masnokiselinski repovi skriveni su u unutrašnjost
membrane, dok su polarni dijelovi izloženi dodiru vode.
• Ovakvi fosfolipidni dvosloji stvaraju stabilnu pregradu između dva vodena
odjeljka, i oni su osnovna struktura svih membrana.
• Lipidi čine oko 50% mase staničnih membrana, ali % varira ovisno od tipa
membrane. 14
Membranski lipidi
Važna osobina lipidnog dvosloja jeste da djeluje kao
dvodimenzionalna tekućina u kojoj se pojedinačne molekule
(lipidi i proteini) slobodno okreću i lateralno kreću
Fluidnost membrana ovisi o temperaturi i lipidnom sastavu.
◦ Interakcije između kratkočlanih masnih kiselina slabije su
od interakcija dugočlanih, pa su membrane sa kraćim
masnim kiselinama manje krute, ostaju fluidne i kod nižih
temperatura.
15
Membranski lipidi
Za funkciju membrane bitne su dvije opće osobine
fosfolipidnog dvosloja.
1. strukture fosfolipida su odgovorne za osnovnu funkciju membrana
kao barijere između vodenih odjeljaka. Kako je unutrašnjost
fosfolipidnog dvosloja zauzeta hidrofobnim lancima masnih kiselina
tako su membrane nepropusne za molekule topljive u vodi,
uključujući ione i većinu drugih bioloških molekula.
2. dvosloji fosfolipida koji se pojavljuju u prirodi su viskozne tekućine,
a ne čvrste tvari. Većina masnih kiselina fosfolipida u prirodi ima
jednu ili dvije dvostruke veze koje unose pregibe u lanac
ugljikovodika i otežavaju im gusto pakiranje.
16
Membranski lipidi
Lipidi koji sadrže nezasićene
masne kiseline povećavaju
fluidnost, jer dvostruke veze
izazivaju izlomljenost lanca masnih
kiselina, pa se oni teže zbližavaju u
membranskoj strukturi.
17
Membranski lipidi
stanične membrane životinjskih stanica građene su iz četiri osnovna
fosfolipida
fosfatidilkolina,
fosfatidiletanolamina,
fosfatidilserina
sfingomijelina
koji zajedno čine više od polovine svih lipida većine membrana.
18
Membranski lipidi
Vanjski sloj stanične membrane se sastoji uglavnom od fosfatidilkolina i
sfingomijelina, dok su fosfatidiletanolamin i fosfatidilserin fosfolipidi
unutarnjeg sloja.
Peti fosfolipid, fosfatidilinozitol, također je smješten u unutarnjoj
polovini stanične membrane (kvantitativno minorna komponenta
membrane, on igra važnu ulogu u staničnoj signalizaciji).
19
Membranski lipidi
Zbog svoje ugljikovodične prstenaste
strukture molekula kolesterola ima
posebnu ulogu u određivanju
membranske fluidnosti.
Molekule kolesterola usađuju svoje
polarne hidroksilne skupine u dvosloj uz
hidrofilne čeone skupine fosfolipida.
Ima različite efekte na membransku
fluidnost pri različitim temperaturama
20
Membranski lipidi
◦ Na visokim temperaturama ograničava pokretanje lanaca
masnih kiselina fosfolipida, čineći vanjski dio membrane
manje fluidnim i smanjujući propusnost za male molekule.
Na niskim temperaturama, onemogućujući međudjelovanje
lanaca masnih kiselina, kolesterol sprječava smrzavanje
membrana i održava njihovu fluidnost.
◦ Kolesterol se nalazi u životinjskim stanicama, a kod biljnih
stanica ovu funkciju izvršavaju steroli koji su srodni spojevi
21
Membranski lipidi
Membranski proteini
22
Membranski proteini
Membranski proteini se svrstavaju u dvije grupe
◦ Integralni membranski proteini (uklopljeni u lipidni sloj)
◦ Periferni membranski proteini (povezani sa membranom
posredno, najčešće interakcijama s integralnim
membranskim proteinima)
• Većina se staničnih membrana sastoji od 50% lipida i 50%
proteina u težinskim udjelima, dok ugljikohidratni dijelovi
glikolipida i glikoproteina čine 5 do 10% ukupne mase
membrane.
23
Integralni membranski proteini premošćuju lipidni dvosloj i
dijelom su izloženi okruženju na obe strane.
Takav proteinski dio koji premošćuje membranu izgrađen
je od 20-25 aminokiselina.
Hidrofobni bočni ogranci aminokiselina su u interakciji s
masnokiselim lancima membranskih lipida.
Slično fosfolipidima membranski proteini su amfipatične
molekule, pa su njihovi hidrofilni dijelovi izloženi vodenom
okruženju.
Proteini mogu biti usidreni u membranu pomoću lipida
koji su kovalentno vezani na polipeptidni lanac.
24
Membranski proteini
Membranski proteini
1, 2, 3 –transmembranski proteini (amfipatski)
4, 5, 6 –usidreni proteini (izloženi samo s jedne strane)
7 i 8 –periferni proteini (vezani slabim nekovalentnim vezama)
25
Membranski proteini
Porini –membrane mitohondrija ili
bakterija
26
Glikoforin - membrana eritrocita;
bogati ugljikohidratima; ne vežu se za
krvne žile
Membranski proteini
27
Pasivni ili aktivni prijenos molekula: hidrofilni kanali
koji propuštaju određene molekule, neki hidroliziraju
ATP kao izvor enrzgije za aktivni prijenos tvari
Npr. glukoze ili steroidnih hormona.
Kataliziranje reakcija: aktivna strana enzima u kontaktu
s tvarima otopine koja okružuje membranu, nekoliko
enzima u skupini može biti odgovorno za odvijanje
jednog koraka u metaboličkom putu
Npr. enzimi za dobivanje energije u mitohondriju
Prijenos signala: proteini na vanjskoj strani plazmatske
membrane djeluju kao receptori za npr. hormone,
antitijela, viruse i sl., signali iz okoliša stanice mogu
potaknuti promjene u konformaciji proteina na
unutarnjoj strani membrane što može dovesti do
lančane reakcije hemijskih promjena u stanici.
Membranski proteini
28
Prepoznavanje stanica: neki glikoproteini služe kao
identifikacijski dodatak koji specifično prepoznaju drugu
stanicu
Npr. u imunološkom sustavu
Povezivanje stanica: membranski proteini susjednih
stanica mogu biti povezani različitim vrstama
međustaničnih veza
Npr. u tkivima
Učvršćivanje citoskeleta na izvanstanični matrix:
mikrofilamenti ili elementi citoskeleta mogu biti vezani
za membranske proteine što omogućuje održavanje
oblika stanice i kotvljenje membranskih proteina. Oni
mogu koordinirati izvanstanične i unutarstanične
promjene
Npr. u tkivima
Membranski proteini
29
Omjer proteina i lipida ovisi o tipu i funkciji membrane
Mitohondrijske unutarnje membrane imaju oko 75% proteina
(proteini oksidativne fosforilacije)
Membrane Schwannovih stanica imaju 18% proteina(fosfolipidi su
dobri izolatori)
Membranski ugljikohidrati
30
šećeri koji su vezani za proteine ili lipide u membranama
samo u necitoplazmatskom(vanjskom) sloju lipidnog dvosloja
glikokaliks–ugljikohidratni pokrov od oligosaharida lipida i proteina
(npr. u probavnim stanicama)
Membranski ugljikohidrati
31
ULOGA
Sortiranje stanica u tkiva i organe
Odbijanje stranih stanica i prepoznavanje vlastitih
Antigeni krvnih grupa
32
Stanična membrana
Transport kroz membranu;
◦ omogućava da stanica uzima i otpušta spojeve u skladu sa
biološkom funkcijom (npr. uzima i oslobađa kisik preko
crvenih krvnih zrnaca)
◦ omogućava stanici da reguliše karakteristike ovog
transporta (npr. poveća transport glukoze u stanice mišića
tokom aktivnosti)
Opća karakteristika koja sprečava prolazak kroz membranu
je veličina i polarnost
◦ Velike molekule neće moći proći zbog svoje veličine, a
polarne zbog velikog afiniteta ka ekstracelularnoj tečnosti
u kojoj su rastvoreni, jer neće moći lako proći kroz
nepolarnu membranu
33
Transport kroz stanične membrane
Transport kroz stanične membrane
Selektivna permeabilnost bioloških membrana za male molekule
omogućuje stanici da nadzire svoj unutrašnji sadržaj.
Što je molekula manja i bolje topiva u mastima brže prolazi kroz
lipidni dvosloj.
34
Membrane su selektivno propusne za različite molekule
Neprestani prijenos tvari:
šećeri, aminokiseline i druge hranjive tvari ulaze u stanicu;
dok otpadne tvari (metabolički produkti) izlaze iz stanice
kisik potreban za stanično disanje ulazi u stanicu, ugljikov
dioksid izlazi iz stanice
kontrola koncentracije anorganskih iona, Na+, K+, Ca2+, Cl-
35
Transport kroz stanične membrane
I ove ostale molekule ipak prolaze kroz membranu djelovanjem
specifičnih transmembranskih proteina, koji djeluju kao nosači.
◦ Transportni proteini imaju ključnu ulogu u membranskoj
funkciji; imaju strukturne regije za višekratno membransko
premošćavanje kojim oblikuju prolaz kroz membranu
dopuštajući da polarne i nabijene molekule prođu kroz
membranu, bez doticaja s hidrofobnim masnokiselim lancima
membranskih fosfolipida.
36
Transport kroz stanične membrane
37
Transport kroz stanične membrane
Kod olakšane difuzije u prenosu kroz membranu posreduju
proteini nosači i kanalni proteini.
Proteini nosači – na jednoj strani vežu specifičnu molekulu,
zatim doživljavaju konformacijsku promjenu koja molekuli
omogućava prelazak preko membrane i otpuštanje na drugoj
strani.
Kanalni proteini - oblikuju otvorene pore kroz membranu,
dopuštajući prolazak svim molekulama odgovarajuće veličine i
naboja.
38
Transport kroz stanične membrane
Kanalni proteini oblikuju u membranama otvorene pore
dopuštajući nesmetani prolazak svakoj molekuli odgovarajuće
veličine.
Jonski kanali dopuštaju prolaz anorganskim
jonima Na+, K+, Ca 2+, Cl-.
Pore nisu neprekidno otvorene, one se
selektivno otvaraju ili zatvaraju
odgovarajući na vanjske stanične signale i
na taj način omogućuju stanici da nadzire
kretanje jona kroz membranu.
39
Transport kroz stanične membrane
Proteinski nosači selektivno vežu i prenose specifične male
molekule npr. glukoza.
Ne oblikuju otvorene kanale, nego djeluju kao enzimi, vežu
specifične molekule što dovodi do konformacijskih promjena
koje otvore kanale da bi transportirana molekula prošla kroz
membranu.
40
Transport kroz stanične membrane
Tri tipa transporta putem membranskih prenositelja.
Shematski prikaz proteinskih prenositelja (carrier proteins) po
principu uniporta (glukoza), simporta (glukoza-Na+) i antiporta
(ADP/ATP zamjena u mitohondriju).
41
Transport kroz stanične membrane
Ionski kanali – oblikuju otvorene pore u mebrani
omogućujući tako malim molekulama odgovarajuće veličine i
naboja slobodan prolazak kroz membranu.
Stanične membrane sadržavaju takođe i kanale za vodu
(akvaporine) kroz koje molekule vode prolaze mnogo brže
nego difuzijom kroz fosfolipidni dvosloj.
42
Transport kroz stanične membrane
Pasivni transport predstavlja transport molekula kroz
membrarane u energetski povoljnom smjeru koji je određen
koncentracijskim i elektrohemijskim gradijentima.
Transport koji prati promjene energije može se povezati s
korištenjem ili oslobađanjem drugih oblika metaboličke
energije.
Molekule se mogu trasportirati i u energetski nepovoljnom
smjeru, ako se njihov prenos poveže s hidrolizom ATP-a kao
izvorom energije – aktivan transport.
43
Transport kroz stanične membrane
Tri načina aktivnog transporta
združeni prenositelji (NaCl-saharoza)
crpka → energija ATP-a ( Na+- K+)
crpka → energija svjetlosti (bakteriorodopsin)
44
Transport kroz stanične membrane
Primjer aktivnog transporta:
Na+ /K+ pumpa
Izmjenjuju se 3 iona Na+ za 2 iona K+
Višak + iona izvan stanice doprinosi
polarnosti membrane
+ nabijena je izvan stanice
- nabijena je u citoplazmi
45
Transport kroz stanične membrane
46
Transport kroz stanične membrane
Pasivna difuzija je neselektivan proces u kojem svaka molekula, koja može proći kroz fosfolipidni dvosloj, može preći staničnu membranu i postići ravnotežu između unutarnjeg i vanjskog prostora stanice.
Samo male, relativno hidrofobne molekule mogu difundirati kroz fosfolipidni dvosloj značajnom brzinom.
Ostale molekule koje se ne mogu otopiti u hidrofobnoj unutrašnjosti fosfolipidnog dvosloja, ne mogu preći membranu pasivnom difuzijom, kao ni nabijene molekule i joni.
47
Transport kroz stanične membrane
Olakšana difuzija podrazumjeva kretanje molekula u
smjeru određenom njihovom relativnom koncentracijom
unutar i izvan stanice.
Za ovu vrstu kretanja nije osiguran vanjski izvor energije tako
da molekule putuju kroz membranu u smjeru određenom
koncentracijskim gradijentom, a u slučaju nabijenih
molekula i jona električnim potencijalom membrane.
48
Transport kroz stanične membrane
49
Transport kroz stanične membrane
50
Transport kroz stanične membrane
51
Transport kroz stanične membrane
Električni potencijali postoje
na gotovo svim membranama
na nekim se brzo mijenjaju
npr. – elektrokemijski impulsi
(nervne i mišićne stanice)
na drugim sporije npr. –
aktivacija staničnih funkcija
(žljezdane stance)
52
Transport kroz stanične membrane
Membranski potencijali mogu biti uzrokovani
◦ difuzijom – difuzijski potencijal
◦ koncentracijskim razlikama s obje strane membrane - razlika
koncentracija iona na selektivno propusnoj membrani
može stvoriti membranski potencijal
53
Transport kroz stanične membrane
Tri osobine ionskih kanala su važne za
njihovu funkciju.
Transport kanalima je izuzetno brz – u
jednoj sekundi prođe kroz otvoreni kanal
više od milion iona, što je oko 1000 puta
veća brzina od brzine transporta proteinima
nosačima.
Visoko su selektivni, jer uske središnje pore
ograničavaju prolaz iona s obzirom na
veličinu i naboj (Na+, K+, Ca2+ i Cl- )
Većina kanala nije stalno otvorena, pa je
otvaranje kanala regulisano “vratnicama”
koje se prolazno otvore na neki poticaj.
54
Transport kroz stanične membrane
Kanali nadzirani ligandom – otvaraju se kao odgovor na
vezanje neurotransmitera ili neke druge signalne molekule.
Kanali nadzirani naponom – otvaraju se kao odgovor na
promjene električnog potencijala kroz staničnu membranu.
Joni Na+, K+ i Cl- su najvažniji za nastajanje membranskih
potencijala, a time i njihove koncentracije
Stepen važnosti pojedinog iona srazmjeran je propusnosti
membrane za taj ion
Propusnost kanala za ione Na+ i K+ se vrlo brzo mijenja, a
propusnost kanala za ione Cl- ne
55
Transport kroz stanične membrane
Sve stanice imaju ionske crpke
koje trebaju energiju za aktivan
transport iona preko membrane, a
koja se dobiva hidrolizom ATP.
Npr: Na+ se aktivno crpi iz stanice,
a K+ u stanicu.
Kako su ioni nabijeni, njihovim
transportom uspostavlja se
električni gradijent preko stanične
membrane.
56
Transport kroz stanične membrane
Ionske crpke su odgovorne za održavanje gradijenta na staničnoj
membrani i dobar su primjer aktivnog transporta.
Ionski gradijent se održava Na+/K+ crpkom koja koristi energiju
dobivenu hidrolizom ATP za transport Na+ i K+ protiv
elektrohemijskog gradijenta.
Gradijent Na+/K+ uspostavljen djelovanjem crpke je propagacija
električnog signala u živcima i mišićima, uspostavljeni gradijent Na+
koristi se da bi potakao aktivan transport drugih molekula.
Održavanje osmotske ravnoteže i staničnog volumena; citoplazma
sadrži visoku koncentraciju organskih molekula, ako ne bi bilo
kontrateže, to bi dovelo do ulaska vode u stanicu, što bi da nije pod
kontrolom dovelo do oticanja i mogućeg pucanja stanice.
Crpka uspostavlja višu koncentraciju Na+ izvan nego unutar stanice
57
Transport kroz stanične membrane
58
Transport kroz stanične membrane
59
Transport kroz stanične membrane
60
Transport kroz stanične membrane
tvari mogu ući fagocitozom, pinocitozom ili receptorskom
endocitozom
61
Transport kroz stanične membrane
Tvari se izbacuju egzocitozom
Stanice gušterače izbacuju inzulin u krvotok
Stanice se mogu rješavati nepotpuno razgrađenog materijala
62
Transport kroz stanične membrane