4.1

4. struktura a funkce biomembrán

Buněčné membrány

            Biomembrány jsou strukturním základem většiny buněčných organel. Tyto membránové organely vykonávají či se podílejí na všech základních buněčných funkcích. Biomembrána ohraničuje buňku od okolí (plasmatická membrána), jiné vytvářejí ohraničené systémy, kompartmenty (membránové organely), vytvářejí hierarchickou organizaci buňky s funkční metabolickou specializací. Realizují regulovaný přechod látek z okolí do buňky a naopak a přechod látek mezi kompartmenty. Dochází zde k biotransformaci energie (při fotosyntéze a oxidačních fosforylacích). Obsahují receptory pro nejrůznější chemické signály. Podílejí se na toku informace mezi buňkou a okolím, uvnitř buňky a na signálních interakcích mezi buňkami. U prokaryontních buněk jsou membránové struktury omezeny v podstatě pouze na ohraničení buňky vůči okolí. Jiné membránové organely (telakoidy, mezosomy) nejsou zcela obecné pro všechna prokaryonta. Plasmatická membrána je, z evolučního hlediska, jednou z primárních buněčných struktur.

            Molekulární struktura biomembrán

Chemické komponenty biomembrán – základní komponentou všech biomembrán jsou molekuly lipidů a bílkovin. Většinou jsou v poměru 1:1, někdy 3:1 (biomembrány myelinových obalů) nebo 1:3 (vnitřní membrána mitochondrií). V menší míře jsou v biomembránách zastoupeny i sacharidy ve formě glykoproteinů a glykolipidů.

Membránové lipidy – v lipidové složce biomembrán jsou zastoupeny dvě kategorie lipidů: fosfolipidy a steroly. Nejčastěji se vyskytující typy membránových lipidů jsou tyto: cylindrické (fosfatidylcholin, fosfatidylserin), kónické (fosfatidylethanolamin, fosfatidylová kyselina), invertované kónické (fosfatidylnositol). Membrány živočišných buněk obsahují více cholesterolu než membrány rostlinných buněk, membrány bakteriálních buněk neobsahují cholesterol vůbec. Délka řetězců mastných kyselin je také různá a jeden z nich obsahuje jednu či více dvojných vazeb. Pro prostorovou organizaci molekul fosfolipidů v biomembráně jsou důležité především jejich fyzikální vlastnosti, zejména jejich polarita. Jeden konec zaujímá hydrofobní (lipofilní) skupiny mastných kyselin a druhý konec hydrofilní (lipofobní) část molekuly s polárními skupinami (zbytek kyseliny fosforečné, -OH, -NH₃⁺). Fyzikálně chemické vlastnosti fosfolipidů jsou tedy dány jak objemnou částí nepolární, tak částí polární. Molekuly polárních lipidů jsou tedy amfifilní, z čehož vyplývá, že se mohou vázat navzájem mezi sebou nebo s jinými molekulami jak interakcemi hydrofobními, tak hydrofilními.

Glykolipidy jsou lipidy s cukernou složkou v molekule. Jejich hlavní rolí je zřejmě účast v buněčném rozpoznávání. Založeny na sfingosinu. Jsou ve vnější vrstvě lipidové dvouvrtstvy. Jejich cukerná část vyčnívá z membrány do okolního prostředí, kde funguje jako receptor pro specifické chemikálie a jako látka pomáhající zakotvit buňku do okolní tkáně. Jejich funkcí je ochrana, u nervových buněk udržuje náboj a koncentrace iontů, dokování proteinů k membráně, buněčné rozpoznávání, buněčná adheze a rafty (organizační centra pro uspořádávání signálních molekul, ovlivňují membránovou fluiditu a transport membránových proteinů a regulují neurotransmisi).

Bílkoviny biomembrán – spektrum membránových bílkovin je velmi široké. Většina biomembrán obsahuje několik desítek až set různých bílkovin. Jsou však známy i membrány s velmi úzkým proteinovým spektrem (membrány tyčinek jeden protein – rodopsin). Většina membránových proteinů jsou globulární proteiny. Hojně jsou zastoupeny i glykoproteiny. Z hlediska molekulární organizace biomembrán jsou fyzikálně chemické vlastnosti membránových proteinů, především jejich amfifilie (střed řetězce je hydrofobní, konce hydrofilní) zásadně důležitá, neboť určují charakter interakcí s druhou komponentou biomembrán – s fosfolipidy – i charakter interakcí mezi bílkovinami samotnými. Většina membránových bílkovin jsou proteiny funkční, tj. jsou zde zastoupeny enzymy, receptorové proteiny, transportní proteiny atd. Vláknité, neuspořádané, 20-30% všech genů většiny genomů.

Lokalizace proteinů v membráně – molekuly proteinů, jejichž povrch je tvořen převážně zbytky polárních aminokyselin se váží na obě vnější plochy lipidové dvojité vrstvy. Vytváří tedy periferní proteiny. Některé jsou zanořeny různě hluboko do membrány nebo prochází celou membránou. Jsou to penetrující proteiny. Transmembránové (glykoforin, receptory, kanály, enzymy, multispecializované (kanály), jednoúčelové (rodopsin)).

Uspořádání molekul v biomembráně – nosným kontinuem všech biomembrán je souvislá dvojitá vrstva (bimolekulární film) molekul lipidů. Molekuly bílkovin jsou připojeny buď na povrchu této dvojité vrstvy (periferní proteiny) nebo jsou o ní přímo zabudovány (vnitřní či integrální proteiny).

Bimolekulární film lipidů – uspořádání lipidů v bimolekulárním filmu vyplývá z fyzikálních vlastností molekul polárních lipidů, především fosfolipidů. Molekuly jsou orientovány ve dvou vrstvách kolmo k ploše membrány. Přitom hydrofilní „hlavičky“ polárních lipidů jsou orientovány na povrch filmu a hydrofobní konce dovnitř. Tato organizace je z termodynamického hlediska výhodná (minimální energie). Za určitých podmínek se tvoří samovolně – autoorganizace. Membrány jsou asymetrické. U živočišné buňky ve vnější vrstvě převažují lecitin a sfingomyelin a ve vnitřní kefaliny, fosfatidylserin a fosfatidylethanolamin. Glykolipidy jsou vždy ve vnější vrstvě plazmatické membrány, přičemž cukerná složka je vždy orientována na povrch buňky. Asymetrie v rozložení lipidů (cholesterolu) má význam pro realizaci membránových funkcí. Řetězce mastných kyselin směřující do vnitřní zóny jsou volně pohyblivé. Vnitřek má tedy „tekutý charakter“ a různé nepolární molekuly jím mohou v ploše membrány volně difundovat. Pohyblivost řetězců závisí ovšem na druhu fosfolipidů a na teplotě. Nenasycené uhlovodíky jsou pohyblivější. Snížením teploty dojde ke snížení pohyblivosti na minimum a film se chová jako rigidní struktura. Tuto teplotu nazýváme bod přechodu. Molekuly lipidů mohou volně rotovat kolem své osy, a navíc měnit svou vzájemnou pozici – mohou se „promíchávat“. Možné stupně volnosti: rotace molekuly, pohyb postranních řetězců, laterální difúze, flip-flop (překlápění). Určitou stabilizující funkci, která omezuje difuzibilitu, má cholesterol v důsledku struktury své molekuly. Cholesterol snižuje těž bod přechodu, čímž umožňuje u některých organismů zachovat funkčně důležitou fluiditu i při relativně nízkých teplotách.

Lipidové rafty – kombinace glykosfingolipidů a proteinových receptorů organizuje plasmatickou membránu d malých kompartmentů (mikrodomén) nazývaných lipidové rafty. Tyto rafty se mohou volně pohybovat po lipidové dvojvrstvě, jejich vnitřní struktura je však pevněji uspořádána. Funkcí lipidových raftů je uspořádávání signálních molekul (jsou to organizační centra), organizace transportu membránových proteinů a regulace neurotransmise a je to platforma pro vstup virů. Složení lipidových raftů se od okolní plasmatické membrány liší. obsahují 3-5krát větší množství cholesterolu (který funkčně drží lipidové rafty pohromadě) a je zde až o 50% více sfingomyelinu (nahrazuje fosfatidylcholin – toho je naopak v lipidových raftech méně).

Planární – jsou kontinuální s rovinou plasmatické membrány, chybí u nich rozpoznávací znaky. Obsahují flotilinové proteiny (flotiliny) a jsou v neuronech a lukocytech.

Kaveoly – tvoří invaginace plazmatické membrány, tvarem připomínají baňku. Obsahují kaveolinové proteiny (kaveoliny) a jsou to nejsnadněji pozorované struktury v lipidových raftech. Glie, astrocyty, oligodendrocyty, některé neurony. Endocytóza, signalizace, ochrana. Různá denzita (ledviny – endotelie, adipocyty).

Flotiliny a kaveoliny mají schopnost přivádět do lipidových raftů signální molekuly, a hrají tak důležitou roli například v signální transdukci neurotransmiterů.

Fluidita membrán – podobně jako molekuly lipidů, mohou migrovat (difundovat) v ploše membrány i molekuly proteinů. Tekutý (fluidní) charakter biomembrán má patrně zásadní význam pro jejich funkci. Umožňuje redistribuci funkčních proteinů na různá místa membrány, inzerci nových proteinů, splývání (fúzi) různých biomembrán a velkou plasticitu membrány jako fyzikální struktury. Míra tekutosti dvojné vrstvy při dané teplotě závisí na fosfolipidech, z nichž se skládá, a též na povaze uhlovodíkových řetězců – čím těsněji a pravidelněji se může řetězec sbalit, tím viskóznější a méně tekutá dvojvrstva bude. Kratší řetězce zmenšují snahu uhlovodíkových konců navzájem interagovat, a proto tekutost dvojvrstvy zvyšují. Dvojné vazby vytvářejí nepravidelnosti, a tak dvojvrstvy s větším počtem dvojných vazeb jsou tekutější (ztěžují přikládání řetězců k sobě). Tekutost membrány je snižována přítomností cholesterolu, který vyplňuje mezery mezi sousedními fosfolipidovými molekulami, a tak zpevňuje dvojvrstvu a snižuje její tekutost a propustnost. Tekutost biomembrány je pro buňku důležitá. Umožňuje membránovým proteinům interagovat navzájem a rychle difundovat v rovině membrány, což je důležité například při buněčné signalizaci. Umožňuje membránovým lipidům a proteinům se přemístit z místa, kde byly po své syntéze začleněny, do jiných míst v buňce. Umožňuje membránám fúzi (splynutí) a smísení jejich molekul. Zajišťuje také rovnoměrné rozdělení membránových molekul mezi dceřiné buňky při buněčném dělení. Fluidita vykazuje i různá omezení. U buněk s dvěma póly nemohou difundovat proteiny mezi oběma póly, jinak by se ztratila účelnost pólů. Jiné zase omezuje vazba na membránový skelet.

Důkaz – selektivní značení – fúze (když se dvě buňky spojí, proteiny jejich membrán se po nějaké době smísí a rovnoměrně rozptýlí mezi sebou), pohyb receptorů, vybělování (když vybělíme nějaké malé místo na buňce, membránové proteiny ho budou postupně opět zaplňovat).

Glykokalyx – glykoproteiny a proteoglykany napojené na oligosacharidové řetězce jiných glykoproteinů a proteoglykanů. Přechází plynule do extracelulární matrix. Síť polysacharidů určuje povrchový náboj buňky, může ovlivňovat koncentraci iontů v mikrookolí buňky, eventuálně fungovat jako jakýsi filtr, který ovlivňuje příliv látek k buňce. Mohl by působit i jako jakási ochranná vrstva, která chrání plazmatickou membránu před působením extracelulárních enzymů. Význam pro rozpoznávání buněk při oplození, při indukci diferenciace (různé spektrum sacharidů u různých buněk).

            Význam – rozdělení do membránových kompartmentů. Velký vnitřní povrch, který má význam pro metabolické procesy, neboť mnoho enzymů je vázáno přímo na biomembrány. Kompartmenty umožňují především diferencovanou metabolickou funkci organel. Jednotlivé metabolické procesy tak probíhají odděleně od ostatních (navzájem si „nepřekáží“), protože selektivně propustná membrána umožňuje zajistit relativně vysokou koncentraci určitých enzymů a metabolitů. Vymezuje činnost některých enzymů do určitého prostoru (hydrolytické enzymy v lysozomu). Specifické interakce mezi kompartmenty, především jejich spojování cestou splývání membrán, je také cestou pro „propojení“ jednotlivých metabolických procesů a pro organizovaný přesun látek v buňce. Kompartmentace umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých procesů metabolismu buňky. Udržuje tvar, umožňuje fúzi, zajišťuje buněčnou i organelovou motilitu a adhezi.

            Spojení s extracelulární matrix – glykokonjugáty: fibronektin, laminin, imunoglobuliny, integriny, kadheriny, MHC receptory, heparany, chondroitin sulfáty, proteoglykany.

            Spojení s intracelulárními komponenty – ankyrin, spektrin, adducin, dematin, aktin, proteiny membrány.

            Membránové deformace – plazmatická membrána – planární, objevují se mikrodeformace (filopodie, lamelipodie, klatrinové váčky, kaveoly), membránové organely – zakřivené, mnoho ohybů. Metabolismus lipidů, nepřímé deformace proteinových konstrukcí („scaffolding“), interakce – lipidy a proteiny + participace cytoskeletu.