Sejtmembr

1
Sejtmembrán szerkezete és muküdése
Dr. habil. Kohidai László egyetemi docens SE,
Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézet 2008.

2
Eukaryota sejt
3
Eukaryota sejt
4
Kompartmentalizálódás
Az egyes biokémiai folyamatok membránokkal
határolt terekbe történo szétválasztása
optimális környezeti feltételek biztosítása
5
A citoplazmatikus membránok fo funkciói
Határhártya képzése tápanyagok be és kifelé
irányuló tarnszportját segíti elo
Fehérjék kihorgonyzása a traszport,
bioenergetikai folyamatok, szignálok
észlelése és kemotaxis
Energia raktározás - proton gradiens generálása
6
A membránok funkciói

• 1. Határhártyát képeznek és szelektív
  átjárhatóságú felszínek (ld.permeabilitás) sejt
  membrán/plazmamembrán és intracellularis
  membránok sejt organellumok
• 2. Specifikus funkciókat töltenek be a
  kapcsolódó proteinek alapján megkülönböztethetok
  (integráns vagy perifériás fehérjék). Glucose
  phosphatase az ER-membrán-kötött enzym és
  egyben annak markere is.

• 3. A membránok szabályozzák egyes anyagok
  transzportját
• a. Egyszeru diffúzió (magas cc.-gtalacsony cc.)
  H2O, O2, CO2, ethanol
• b. Facilitált diffúzió (magas cc.-gtalacsony cc.)
  transzport proteinek segítségével cukrok,
  aminosavak
• c. Pumpa mechanizmusok proteinjei, melyek az
  ion-gradienseket tartják fenn alacsony cc.-gt
  magas cc. Cukrok, aminosavak sejtbe juttatása
  koncentráció gradiens ellenében is.
• d. Endocytosis és exocytosis, stb

7
A membránok funkciói

• 4. Elektromos és kémiai jelek detektálása és
  továbbítása szignál transzdukció külso jelek
  fogadása és továbbítása.
• Pl. Ösztrogén hidrofób karaktere miatt képes
  átjutni a membránon más anyagok hatásához
  receptorhoz való kötodés szükséges, mely
  másodlagos hírvivoket generál. A jel a sejtmagi
  szintig is eljuthat és befolyásolhatja a
  génexpressziót.

• 5. Sejt-sejt kommunikáció közvetítése gap
  junction (állati sejtek) és plasmodesmata
  (növényi sejtek) intercelluláris kommunikációt
  tesznek lehetové.

8
Membrán-modellek
Lipid-oldékony anyagok gyorsan bejutnak a sejtbe
Benzin-lipid keverék, a benzin elpárolgása után
molekuláris lipid film keletkezik
Benzin-oldékony lipidek két rétegbol álló filmet
alkotnak víz felszínén
Egyes proteinek átérik a membránt, transzmembrán
proteinek
9
Fluid mozaik membrán modell
Singer Nicolson 1972
vvt. membrán
10
Membrán modellek Folyékony mozaik modell A
proteinek mozaikosan, elszórtan és beágyazottan
helyezkednek el a folyékony lipid kettosrétegben
Bacteriorhodopsin az elso transzmembrán doménnel
leírt protein, mely retinol-szeru részével
energia megköto képességu is egyben. A napfény
energiája megkötodés után szerkezeti változást
idéz elo, mely protonok sejtbol torténo
kijuttatását eredményezi. A kialakuló
proton-gradiens energia-forrásként szolgál.
A legtöbb membrán felépítésében lipidek, fehérjék
és szénhidrátok is részt vesznek.
11
Foszfolipidek általános szerkezeti felépítése
12
A membránt felépíto fo lipid-komponensek Foszfoli
pidek Glikolipidek Egyéb membrán-lipidek (nem
foszfolipidek) Cholesterin Cerebrozid Szfingolip
idek Ceramid
13
Membrán lipidek a modell fluiditásáért felelos
elemek

• A membránok alkotásában több féle lipid vesz
  részt
• Foszfolipidek
• Foszfogliceridek
• Szfingolipidek

Különbözo membránok foszfolipid összetétele
14

• Glikolipidek
• Cerebrozidok és gangliozidok
• Tay-Sachs betegség
• ßN-acetilhexoaminidáz hiányos lizoszómák,
  gangliozidok degradációja károsodik gangliozid
  akkumuláció az idegrendszerben.
• Szteroidok (nem található a prokaryotákban vagy a
  mitochondrium, színtest belso membránjaiban)
• Cholesterin
• Fitoszterin

A baktériumok és a cyanobaktériumok membránjaiban
szteroid-szeru molekulák találhatók haponoid
(petroleum depozitokban gazdag korai prokaryoták
membrán componensei?)
15
Vékonyréteg-kromatográfia a lipid analízis
fontos eszköze Álló fázis vékony szilikagél,
hidrofil rétege üveg vagy fém lemezen Mozgó fázis
oldószer chloroform, methanol, és water
keveréke
Zsírsavak a membrán szerkezete és muködése
szempontjából is jelentosek A zsírsavak minden
membrán-lipid alkotói kivéve a szteroidokat. A
hidrofób szénhidrogének általában 16- vagy 18-C
hosszúak és a lipid kettosréteg stabilitását
adják. Telített zsírsavak palmitinsav(16C) és
sztearinsav (18C) Telítetlen zsírsavak Olajsav
és linolsav (mk. 18C)
16

• Membrán- aszimmetria a lipidek dönto hányada
  egyenlotlen arányban oszlik meg a két
  lipid-monolayerben - mennyiségi és minoségi
  eltérések
• Az aszimmetria a lipidek típusainak eltéroségében
  és a telítettség fokának különbözoségében
  testesül meg.
• Az aszimmetria a membránok biogenezise során
  alakul ki.
• A kialakult aszimmetria termodinamikai okoból
  gátolja a lipidek cseréjét a két felszín között.
• Külso membrán glikolipidek felismero
  folyamatok és jeltovábbítás
• Belso membrán a sejt belso terébe történo
  jeltovábbításban fontosak -foszfatidiletanolamin,
  foszfatidilinozitol, foszfatidilszerin
• Lipidek mozgása a membránban
• flip-flop, vagy transzverz diffúzió
• rotáció
• laterális diffúzió

A flip-flop mozgás ritka, de a biológiai
membránokban az ú.n. foszfolipid transzlokátorok
vagy flippázok segítik elo. Ezért gyakoribb a
foszfolipid transzlokáció a biológiai
membránokban, mint a mesterséges lipid
bilayerekben.
17
A membrán aszimmetria kialakulása és fenntartása

• Foszfolipidek szintézise az ER membránhoz
  kötötten zajlik.
• A foszfolipidek az ER citoplazmatikus
  felszínéhez kapcsolódnak
• A flippáz juttatja át az egyes lipideket a
  bilayer másik oldalára.

18
A lipid bilayer fluiditásának vizsgálata Lateráli
s diffúzióval a lipidek és proteinek pl. egy 800
M.S.-jú lipid néhány mM (egy baktérium hosszával
azonos távolságot) tud elmozdulni 1 mp alatt! A
proteinek nagy méretük miatt lassabban
mozognak. Vizsgálati eljárás fluorescence
recovery after photobleaching (FRAP) technika
A membrán megfeleloen csak fluid állapotában
muködik Fázis-átmeneti homérséklet
(Tm) Fázis-átmenet gél-szeru állapot -gt fluid
Differential scanning calorimetry Calometer
a hoabszorpció mérésére szolgáló kamra. A görbe
csúcsának helye jelzi a Tm-et.
Telítetlen alacsony Tm
Telített magas Tm
19
Membrán-fluiditás és zsírsavösszetétel
kapcsolata Két fo szempont lánchossz és
telítettség mértéke
Membrán-lipidek gyakran 1 telített és 1
telítettlen zsírsavból épülnek fel
Szteroidok hatása a membránfluiditásra Szteroidok
cholesterin és phytosterin. A szteroidok a
teljes membrán-lipid tartalom 50-át is
kitehetik Cholesterin hidrogén kötéseket
alakít ki a szomszéd foszfolipidek oxigén
atomjaival. A cholesterin paradox hatása magas
homérsékleten csökkenti a membrán fluiditást (a
rigid gyuruk hatása) míg alacsony homérsékleten
növeli a fluiditást (a szomszédos szénhidrogén
láncok természetes elrendezodését
gátolva) AZONBAN, a szteroidok csökkentik a
lipid bilayer permeabilitását a foszfolipidek
közötti teret kitöltve. Az élolények
szabályozni képesek a membrán fluiditást Poikeloth
erm-ek (baktérium, gomba, növény, kétéltuek stb.)
vs. homeotherm-ek (melegvéru állatok) Homeoviszkóz
us adaptáció a membrán viszkozitása megtartott
a változó homérséklet ellenére terminális C-k
eltávolításával zsírsavláncok rövidítése, ill.
telítetlenné tétele (pl. E. coli desaturáz).
20
A membrán fluiditásának befolyásolása Foszfolip
idek lánchossz telítettség Cholesterin-tart
alom
21

• Lipid raft-ok
• - cholesterinben gazdag
• - mikro-domainek
• glikolipidekszfingolipidek
• a raftok jelen vannak a sejt
• felszíni membránján és a
• Golgiról lefuzodo membránokon
• jelentoségük sejtmembrán egyes rétegei közötti
  szabadenergia különbség csökkentése
• membránhoz kötött transzport folyamatok

• Más nevei a szakirodalomban
• detergent-insoluble glycolipid-enriched complexes
  (GEM vagy DIG)
• detergent resistant membranes (DRMs).

Kimutatás fluoreszcens mikroszkópia GM1
gangliozidok AFM
22
Membrán-proteinek a modell mozaik-jellege Free
zing fracturing gyors fagyasztás (folyékony
nitrogén) után gyémánt-késsel történo feltárás
E felszín (exoplazmatikus oldal) és P felszín
(protoplazmatikus oldal)
23
Membrán proteinjei - integráns -
perifériális - lipidek által kihorgonyzott
Integráns membrán proteinek 20 aminosavból
álló, transzmembrán szegmentum. Nehezen
izolálható detergens kezelés kell az
extrakciójához.. Intergráns monotóp
proteinek Transzmembrán proteinek
singlepass multipass multi-subunit
Glycophorin (vvt.)
Hydropathy plot
Bacteriorhodopsin
24

• Perifériásl membrán proteinek a membrán
  felszínekhez gyenge elektrostatikus erok vagy
  hidrogén kötések rögzítik. Kapcsolat az integráns
  proteinek hidrofil részeivel vagy a membrán
  lipidek poláris feji részeivel. pl. spectrin és
  ankyrin a vvt. plazmamembránjában.
• Lipidekhez kötött membrán proteinek kovalens
  kötés a lipiddel.
• Zsírsav vagy prenyl mint kihorgonyzó
• GPI-kapcsolófdás (glycosylphosphatidyinositol,
  GPI)

A proteineket SDS-polyacrylamid gél
elektroforézissel választhatjuk el Membrán
proteinek izolálása Perifériás membrán
proteinek a pH vagy az ionos kötések
megváltoztatása, calcium eltávolítása
chelatiós-agensek (kationos-kötés), vagy urea
(a hidrogén kötéseket bontja).
A lipid-kötött proteinek hasonló módon
izolálhatók, mint a perifériás proteinek, mivel
itt is kovalens kötéseket kell bontani. Az
integráns membránproteinek kivonása nehezebb,
detergens igényes feladat. A detergens a hidrofób
kötéseket bontja és a lipid bilayerrel lép
kölcsönhatásba ld. SDS (sodium dodecyl sulfate)
kezelés SDS-polyacrylamid gél elektroforézis
Elektroforézis elektromos tér alkalmazása
elektromosan töltött molekulák elválasztására. A
vándorlási sebesség a töltéstol és a mérettol
függ. SDS feltárás (proteinek a negatívan
töltött SDS-sel fedettek) -gt elektroforézis -gt
festés Coomassie brilliant blue-val.
25
Membrán-proteinek izolálása és vizsgálata Az
alkalmazott detergensek a proteinek körüli
foszfolipid szerkezetet utánozzák
hidrifób
hidrofil
26
A membrán-proteinek számos funkciót tölthetnek
be Enzim Pl. glukóz foszfatáz (az ER-mal
asszociált) és glicerinaldehid-3- foszfát
dehidrogenáz (GPD), a vvt. Perifériás proteinjei
a vér glukóz-metabolizmusában vesznek részt.
Transzport proteinek pl. transzport ATPázok
ATP energiáját felhasználva juttatnak át ionokat
a membránon. Receptorok pl. hormonok és
növekedési faktorok Egyéb endocitóziss és
exocitózis targeting, szortírozás, fehérjék
módosítása az ER vagy a Golgi-ban fény
érzékelése a sejtmembrán szerkezetének
stabilizálása és alak meghatározás (ankyrin,
spectrin).
TRANSZPORTER
KIHORGONYZÁS
RECEPTOROK ENZYMEK
27
(No Transcript)
28
A membrán-proteinek bilayerbe ágyazódása
Az a-helikális szerkezet igen gyakori. Ennek oka,
hogy az így expresszált hidrofób aminosavak
felszínre kerülésével a proteinek jól rögzülnek a
membrán hidrofób rétegében
Az a-helikális szerkezetek hidrofil komponensei
a pórusképzésben fontosak
29
A sejtmembrán szénhidrát komponensei

• Funkciók
• Felszíni védelem
• Felismerés
• Sejtadhézió -
• -- extracellularis matrix

30
A membrán-proteinek nagy része glikozilált
Emberi vvt. membrán 52 proteinek, 40
lipidek és 8 szénhidrátok. A szénhidrátok
glikolipid (ritka) és glikoprotein (gyakori)
formában találhatók a membránban Glikoproteinek
N-kötöttek az Asp oldalláncának amino csoportján
keresztül
O-kötöttek Ser vagy Thr hidroxil csoportjaihoz
kötött szénhidrátok Egyes O-kötött szénhidrát
hidroxi-Lys vagy hidroxi-Pro hidroxil csoportján
keresztül kapcsolódik
31
A proteinekhez kapcsolódó szénhidrátok hossza
2-60 egység, egyenes v. lineáris Gyakori
felépíto elemek galaktóz, mannóz,
N-acetilglukózamin és sziálsav
A vvt. integráns proteinjének (glycophorin)
szénhidrát láncainak (16 ilyen láncból 15
O-kötött és 1 N-kötött) terminális pozíciójában
negatívan töltöt sziálsav található ez
csökkenti a vvt.-k összetapadási hajlamát és a
vér viszkozitását. A glikoproteinek elsodleges
szerepet töltenek be a sejtmembránok sejt-sejt
felismero funkciójában. Kísérletek Lectinek
növényi (állati) fehérjék, melyek cukorspecifikus
kötést alkotnak. Pl. wheat germ agglytinin
(búza) N-acetilglukózaminra végzodo
oligoszaccharidokhoz kötodik, míg a jack
bean-bol kivont concanavalin az
oligoszaccharidok belso mannóz csoportjait ismeri
fel. Ferritin, egy vas-tartalmú fehérje, melyet
glycoproteinekhez kötnek és elektrondenzitásuk
révén a membránhoz való kötodés így jól
detektálható.
32
(No Transcript)
33
A sejtmembrán proteinjeinek mozgása korlátozott
Pl. bélhámsejtek vagy mirigyhám polarizált
felszíne
Receptorok, transzporterek, sejtkapcsoló
struktúrák polarizált elhelyezkedése,
megjelenése.
34
A membránok dinamikus jellege

• Számos sejtélettani folyamat során változik a
  membrán alakja.
• Az alkotó elemkre ható erok módosítják a membrán
  kiterjedését.
• A komponensekre ható feszíto és nyújtó-erok
  magyarázzák a mebrán
• alakváltozásait.
• A membránhoz kötött enzimek fenti hatásokat
  módosíthatják.

35
(No Transcript)
36
A diffúzió és a hajlat kialakulás egyaránt az
elasztikus stressz csökkentését eredményezi
37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
Összefoglalás
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
Források Hardin, J., Kleinsmith, L., Becker,
W. World of the cell with free solutions,
(Benjamin Cummings, 2002)Alberts, B., Johnson,
A., Lew, J. Essential Cell Biology, (Garland,
2004)