Informácie

Prednáška 05: Membrány a transport - Biológia

Prednáška 05: Membrány a transport - Biológia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Prednáška 05: Membrány a transport

Prednáška 05: Membrány a transport - Biológia

1. Častice sa pohybujú cez membrány jednoduchou difúziou, uľahčenou difúziou, osmózou a aktívnym transportom.

Koncentračný gradient: Molekuly môžu difundovať cez membrány z oblastí s vyššou až nižšou koncentráciou:

  • Jednoduchá difúzia: pohybujú sa priamo cez membránu, ak sú malé a nenabité, čím sa zabráni odpudzovaniu hydrofóbnymi nepolárnymi koncami fosfolipidov v strede membrány.
  • Osmóza = pasívny pohyb molekúl vody cez čiastočne priepustnú membránu z oblasti s nižšou koncentráciou rozpustenej látky do oblasti s vyššou koncentráciou rozpustenej látky.
    • hypertonický = vyššia koncentrácia rozpustenej látky
    • hypotonický = nižšia koncentrácia rozpustenej látky
    • izotonické = rovnaké koncentrácie rozpustenej látky

    2. Použitie: Štruktúra a funkcia draslíkových kanálov pre uľahčenú difúziu v axónoch.

    • Uľahčená difúzia: cestovanie cez špeciálne transportné proteíny, ak zodpovedajú požiadavkám na tvar a náboj, aby sa zmestili cez kanály poskytované transportnými proteínmi.

    3. Použitie: Štruktúra a funkcia sodíkovo-draslíkových púmp pre aktívny transport a draslíkových kanálov pre uľahčenú difúziu v axónoch.

    Proti koncentračnému gradientu: Presúva látku z oblasti, kde je v nižšej koncentrácii, do oblasti, kde je vo vyššej koncentrácii.

    • Zvyčajne poskytuje ATP
    • Často fosforyláciou proteínovej pumpy, keď sa ATP hydrolyzuje

    4. Vezikuly pohybujú materiálmi v bunkách.

    • Syntézy bielkovín: rER produkuje proteíny, ktoré prechádzajú cez lúmen ER
    • Transport vo vezikulách: Membrány produkované rER prúdia vo forme transportných vezikúl do Golgiho vezikúl a nesú proteíny vo vezikulách
    • Modifikácia: Golgiho aparát modifikuje proteíny produkované v rER
    • Transport na membránu: Golgi odtrháva vezikuly, ktoré obsahujú modifikované proteíny a putujú do plazmatickej membrány
    • Exocytóza: Vezikuly sa potom spoja s plazmatickou membránou, čím sa uvoľní ich obsah

    5. Tekutosť membrán umožňuje, aby sa materiály dostali do buniek endocytózou alebo sa uvoľnili exocytózou.

    • Lipidy sa v membráne pohybujú laterálne, ale preklápanie cez membránu je zriedkavé.
    • Nenasýtený uhľovodíkový koniec fosfolipidov má zlomy, ktoré bránia molekulám, aby sa zbalili, čím sa zvyšuje tekutosť membrány.
    • Cholesterol znižuje fluiditu membrány tým, že znižuje pohyb fosfolipidov pri miernych teplotách, ale tiež bráni tuhnutiu pri nízkych teplotách.

    6. Aplikácia: Tkanivá alebo orgány, ktoré sa majú použiť pri liečebných procedúrach, sa musia kúpať v roztoku s rovnakou osmolaritou ako cytoplazma, aby sa zabránilo


    Prednáška 05: Membrány a transport - Biológia

    C2006/F2402 '04 Osnova pre prednášku č. 4 -- aktualizované 28. 1. 2004 11:13

    2004 Deborah Mowshowitz, Katedra biologických vied, Columbia University, New York NY

    Poznámka: Odkazy na Purves sú uvedené najskôr pre 6. vydanie a potom v ( ) pre 5. vydanie, ak sa líšia.

    I. Ako vyzerá skutočná bunka? Kde sú križovatky atď.

    a. Špecializácia. Všetky bunky v mnohobunkovom organizme sú špecializované, neexistuje žiadna "typická bunka".

    b. Typy . Asi 200 rôznych typov buniek na človeka.

    c. Tkanivo = Skupina buniek s podobnou štruktúrou a funkciou, ktoré fungujú ako jednotka.

    d. 4 Hlavné typy buniek/tkanív -- svalové, nervové, spojivové, epitelové

    e. Terminologická poznámka : „tkanivo" sa tiež používa nešpecifickým spôsobom na označenie skupiny buniek odvodených z orgánu alebo systému ako v „obličkovom tkanive". Oblička je orgán tvorený mnohými rôznymi typmi tkanív.

    B. Štyri hlavné typy tkanív (Pozri Purves 40.2)

    a. Svalovina -- špecializované na kontrakciu.

    b. Nervózny - jednotlivá bunka sa nazýva neurón. Špecializované na prenos správ.

    c. Spojivá - bunky rozptýlené v extracelulárnej matrici. Extracelulárna matrica môže byť pevná (ako v kostiach), tekutá (ako v krvi) alebo polotuhá (ako gél) ako v chrupavke, tuková. (Všimnite si, že tuk v tukovom tkanive je uložený vo vnútri tukových buniek vo vezikulách, nie medzi bunkami v matrici.) Pozri Purves 40.4 alebo Becker 11-1.

    d. Epitelové -- príklad buniek s mnohými typmi spojov

    1. Bunky sú pevne spojené

    2. Nalíčte podšívky vonkajších a vnútorných povrchov

    3. Zvyčajne listy . Môže mať jednu alebo viac vrstiev

    4. Často spočíva na nebunkovom podpornom materiáli = bazálna lamina = časť ECM vylučovaná bunkami

    5. Bežné funkcie: selektívna absorpcia (transport), ochrana, sekrécia.

    6. Príklad : epiteliálna vrstva obklopujúca črevo. Pozri leták 3A a Becker obr. 11-18 (11-14) alebo Purves 40.3.

    To vedie k ďalšej téme: Ako funguje črevný epitel (a rôzne typy spojení) pri transporte? Ako sa látky dostanú cez vrstvu epitelových buniek?

    Teraz skúste problémy 1-12 až 1-14. Teraz by ste mali byť schopní vyriešiť všetky problémy v sade problémov #1.

    II. Typy transportu cez membrány (malých molekúl/iónov). Celkové zhrnutie nájdete v spodnej časti letáku 3B. Pre informáciu, typy dopravy sú očíslované 1-5 na letáku 3B a tabuľke nižšie. Pozri tiež Becker, obr. 8-2.

    A. Základné typy transportu – klasifikované podľa typu použitého proteínu (alebo žiadneho) (Pozri leták 3B)

    1. Žiadne bielkoviny -- Jednoduchá difúzia (prípad 1). Účinné len pre hydrofóbne molekuly (ako sú steroidné hormóny), plyny a veľmi malé molekuly, ktoré môžu difundovať cez lipidové dvojvrstvy. Pozri Beckerovu tabuľku 8-1 a obrázok 8-5.

    2. Zapojené bielkoviny - proteín je kanál, permeáza (nosič alebo výmenník) alebo pumpa. Prípady 2-5.

    a. kanál (prípad 2) -- proteín tvorí pór umožňujúci prechod hydrofilných materiálov cez lipidovú dvojvrstvu. (Prechod kanálom sa môže v závislosti od textu označovať ako difúzia, uľahčená difúzia alebo ani jedna.)

    b. transportér -- permease, nosič alebo pumpa - proteín sa viaže na látku (látky) na jednej strane dvojvrstvy, proteín mení konformáciu a uvoľňuje látku na druhej strane dvojvrstvy. Prípady 3-5.

    B. Iné spôsoby klasifikácie dopravy

    1. Aktívne vs - či látky tečú dole svojimi gradientmi (pasívny transport -- prípady 1-3) alebo sú tlačené hore svojimi gradientmi pomocou energie (aktívny transport -- prípady 4 a 5). Pozri Beckerovu tabuľku 8-2.

    a. Pasívna doprava - látka sa pohybuje smerom nadol po svojom koncentračnom gradiente. Môže to byť jednoduchou difúziou, kanálom alebo pomocou nosného proteínu. Prípady 1-3.

    b. Aktívna doprava - látka sa pohybuje nahor vo svojom koncentračnom gradiente (ako v reakcii (a) nižšie) pomocou proteínu "pumpy" a výdaja energie (jedna z reakcií označených (b) nižšie). Pozri Becker obr. 8-9 na porovnanie 2 druhov aktov. dopravy.

    (1). Primárny aktívny transport (Prípad 4) -- energia na transport sa dodáva hydrolýzou ATP. Inými slovami, nasledujúce dve reakcie sú spojené:

    (a). X von ---> X v , kde [X] v presahuje [X] von

    (b). ATP + H2O --> ADP + Pi.

    (2). Sekundárny aktívny transport (Prípad 5) -- energia je dodávaná nejakou 2. látkou stekajúcou po gradiente ITS (reakcia (b) nižšie). Nasledujúce dve reakcie sú spojené:

    Príklad: Súčasný transport glukózy/Na + -- glukóza je tlačená hore jeho gradient energiou odvodenou od Na + idúceho dole jeho spád. X = glukóza Y = Na+.

    Dôležitá poznámka: ATP mohol byť použitý na stanovenie gradientu [Y], ale ATP áno nie priamo zapojený tu. Napríklad: Na + /K + pumpa sa môže použiť na vytvorenie gradientu Na +. (Toto je primárny aktívny transport a používa ATP.) Akonáhle existuje gradient Na +, Na + tečúci po jeho gradiente poskytuje energiu na presun glukózy. (Toto je sekundárny aktívny transport a nevyžaduje ATP.)

    2. Smer veci sa hýbu (Pozri Becker obr. 8-7 alebo Purves 5.9.)

    Druh dopravy

    Smer X sa pohybuje

    Zdroj energie na dopravu X

    **Poznámka: Tieto odkazy sú na animácie dopravy, ktoré vytvoril Steve Berg na Winona State University. Jeho webová stránka obsahuje veľa pekných animácií bunkových a molekulárnych procesov.

    III. Ako sa meria transport (Príklad = v RBC duchoch) -- Dva typy kriviek. Pracovný list 4C. Ako charakterizujete dopravu?

    A. Krivka č. 1: Zmerajte príjem X s časom pri určitej (vonkajšej, v podstate fixnej) koncentrácii X graf konc. z X vnútri vs. To umožňuje rozlíšiť aktívny a pasívny transport.

    1. Pre aktívny transport neutrálnych molekúl, [Xv] v rovnováhe presiahne [Xvon].

    2. Pre pasívnu prepravu neutrálnych molekúl, [Xv] v rovnováhe sa bude rovnať [Xvon].

    (Ak je X nabitý, situácia je komplikovanejšia, ako je vysvetlené nižšie.)

    Otázka: Ak zmeriate absorpciu druhýkrát s použitím vyššej koncentrácie X, bude sklon krivky #1 rovnaký?

    B. Krivka č. 2: Zmerajte počiatočnú rýchlosť absorpcie X (z krivky č. 1) pri rôznych koncentráciách pridaného (vonkajšieho) X vyneste rýchlosť absorpcie vs. (pozri leták alebo Purves 5.10 v 5. vydaní alebo Becker obr. 8-6). To vám umožní zistiť, aký druh proteínu (ak existuje) sa podieľa na transporte.

    1. Ak ide o proteín podobný enzýmu (nosič alebo pumpa). v transporte bude krivka hyperbolická -- nosič alebo proteín pumpy sa nasýti pri vysokej [X] rovnako ako enzým. prečo? Ak je [X] dostatočne vysoké, všetky proteínové molekuly budú "zaneprázdnené" alebo zapojené a transport dosiahne max. hodnotu. Pridanie ďalších X nezvýši rýchlosť dopravy. (Rovnaké ako dosiahnutie Vmax s krivkou V vs [S] pre enzým.)

    2. Ak žiadny proteín, alebo proteín podobný kanálu , sa podieľa na transporte, krivka bude lineárna (pri fyziologických, teda rozumných, koncentráciách X.). Neexistuje žiadna časovo náročná udalosť, ako je väzba X alebo veľká konformačná zmena v proteíne, ktorá obmedzuje rýchlosť reakcie pri vysokej [X]. (Poznámka: pre kanál krivka bude saturovať pri extrémne vysokých úrovniach X.)

    C. Pre obe krivky uvažujete o reakcii Xvon ---> Xv. Aký je teda rozdiel?

    1. V krivke #1 , pozeráte sa na to, ako koncentrácia Xv sa mení s časom (začínajúc pevnou koncentráciou Xvon) a pri pohľade na výnos -- aká je konečná hodnota [Xv]? Aká je hodnota [Xv] keď sa krivka #1 ustáli?

    2. V krivke #2 , pozeráte sa na sadzba absorpcie (toku) pre rôzne východiskové koncentrácie Xvon. Aký je sklon krivky #1 (pre rôzne počiatočné koncentrácie Xvon)?

    IV. Kinetika a vlastnosti každého typu dopravy -- Ako rozlíšiť prípady.

    A. Jednoduchá difúzia (Prípad 1)

    1. Krivka č. 1 (príjem alebo koncentrácia látky X vo vnútri vynesená v závislosti od času) plató pri [X]v = [X]von.

    2. Krivka č. 2 (prijatie X vynesené do grafu vs. koncentrácia X pridaného vonku) nenasýti.

    3. Energia: Rxn (X v <--> X von) je prísne reverzibilné. (Kekv = 1 štandardná zmena voľnej energie = 0 pri ekv. [X]v = [X]von).
    Aktuálna zmena voľnej energie a smer transportu závisí od koncentrácie X. Ak je [X] vonku vyššie, X pôjde dovnútra a naopak.

    4. Dôležitosť . Používajú steroidné hormóny, niektoré malé molekuly, plyny. Iba veci, ktoré sú veľmi malé alebo nepolárne, môžu použiť tento mechanizmus na prechod cez membrány. Materiály môžu difundovať do kapilár difúziou cez kvapalinu v priestoroch medzi bunky. (Bunky obklopujúce kapiláry nemajú tesné spojenia, s výnimkou mozgu.)

    B. Transport sprostredkovaný nosičom = uľahčená difúzia s použitím proteínového nosiča (prípad 3)

    1. Krivka č. 1 rovnaké ako vyššie.

    2. Krivka č. 2 nasýti. (Pozri Becker obr. 8-6)

    3. Mechanizmus: Nosič pôsobí ako enzým alebo permeáza s Vmax, Km atď. Pozri Becker obr. 8-8.

    4. Energia ako je uvedené vyššie -- látka prúdi nadol svojim gradientom, takže transport je reverzibilný v závislosti od relatívnych koncentrácií dovnútra a von.

    5. Nariadenie: Transportné proteíny môžu byť regulované najmenej 3 spôsobmi. Metódy a a b sú spoločné pre mnohé proteíny a sú tu uvedené len na porovnanie (podrobnosti inde). Metóda c je jedinečná pre transmembránové proteíny.

    a. alosterická spätná väzba inhibícia/aktivácia nosných proteínov

    b. kovalentná modifikácia (reverzibilná) nosných proteínov - bežné modifikácie sú

    (1). fosforylácia -- adícia fosfátových skupín -- katalyzovaná kinázami

    (2). defosforylácia -- odstránenie fosfátových skupín -- katalyzovaná fosfatázami.

    c. odstránenie/vloženie nosiča do membrán . Novo vyrobený transportný alebo pórový proteín je vložený do membrány vezikuly mechanizmom, ktorý bude diskutovaný neskôr. Fúzia vezikuly s plazmatickou membránou vkladá transportný proteín do plazmatickej membrány, kde môže podporovať transport. Vniknutie vezikuly späť do cytoplazmy odstráni transportný proteín a zastaví transport. Inzercia/odstránenie transportného proteínu fúziou/pučaním vezikuly môže byť reverzibilné. Príklad je uvedený nižšie v téme IV.

    Ak chcete vidieť, ako analyzujete príjem, skúste problém 2-1. Aby som všetko zatiaľ zhrnul, skúste 2-4.

    1. Krivka č. 1 -- To isté ako vyššie s výnimkou

    a. Veľmi vysoká miera dopravy -- Počiatočný sklon krivky č. 1 veľmi strmý.

    b. Kanály často vedú ióny. To má dôsledky. Plošiny krivky č. 1 ako vyššie s [X]v = [X]von iba ak X je neutrálny alebo tam nie je elektrický potenciál – pozri bod 4 nižšie.

    2. Krivka č. 2 : Tvar ako jednoduchá difúzia (lineárna, bez nasýtenia) pri fyziologických koncentráciách. (Plošiny zakrivenia iba pri mimoriadne vysokých koncentráciách, takže nepredpokladáme žiadne nasýtenie.)

    3. Mechanizmus. Nedostatočná saturácia a vysoká rýchlosť transportu naznačujú, že max. kapacita kanála je veľmi veľká a nie je ľahko dosiahnuteľná. To je vysvetlené jedným alebo oboma z nasledujúcich:

    a. Väzba iónu na kanálový proteín je slabá (Km >> 1) a/alebo

    b. Žiadna veľká konformačná zmena kanálového proteínu je potrebných na prechod iónu.

    Pozri Purves 44.6 (41.6) pre porovnanie iónových púmp a iónových kanálov Becker s. 203 (209) na porovnanie nosičových a kanálových proteínov. Všimnite si, že kanály sú veľmi špecifické napriek vlastnostiam a a b -- každý kanál prenáša iba jednu alebo veľmi malý počet príbuzných látok. (Mechanizmus špecifickosti nie je úplne pochopený, ale je aktuálnou horúcou témou výskumu.)

    4 . Terminológia. Difúzia cez kanál sa niekedy nazýva "uľahčená difúzia", ​​pretože proteín je potrebný (na vytvorenie kanála) na transport cez membránu. Avšak difúzia kanálom sa tiež niekedy nazýva "jednoduchá difúzia", ​​pretože rýchlosť transportu ako funkcia [X] je vo všeobecnosti lineárna, ako pre jednoduchú difúziu, ako je vysvetlené v bode #2 vyššie. Inými slovami, kinetika prechodu kanálom je lineárna (pri fyziologických koncentráciách X), ako jednoduchá difúzia - nie hyperbolická, ako pri transporte sprostredkovanom nosičom alebo pri štandardných reakciách katalyzovaných enzýmom. Možno najlepší výraz pre transport cez kanál je "kanálom sprostredkovaná difúzia".

    a. Niektoré kanály sú uzavreté = % času, kedy je konkrétna brána otvorená, je riadená (ale každá jednotlivá brána je buď úplne otvorená alebo zatvorená)

    (1). Ligandová brána - otvára alebo zatvára v reakcii na ligandy (= chemikálie, ktoré sa viažu na látku, o ktorej sa diskutuje). Typickými látkami, ktoré otvárajú ligandové hradlové kanály, sú hormóny, neurotransmitery atď. Pre obrázok pozri Purves 44.15 (41.14).

    (2). Napäťová brána - otvára alebo zatvára v reakcii na zmeny napätia. Umožňuje prenos elektrických signálov ako vo svaloch a nervoch - pozri obr. Becker. 9-9 a 9-10.

    (3). Mechanicky hradlo - otvára alebo zatvára v reakcii na tlak. Dôležité pre dotyk, sluch a rovnováhu.

    b. Niektoré kanály sú otvorené stále (negované) Príklad = K + únikové kanály. Tie umožňujú, aby malé množstvo K + opustilo alebo "uniklo" z buniek, čo spôsobuje, že bunky majú celkovo mierny negatívny náboj. Toto je rozhodujúce pre vedenie impulzov nervom a svalom, ako bude podrobne vysvetlené neskôr. Prečo únikové kanály dovoľujú odchádzať len "trochu" K +? Pozri nižšie.

    7. Väčšina kanálov sú iónové kanály -- transport nabitých častíc, nie neutrálnych molekúl. To vyvoláva nové energetické úvahy:

    a. Úloha poplatku: Ak je X nabitý, je potrebné zvážiť chemický gradient aj napätie zosilňovača (gradient náboja). Tieto môžu oba "tlačiť" ióny rovnakým spôsobom alebo v opačných smeroch.

    b. Výsledok účtovania: Kekv tu zvyčajne nie je 1 -- krivka č. 1 sa ustáli, keď je chemický gradient a napätie vyvážené (nie nevyhnutne pri [X]von = [X]v). Príklad: Ióny K + prestanú unikať z bunky a dosiahnete rovnováhu pre K +, keď rozdiel náboja cez bunkovú membránu (ktorý tlačí K + dovnútra) vyrovná rozdiel v koncentrácii cez membránu (čo vytláča K + von).

    Pozri problém 2-6, A. Môžete vylúčiť transport cez kanál?.

    D. Aktívny transport (prípady 4 a 5)

    1. Krivka č. 1 : keď sa ustáli, [X]v väčšie ako [X]von - pretože pohyb látky súvisí s nejakou inou reakciou uvoľňujúcou energiu. (To predpokladá, že sledujeme reakciu Xvon --> X v)

    2. Krivka č. 2 nasýti. Zapojené bielkoviny podobné enzýmom -- pôsobia ako transportér alebo pumpa.

    3. Energia: Nie je ľahko reverzibilné Kekv not = 1 a štandardná delta G not = nula. Celková reakcia má zvyčajne veľký negatívny štandard delta G, pretože v celková reakcia transport X (do kopca, proti gradientu) je spojený s veľmi klesajúcou reakciou, ako je znázornené na II. B. vyššie. Reakcia z kopca je buď

    a. Štiepenie ATP (v primárnom aktívnom transporte), príp

    b. Pohyb nejakého iónu (povedzme Y) smerom nadol po jeho gradiente (v sekundárnom aktívnom transporte).

    4 . Sekundárny aktívny transport -- Ako do toho zapadá ATP? Proces prebieha v 2 krokoch:

    a. Krok 1. Prípravná fáza: Štiepenie ATP vytvára gradient nejakého iónu (povedzme Y), zvyčajne katiónu.

    b. Krok 2. Sekundárny aktívny transport: Y beží dole jeho gradient a získaná energia sa používa na pohon X hore jeho spád. Pozri Becker obr. 8-10.

    c. celkovo: Krok (1) je primárny aktívny transportný krok (2) je sekundárny a môže pokračovať (v neprítomnosti ATP), kým sa gradient Y nerozptýli. Všimnite si, že krok (1) nemôže nastať vôbec bez ATP, ale krok (2) môže pokračovať bez akéhokoľvek ATP (na chvíľu).

    5. Ako odlíšite tieto dva typy? Primárne je priamo závislé od štiepenia ATP, sekundárne bude pokračovať aj v neprítomnosti ATP, kým gradient Y neklesne.

    Skúste problém 2-2.

    6. Niektoré príklady a možné mechanizmy (pozri leták 4B, texty a animácie modelov). Kliknite na odkazy pre animácie.


    Prednáška 05: Membrány a transport - Biológia

    BIOL 1013 - BIOLÓGIA BUNKY

    Nasledujúci text a materiál predstavujú kópiu niektorých mojich poznámok, ktoré tvorili základ niektorých mojich prednášok počas tretej časti kurzu Biológia bunky (BIOL 1013). Pozrite si prosím svoje poznámky, príručky a učebnicu (esenciálna bunková biológia, 2. vydanie, Alberts, et al. 2004 - zadania na čítanie sú v osnovách) pre ďalšie informácie. Ak si v nasledujúcom dokumente všimnete nejaké chyby, ocenil by som, keby ste ma na to upozornili. ÚLOHY NA ČÍTANIE uvedené v kapitolách 11, 12, 13 a 14 sa zhodujú s učebnicou esenciálna bunková biológia, 2. vydanie, Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts a Walter, 2004, publikované Garland Science - Taylor & Francis Group.

    Pre niektoré veľmi užitočné informácie navštívte nasledujúcu webovú stránku: Biológia I Animácie, filmy a odkazy na interaktívne výukové programy. Navštívte kategórie: Bunkový transport, Bunkové dýchanie a Fotosyntéza. Pozrite si najmä animácie z vydavateľstva McGraw-Hill Publisher's uverejnené na tejto stránke. Možno vám to príde dosť informatívne.

    ŠTRUKTÚRA A FUNKCIA MEMBRÁN

    Biologické membrány sú tvorené fosfolipidovou (hydrofóbne chvosty - mastné kyseliny a hydrofilné hlavy - fosfátová skupina) dvojvrstvou a proteínmi (periférnymi a integrálnymi alebo transmembránovými) proteínmi ==> Model štruktúry membrány s tekutou mozaikou.

    Ak sú konce mastných kyselín nenasýtené, ohýbajú sa, čo zvyšuje tekutosť membrány a robí ju nestabilnejšou. Iné lipidy, ako je cholesterol (zvieratá) a ergosterol (huby), sa integrujú do membrány.

    Vlastnosti biologických membrán

    Myšlienkový experiment: Kadička obsahujúca 2 % sacharózy sa opatrne umiestni do väčšej kadičky s destilovanou vodou. Sacharóza bude mať tendenciu difundovať z malej kadičky do väčšej kadičky pozdĺž koncentračného gradientu. Voda bude mať tiež tendenciu difundovať do kadičky z oblasti s vysokou koncentráciou (okolo destilovanej vody) do oblasti s nízkou koncentráciou (voda vytlačená prítomnosťou rozpustenej látky - sacharózy).

    Ak umiestnite na povrch malej kadičky semipermeabilnú membránu (t. j. priepustnú pre vodu, ale nepriepustnú pre sacharózu), potom sacharóza bariéru neprekročí, ale voda áno! Osmóza je pohyb vody cez rozdielne priepustnú membránu pozdĺž koncentračného gradientu.

    Potenciálna (uložená) energia vody = vodný potenciál vyjadrený v jednotkách tlaku (bary alebo megapascaly - Mpa). Keď má voda tendenciu pohybovať sa z oblasti s vyššou koncentráciou (vyšší potenciál) do oblasti s nižšou koncentráciou (alebo nižším potenciálom), označuje sa to ako vodný potenciál. Pridajte membránu, nazýva sa to osmotický potenciál.

    TONICITA (tonos = napätie)

    Použitie týchto výrazov je vždy vo vzťahu k inému riešeniu. Napríklad:

    TLAK TURGORU - Voda pohybujúca sa do bunky tlačí bunkovú membránu nahor proti bunkovej stene, čo spôsobuje tlak turgoru. Strata vody z vakuoly/cytoplazmy spôsobuje zmršťovanie bunkového obsahu alebo PLAZMOLÝZU. Strata vody z rastlinných buniek má za následok zvädnuté tkanivo!

    Červené krvinky alebo červené krvinky alebo erytrocyty:

    Uľahčená difúzia nastáva pomocou kanálika alebo nosného proteínu, brána sa otvára a zatvára alebo brána zostáva nepretržite otvorená. Proces funguje v koncentračnom gradiente a nevyžaduje žiadny vstup energie ==> PASÍVNA DOPRAVA!.

    AKTÍVNY TRANSPORT ==> transport látky cez membránu proti koncentračnému gradientu a vyžaduje si prísun energie (vysokoenergetická väzba z ATP).

    Nastavenie pre kotransport zvyčajne vyžaduje investíciu energie bunkou. Kanálový proteín prepúšťa jednu látku, ktorá preťahuje inú. Obe látky sa môžu pohybovať cez membránu spoločne (symport) alebo v opačných smeroch (antiport).

    Iónové čerpadlá využívajú elektrochemický gradient na pohon látok cez membránu.

    EXOCYTÓZA - obchádza membránový transport a umožňuje pohyb veľkých molekúl a množstiev cez membránu do bunky.

    Bunkové dýchanie – premena chemickej energie (nachádza sa v chemických väzbách, ktoré držia molekulu glukózy pohromade) na chemické väzby, ktoré držia fosfátové skupiny na adenozíntrifosfát (ATP). Proces je krok za krokom degradácia cukru sprostredkovaná v každom kroku špecifickým enzýmom.

    ATP = energetická mena. Analogicky so situáciou, že ak by glukóza bola jednodolárová bankovka, ATP by bola kopa niklov alebo halierov.

    Bunkové dýchanie sa môže vyskytnúť v prítomnosti alebo neprítomnosti kyslíka:

    Anaeróbny metabolizmus (neprítomnosť kyslíka) = fermentácia (alkoholové alebo mliečne kvasenie).

    Aeróbny metabolizmus (vyžaduje sa prítomnosť kyslíka) = Oxidačná fosforylácia.

    Anaeróbny aj aeróbny metabolizmus alebo dýchanie začína štiepením šesťuhlíkového cukru (glukózy) na dve molekuly trojuhlíkovej zlúčeniny nazývanej pyruvát. Tento proces sa nazýva GLYKOLÝZA (REAKCIE LÁKAJÚCE SA NA CUKOR) a začína v cytoplazme, Na spustenie glykolýzy sú potrebné dva ATP a výsledkom sú 4, čím sa čistý výťažok ATP rovná 2 ATP. Pyruvát sa môže použiť na aeróbne dýchanie (s kyslíkom) na získanie mnohých molekúl ATP (34 ATP) alebo na fermentáciu (výťažok iba 2 ATP + 2 NADH). Iba organizmy, ktoré majú eukaryotické bunky obsahujúce mitochondrie, sú schopné dýchať v prítomnosti kyslíka. Niektoré druhy baktérií a kvasiniek dokážu premeniť pyruvát na etanol (alkohol) a molekulu oxidu uhličitého (nachádza sa v pive, víne a kysnutom chlebovom cestíčku). Iné typy baktérií a živočíšnych buniek dokážu premeniť pyruvát na kyselinu mliečnu (nachádzajúcu sa v jogurte, kyslej kapuste a preťažených svaloch). Pretože sa glukóza rozkladá len čiastočne, málo energie sa zachytáva vo forme ATP (spolu 2 ATP a 2 NADH). Vieme to, pretože ak spálite alkohol, energia sa uvoľní vo forme tepla a svetla.

    Celková rovnica pre aeróbne dýchanie je:

    Pyruvát (zlúčenina s 3 atómami uhlíka) produkovaný glykolýzou sa ďalej rozkladá inými chemickými reakciami sprostredkovanými enzýmami, až kým sa nerozloží na nič iné ako na vodu a oxid uhličitý. K tomu dochádza počas procesu nazývaného KREBSOV CYKLUS (nazývaný aj cyklus TCA – cyklus trikarboxylových kyselín a cyklus kyseliny citrónovej). Počas tohto procesu molekuly 6NADH, 2FADH2a generujú sa 2ATP. Chemické reakcie Krebsovho cyklu produkujú produkty, ktoré sa ďalej živia samy sebou, pokiaľ je na začiatku procesu k dispozícii nepretržitá dodávka acetyl CoA generovaného z pyruvátu (produkujúceho jeden NADH). Produkty Krebsovho cyklu (NADH, FADH2) sa používajú na napájanie ďalšieho kroku dýchania, ktorým je elektrónová transportná oxidačná fosforylácia. Uvoľňujú sa elektróny a vodíkové ióny (poskytujú NAD+, FAD+). Elektróny sa presúvajú z jednej molekuly akceptora elektrónov do druhej. Tieto akceptory elektrónov sú uložené vo vnútornej membráne mitochondrií. Keď sa tieto pohybujú tam a späť cez membránu, energia obsiahnutá v týchto elektrónoch sa používa na presun ďalších vodíkov cez membránu do vonkajšieho oddelenia. Vodíky uvoľnené z NADH a FADH2, túto koncentráciu ešte zvýšte. Vodíkové ióny sa odstránia z vnútorného priestoru, keď sa spoja s elektrónmi a kyslíkom (konečným akceptorom elektrónov), čím sa získa voda. V dôsledku toho vzniká elektrochemický koncentračný gradient medzi vonkajším a vnútorným kompartmentom mitochondrií. Tieto ióny môžu nakoniec difundovať späť do vnútorného priestoru cez membránu prechodom cez kanálový proteín (ATPáza alebo ATP syntáza) - tento proces sa nazýva chemiosmóza Keď vodíkové ióny prechádzajú cez tento kanálový proteín, spájajú chemickú reakciu medzi ADP. a Pi na výrobu ATP. Odhaduje sa, že každá molekula NADH je zodpovedná za generovanie 3 molekúl ATP FADH2 = 2 ATP.

    Autotrofy – "self feeder". Príklady zahŕňajú fotosyntetické organizmy (napr. cyanobaktérie, zelené riasy a rastliny).

    Heterotrofy - "other feeder". Príklady zahŕňajú baktérie, niektoré protisty (napr. améby, paramecia, slizniaky), huby, nefotosyntetické parazitické rastliny (napr. dodder, indická fajka) a zvieratá.

    Metabolizmus – schopnosť získavať a využívať energiu.

    Pri každom prenose energie sa časť energie stratí vo forme tepla.

    Fotosyntéza - súbor reakcií sprostredkovaných enzýmami, pri ktorých sa svetelná energia zo slnka premieňa na energiu chemickej väzby glukózy a ATP.

    Celková chemická reakcia pre fotosyntézu je:

    U eukaryotov je organelou spojenou s fotosyntézou chloroplast. Chlorofyly a a b, pigmenty absorbujúce svetlo (spolu s doplnkovými pigmentmi, ako sú karotenoidy), sú vložené do tylakoidnej membrány, ktorá tvorí grana a membránový systém (vnútorná časť tylakoidu - pH 5,0) v chloroplaste. Grana a tylakoidný membránový systém sú obklopené strómou (pH 8,0).

    Prečo sú rastliny zelené? Prítomnosť pigmentu chlorofylu (a a b) v tylakoide spôsobuje, že chloroplast má zelenú farbu. Slnečné svetlo vo viditeľnom spektre elektromagnetického spektra sa skladá z rôznych vlnových dĺžok alebo farieb svetla. Keď svetlo zasiahne list, časť svetla sa pohltí, časť prejde alebo prejde cez list (ako svetlo cez filter) a zvyšok sa odrazí preč. Dôvodom, prečo sú listy zelené, je skutočnosť, že farby ako červená a modrá sa absorbujú, zatiaľ čo zelená a žltá sa odrážajú späť k vám. Keď svetlo dopadne na sietnicu oka, váš mozog to vníma ako zelenú farbu. Tento jav tiež vysvetľuje, prečo vidíme, že akýkoľvek objekt má jednu farbu oproti inej. Objekty, ktoré sú červené, odrážajú červené vlnové dĺžky svetla a absorbujú všetky ostatné vlnové dĺžky. Objekty, ktoré sú čierne, odrážajú málo svetla späť, väčšina svetla je absorbovaná, zatiaľ čo objekty, ktoré sa zdajú byť biele, väčšinu svetla odrážajú, málo svetla je absorbované.

    Slnečné svetlo obsahuje energiu, ktorú je možné za správnych podmienok premeniť na iné formy energie: napr. energiu chemickej väzby, elektrinu, kinetickú energiu, teplo atď.

    Svetlo má vlnové aj časticové vlastnosti. Balíky energie nazývané fotóny. Čím je vlnová dĺžka svetla kratšia, tým viac energie obsahuje na fotón. Čím dlhšia je vlnová dĺžka svetla, tým menej energie obsahuje na fotón. Vlnové dĺžky svetla sa merajú vo veľmi malých jednotkách nazývaných nanometre.

    Fotosyntéza prebieha v dvoch hlavných krokoch: (1) Počas reakcií závislých od svetla je svetelná energia zachytená pigmentmi v chloroplastoch a voda sa štiepi na vodíkové ióny, elektróny a kyslík. Keď svetlo dopadá na elektróny atómu horčíka, dochádza k jeho vzrušeniu. Elektróny sú preskočené na vyššiu energetickú hladinu a energia sa prenáša fluorescenciou (prostredníctvom fotónov s dlhšími vlnovými dĺžkami a menšou energiou) z jednej molekuly pigmentu na druhú v komplexe antén, až kým nie je "zachytená" v reakčnom centre. Tento energetický elektrón je privádzaný do elektrónového transportného systému uloženého v tylakoidnej membráne chloroplastu. Elektróny vznikajú rozkladom vody (fotolýza), pri ktorej sa uvoľňujú vodíkové ióny a kyslík. Elektróny sa pohybujú od jedného akceptora elektrónov k druhému v tylakoidnej membráne, začínajúc vo fotosystéme II (P680) a pohybujú sa cez fotosystém I (P700). Energetické elektróny a vodíkové ióny sa používajú na tvorbu ATP necyklickou fotofosforyláciou a chemiosmózou (vodík prechádzajúci cez kanálový proteín, ATPázu alebo ATP syntázu) a NADPH (z NADP+). Energia pôvodne vo svetle je teraz prítomná v chemických väzbách spojených s ATP a NADPH. Uvedená metóda (necyklická fotofosforylácia) sa vyskytuje u eukaryotických rastlín - rias, machov, papradí, ihličnanov a kvitnúcich rastlín. Cyklická fotofosforylácia sa vyskytuje v prokaryotoch (cyanobaktériách), pričom elektróny sa používajú znova a znova. Všimnite si, že pri cyklickej fotofosforylácii sa nevytvára žiadny kyslík ani NADPH.

    (2) Reakcie závislé od svetla sú spojené so systémom tylakoidnej membrány. Energia v ATP a NADPH sa využíva počas reakcií nezávislých od svetla na "fixáciu" uhlíka v CO2 produkciou komplexnejších sacharidov. Séria enzýmovo sprostredkovaných chemických reakcií zodpovedných za zachytávanie a inkorporáciu "plynného uhlíka" do "pevných" uhlíkových zlúčenín sa nazýva CALVIN-BENSONOV CYKLUS (tiež označovaný ako C3 fotosyntéza). Enzým, ktorý na začiatku spustí proces reakciou s CO2 sa nazýva ribulózabisfosfátkarboxyláza. Toto je najhojnejší prirodzene sa vyskytujúci proteín produkovaný na Zemi.


    Bunková biológia 05: Cytoskelet I. časť: Aktín

    The cytoskelet je pre bunku veľa vecí: štrukturálne lešenie, ktoré dáva bunke tvar, vnútrobunkový transportný systém, hnacia sila bunkovej motility a mediátor bunkového delenia, aby sme vymenovali aspoň niektoré z najdôležitejších. V súlade s tým dostane cytoskelet dve prednášky, venované jeho dvom najdôležitejším častiam: tento týždeň o aktíne (červená dole) a budúci týždeň o mikrotubuloch (zelená pod modrou sú jadrá).

    Cytoskelet je dynamická 3D proteínová sieť spojená s membránou a niektorými organelami. Cytoskelet má tri prvky, z ktorých každý predstavuje reťazec špecifických proteínových jednotiek:

    Keďže cytoskelet je modulárny, pozostáva z polymérov jednotlivých proteínov, môže sa rozširovať alebo sťahovať, aby zmenil tvar bunky, pohyboval sa a reagoval na podnety. Cytoskeletálne systémy sa medzi typmi buniek značne líšia, pričom čiastočne reagujú na signály prijaté zvonka bunky.

    Dnešná prednáška sa zameria na mikrovlákna, ale tu je stručný úvod k ďalším dvom veciam. Mikrotubuly sa rozprestierajú po celej bunke a poskytujú organizačný rámec pre organely. Dávajú tvar riasinkám a bičíkom v eukaryotoch a tvoria vretienka, ktoré oddeľujú sesterské chromatidy počas mitózy. Intermediárne filamenty sú tkanivovo špecifické. Podporujú jadro a jadrovú membránu, poskytujú bunkovú štrukturálnu podporu a podporujú tvorbu bariéry vo vlasoch, pokožke a nechtových bunkách. Pokiaľ je nám známe, nemajú žiadnu transportnú úlohu, t.j nie substráty pre pohyb motorických proteínov. Naproti tomu mikrofilamenty a mikrotubuly slúžia ako transportné systémy. Kinesín a dyneín, poháňané ATP, chodia po mikrotubuloch (anterográdnych a retrográdnych, v uvedenom poradí), ako bude podrobnejšie opísané v nasledujúcej prednáške. Myozín kráča po aktínových mikrofilamentoch, na čo sa zameriava dnešná prednáška.

    Mikrofilamenty sú polyméry aktínu. Môžu vytvárať zložité štruktúry tak, že ich držia pohromade rôznymi spôsobmi pomocou závratnej rozmanitosti proteínov viažucich aktín. Mikrofilamenty organizujú plazmatickú membránu: živočíšne bunky majú ‘bunkovú kôru‘, čo je vrstva bohatá na aktín tesne pod membránou. Aktín tiež tvorí kontraktilný prstenec, ktorý počas mitózy spája bunku na dve časti.

    Tvorba aktínového mikrovlákna je zobrazená vo videu Inner Life of the Cell, hoci je to možno moja najmenej obľúbená časť tohto skutočne úžasného videa. Susan Lindquist poukázala na to, že toto video prináša dve veľké obete, aby to, čo sa deje v bunke, bolo vizuálne zrozumiteľné: (1) koncentrácia a (2) rýchlosť. Na rozdiel od elegantného negatívneho priestoru videa sú všetky molekuly v bunke zbalené tesne vedľa seba, posúvajú sa jedna po druhej a neustále interagujú. Molekuly sa pri telesnej teplote pohybujú rýchlosťou asi 25 míľ za hodinu, zatiaľ čo bunka má priemer iba 10-30 μm [wikibooks], čo znamená, že každá sekunda poskytuje astronomické množstvo príležitostí na molekulárne interakcie. Tieto dva faktory – rýchlosť a hustota – sú kľúčové pre všetko, čo sa deje v bunke a ich vynechanie je nevyhnutnou obeťou pre akékoľvek zobrazenie videa, no pre mňa je to obzvlášť problematické pri zobrazovaní tvorby aktínu. Toto video vyzerá, že aktínové proteíny sa vedia spojiť mágiou, aby vytvorili vlákna:

    Aktínové mikrofilamenty tiež tvoria lamellipódie a filapódie, dve štruktúry kritické pre pohyb pohyblivých buniek vpred. Lamellipodia sú sieťovitá sieť aktínových filamentov vo vnútri cytoplazmy, ktoré predlžujú hladkú prednú hranu v ‘predu’ migrujúcich buniek. Filapodia sú prstovité, špicaté výbežky aktínových filamentov, ktoré siahajú viac do zubatého okraja. Obidve sú potrebné pre správnu migráciu buniek v niektorých bunkách a obe sa skladajú z aktínu – len s rôznymi organizačnými proteínmi, ktoré vedú k rôznym superštruktúram mikrofilamentov. Aktín je tiež štrukturálnou zložkou mikroklkov, čo je ďalšia vlastnosť pozorovaná len v niektorých typoch buniek (črevá a vajíčka) a stresové vlákna dôležité pre svalovú kontrakciu a adherované spojenia, ktoré spájajú bunky (epiteliálne bunky a kardiomyocyty).

    Aktín prichádza v troch hlavných izoformách (a niekoľkých menších, o ktorých sa tu nebudeme venovať). Veľké tri sa predvídateľne nazývajú alfa-aktín, beta-aktín a gama-aktín a sú kódované tromi génmi ACTA1, ACTB a ACTG1. Každá izoforma je

    25 z nich sa líši medzi týmito tromi izoformami – a iba 20% z nich sa líši medzi druhmi od rias po ľudí, čo naznačuje silnú ochranu. Ale táto malá variabilita vedie k veľkým rozdielom vo funkcii medzi izoformami. Alfa je dôležitá v kontraktilných štruktúrach, ako je kontraktilný krúžok pre mitózu beta je dôležitá v bunkovej kôre a na prednej hrane pohyblivých buniek (lamellipodia a filapódia) a gama je dôležitá v stresových vláknach. Súhrnne tieto tvoria 10 % bunkovej hmoty vo svalových bunkách [podľa triedy 20 % podľa Wikipédie].

    Bez ohľadu na izoformu (alfa/beta/gama), aktín sa nazýva G-aktín (pre g lobulárny), keď je to monomér a F-aktín (pre vláknitý), keď je polymér. Aktínové monoméry sú polárne s ‘ostnatým’ (+) koncom a ‘špicatým’ (-) koncom. V lúčoch cytoskeletu (+) koniec smeruje k povrchu bunky a (-) smeruje k stredu bunky. (-) koniec má štrbinu viažucu ATP a aktín musí viazať buď ADP alebo ATP, aby vôbec polymerizoval, s oveľa vyššou inklináciou k polymerizácii, keď je viazaný ATP, ako keď je viazaný ADP. Aktíny zvyčajne viažu aj ión (najčastejšie Mg2+, niekedy K+ alebo Na+) a koncentrácie iónov určujú, či sa uprednostňuje tvorba alebo disociácia vlákna.

    Uvádza sa, že tvorba vlákna prebieha v troch krokoch:

    1. Nukleácia. Toto je krok limitujúci rýchlosť – aktínové monoméry majú obmedzenú afinitu na vytváranie oligomérov medzi sebou, ale vyššiu afinitu na spojenie s existujúcim vláknom. Je to ako, že je najťažšie zarobiť váš prvý milión alebo ako nikto nechce prísť na párty, kým nevie, kto tam ešte bude. Konkrétne aktínové diméry sa veľmi ľahko disociujú, ale akonáhle sa vytvorí trimér, je relatívne stabilný a môže pôsobiť ako zárodok na prilákanie iných molekúl G-aktínu. Vraj na tango treba troch.
    2. Predĺženie. Akonáhle dôjde k nukleácii a za predpokladu, že koncentrácie iónov a G-aktínu to podporujú, vlákno sa rýchlo predĺži.G-aktínové monoméry uprednostňujú pripojenie k (+) koncu vlákna, takže tento koniec bude rásť rýchlejšie, ale v mnohých podmienkach bude rásť aj (-) koniec.
    3. Ustálený stav. Nakoniec vlákno narastie až tam, kde sú okolité koncentrácie G-aktínu a potrebných iónov vyčerpané natoľko, že rýchlosť disociácie aktínového monoméru z vlákna sa rovná rýchlosti predlžovania. K disociácii dochádza viac na (-) konci a k ​​predlžovaniu viac na (+) konci, takže aj v rovnováhe je vlákno stále dynamické a má vzhľad ‘bežiaceho pásu’.

    Vyššie uvedené je miernym zjednodušením, pretože nukleácia vlákna a rovnováha medzi predĺžením a disociáciou tiež závisí od proteínov viažucich aktín. Profilíny (gény: PFN1-4) sú malé proteíny, ktoré podporujú výmenu ADP za ATP v aktínovej štrbine: viažu sa na (+) koniec G-aktínu viazaného na ADP, keď je ATP hojnejší, a uvoľňujú ADP, čo umožňuje dôjde k výmene. Profilín tiež blokuje (-) konečný rast, čím ďalej podporuje ‘treadmilling’. Kofilíny (gény: CFL1, CFL2, DSTN) krútia a destabilizujú vlákna, čím podporujú disociáciu. Tymozín beta 4 (gén: TMSB4X) je ďalší malý proteín, ktorý viaže ATP-viazaný aktín a fyzicky blokuje pridávanie do vlákna na oboch koncoch –, čím zabraňuje nadmernému predlžovaniu filamentov v podmienkach hojného ATP.

    Iné proteíny môžu úplne ‘uzavrieť’ konce vlákna, čím zabránia zloženiu alebo rozloženiu. CapZ (gény: CAPZA1-3, CAPZB) sú (+) koncovo špecifické, tropomodulíny (gény: TMOD1-4) sú (-) koncovo špecifické a nachádzajú sa v nepohyblivých bunkách, ktoré, keďže sa nepohybujú, chcú byť stabilné , neexpandujúce aktínové filamenty a gelsolin (gén: GSN) je (+) koncový špecifický a má schopnosť oddeľovať filamenty závislú od Ca2+.

    Nukleáciu podporujú ‘aktín nukleujúce proteíny’, ktoré pomáhajú spájať monoméry. Formíny (veľa génov) pomáhajú vytvárať dlhé, rovné vlákna a dimér Arp2/3 (gény: ARPC2 & ARPC3) pomáha vytvárať rozvetvené vlákna, napríklad v lamellipódiách.

    Formíny majú dve domény (nazývané FH1 a FH2 pre homológiu formínu 1 a 2), ktoré tvoria komplex v tvare šišky, ktorý podporuje predĺženie na (+) konci. Konkrétne, FH1 je bohatý na prolín a profilín (pozri vyššie) je priťahovaný doménami bohatými na prolín. Formín teda visí na (+) konci F-aktínu a získava profilín, ktorý priťahuje G-aktín viazaný na ATP, ktorý sa potom môže pridať do vlákna. Formín tak účinne pôsobí na zvýšenie miestne koncentrácia G-aktínu nad kritickým prahom pre predĺženie. Zabraňuje tiež zakrývaniu (+) konca.

    Samotný formín je regulovaný Rho G-proteínmi. Pamätajte, že G-proteín znamená GTPázu, proteín, ktorý môže viazať GTP a hydrolyzovať ho na GDP ako zdroj energie. Určité extracelulárne signály môžu aktivovať Rho-GEF (ľubovoľný z množstva rôznych proteínov s jednou zdieľanou doménou) na načítanie Rho s GTP. Keď (a iba vtedy), keď je Rho viazaný na GTP, ‘otvorí’ formin do konfigurácie donutov, aby mohol vykonávať svoju prácu.

    Arp v Arp2/3 znamená proteín súvisiaci s aktínom. Aby mohol vykonávať svoju prácu pri podpore vetvenia vlákna, potrebuje NPF (faktor podporujúci nukleáciu) a tiež WASp (proteín Wiskott-Aldrichovho syndrómu). Keď sa Arp aj WASp naviažu na strane vlákna (t. j. nie na (+) alebo (-) konci), umožňujú vytvorenie nového vlákna na tejto strane s jeho (-) koncom smerujúcim do kmeňa pôvodného vlákna. Tento proces je tiež regulovaný Rho proteínom, Cdc42 (gén: CDC42), ktorý (keď je naviazaný na GTP) reguluje WASp, ktorý následne aktivuje Arp2/3.

    Rod baktérií tzv Listeria prišli na to, ako uniesť naše aktínové systémy vo svoj vlastný prospech. Listeria má svoj vlastný aktínový proteín, ActA, ktorý využíva vaše vlastné bunky’ Arp2/3 na získavanie vašich vlastných aktínových monomérov na vytvorenie ‘kométy’, ktorá ho poháňa okolo bunky, ako je znázornené v tomto videu:

    Na štúdium aktínu vedci často používajú:

      od Amanita death caps, ktorý sa viaže na aktínové vlákna (a stabilizuje ich, bráni depolymerizácii) – to je dôvod, prečo je toxický a prečo je užitočný na zobrazovanie, aby ste videli, kde je aktín z huby, ktorá viaže G-aktín na zabraňujú tvorbe filamentov, blokujú pohyblivosť buniek a cytokinézu z plesní, čím sa uzatvára (+) koniec filamentov, čím sa bráni predlžovaniu
  • jaspakinolid zo špongií [pozri Bubb 2000], ktorý podporuje nukleáciu stabilizáciou aktínových dimérov, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť, že zostanú spolu dosť dlho na to, aby vytvorili trimér, v ktorom sa môžu začať predlžovať na vlákno. Tým účinne znižuje kritickú koncentráciu G-aktínu potrebnú na tvorbu filamentov.
  • Aktínové filamenty sú samozrejme usporiadané do rôznych nadstavieb. Sieťovacie proteíny pomáhajú určiť, aká štruktúra sa vytvorí. Okrem Arp2/3, ktorý, ako už bolo spomenuté, podporuje vetvenie, sú tiež dôležité nasledujúce:

      viaže dve blízko seba ležiace vlákna s rovnakou polaritou (t. j. ‘zahrotené’ rovnakým smerom), ktoré sú dôležité pre tvorbu týchto zubatých hrotov vo filapódiách. (gén: ACTN1), väčší proteín, môže viazať dve vlákna, ktoré sú od seba ďalej ako fimbrín. (gény: FLNA, FLNB, FLNC) je akýmsi ‘závesom’, ktorý spája dve aktínové vlákna pod veľkým uhlom a pomáha tak vytvárať sieť aktínových filamentov.
    • ERM proteíny (ezrin, radixin a moesin) spájajú paralelné aktínové filamenty, s ich (+) koncami smerujúcimi von do špičiek mikroklkov. je tetramér tvorený 2 alfa (gény: SPTA1, SPTAN1) a 2 beta (gény: SPTB, SPTBN1,2,4,5) podjednotkami orientovanými v opačných smeroch. Spekrínový komplex viaže jedno aktínové vlákno na každom konci a je kritickou súčasťou vytvárania trojuholníkov, ktoré tvoria šesťuholníky v kôre bunky (pozri nižšie).

    (vďaka používateľovi Wikimedia Commons kupirijo)

    Tento spektrínový tetramér je znázornený v Inner Life of the Cell:

    Doteraz sme hovorili o štruktúrnej úlohe mikrofilamentov. Majú tiež transportnú úlohu, slúžia ako akási súprava vlakových dráh pre pohyb motorových proteínov poháňaných ATP. Myozín je hlavný motorický proteín, ktorý pôsobí na mikrofilamenty. Má ‘hlavu’, ktorá viaže aktín aj ATP, ‘krk’, ktorý funguje ako páka – jeho dĺžka určuje krok, ktorým myozín kráča – a ‘chvost’ ktorý viaže náklad, ktorý sa má prepraviť. Chvost je veľmi variabilný, pretože jeho sekvencia určuje, aký náklad bude viazaný. Hlava musí spáliť jednu molekulu ATP za každý ‘krok’, ktorý urobí. Myozíny sú obrovská rodina proteínov, ktoré prichádzajú v 13 rôznych triedach (gény začínajúce MYO, MYH a MYL – H a L sú pre zložky ťažkého a ľahkého reťazca). Tu je len niekoľko tried:

    • Myozíny triedy I spájajú aktínové vlákna s bunkovou membránou a podieľajú sa na endocytóze. Majú len jednu ‘hlavu’, ktorá viaže aktín a ATP.
    • Trieda II robí svalovú kontrakciu. Majú dve ‘hlavy’, ktoré im umožňujú ‘chodiť’ striedaním, ktorá hlava sa viaže.
    • Trieda V je dvojhlavá a ‘chodí’ smerom k (+) koncu vlákien, no zdá sa, že väčšinu času trávia len chôdzou na bežiacom páse: vezikuly neprenášajú ani tak, ako len ich udržujú v bunková periféria. V kvasinkách organizuje organely vďaka svojej oblasti dlhého krku a 6 ľahkých reťazcov a chvostov. Ale u zvierat sa mikrotubuly (téma na budúci týždeň) zaoberajú organizáciou organel.
    • Trieda VI je dvojhlavá a je triedou, ktorá môže ‘kráčať’ smerom k (-) koncu, pričom vykonáva retrográdny pohyb, ktorým sa endocytické vezikuly dostanú hlbšie do bunky.

    Ľudia študovali pohyby myozínu in vitro pomocou testu kĺzania vlákien: pripevnite myozín na sklenenú stranu a potom pridajte ATP a fluorescenčne označené aktínové vlákna a uvidíte, akým smerom sa pohybujú. vlákna pohybovať sa. Toto sú experimenty, ktoré odhalili, že väčšina myozínov (všetky okrem triedy VI) sa pohybuje smerom k (+) koncu, čo môžete vidieť, pretože myozíny tlačia (-) koniec smerom von, keď je myozín priviazaný a vlákno sa voľne pohybuje. .

    Keď sa pozriete na svalové vlákna pod mikroskopom, uvidíte dve hlavné časti: hrubé vlákna, ktoré sú myozín II, a tenké vlákna, ktoré sú aktínom. Keď motorické neuróny vystrelia na svalové bunky, postsynaptické dráhy signalizujú sarkoplazmatickému retikulu (špeciálne slovo pre ER vo svalových bunkách), aby uvoľnilo svoje zásoby Ca2+. Myozín II je závislý od Ca 2+, takže keď sa vápnik ponáhľa do cytosólu, myozín II začne spaľovať ATP, aby sa pokúsil ‘vyšplhať’ smerom k (+) koncu aktínu, ale keďže to robí toto z oboch koncov, v skutočnosti sa nepohybuje, ale namiesto toho priťahuje aktínové vlákna bližšie k sebe. To je svalová kontrakcia na molekulárnej úrovni. Tu je to vo forme videa:

    A ešte trochu oddialené:

    Mobilita buniek je dôležitá pre hľadanie potravy a vyhýbanie sa koristi v jednobunkových organizmoch a pre embryonálny vývoj, uzatváranie rán a kontrolu infekcií/ochorení u mnohobunkových organizmov. Aby sa bunky mohli presunúť, musia mať ‘predné’ a ‘zadné’. Vpredu aktínové vlákna predlžujú bunku dopredu prostredníctvom predlžujúcich sa lamellipódií a filapódií. Tieto bunky majú tiež akési ‘spodné’, kde membránové proteíny, ako je integrín, priľnú k extracelulárnej matrici (alebo sklenenému sklíčku atď. v laboratóriu), v porovnaní s ktorým dochádza k pohybu. V ‘zadnej’ bunke kontrakcia myozínu II / stresového vlákna ťahá bunku preč zo starých adhéznych miest – adhézne proteíny často prasknú, pričom chvosty sú stále naviazané na starý adhézny povrch a hlavičky endocytujú do bunky . Na prednej a zadnej strane sa adaptorové proteíny (Arp2/3 a formín) pripájajú k aktínovej sieti k plazmatickej membráne prostredníctvom membránovo ukotvených G proteínov: vpredu sa Arp2/3 viaže na membránovo ukotvené G proteíny. Extracelulárne signály často indukujú pohyb bunky signalizáciou prostredníctvom G proteínov, najmä proteínov rodiny Rho vrátane Rac, Cdc42, GDI (inhibítor vytesnenia/disociácie HDP).

    diskusná sekcia

    Suraneni 2012 študoval myšie fibroblasty homozygotné pre knockout ARPC3, takže nemajú žiadny funkčný komplex Arp2/3. Bunky neboli schopné vytvárať lamellipódie. Stále tvorili niečo, čo sa strašne podobalo filopódiám, ale čo Suraneni na molekulárnej úrovni necharakterizoval. Bunky sa stále pohybovali, ale chýbala im smerovanosť – pohybovali sa skôr ako náhodná prechádzka, a keď sa pridal gradient epidermálneho rastového faktora (EGF), pohybovali sa rýchlejšie, ale nedokázali posunúť gradient tak, ako sa predpokladalo.

    O Ericovi Vallabhovi Minikelovi

    Eric Vallabh Minikel sa celoživotne snaží predchádzať priónovej chorobe. Je to vedec pôsobiaci na Broad Institute of MIT a Harvard.


    Časť 2: Striedavý prístup k transportéru glukózy

    00:00:09.01 Ahoj. Som Nieng Yan.
    00:00:10.05 Som profesor na lekárskej fakulte,
    00:00:13.28 Univerzita Tsinghua, Peking, Čína.
    00:00:15.02 Vitajte v sérii seminárov iBiológia.
    00:00:17.25 V 2. časti
    00:00:19.13 Chcel by som sa s vami podeliť
    00:00:20.29 jeden veľký výskumný záujem v mojom laboratóriu.
    00:00:24.03 Teda objasnenie štruktúry
    00:00:25.29 jedného veľmi základného fyziologického procesu
    00:00:29.16 bunkový príjem glukózy.
    00:00:33.25 Všetci vieme, že glukóza je primárnym zdrojom energie
    00:00:37.10 pre väčšinu životov na Zemi.
    00:00:39.28 Z učebnice biochémie
    00:00:42.23 alebo bunková biológia,
    00:00:44.10 všetci ste sa dozvedeli, ako sa spaľuje glukóza
    00:00:48.08 na uvoľnenie energie na podporu života.
    00:00:50.14 Prostredníctvom glykolýzy vieme,
    00:00:52.08 jedna molekula glukózy je rozdelená na
    00:00:55.29 dve molekuly pyruvátu,
    00:00:57.06 a počas tohto procesu
    00:00:59.01 vygenerujú sa dve molekuly ATP.
    00:01:01.23 A v aeróbnych podmienkach
    00:01:05.13 molekuly pyruvátu
    00:01:08.06 sa ďalej spaľujú prostredníctvom cyklu TCA,
    00:01:10.24 alebo cyklus kyseliny citrónovej,
    00:01:13.02 a reťazec prenosu elektrónov,
    00:01:15.17 vytvárať oxid uhličitý.
    00:01:20.03 A počas tohto procesu.
    00:01:21.20 Ak ide o úplný metabolizmus,
    00:01:24.05 potom sa môže použiť jedna glukóza
    00:01:26.26 produkujú viac ako 30 molekúl ATP.
    00:01:30.00 To je energetická mena pre celý život.
    00:01:34.13 Pred metabolizmom glukózy však
    00:01:38.12 je tu tiež jeden kritický krok
    00:01:40.17 -- to znamená prijať glukózu do bunky.
    00:01:44.15 Od 1. časti
    00:01:46.07 Už som vám povedal, že glukóza
    00:01:47.28 je vysoko hydrofilný,
    00:01:51.08 to znamená, že sú rozpustné vo vode.
    00:01:52.08 Cela je však obkľúčená
    00:01:56.22 hydrofóbnu lipidovú dvojvrstvu.
    00:01:57.26 Takže glukóza nemôže vstúpiť do bunky
    00:02:00,02 prostredníctvom voľnej difúzie.
    00:02:01.13 Musia existovať rôzne bielkoviny
    00:02:04.24 sprostredkovať tento proces.
    00:02:06.18 Tieto proteíny sa nazývajú transportéry glukózy.
    00:02:10.14 Takže, ako tu vidíme,
    00:02:14.19 transportér glukózy je dôležitý,
    00:02:16.16 je nevyhnutný pre bunkový príjem glukózy.
    00:02:20.07 A v priebehu rokov
    00:02:23.14 identifikovali sme rôzne typy transportérov glukózy,
    00:02:27.01 a identifikujú sa ďalšie transportéry glukózy,
    00:02:31.06 ale medzi všetkými tými
    00:02:33.03 tie najprísnejšie charakterizované
    00:02:37.13 sa nazývajú GLUT, ako je uvedené tu,
    00:02:38.25 G-L-U-T,
    00:02:40.26 transportéry glukózy.
    00:02:43.18 Takže v ľudských telách,
    00:02:47.22 existuje obrovská rodina tzv
    00:02:49.15 superrodina hlavných facilitátorov,
    00:02:51.07 a GLUTs patria do tejto rodiny.
    00:02:52.16 Aj v rámci rodiny GLUT
    00:02:54.23 existuje 14 rôznych izoforiem
    00:02:57.01, ktoré vykazujú tkanivovú špecifickosť
    00:02:59.28 a substrátovej špecifickosti.
    00:03:02.05 Ako je zhrnuté napr.
    00:03:05.04 GLUT1 funguje v mozgu a červených krvinkách,
    00:03:08.28 a GLUT2 je pre pečeň.
    00:03:11.28 GLUT3 sa tiež nazýva neuronálny transportér glukózy,
    00:03:14.27 čo naznačuje, že funguje v neurónoch.
    00:03:17.10 A GLUT4 je veľmi známy
    00:03:19.14 -- prijíma glukózu do adipocytov a svalových buniek.
    00:03:24.27 Takže toto sú štyri najznámejšie GLUT
    00:03:28.19 -- GLUT 1, 2, 3, 4.
    00:03:30.13 A pre ďalších 10 rôznych izoforiem,
    00:03:32.28 žiaľ, pre niektorých z nich
    00:03:35.07 ich substráty zostávajú necharakterizované.
    00:03:38.24 Oh, okrem toho, pre tieto transportéry glukózy,
    00:03:41.07 napriek ich vzájomnej sekvenčnej podobnosti,
    00:03:44.00 v skutočnosti môžu mať
    00:03:47.11 rôzne väzbové afinity pre glukózu
    00:03:51.06 a pre iné podobné cukry,
    00:03:54.19 a majú rôzne miery obratu.
    00:03:56.24 Napríklad GLUT1 môže zabrať
    00:04:00,25 až 1200 glukózy za sekundu,
    00:04:04.09 ale je to tak. áno, je to veľmi rýchle.
    00:04:06.13 však GLUT3.
    00:04:08.19 pre GLUT3 je číslo 6000.
    00:04:10.09 je päťkrát rýchlejší ako GLUT1,
    00:04:13.15 a to je úžasné.
    00:04:15.05 Kvôli ich zásadným
    00:04:18.02 význam vo fyziológii,
    00:04:19.28 viete si predstaviť,
    00:04:21.10 nesprávne fungovanie alebo nesprávna regulácia týchto proteínov
    00:04:24.29 sú spojené s rôznymi chorobami.
    00:04:28.17 Napríklad syndróm nedostatku GLUT1
    00:04:31.20 je v skutočnosti zriedkavé genetické ochorenie
    00:04:34.13 prejavujúce sa skorým nástupom záchvatov
    00:04:37.24 alebo spomalený vývoj.
    00:04:40.10 A GLUT2, pretože je spojený s pečeňou.
    00:04:43.15 takže mutácie GLUT2
    00:04:46.11 sú spojené s
    00:04:50.12 typ choroby nazývaný Fanconi-Bickelov syndróm.
    00:04:52.24 A ukazuje to stále viac a viac dôkazov
    00:04:57.02 GLUT1 a GLUT3 sú nadmerne exprimované v rakovinových bunkách,
    00:05:01.19 najmä bunky solídneho nádoru,
    00:05:04.11 kvôli takzvanému Warburgovmu efektu.
    00:05:06.01 Práve som vám povedal,
    00:05:08.26 bez kyslíka môže byť jedna glukóza
    00:05:11,23 premenený na pyruvát.
    00:05:13.01 Počas tohto procesu sa generujú dve molekuly ATP.
    00:05:15.17 Avšak v prítomnosti kyslíka
    00:05:18.23 teda aromatické.
    00:05:20.18 alebo, prepáčte, aeróbne podmienky,
    00:05:22.28 približne. Teda viac ako 30 molekúl ATP
    00:05:25.02 možno vygenerovať.
    00:05:26.10 Pre solídne nádory,
    00:05:27.26 zvyčajne je to v hypoxických podmienkach.
    00:05:30.23 To je. viete, to znamená, že môže len.
    00:05:34.22 jedna glukóza môže generovať iba dva ATP.
    00:05:37.10 V dôsledku toho viac transportérov glukózy
    00:05:39.25 musia byť vyjadrené
    00:05:43.14 prijať viac cukru
    00:05:46.08 kompenzovať tieto sumy.
    00:05:47.23 A pre GLUT4,
    00:05:49.12 vďaka tomu je veľmi známy
    00:05:51.10 jeho spojenie s diabetes mellitus 2. typu
    00:05:54.17 a obezita.
    00:05:56.29 Takže, ako som práve spomenul,
    00:05:59.03 glukózové transportéry patria medzi
    00:06:01.12 takzvaná superrodina hlavných facilitátorov.
    00:06:04.25 V skutočnosti
    00:06:06.27 sú to prototypy tohto
    00:06:09.10 najväčšia sekundárna aktívna rodina transportérov.
    00:06:12.22 A pre členov tejto rodiny,
    00:06:16.00 v skutočnosti sú rozšírené medzi druhmi,
    00:06:19.04 z baktérií na ľudí.
    00:06:20.17 A členovia tejto rodiny
    00:06:22.07 majú veľmi široké spektrum substrátov,
    00:06:25.22 z iónov, cukrov,
    00:06:28.07 aminokyseliny alebo dokonca peptidy.
    00:06:31.05 A pokiaľ ide o dopravné mechanizmy,
    00:06:35.26 ak ste už sledovali 1. časť,
    00:06:39.08 v skutočnosti môžu byť členovia tejto rodiny
    00:06:42.02 uniporteri, symporteri alebo antiporteri.
    00:06:44.15 To je z hľadiska zamerania dopravy.
    00:06:47.00 A ako som vám tiež povedal,
    00:06:49.20 všeobecný striedavý prístup
    00:06:53.18 model alebo mechanizmus
    00:06:55.08 bol navrhnutý na vyúčtovanie
    00:06:56.29 pre všetky sekundárne transportéry.
    00:06:58.23 Najmä pre členov MFS,
    00:07:01.05 to funguje veľmi dobre.
    00:07:02.27 A mysleli sme si, že preto
    00:07:04.24 GLUT sú prototypy v chápaní tejto rodiny,
    00:07:07.17 teda štrukturálna a biochemická charakterizácia GLUT
    00:07:12.17 môže tiež vniesť svetlo do porozumenia
    00:07:15.04 ďalších členov tejto najväčšej rodiny.
    00:07:18.07 Dobre, prečo je to prototyp,
    00:07:20.16 najmä GLUT1?
    00:07:22.08 Pretože to bol jeden z
    00:07:24.29 prvé transportéry na klonovanie
    00:07:26.26 a charakterizovaný.
    00:07:29.06 Takže, dovoľte mi, aby som vás zaviedol do histórie.
    00:07:31.05 Vlastne, charakterizácia príjmu glukózy
    00:07:35.15 do našich krviniek
    00:07:38.01 možno datovať asi pred sto rokmi.
    00:07:40.15 A už vtedy sa to zistilo
    00:07:45.22 rýchlosť absorpcie alebo "difúzia".
    00:07:47.15 vtedy ľudia nevedeli, že ide o aktívnu dopravu,
    00:07:50.03 takže to stále nazývali difúzia.
    00:07:52.25 ale jeden doktorand to zistil
    00:07:56.03 difúzny koeficient je v skutočnosti závislý od koncentrácie,
    00:07:59.09 čo naznačuje, že to nebola voľná difúzia.
    00:08:02.00 V roku 1948, LeFevre, v jednom dokumente,
    00:08:05.24 špekuloval o aktívnej dopravnej zložke,
    00:08:10.03 hoci to nešpecifikoval
    00:08:11.22 či to bol proteín alebo niečo iné,
    00:08:13.15 ale len špekuloval, že tam bude
    00:08:16.15 aktívny transportný mechanizmus.
    00:08:19.04 A v 50. rokoch 20. storočia Widdas,
    00:08:21 vo svojich veľmi známych novinách,
    00:08:23.12 navrhol takzvaný mechanizmus nosiča mobilných látok.
    00:08:26.21 V skutočnosti
    00:08:29.02 tento mechanizmus bol taký slávny
    00:08:30.19 že všetky sekundárne transportéry u ľudí
    00:08:35.15 sú pomenované po SLC.
    00:08:38.24 Takže napríklad GLUT1 v skutočnosti je.
    00:08:41.08 názov génu pre GLUT1 je SLC2A1,
    00:08:45.06 ale nenazývajte to ochabnuté,
    00:08:47.02 pretože vedcom sa toto meno nepáči,
    00:08:49.11 takže je to SLC.
    00:08:51.17 A potom.
    00:08:53.04 a zatiaľ je to všetko o týchto komponentoch.
    00:08:55.04 A v roku 1977 títo vedci
    00:08:58.18 vlastne boli schopní očistiť
    00:09:01.14 proteínovú zložku z červených krviniek
    00:09:04.01 a rekonštituovať ich do lipozómu,
    00:09:07.01 a obnovili príjem glukózy.
    00:09:10.13 Pomenovali teda túto proteínovú zložku
    00:09:12.22 GLUT1.
    00:09:14.17 A potom, v roku 1985,
    00:09:16.12 Laboratórium Harveyho Lodisha naklonovalo GLUT1,
    00:09:19.20 a keď bola k dispozícii sekvencia
    00:09:22.20 bolo jasné, že tento proteín obsahuje
    00:09:25.16 12 transmembránových špirál.
    00:09:27.24 A v 90. rokoch
    00:09:30.26 študijné úsilie sa posunulo
    00:09:33.16 na patofyziologické vyšetrenia,
    00:09:35.25 ako aj štrukturálne charakteristiky,
    00:09:38.10 pretože by sme chceli pochopiť ich štruktúru,
    00:09:41.07 vidieť ich štruktúru,
    00:09:42.17 aby sme pochopili
    00:09:44.18 jeho funkčný mechanizmus a mechanizmus ochorenia.
    00:09:47.13 Avšak 30 rokov.
    00:09:49.24 uplynulo takmer 30 rokov.
    00:09:52.11 čo sme sa naučili z učebnice
    00:09:54.01 o štruktúre GLUT1 bolo stále toto,
    00:09:56.26 tú, ktorú vydal Harvey Lodish v roku 1985.
    00:10:00.19 Toto je topologická štruktúra.
    00:10:03.06 Dobre, ehm.
    00:10:05.12 takže som v roku 2007 založil svoje laboratórium
    00:10:07.17 a veľmi nás zaujala štruktúra GLUT
    00:10:10.14 pretože sme si mysleli, že by to mohlo pomôcť
    00:10:13.00 riešiť veľa zaujímavých otázok,
    00:10:14.25 ako je tu uvedené.
    00:10:16.05 Samozrejme, prvá vec je
    00:10:19.01 pokúsite sa vidieť architektúru GLUT,
    00:10:21.18 to je najpriamejší, ale povrchný účel.
    00:10:25.04 A so štruktúrou
    00:10:27.14 by sme mohli prezradiť
    00:10:29.11 molekulárny základ, ktorý je základom selektivity substrátu,
    00:10:32.14 prečo vyberá glukózu,
    00:10:35.22 ale nie napríklad maltóza.
    00:10:38.19 A my.
    00:10:40.14 pretože chápeme, že tieto transportéry
    00:10:43.09 postupujte podľa tohto cyklu striedania prístupu,
    00:10:46.07 takže by sme radi odhalili konformačné zmeny
    00:10:48.26 počas prepravného cyklu,
    00:10:50.12 pochopiť ich funkčný mechanizmus.
    00:10:54 A tiež dúfame
    00:10:57.12 poskytujú molekulárnu interpretáciu
    00:10:59.10 pre všetky tieto mutácie súvisiace s ochorením.
    00:11:03.26 A pre môj vlastný výskum,
    00:11:06.27 Tiež ma veľmi zaujíma rozdiel,
    00:11:08.21 mechanický rozdiel,
    00:11:10.05 medzi symporátormi,
    00:11:11.20 najmä symporátory protónov,
    00:11:13.16 a facilitátori,
    00:11:15.01 ale možno nebudem mať čas ísť do detailov tejto časti.
    00:11:17.27 A nakoniec, pretože membránové proteíny
    00:11:21.18 sú vložené do lipidovej dvojvrstvy,
    00:11:24.05 naozaj by sme chceli pochopiť
    00:11:27.00 ako sú modulované lipidmi,
    00:11:28 a otázok je stále viac.
    00:11:30.15 len sa objavia počas vášho výskumu.
    00:11:32.26 Takže, aby som odpovedal na tieto otázky,
    00:11:34.27 nezačali sme s transportérom glukózy,
    00:11:37.26 ale so svojimi príbuznými,
    00:11:40.21 ich príbuzní z E. coli,
    00:11:42.21 ktoré sú technicky jednoduchšie ako ľudský proteín.
    00:11:46.24 Takže sme určili dve štruktúry
    00:11:50.09 E. coli stimulátory protónového cukru,
    00:11:53.02 FucP a XylE.
    00:11:55.21 Takže, ako naznačuje názov,
    00:11:58.02 sú to symporátory protónov,
    00:11:59.12 čo znamená, že využívajú tento transmembránový protónový gradient
    00:12:02.18 na podporu absorpcie substrátov,
    00:12:05.08 buď L-fukóza alebo D-xylóza,
    00:12:07.21 z prostredia s nízkou koncentráciou
    00:12:10.20 do vnútra bunky s vysokou koncentráciou.
    00:12:13.13 V posledných troch rokoch sme mali veľké šťastie.
    00:12:16.27 Konečne sme mohli určiť
    00:12:18.21 kryštálové štruktúry GLUT1,
    00:12:21.08 a s ním úzko súvisiaci GLUT3,
    00:12:24.25 v troch rôznych prevedeniach.
    00:12:27.02 To znamená, že prijímajú rôzne štáty
    00:12:30.04 počas prepravného cyklu,
    00:12:31.21 ako je tu uvedené.
    00:12:32.25 Takže úplne od
    00:12:35.22 otvorené von, okludované a otvorené dovnútra.
    00:12:37.18 Keď hovorím smerom von alebo dovnútra,
    00:12:40.08 čo sa týka miesta viazania substrátu,
    00:12:42.21 teda. pamätajte na striedavý prístup,
    00:12:47.01 teda. väzbové miesto substrátu
    00:12:48.28 nemôže byť nikdy odhalený
    00:12:50.29 na obe strany membrány,
    00:12:54.09 takže je vždy otvorená z jednej strany,
    00:12:55.27 prichádza substrát,
    00:12:57.07 a tento proteín prechádza konformačnou zmenou
    00:13:00.04 na odkrytie substrátu
    00:13:02.07 na druhú stranu.
    00:13:03.20 Toto sa nazýva striedavý prístup.
    00:13:05.13 Takže s týmito tromi štruktúrami
    00:13:07 máme relatívne lepšie pochopenie
    00:13:08.23 tohto prepravného cyklu GLUTs.
    00:13:11.16 Dobre, prvá vec.
    00:13:13.06 Riešiť otázku architektúry.
    00:13:15.19 ale predtým to viem
    00:13:19.18 veľa ľudí sa zaujíma o kryštalizáciu membránových proteínov
    00:13:21.28 a GLUT1 je cieľom už niekoľko desaťročí.
    00:13:25.12 Prečo sme sa dokázali vykryštalizovať
    00:13:28.19 a určiť štruktúru
    00:13:30.17 tohto veľmi zaujímavého proteínu?
    00:13:31.15 Pri spätnom pohľade sú tu tri kľúčové prvky
    00:13:35.23 ktoré prispeli ku kryštalizácii GLUT1
    00:13:38.26 a dal nám difrakčné kryštály.
    00:13:41.21 Najprv sme vlastne zaviedli bodové mutácie.
    00:13:45.01 prvým je eliminácia glykozylácie,
    00:13:47.10 čo skutočne predstavuje veľké problémy
    00:13:50,29 na kryštalizáciu.
    00:13:52.12 A ďalšia bodová mutácia,
    00:13:54.17 glutamát-329 na glutamín,
    00:13:57.10 toto je mutácia súvisiaca s chorobou
    00:14:00.18 pôvodne identifikované v GLUT4,
    00:14:03.02 a bolo navrhnuté l
    00:14:05.21 zablokujte proteín vo vnútri otvorenej konformácii,
    00:14:08.24 čo bol presne ten prípad, ako vidieť v našej štruktúre.
    00:14:12.09 A po druhé, na detergent, ktorý sme použili na kryštalizáciu
    00:14:16.01 je nonyl-glukozid.
    00:14:17.03 Vrátim sa neskôr
    00:14:19.01 prečo to bolo dôležité.
    00:14:20.04 A po tretie, viete, pre transportéry glukózy,
    00:14:22.05 sú vysoko mobilné,
    00:14:23.14 takže by sme sa ich pokúsili spomaliť,
    00:14:25.08 zablokovať ich pri určitých konformáciách,
    00:14:27.08 takže sme všetky experimenty robili pri nízkej teplote,
    00:14:29.21 pri 4 stupňoch Celzia
    00:14:31.08 -- to veľmi pomohlo.
    00:14:33.06 A aby som to skrátil,
    00:14:35.25 jedného konkrétneho dňa mi môj študent ukázal tieto kryštály,
    00:14:39.06 tieto drobné kryštály.
    00:14:40.21 Myslel som si, že pravdepodobne
    00:14:43.02 boli to kontaminácie z buniek hmyzu,
    00:14:45.08 však viete,
    00:14:47.07 nezaškodí ich poslať do synchrotrónu
    00:14:49.29 na zber údajov
    00:14:51.08 a poslali sme tento monokryštál
    00:14:53.08 šanghajskému synchrotrónu,
    00:14:54.24 a o niekoľko hodín neskôr
    00:14:56.12 vyriešili sme štruktúru
    00:14:58.13 presne to bol náš cieľ, GLUT1.
    00:15:00.16 Ako je tu znázornené, táto štruktúra
    00:15:04.00 vykazuje veľmi typický fold MFS,
    00:15:08.02 pamätajte, superrodina hlavných facilitátorov.
    00:15:10.11 Obsahuje 12 transmembránových helixov,
    00:15:13.10 s prvými 6 menovanými
    00:15:17.14 N-doména alebo N-terminálne domény,
    00:15:19,03 zobrazené v striebre,
    00:15:20.26 a C-koncovka v modrej farbe.
    00:15:23.07 A veľmi neočakávane,
    00:15:25.01 tiež vidíme intracelulárnu špirálovitú doménu,
    00:15:28.25 pomenovali sme to ICH.
    00:15:30.07 Vlastne táto doména.
    00:15:32.03 táto malá doména ukrýva
    00:15:34.03 veľa serínu alebo treonínu alebo lyzínu,
    00:15:36.27 takže tieto zvyšky pravdepodobne sú
    00:15:38.28 dôležité pre ich poprekladovú úpravu.
    00:15:42.01 Teraz, s touto štruktúrou,
    00:15:43.27 naozaj vieme poskytnúť odpoveď na mnohé otázky.
    00:15:49.05 Takže, ako som sa pýtal na začiatku
    00:15:52.03 -- takže aký je mechanizmus selektivity substrátu?
    00:15:55.07 Na tento účel sme skutočne preskúmali,
    00:15:57.18 prostredníctvom biochemického prístupu,
    00:16:01.13 selektivitu cukru pomocou GLUT1 a GLUT3,
    00:16:04.09 tu sú uvedené výsledky pre GLUT3.
    00:16:06.14 Ako skutočne vidíte,
    00:16:08.13 tento proteín má akúsi prísnu selektivitu,
    00:16:14.13 a jeden.
    00:16:15.16 kdekoľvek ich vidíte nižšie,
    00:16:17.09 tieto kratšie takty,
    00:16:19.02 to znamená tieto cukry
    00:16:21.09 môže inhibovať príjem glukózy,
    00:16:23.27 čo znamená, že ich dokáže rozpoznať GLUT3,
    00:16:25.23 súťažiť o väzbu glukózy.
    00:16:28.19 A keď sme skúmali tieto chemikálie,
    00:16:31.06 veľmi zaujímavé
    00:16:33.09 našli sme jednu spoločnú črtu,
    00:16:34.23 ich C3 hydroxylovú skupinu
    00:16:37.22 všetky smerujú k jednej orientácii,
    00:16:39.23 takže to znamená, že hydroxylová skupina C3 je dôležitá.
    00:16:43.02 To je záver z biochémie,
    00:16:46.29 z našich biochemických charakterizácií.
    00:16:49.20 Potom, aká je jedna molekula cukru
    00:16:52.29 rozpoznávaný proteínom?
    00:16:55.00 Takže odpoveď je z
    00:16:56.24 štruktúra GLUT3 s veľmi vysokým rozlíšením.
    00:16:59.06 Takže sme určili GLUT3
    00:17:02.10 v komplexe so svojim substrátom, D-glukózou,
    00:17:04.10 pri rozlíšení 1,5 Angstromu,
    00:17:08.13 a tu je znázornená vynechaná mapa hustoty elektrónov.
    00:17:10.19 Ako vidíte, je to krásne.
    00:17:12.21 Na naše prekvapenie sme sa identifikovali.
    00:17:15.11 hoci my len, viete,
    00:17:17.20 pridajte glukózu k proteínu
    00:17:19.11 a identifikovali sme dve rôzne
    00:17:22.05 anomérne formy glukózy,
    00:17:26.01 jednoducho podľa mapy elektrónovej hustoty.
    00:17:27.23 Ako vidíte, alfa aj beta glukóza
    00:17:31.20 sú prítomné v štruktúre.
    00:17:33.26 Chcem povedať, musím to objasniť.
    00:17:35.15 takže jeden proteín sa môže viazať iba na jednu glukózu,
    00:17:39.03 ale pre kryštalografiu, viete,
    00:17:41.15 toto je priemer mnohých miliárd molekúl,
    00:17:44.18 takže viete, že niektoré proteíny sa viažu na alfa formu,
    00:17:47.16 niektoré sa viažu na beta formu.
    00:17:49.16 A tento postreh,
    00:17:51.07 toto štrukturálne pozorovanie
    00:17:53.02 vlastne vyriešil jeden dlhodobý spor,
    00:17:55.13 teda či glukózové transportéry
    00:17:58.19 dokáže rozpoznať alfa formu glukózy,
    00:18:01.26 pretože vieme, že prevládajúca forma beta,
    00:18:04.18 dominantná forma v riešení.
    00:18:05.22 A toto pozorovanie ukazuje, áno,
    00:18:07.28 GLUT1 alebo GLUT3,
    00:18:09.20 môžu viazať a prepravovať
    00:18:12.15 obe anomérne formy D-glukózy.
    00:18:16.05 Dobre.
    00:18:17.28 Ďalším zaujímavým objavom je, že
    00:18:19.20 ako som vám povedal,
    00:18:21.04 transportéry glukózy majú dve odlišné domény,
    00:18:24.08 N-doména a C-doména.
    00:18:26.08 Avšak v štruktúre GLUT3
    00:18:28.19 v komplexe s glukózou,
    00:18:31.17 ako aj v štruktúre GLUT1
    00:18:34.03 v prítomnosti tejto molekuly detergentu NG.
    00:18:37.27 čo je NG?
    00:18:39.04 Je to vlastne derivát glukózy,
    00:18:41.21 takže preto je pre nás NG dôležitá
    00:18:44.09 zachytiť štruktúru GLUT1
    00:18:46.09 -- napodobňuje väzbu substrátu.
    00:18:48.13 A ak porovnáte tieto dve štruktúry,
    00:18:50.11 spoločným znakom je
    00:18:52.08 poskytuje C-doména
    00:18:54.08 miesto primárneho ubytovania pre glukózu,
    00:18:58.22 teda C-doména
    00:19:01.09 je primárne väzbové miesto substrátu.
    00:19:04.04 Čo teda robí doména N?
    00:19:07.08 Dobre.
    00:19:08.14 Takže predtým, viete,
    00:19:10.10 pokúsili sme sa dokončiť cyklus striedavého prístupu
    00:19:13.09 podľa, viete.
    00:19:16.11 v snahe zachytiť inú konformáciu,
    00:19:19.09 teda smerom von otvorený,
    00:19:20.28 pretože teraz máme GLUT3
    00:19:23.01 v komplexe s glukózou
    00:19:25.01 v okludovanej konformácii,
    00:19:26.10 to znamená, že substrát je zachytený
    00:19:28.10 v strede transportéra
    00:19:31.20 a izolované z oboch strán membrány.
    00:19:34.22 A GLUT1 je otvorený do vnútra bunky,
    00:19:38.02 takže sa to nazýva dovnútra otvorené.
    00:19:39.11 Stále potrebujeme túto navonok otvorenú konformáciu.
    00:19:44.00 Aby sme zachytili navonok otvorenú štruktúru,
    00:19:46.18 naozaj sme mali nejaké racionálne myslenie.
    00:19:49.04 Takže ľudia to vždy hovoria
    00:19:51.01 kryštalizácia je umenie,
    00:19:52.12 zdá sa, že musíte robiť veľa skríningu,
    00:19:54.12 ale v tomto prípade sme to naozaj urobili
    00:19:57.10 nejaké racionálne myslenie.
    00:19:58.09 To znamená, že keď sme získali štruktúru GLUT1,
    00:20:00.22 Povedal som vám, že NG je dôležitá, však?
    00:20:04.02 Predstavili sme teda niekoľko faktorov,
    00:20:05.22 ako mutácia E329Q,
    00:20:08.28 teda na uzamknutie dovnútra otvorenej konformácie,
    00:20:10.19 a potom, keď vidíme väzbu NG na proteín,
    00:20:13.28 ako môžete vidieť na chvoste,
    00:20:16.01 alifatický chvost tohto pracieho prostriedku,
    00:20:17.29 vlastne je
    00:20:20.20 obloženie vnútrobunkového vestibulu,
    00:20:24.18 keď je cukrová časť
    00:20:27.19 špecificky koordinované C-koncovou doménou.
    00:20:30.06 Takže spolu.
    00:20:31.18 takže v podstate prítomnosť tohto alifatického chvosta
    00:20:35.00 vylučuje uzavretie týchto dvoch domén
    00:20:39.00 na intracelulárnej strane,
    00:20:40.22 to znamená stabilizovať túto dovnútra otvorenú konformáciu
    00:20:44.08 -- s týmto alifatickým chvostom,
    00:20:46.19 nemôže sa to zavrieť, však?
    00:20:48.10 Takže v tomto smere myslenia,
    00:20:50.27 mysleli sme si, že ak nájdeme chemikáliu,
    00:20:53.07 derivát glukózy,
    00:20:55.07 ktorý má nejaké chemické skupiny
    00:20:57.14 na druhej strane,
    00:20:59.08 na hornej strane cukrového krúžku,
    00:21:01.06 pravdepodobne to môže vylúčiť
    00:21:04.12 uzavretie proteínu na extracelulárnej strane,
    00:21:07.01 teda zachytiť
    00:21:09.24 von otvorená konformácia.
    00:21:11.02 Máme tento druh chemikálií?
    00:21:12.29 Áno, máme veľa disacharidov
    00:21:15.22 ktoré sú derivátmi glukózy.
    00:21:17.28 Ako je tu znázornené, vybrali sme niekoľko
    00:21:20.15 a skúmali sme ich schopnosť inhibovať vychytávanie glukózy.
    00:21:24.22 Ako sa tu ukazuje, ukazuje sa, že
    00:21:26.27 maltóza bola silným inhibítorom,
    00:21:28.26 a keď sme skontrolovali literatúru
    00:21:30.22 toto bolo naozaj konzistentné,
    00:21:32, pretože sa považovala za maltózu.
    00:21:34.06 bol navrhnutý ako exofaciálny inhibítor,
    00:21:37.26 to znamená, že môže inhibovať vychytávanie glukózy
    00:21:40.16 z extracelulárnej strany.
    00:21:44.10 Aby som to skrátil,
    00:21:45.25 v prítomnosti maltózy
    00:21:47.29 vlastne sme vykryštalizovali proteín
    00:21:50.17 použitím lipidickej kubickej fázy.
    00:21:52.14 Dalo nám to dve rôzne štruktúry.
    00:21:56.01 Jeden je takmer totožný s.
    00:22:00.17 zobrazený vľavo, je takmer identický
    00:22:01.28 na glukózový viazaný GLUT3,
    00:22:04.17 a je okludovaný z.
    00:22:06.19 takže maltóza je viazaná v strede,
    00:22:08.16 uzavreté z oboch strán membrány.
    00:22:11.01 Ale tá druhá kryštálová forma
    00:22:15.03 nám dáva túto navonok otvorenú konformáciu,
    00:22:18.22 takže toto bola naozaj náhoda,
    00:22:21.02 Práve sme ich zmiešali
    00:22:22.15 a dalo nám to dve rôzne kryštálové štruktúry.
    00:22:25.12 Zameriam sa teda na ilustráciu
    00:22:27.25 tejto navonok otvorenej konformácie,
    00:22:29.02 s porovnaním dovnútra otvoreného GLUT1
    00:22:32.11 a okludovaný GLUT3.
    00:22:34.10 Takže, teraz máme tieto tri konformácie
    00:22:36.28 Ukázal som to už predtým.
    00:22:38.06 Mohli by sme vygenerovať morf
    00:22:40.03 ktorý ilustruje celý proces prepravy.
    00:22:44.17 Ako tu vidíte,
    00:22:46.25 otvorené smerom von, príchod glukózy,
    00:22:48.24 a podstupuje tento striedavý prístup
    00:22:52.00 relatívnou rotáciou týchto dvoch domén,
    00:22:55.23 a substrát sa uvoľní
    00:22:57.15 do vnútra cely.
    00:23:01.06 A čo je veľmi zaujímavé,
    00:23:02.13 pamätajte na túto malú doménu,
    00:23:05.12 zobrazené žltou farbou,
    00:23:06.27 je ICH, intracelulárna helikálna doména,
    00:23:09.17 a počas zmeny konformácie,
    00:23:11.13 môžeme to tiež vidieť
    00:23:14.04 prechádza medzidoménové preskupenie.
    00:23:15.26 Svojím spôsobom obmedzuje
    00:23:18.07 N- a C-domény
    00:23:20.01 príliš veľa otvárania,
    00:23:21.17 takže táto doména ICH,
    00:23:23.20 pomenovali sme to západka,
    00:23:25.17 zabezpečiť túto vnútrobunkovú bránu.
    00:23:31.07 Dobre.
    00:23:33.03 Z filmu si možno myslíte, hmm.
    00:23:34.21 tieto dve domény podliehajú rotácii tuhého tela,
    00:23:36.21 ale dôkladné preskúmanie štruktúr
    00:23:39.27 von otvoreného a okludovaného GLUT3
    00:23:44.21 naznačujú, nie, nie je to pevné telo.
    00:23:46.20 V skutočnosti môžeme vidieť veľmi sofistikované
    00:23:50.06 lokálne preusporiadanie prvkov C-domény.
    00:23:53.27 Ako je znázornené tu, ten zobrazený azúrovou farbou
    00:23:57.06 je C-doména
    00:24:01.08 a tá zelená je doména N.
    00:24:02.03 Venujte prosím pozornosť tomuto motívu TM7.
    00:24:06.02 Môžete vidieť, že prechádza ohýbaním, ohýbaním.
    00:24:10.09 Správne? Toto je TM7.
    00:24:13.02 Nielen ohýbanie.
    00:24:15.07 takže keď sú zobrazené bočné reťazce,
    00:24:17.06 uvidíte, že v skutočnosti tiež prechádza rotáciou,
    00:24:21.28 takže tento TM7 podstupuje
    00:24:24.11 veľmi komplikované lokálne preskupenie
    00:24:27.20 ohýbaním.
    00:24:29.25 kombinácia ohybu a rotácie.
    00:24:32.03 Či je to vyvolané väzbou substrátu
    00:24:34.28 alebo toto je takzvaná dynamická rovnováha,
    00:24:38.15 je potrebné ďalej charakterizovať,
    00:24:40.22 a naše predbežné simulácie MD
    00:24:43.06 naznačujú, že ide o dynamickú rovnováhu.
    00:24:47.00 aj bez substrátu,
    00:24:49.09 môžete vidieť tento druh konformačnej zmeny TM7.
    00:24:53.00 Teraz je tu otázka.
    00:24:55.18 prečo C-doména zobrazená azúrovou farbou,
    00:24:58.04 je taký flexibilný,
    00:24:59.28 zatiaľ čo N-doména je taká pevná, ako kameň?
    00:25:03.25 A keď preskúmame vnútro týchto dvoch domén,
    00:25:08 odpoveď je naozaj jasná.
    00:25:09.22 Takže, ako je tu uvedené,
    00:25:12.10 červené čiarky predstavujú vodíkové väzby.
    00:25:16.07 Ako vidíte,
    00:25:18.14 vnútro N-domény je skutočne hydrofilné,
    00:25:22.28 takže štruktúra GLUT3 s vysokým rozlíšením
    00:25:25.18 nám umožnil identifikovať
    00:25:29.02 sedem molekúl vody v N-doméne GLUT3,
    00:25:32.12 a tieto molekuly vody spolu,
    00:25:34.02 interagujú so skupinou skupín mnohých polárnych zvyškov
    00:25:38.10 ako prúžok vodíkových väzieb,
    00:25:40.01 a toto stabilizuje N-doménu,
    00:25:45.12 takže je veľmi tuhý počas zmeny konformácie.
    00:25:48.04 Naproti tomu vnútro C-domény
    00:25:51.14 je vysoko hydrofóbna,
    00:25:54.12 ako je tu uvedené,
    00:25:55.29 takže tieto hydrofóbne zvyšky,
    00:25:57.12 len sa navzájom kontaktujú
    00:26:00.12 prostredníctvom interakcií Van der Waalsa,
    00:26:02.07 takže interiér je pomerne mastný,
    00:26:05.11 a to je jednoduchšie na ohýbanie a otáčanie.
    00:26:08.04 Takže štrukturálna analýza
    00:26:10.08 skutočne poskytuje dobrú odpoveď
    00:26:12.05 na zohľadnenie odlišných vlastností
    00:26:14.12 N-domény a C-domény
    00:26:16.04 počas cyklu striedavého prístupu.
    00:26:19.19 Dobre.
    00:26:21.06 Teraz budem.
    00:26:23.01 je tu zobrazený veľmi jednoduchý diagram
    00:26:25.03 striedavého prístupu.
    00:26:26.14 S našimi štruktúrami, tromi štruktúrami,
    00:26:27.28 sme schopní
    00:26:30.15 aktualizujte tento model o sofistikovanejšie funkcie.
    00:26:34.24 Ako môžete vidieť, TM7
    00:26:36.27 a tiež TM10,
    00:26:38.18 prechádzajú lokálnou konformačnou zmenou,
    00:26:40.21 a celkovej relatívnej rotácii
    00:26:42.20 domén N a C
    00:26:44.11 má za následok striedavú expozíciu
    00:26:48.15 substrátu na obe strany membrány.
    00:26:50.08 A okrem toho, prosím, venujte pozornosť
    00:26:52.19 k týmto žltým pruhom,
    00:26:54.07 sú to intracelulárna doména ICH,
    00:26:56.08 voláme ich západka,
    00:26:57.16 intracelulárna západka.
    00:26:59.05 Dobre, teraz so štruktúrou.
    00:27:01.23 Podarilo sa nám zmapovať mutácie súvisiace s chorobou.
    00:27:06.12 Zobrazená je príkladom mutácií
    00:27:08.29 identifikované u pacientov
    00:27:11.05 s takzvaným syndrómom nedostatku GLUT-1.
    00:27:14.04 Celkovo bolo teda identifikovaných viac ako 40 mutácií.
    00:27:17.10 Takže, keď sme ich zmapovali
    00:27:19.06 na štruktúru GLUT1,
    00:27:20 veľmi zaujímavo sme si to uvedomili
    00:27:24.03 zoskupili sa do troch oblastí,
    00:27:26.25 ako je tu uvedené.
    00:27:27.29 Takže oblasť 1 naozaj je
    00:27:31.11 zapojené do väzby substrátu
    00:27:34.03 a je ľahké pochopiť, ako mutácie tohto klastra
    00:27:37.19 by ovplyvnilo rozpoznávanie substrátu alebo väzbu substrátu,
    00:27:40.13 teda ohrozenie dopravnej činnosti.
    00:27:44.11 A klaster 2, ako je znázornené tu,
    00:27:46.29 zvýraznený týmto azúrovým kruhom.
    00:27:50.22 azúrový kruh.
    00:27:53.09 takže v podstate sa namapovali na rozhranie
    00:27:58.09 medzi ICH, N-doménou a C-doménou,
    00:28:01.14 a spolu tvoria intracelulárnu bránu.
    00:28:03.10 A nie je prekvapujúce,
    00:28:05.11 zoskupiť 3 mapy k extracelulárnej bráne.
    00:28:08.13 Takže štruktúra naozaj poskytuje
    00:28:11.01 krásna odpoveď
    00:28:13.26 pochopiť väčšinu týchto mutácií spojených s ochorením,
    00:28:16.24 takže buď ovplyvňujú väzbu substrátu
    00:28:19.19 alebo dve brány,
    00:28:21.03 teda ovplyvňuje cyklus striedania prístupu
    00:28:24.06 proteínu.
    00:28:25.18 Dobre. Teraz, s týmito výsledkami,
    00:28:27.12 môžeme odpovedať na otázky
    00:28:29.05 spýtal sa na úplnom začiatku, však?
    00:28:31.22 Takže poznáme architektúru
    00:28:33.16 a my poskytujeme základ
    00:28:35.20 aby ste videli výber substrátu
    00:28:38.06 a odhalili sme tri konformácie GLUT1 a GLUT3
    00:28:43.08 počas prepravného cyklu, cyklu striedavého prístupu,
    00:28:48.07 a poskytli sme niekoľko odpovedí
    00:28:49.29 mutáciám súvisiacim s ochorením.
    00:28:52.10 A s ohľadom na mechanický rozdiel
    00:28:56.10 medzi podporovateľmi a facilitátormi,
    00:28:58.12 teraz robíme nejaké MD simulácie
    00:29:00.03 a biochemické charakteristiky,
    00:29:02.02 a máme nejaké predbežné stopy,
    00:29:04.16 ale toto si naozaj vyžaduje ďalšie charakteristiky.
    00:29:07.29 A teraz sa naša pozornosť presunula na
    00:29:11.02 modulácia dopravnej činnosti
    00:29:14.07 lipidmi, ako aj, viete,
    00:29:16.09 kinetická štúdia transportných cyklov.
    00:29:18.25 A nakoniec nás veľmi zaujíma
    00:29:21.13 štruktúrny návrh ligandu,
    00:29:23.05 pretože tieto proteíny sú dôležitými cieľmi liekov.
    00:29:27.06 Takže týmto by som rád uzavrel svoj prejav
    00:29:29.15 uznaním ľudí
    00:29:32.22 ktorí túto prácu umožnili.
    00:29:34.04 Takže, Dong, bol mojím postdoktorom
    00:29:37.17 ktorý bol hlavnou hybnou silou tohto projektu,
    00:29:40.17 viedol tento tím vysokoškolákov Tsinghua
    00:29:44 a postgraduálnych študentov
    00:29:45.13 na objasnenie štruktúr
    00:29:47.17 GLUT1 aj GLUT3,
    00:29:49.01 a teraz je profesorom na Tsinghua University.
    00:29:51.23 A táto práca bola v spolupráci s mnohými kolegami,
    00:29:55.23 v Tsinghua alebo v USA,
    00:29:57.10 ako je uvedené tu.
    00:29:59.21 A rád by som vám poďakoval za sledovanie tohto online seminára.

    • Časť 1: Úvod do membránových transportných proteínov

    Sekrécia a endocytóza

    Sekrečná dráha v eukaryotických bunkách sa používa na posielanie proteínov a lipidov do plazmatickej membrány a určitých membránovo viazaných organel a na uvoľňovanie materiálu mimo bunky. Existujú dva typy sekrécie: konštitutívna a regulovaná. Konštitutívna sekrécia je predvolenou cestou a používa sa predovšetkým na doplnenie materiálu na plazmatickej membráne a určitých organelách viazaných na membránu. Regulovaná sekrécia končí v sekrečných vezikulách, ktoré uchovávajú vylučovaný materiál, kým signál nespustí fúziu s plazmatickou membránou. Oba typy sekrécie používajú rovnakú dráhu, ale signálne sekvencie odvádzajú proteíny do regulovanej dráhy. Bunky tiež získavajú materiál z plazmatickej membrány prostredníctvom endocytózy. Tento materiál môže byť buď recyklovaný na plazmatickú membránu alebo degradovaný v lyzozóme.

    Princípy sekrečnej dráhy

    Proteíny a lipidy sú syntetizované v ER a potom transportované do Golgiho aparátu. Proteíny sa triedia v Golgiho aparátu a posielajú sa do plazmatickej membrány, lyzozómov alebo sekrečných vezikúl. Transport proteínu a lipidu medzi kompartmentmi viazanými na membránu je sprostredkovaný vezikulami, ktoré vychádzajú z jedného kompartmentu a potom fúzujú s nasledujúcim kompartmentom. Rabs, tethers a SNARE zvyšujú pravdepodobnosť, že vezikuly splynú so správnou cieľovou membránou. Bunky si zachovávajú integritu a funkčnosť ER a Golgiho tým, že inhibujú vstup rezidentných proteínov do vezikúl a získavajú tie proteíny, ktoré unikajú.

    Glykozylácia

    Glykozylácia je kovalentné pripojenie cukrov k proteínom, ku ktorému dochádza u väčšiny proteínov v ER. Glykozylácia pomáha skladať proteíny, zameriava proteíny na špecifické organely (napr. lyzozóm) a inhibuje proteolýzu. Navyše mnohé proteíny na povrchu buniek a v extracelulárnej matrici, ktorá obklopuje bunky, sú silne glykozylované na rôzne biologické účely.

    N-viazaná glykozylácia sa vyskytuje v ER a zahŕňa pridanie skupiny 14 cukrov k amínovej skupine asparagínov. Skupiny obsahujú zmes N-acetylglukozamínu, manózy a glukózy. Glukózové zvyšky sú odstránené v ER predtým, ako je proteín transportovaný do Golgiho. V Golgiho postranných reťazcoch môžu byť cukry ďalej modifikované odstránením a pridaním rôznych cukrov.

    O-viazaná glykozylácia je druhá forma a zahŕňa pridanie cukrov k serínom alebo treonínom. O-viazaná glykozylácia pravdepodobne začína v Golgiho aparáte pridaním jediného cukru. Iné enzýmy pridávajú cukry v skupinách po dvoch a bočné reťazce cukru sa môžu extrémne predĺžiť.

    Golgiho komplex je zväzok membránových cisterien s jedinečným biochemickým zložením. Cisterny sa zvyčajne nazývajú cis, mediálna, trans a trans-Golgiho sieť s proteínom vstupujúcim do cis z ER a vystupujúcim z TGN. Zdá sa, že cisterny obsahujú jedinečný súbor enzýmov, ktoré modifikujú vedľajšie reťazce cukrov na proteínoch. Napríklad manóza sa primárne odstraňuje v mediálnej cisterne, zatiaľ čo galaktóza sa pridáva do trans cisterny.

    Vezikulárna doprava

    Transport medzi membránovými kompartmentmi je sprostredkovaný malými vezikulami. Vezikuly obsahujú proteínový obal, ktorý riadi tvorbu vezikúl a prijíma proteíny do vezikúl. Vezikuly sú nasmerované do správneho kompartmentu kombináciou proteínov Rab a SNARE. Rabs sú veľkou rodinou malých proteínov viažucich sa na GTP a zdá sa, že každý membránový kompartment v sekrečnej dráhe obsahuje jedinečný proteín Rab. SNARE sú proteíny na vezikulách a membránových kompartmentoch, ktoré sa párujú, aby sprostredkovali fúziu. SNARE obsahujú ďalšiu veľkú rodinu proteínov a rôzne kompartmenty pravdepodobne obsahujú jedinečné proteíny SNARE.

    Tvorba vezikúl

    Tvorba vezikúl z ER je najjasnejšie pochopená a bude slúžiť ako príklad toho, ako sa tvoria vezikuly. Mechanizmus je pravdepodobne podobný pre iné kompartmenty. Zostavenie proteínového obalu riadi tvorbu a zostavenie obalu začína väzbou malého proteínu Sar1 viažuceho sa na GTP. Sar1-GTP sa spája s ER a vkladá malú špirálu do vonkajšieho cípu dvojvrstvy membrány ER, aby sa iniciovalo zakrivenie membrány. Sar1-GTP získava dve ďalšie sady proteínov, ktoré tvoria obal vezikuly: komplex Sec23-Sec24, ktorý sa viaže na nákladné proteíny, a komplex Sec13-Sec31, ktorý pomáha riadiť tvorbu vezikuly. Výber nákladu pre väčšinu proteínov vyžaduje signálnu sekvenciu, ktorá interaguje s komplexom Sec23-24. Rozpustné proteíny v lúmene ER sa spájajú s cargo receptormi, ktoré obsahujú signálnu sekvenciu, ktorá viaže Sec23-Sec24. Plášťový komplex, ktorý obklopuje vezikuly z ER, sa nazýva COP II.

    Zacielenie na vezikuly na správne oddelenie

    Zdá sa, že dve sady proteínov pomáhajú vezikulám spojiť sa so správnou cieľovou membránou. Jedna sada zahŕňa popruhy, ktoré sa lokalizujú do cieľových membránových kompartmentov a interagujú so zložkami obalu vezikuly. V bunkách bolo identifikovaných niekoľko rôznych väzieb a zdá sa, že každé sa lokalizuje do odlišného kompartmentu. Väzby tvoria štruktúry, ktoré siahajú od membrány kompartmentu do cytosolu. To môže pomôcť uväzovacím zariadeniam interagovať s vezikulami prichádzajúcimi z predchádzajúceho membránového oddelenia.

    Druhým súborom proteínov, ktoré pomáhajú správne zacieliť vezikuly na vhodnú membránu, sú SNARE. SNARE tiež sprostredkúvajú fúziu medzi membránami. Vezikuly obsahujú jeden proteín SNARE (vSNARE) a membránové kompartmenty obsahujú 2 až 3 proteíny SNARE (tSNARE). Proteíny SNARE na vezikulách a membránových kompartmentoch interagujú so špecifickosťou. Živočíšne bunky exprimujú 35 rôznych proteínov SNARE, ale iba určité súbory SNARE navzájom interagujú. Lokalizáciou tých SNARE, ktoré interagujú iba s vezikulami a ich cieľovou membránou, bunky zaistia, aby sa vezikuly spojili so svojou správnou cieľovou membránou.

    Membránová fúzia

    Proteíny SNARE sprostredkovávajú fúziu medzi vezikulami a ich cieľovým membránovým kompartmentom. Proteíny SNARE obsahujú dlhé oblasti, ktoré tvoria špirálové štruktúry. Špirálové domény vo vSNARE a tSNARE interagujú a zdá sa, že sa zipsujú. Predpokladá sa, že energia uvoľnená úplným párovaním vSNARE a tSNARE riadi fúziu medzi membránou vezikuly a membránou kompartmentu, hoci presný mechanizmus zostáva nejasný.

    Niektoré vezikuly sa ukotvia na svojej cieľovej membráne, ale nezlúčia sa. Napríklad sekrečné vezikuly uchovávajú proteíny a iné malé molekuly, kým bunka nedostane signál, aby ich uvoľnila. Niektoré sekrečné vezikuly sa ukotvia na plazmatickú membránu prostredníctvom interakcie vSNARE a tSNARE, ale zabráni sa úplnému spárovaniu SNARE, aby sa riadila membránová fúzia. Vonkajšie signály spúšťajú odstránenie inhibície párovania, čo umožňuje vezikulám fúzovať s plazmatickou membránou.

    Triedenie bielkovín v trans-Golgiho sieti

    Po dosiahnutí trans-Golgiho siete je väčšina proteínov zameraná na svoje konečné miesto určenia. Zdá sa, že predvolenou cestou je transport do plazmatickej membrány, pretože plazmatická membrána potrebuje nepretržite nahrádzať lipidy a proteíny. Ostatné proteíny sú rozdelené do lyzozómov a sekrečných vezikúl. Signál na odoslanie proteínu do lyzozómu zahŕňa bočný reťazec cukru. Väčšina lyzozomálnych proteínov obsahuje manóza-6-fosfát, ktorý sa pridáva do cis-Golgiho aparátu. Receptor, ktorý viaže manóza-6-fosfát, sa nachádza v trans-Golgiho sieti a získava obalové proteíny do trans-Golgiho siete. Clathrin tvorí plášť okolo týchto vezikúl a vezikuly akumulujú lyzozomálne proteíny predtým, ako začnú pučať z trans-Golgiho siete. Tieto vezikuly sa spájajú s endozómami. Lumen endozómov má nízke pH, čo spôsobuje disociáciu manóza-6-fosfátového receptora od lyzozomálnych proteínov. Manóza-6-fosfátový receptor sa vracia do trans-Golgiho siete a vezikula obsahujúca lyzozomálne proteíny dozrieva na funkčný lyzozóm.

    Niektoré proteíny sú triedené do sekrečných vezikúl, ktoré uchovávajú tieto proteíny, kým bunka nedostane signál, aby ich uvoľnila. Mechanizmus, ktorým sa proteíny triedia do sekrečných vezikúl, pretože tieto proteíny nezdieľajú spoločnú signálnu sekvenciu triedenia.

    Endocytóza

    Bunky nielen uvoľňujú materiál do vonkajšieho prostredia, ale tiež prijímajú materiál z vonkajšej strany plazmatickej membrány prostredníctvom endocytózy. Existuje niekoľko foriem endocytózy.

    Fagocytóza umožňuje niektorým bunkám (makrofágom, neutrofilom) pohltiť a zachytiť veľké častice, ako sú mikroorganizmy a mŕtve bunky. Fagocytóza zahŕňa vyčnievanie plazmatickej membrány okolo častice. Protrúzia je poháňaná polymerizáciou aktínu. Plazmatická membrána nakoniec obklopuje časticu a spája sa, aby ju úplne uzavrela a vytvorila veľkú endocytickú vezikulu.

    Pinocytóza tvorí oveľa menšie vezikuly (

    100 nm) a umožňuje bunkám absorbovať malé množstvá extracelulárnej tekutiny a časti plazmatickej membrány. Jednou z foriem pinocytózy je endocytóza sprostredkovaná klatrínom, ktorá bunkám umožňuje prijímať špecifické proteíny z bunkového povrchu.

    Endocytóza sprostredkovaná klatrínom začína tvorbou jamiek v plazmatickej membráne. Jamka je na cytoplazmatickej strane obklopená adaptorovými proteínmi, ktoré spájajú klatrín s jamkou. Adaptéry tiež interagujú s proteínmi v plazmatickej membráne, ktoré sú zamerané na endocytózu. Jama sa môže ubytovať

    1000 bielkovín. Polymerizácia klatrínu poháňa tvorbu vezikuly, ktorá sa nakoniec odtrhne od plazmatickej membrány. GTPázový dynamín katalyzuje štipľavú reakciu. Vezikuly potiahnuté klatrínom sa spájajú s endozómami, kde nízke pH disociuje ligandy z receptorov. Niektoré proteíny sú potom vrátené do plazmatickej membrány, zatiaľ čo iné sú nasmerované do lyzozómu, kde sú degradované.


    Molekulový transport na bunkových membránach

    V poslednom desaťročí sa čoraz viac ukazuje, že bunkové membrány sú vybavené faktormi, ktoré hrajú špecifickú úlohu pri prenose anorganických aj organických látok z vonkajšej strany bunky do vnútra bunky alebo z jedného oddelenia v bunke do druhého. Vyskytujú sa normálne difúzne procesy (často nazývané pasívna difúzia), ale môžu byť pomalé, pričom rýchlosť závisí od koncentrácií príslušných látok. Pasívna difúzia vedie iba ku koncentrácii v bunke, ktorá nie je vyššia ako vonku, s výnimkou okolností, keď naviazanie látky na bunkovú zložku prebieha v bunke alebo v bunkovom kompartmente. Zložky v bunkovej membráne, ktoré riadia rýchlosť iónového a molekulárneho transportu a ktoré môžu viesť k dosiahnutiu koncentrácií iónov a molekúl v bunke podstatne vyšších ako sú koncentrácie mimo, môžu hrať rovnako dôležité úlohy ako enzýmy v bunke. kontrola bunkového rastu, metabolizmu a funkcie. Proces, pri ktorom sa látka prenáša cez bunkovú membránu takým spôsobom, že je špecificky riadená, že môže viesť k akumulácii látky v bunke proti koncentračnému gradientu a že je podporovaná energiou, t.j. e. v spojení s metabolickými procesmi sa často označuje ako aktívny transport. Špecifické zložky umiestnené na bunkovej membráne a zapojené do transportných procesov sa zvyčajne nazývajú transportné nosiče.


    Prehľad hovorov

    Táto prednáška o fotobielení a fotoaktivácii popisuje, ako môže obnovenie fluorescencie po fotobielení (FRAP), strata fluorescencie pri fotobielení (FLIP) a fotoaktivácia fluorofórov poskytnúť informácie o dynamike molekúl v bunkách. Využitie týchto techník zahŕňa štúdium pohybu proteínov cez membránové kompartmenty, difúzne správanie molekúl v cytosóle a membránach, dynamiku cytoskeletálnych polymérov a premenu proteínov.

    Otázky

    1. Ktorá technika by bola najvhodnejšia na kvantifikáciu obratu bielkovín?
      1. Dvojfotónová fluorescenčná mikroskopia
      2. Fotoaktivácia
      3. Obnova fluorescencie po fotobielení (FRAP)
      4. Strata fluorescencie pri fotobielení (FLIP)
      1. Dvojfotónová fluorescenčná mikroskopia
      2. Fotoaktivácia
      3. Obnova fluorescencie po fotobielení (FRAP)
      4. Strata fluorescencie pri fotobielení (FLIP)
      1. Expozícia infračerveným svetlom sa mení z červenej na zelenú fluorescenciu
      2. Reverzibilná on-off fluorescencia s cyklami svetla
      3. Expozícia modrým svetlom sa mení zo zelenej na červenú fluorescenciu
      4. Vystavenie modrému svetlu posúva absorpčné spektrum
      1. Výmena bielkovín je vysoká
      2. Prebiehajú aktívne transportné mechanizmy, ako aj difúzia
      3. Časť vybielených molekúl je nepohyblivá a nevymeniteľná
      4. Časť fluorescencie sa fotokonvertovala na inú vlnovú dĺžku

      Odpovede


      Štruktúra chloroplastu

      V rastlinách prebieha fotosyntéza predovšetkým v listoch, ktoré pozostávajú z mnohých vrstiev buniek a majú diferencovanú hornú a spodnú stranu. Proces fotosyntézy neprebieha na povrchových vrstvách listu, ale skôr v strednej vrstve nazývanej mezofyl (postava 1).

      postava 1 Nie všetky bunky listu vykonávajú fotosyntézu. Bunky v strednej vrstve listu majú chloroplasty, ktoré obsahujú fotosyntetický aparát. (poďakovanie Zephyris wikimedia)

      K výmene plynu oxidu uhličitého a kyslíka dochádza cez malé, regulované otvory tzv stomata.

      Obrázok 2 Prieduch listov rajčiaka (jednotné číslo stomata). Fotografický kredit: Photohound Wikimedia Public Domain.

      V eukaryotoch prebieha fotosyntéza vo vnútri organely nazývanej a chloroplast. Niektoré prokaryoty môžu vykonávať fotosyntézu, ale neobsahujú chloroplasty (alebo iné organely viazané na membránu). V rastlinách bunky obsahujúce chloroplast existujú v mezofyle. Chloroplasty sú obklopené dvojitou membránou podobnou dvojitej membráne nachádzajúcej sa v mitochondriách. V chloroplaste je tretia membrána, ktorá tvorí na sebe naskladané diskovité štruktúry tzv tylakoidy. V tylakoidnej membráne sú zabudované molekuly chlorofyl, pigment (molekula pohlcujúca svetlo), prostredníctvom ktorej sa začína celý proces fotosyntézy. Za zelenú farbu rastlín je zodpovedný chlorofyl. Tylakoidná membrána uzatvára vnútorný priestor nazývaný tylakoidný lumen alebo priestor. Na fotosyntéze sa podieľajú aj iné typy pigmentov, ale chlorofyl je zďaleka najdôležitejší. Ako je uvedené v Obrázok 3, stoh tylakoidov sa nazýva a granum, a priestor obklopujúci granum sa nazýva stroma (nezamieňať s prieduchmi, otvormi na listoch).

      Obrázok 3 štruktúra chloroplastu. Všimnite si, že chloroplast je obklopený dvojitou membránou, ale obsahuje aj tretiu sadu membrán, ktoré obklopujú tylakoidy.

      Rovnako ako štruktúra mitochondrií bola dôležitá pre ich schopnosť vykonávať aeróbne bunkové dýchanie, štruktúra chloroplastu umožňuje priebeh fotosyntézy. Reakcie závislé od svetla aj Calvinov cyklus prebiehajú vo vnútri chloroplastu.


      Pozri si video: Spektrum vedy 2012 - Molekulárna biológia (August 2022).