BIOMEMBRANES István Léránt

A biomembránok felépítése BIOMEMBRANES Barriers Define the inside and the outside of the cells Sheetlike structures Closed bounderies Specific proteins serve as Pumps Channels Receptors Energy transducers A biomembránok felépítése

Comparision of various types of membranes [%] Lipids Proteins Carbohydrates Hepatocyta m. 75 20 5 Myelin 39 54 7 Sarcoplasmic ret. 32 64 4 Mit. – outer m. 46 50 Mit. – inner m 23 2 as a % of the total mass A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES Membranes consist maily of Lipids Proteins 1:1 ratio (1:4 -> 4:1) Carbohydrates Glycolipids Glycoproteins Lipid bilayer - barrier Hydrophylic & hydrophobic sidechains Specific proteins as Pumps channels Receptors Barriers Define the inside and the outside of the cells Sheetlike structures Closed bounderies Specific proteins serve as Pumps Channels Receptors Energy transducers A biomembránok felépítése

Comparision of various lipid compoments Neutral lipids Membran lipids Structure – form. Triacylglycerols Energy stores Phospholipids Glycolipids Cholesterol Fatty cid(1) Fatty cid(1) sphingosine sphingosine Glycerol Fatty cid(2) Glyerol Fatty cid(2) Fatty acid Fatty acud P P Glu / Gal Fatty cid(3) Alcohol Choline Ceramide Specific function Steroidal hormones Eicosanoids Vitamins (A, D, E, K) Phospholipids Glycoproteins BIOMEMBRANES A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES Phosphatidic acid PHOSPHOLIPIDS PHOSPHOGLYCERIDES Sphingolipids - sphingomyelin Sn-1 – Fatty acid Sn-2 – Fatty acid – usually unsaturated, polyunsaturated ‘alcohol’ – choline ethanolamine serine inositol A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES PHOSPHOLIPIDS PHOSPHOGLYCERIDES Sphingolipids - sphingomyelin A biomembránok felépítése

Digestion of phospholipids by Specific phospholipase enzymes phospholipase A1 phospholipase A2 Lysophospholipid X phospholipase C phospholipase D A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése víz Polar component phosphate Glycerol „head” hydrophyl „Tail” hydrophob A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES PHOSPHOLIPIDS PHOSPHOGLYCERIDES Sphingolipids - sphingomyelin A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése A sphingomyeline Fatty acids Sphingosine Ceramide Choline Phosphoric acid A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése Glycolipids A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES Lipid bilayer Phospholipid, cholesterol ration Type of membrane Dual influence of cholesterol A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRANES A biomembránok felépítése

IN VITRO – PREPARATION OF LIPOSOMES A biomembránok felépítése

IN VITRO – PREPARATION OF LIPOSOMES A biomembránok felépítése

IN VITRO – LIPOSZÓMA KÉPZÉS Modell - mesterséges sejt Célzott terápia Gyógyszerek Enzimek nukleinsav A biomembránok felépítése

IN VITRO – PREPARATION OF LIPOSOMES A biomembránok felépítése

IN VITRO – LIPOSZÓMA KÉPZÉS A liposzómák terápiás alkalmazása Lipofil anyagok szolubilizálása A becsomagolt hatóanyagot enzimek nem módosítják A szervezet egésze nem kerül kapcsolatba a hatóanyaggal A liposzómák időben meghosszabbítják a terápiás anyag és a szervezet kölcsönhatását Célirányos kezelés Endo, vagy fagocitózissal is internalizálódhat Vakcinagyártásban adjuvánsként alkalmazható A biomembránok felépítése

A MEMBRÁNOK SZERKEZETE Lemezszerű képződmény 6-10 nm (60-100 Å) Izolálás kompartimentáció Zárt reakció terek létrehozása Izoláció a külvilágtól Biokémiai folyamatok membránokkal körülzárt terekben Szétválasztás optimális biokémiai közeg Dinamikus szerkezet Sejt-környzet – határ Intracelluláris kompartment Korlátozott permeabilitás [Ionok] [Molekulák] Sejtek energia termelése Sejt-sejt kommunikáció A biomembránok felépítése

IN VITRO – PREPARATION OF LIPOSOMES Outer layer phosphatidylcholine Sphingomyelin Inner layer phosphatidylethanolamine phosphatidylserine Lipid movement in membranes Rotation Lateral diffusion Flip-flop MEMBRÁNOK ASSZIMETRIÁJA A biomembránok felépítése

Rapid diffusion of memberan lipids and proteins Flourescence recovery after photobleaching (FRAP) Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) Membran compoment is labelled by fluorescent dye ~ 3 mm2 surface area Bleaching A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése MEMBRAN PROTEINS Way of isolation: Periferial membrane proteins pH changement Salt concentration Integral membrane proteins Intensive treatment Detergents Organic solvents Hyrophobic, transmembrane domain (~ 25 hydrophobic amino acids) Integral (a,b,c) and peripherial (d,e) membrane proteins A biomembránok felépítése

Structure of bacteriorhodopsine a-hélix Citoplazma felőli nézet A biomembránok felépítése

Covalently bound proteins Palmityl-group – HS-Cys THIOESTER C terminal Cys -. Farnesyl-group GPI – ancor (glycosyl-phosphatydil-inositol) (enthanol-amin – P – mannose, GlcNac –Glycosylphosphatydilinositol GPI) A biomembránok felépítése

SINGER-NICHOLSON MODEL Lipid bilayer Integral – transzmembrane - proteins Membrane Glycolipids (‘-’ charge) Internal peripherial proteins Fluid-mosaic model Two dimensional solution of membrane – lipids and globular proteins Solvent of integral proteins Lateral diffusion of protein is free Permeability barrier A biomembránok felépítése

LIPIDS OF BIOMEMBRANES Phospholipids Glycolipids Cholesterol Stearinic acid octadecanoic acid, 18: 0 Oleic acid, cis-9-octadecenoic acid cis 18:1 Linolic, cis, cis-9,12-octadecadienoic acid cis,cis 18:2 A biomembránok felépítése

Membrane fluidity and unsaturated fatty acids + cholesterol A biomembránok felépítése

Structure of membranes Membran functions Signaltransduction Signal transformation Structure of membranes Barriers Define the inside and the outside of the cells Sheetlike structures Closed bounderies Specific proteins serve as Pumps Channels Receptors Energy transducers Signaltransduction Answer Second mesengers Hormons External signals Biochemical changement Receptor A biomembránok felépítése

A biomembránok felépítése

A MEMBRÁNOK SZERKEZETE Transzport folyamatok (barrier) Táp/anyagok Felvétele Leadása Egyszerű diffúzió CC àcc: O2, H2O, CO2 Facilitált diffúzió CC àcc: transzport proteinek cukrok, aminosavak Pumpa mechanizmusok: ion-gradiensek fenntartása cc àCC: Cukrok (glükóz) aminosavak ...sejtbe juttatása koncentráció gradiens ellenében is. Endocitózis és exocitózis, stb Dinamikus szerkezet Sejt-környzet – határ Intracelluláris kompartment Korlátozott permeabilitás [Ionok] [Molekulák] Sejtek energia termelése Sejt-sejt kommunikáció A biomembránok felépítése

A MEMBRÁNOK SZERKEZETE elektromos aktivitás Proton gradiens generálás Nyugalmi és akciós potenciál kialakulása sejt-sejt kommunikáció közvetítése Sejten kívüli és sejten belüli kapcsoló ligandumok/fehérjék biztosítják a sejt–sejt és sejt-mátrix közötti kommunikációs kapcsolatot különböző sejtkapcsoló struktúrákba szerveződve (gap junction). Dinamikus szerkezet Sejt-környzet – határ Intracelluláris kompartment Korlátozott permeabilitás [Ionok] [Molekulák] Sejtek energia termelése Sejt-sejt kommunikáció A biomembránok felépítése

A MEMBRÁNOK SZERKEZETE Nem-kovalens kapcsolatok Membránok asszimetriája Fluid-szerkezet Polarizáció Dinamikus szerkezet Sejt-környzet – határ Intracelluláris kompartment Korlátozott permeabilitás [Ionok] [Molekulák] Sejtek energia termelése Sejt-sejt kommunikáció A biomembránok felépítése