Τμήμα ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Μάθημα: ΒΙΟΛΟΓΙΑ KYTTAROY 2014 Kεφ. 4: Κυτταρική Μεμβράνη I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ

Transcript

1 Τμήμα ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Μάθημα: ΒΙΟΛΟΓΙΑ KYTTAROY 2014 Kεφ. 4: Κυτταρική Μεμβράνη I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ...για περισσότερα...

2

3 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ - ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΔΙΠΛΟΣΤΙΒΑΔΕΣ 4.1. Ιστορική αναδρομή 4.2. Συστατικά των βιολογικών μεμβρανών Τα λιπίδια των μεμβρανών Η ρευστότητα της κυτταρικής μεμβράνης Ρύθμιση της μεμβρανικής ρευστότητας στους οργανισμούς Λιπιδικές μικροδομές ή σχεδίες Μεμβρανικές πρωτεΐνες Υδατάνθρακες των μεμβρανών 4.3. Ειδική μεθοδολογία για τη μελέτη των μεμβρανών Περίθλαση Φασματοσκοπικές μέθοδοι Ψυκτοεξάχνωση Ιονοφόρα 4.4. Ιδιότητες κυτταρικών μεμβρανών Εκλεκτική διαπερατότητα Ελεύθερη διάχυση ή παθητική μεταφορά Υποβοηθούμενη διάχυση Ενεργητική μεταφορά Ρευστότητα των διαμεμβρανικών συστατικών 4.5. Μοντέλα για τη δομή και τη λειτουργία των μεμβρανών Μοντέλο ΠΛΠ Μοντέλο ΛΠΛ Το ρευστό μωσαϊκό μοντέλο 4.6. Εξειδικευμένα μεμβρανικά συστήματα Ερυθροκυτταρική μεμβράνη Βακτηριακές μεμβράνες Οι δισκοειδείς μεμβράνες αμφιβληστροειδή Βιβλιογραφία

4 Οι μεμβράνες αποτελούν Κυρίαρχα συστατικά των Ευκαρυωτικών κυττάρων

5 ΔΟΜΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ

6 Πόσο λεπτή είναι μια μεμβράνη; Αν η αίθουσα έχει διάμετρο 20 μέτρα και αντιστοιχεί με ένα κύτταρο διαμέτρου 40 μm, τότε έχουμε μια μεγέθυνση του κυττάρου: 20m Χ 1000mm/m Χ1000 μm/mm= μm : 40μm = φορές κατά συνέπεια, η πλασματική μεμβράνη που έχει πάχος 70Α, αντιστοιχεί με, 70Α Χ φορές= α, ή μm (αφού 1Α= μm) ή 3,5 mm (αφού 1mm=1.000 μm)

7 (video clip) Ποιές είναι οι ιδιότητες της διπλοστιβάδας;

8 Οι μεμβράνες συμμετέχουν άμεσα ή έμμεσα Σε πολυάριθμες λειτουργίες κυττάρων ή Ιστών ΌΠΩΣ ΕΙΝΑΙ:

9 Τοπική ενεργοποίηση με ορμόνες

10 Μακρυνή ενεργοποίηση με ορμόνες

11 Μεταβίβαση νευρικού ερεθίσματος

12 Οι μεμβράνες συμμετέχουν ενεργά κατά την Κυτταροποσία (ενδοκύττωση)

13 Οι μεμβράνες συμμετέχουν ενεργά κατά την κυτταροφαγία

14 ΣΎΝΤΗΞΗ ΚΥΣΤΙΔΙΩΝ ΣΤΟ GOLGI

15 ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΑΠΟ ΤΟ ΚΟΚΚΙΩΔΕΣ ΕΝΔ. ΔΙΚΤΥΟ ΠΡΟΣ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ GOLGI

16 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΔΙΑΙΡΕΣΗ

17 Σφυγμώδες κενοτόπιο

18

19 Ο βαθμός διαπερατότητας των ουσιών στην κυτταρική μεμβράνη είναι ίσος με τον συντελεστή καταμερισμού των ίδιων ουσιών σε μίγμα λαδιού - νερού Άρα η κυτταρική μεμβράνη έχει λιπιδικό χαρακτήρα

20 ΠΩΣ Μπορεί να μετρηθεί η επιφάνεια που καταλαμβάνουν τα λιπίδια;

21 λιπίδια δυναμόμετρο Ώθηση ράβδου Με το Σκαφίδιο Langmuir

22 Μεγάλη συμπίεση Μικρή συμπίεση

23 Με αφορμή τη δυνατότητα εκχύλισης λιπιδίων από μεμβράνες έγινε το παρακάτω πείραμα Από τους Gortel & Grendel το 1925

24 - Εκχύλιση λιπιδίων από συγκεκριμένο αριθμό κυττάρων - μέτρηση της επιφάνειας που καταλαμβάνουν - σύγκριση με τη συνολική Επιφάνεια των κυττάρων

25

26 Υπάρχει τρόπος να αποδείξουμε την ύπαρξη στοιβάδας λιπιδίων στην επιφάνεια υγρού; Ναι, με το ακόλουθο πείραμα

27

28

29

30

31

32 Σύσταση μεμβρανών Οι μεμβράνες αποτελούνται από λιπίδια

33

34

35

36

37

38

39

40 Figure 10-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

41

42 ΛΙΠΟΚΥΣΤΙΔΙΑ ΕΠΙΤΡΕΠΟΥΝ ΤΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΜΟΡΙΩΝ ΩΣΤΕ ΝΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΟΥΝ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ

43 Figure 10-7 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

44 Figure 10-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

45 Τα λιπίδια συγκροτούνται αυθόρμητα Σχηματίζοντας μονοστιβάδες, μικκύλια, διπλοστιβάδες, λιποσώματα

46 Ρευστότητα της Κυτταρικής μεμβράνης: Σε φυσιολογικές συνθήκες βρίσκεται σε κατάσταση «Υγρού κρυστάλλου», που εξαρτάται από τη Α. σύσταση σε λιπαρά (μήκος και αριθμός ακόρεστων δεσμών και αλειφατικών αλυσίδων Β. περιεκτικότητα σε στερόλες Π.χ. η μυελίνη (22% χολοστερόλη) και η μεμβράνη των μιτοχονδρίων (περιέχει ακόρεστα λιπαρά οξέα) στους 37 ο C, βρίσκονται σε κατάσταση Υγρού κρυστάλλου για διαφορετικούς λόγους

47 Κάθε λιπιδική διπλοστοιβάδα έχει μια χαρακτηριστική θερμοκρασία μετάπτωσης - Θμ Πήκτωμα-ρευστή Σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος πάνω από την Θμ επιτυγχάνεται κανονική λειτουργία της μεμβράνης

48

49 Συμμετοχή των λιπαρών οξέων στη ρύθμιση της ρευστότητας Μήκος αλειφατικών αλυσίδων Αριθμός ακόρεστων δεσμών Συμμετοχή των στερολών στη ρύθμιση της ρευστότητας Η χολιστερόλη σε υψηλές θερμοκρασίες την ελαττώνει και Σε χαμηλές θερμοκρασίες την αυξάνει

50 Διατήρηση-Ρύθμιση της μεμβρανικής ρευστότητας στους οργανισμούς Μεταβολές της λιπιδικής σύστασης: ομοιοιξώδης προσαρμογή (homeoviscous adaptation) Σε τύπους βακτηρίων, η προσαρμογή στη μείωση της θερμοκρασίας περιλαμβάνει: -αύξηση των ακόρεστων δεσμών των λιπαρών οξέων της μεμβρ. -Αύξηση αναλογίας λιπαρών οξέων με 16-άτομα/18-άτομα C

51 Σε ποικιλόθερμους οργανισμούς, η προσαρμογή στη μείωση της θερμοκρασίας περιλαμβάνει: -αύξηση των ακόρεστων δεσμών των λιπαρών οξέων της μεμβράνης. -Αύξηση της αναλογίας της χοληστερόλης Στα θηλαστικά που πέφτουν σε χειμερία νάρκη, Η θερμοκρασία του σώματος πέφτει διαδοχικά ακόμη και 30 ο C σε μερικά τρωκτικά, οπότε η προσαρμογή περιλαμβάνει αύξηση του ποσοστού των ακόρεστων λιπαρών

52 Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

53 Figure 10-11b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

54 Η πλευρική διάχυση των λιπιδίων γίνεται με μεγάλη ταχύτητα Δηλαδή κάθε λιπιδικό μόριο μπορεί να ανταλλάσσει θέσεις με γειτονικά μόρια φορές το δευτερόλεπτο

55 Γιγαντιαία λιποσώματα από Α. 1:1 Pdcholin/spingom, Β. 1:1:1 μίγμα Pdcholin/spingom/cholesterol

56 spingomyelin/cholesterol

57 spingomyelin/cholesterol and GPI proteins

58

59 ΟΜΩΣ Οι μεμβράνες περιέχουν και πρωτεΐνες όπως διαπιστώνεται με ηλεκτροφόρηση

60

61 Η μυελίνη των νευραξόνων αποτελεί πρότυπο αλλά εξειδικευμένο σύστημα μεμβρανών

62

63

64

65

66

67 Aquaporin

68

69

70

71

72

73

74

75 Robertson 1959, παρατήρηση μεμβρανών Με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Πάχος 70 Α

76 Figure 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

77 Η κρυσταλλογραφία με ακτίνες αποκαλύπτει τη μοριακή δομή των μεμβρανών μυελίνης

78 H Κατανομή Μάζας με βάση Την ηλεκτρονική Πυκνότητα Εντοπίζεται στις Άκρες της διπλοστοιβάδας

79 H Κατανομή μάζας με βάση την ηλεκτρονική πυκνότητα εντοπίζεται στις άκρες της διπλοστοιβάδας

80

81

82

83

84

85 Η δυνατότητα διερεύνησης της δράσης των διαφόρων αντλιών μεταφοράς από τη μια πλευρά της μεμβράνης στην άλλη, καθώς και της συμμετοχής ιόντων στη ρύθμιση διαφόρων κυτταροβιολογικών φαινομένων έχει μελετηθεί σημαντικά με τη συμβολή των ιονοφόρων.

86 Μάθημα: ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ 2014 Κεφ. 4: Κυτταρική Μεμβράνη I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ...για περισσότερα...

87

88 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ - ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΔΙΠΛΟΣΤΙΒΑΔΕΣ 4.4. Ιδιότητες κυτταρικών μεμβρανών Εκλεκτική διαπερατότητα Ελεύθερη διάχυση ή παθητική μεταφορά Υποβοηθούμενη διάχυση Ενεργητική μεταφορά Ρευστότητα των διαμεμβρανικών συστατικών 4.5. Μοντέλα για τη δομή και τη λειτουργία των μεμβρανών Μοντέλο ΠΛΠ Μοντέλο ΛΠΛ Το ρευστό μωσαϊκό μοντέλο

89

90

91

92 Τα διάφορα είδη διαμεμβρανικών πρωτεϊνών ΠΠΜ, πρ. Παθ. Μεταφοράς ΠΣΜ, πρ. Συνεργατικής μεταφοράς ΠΑΜ, πρ. Αντίθετης μεταφοράς

93 Διαπερατότητα ουσιών, σε cm/sec Δηλαδή για το νερό 100μm/sec Αλλά για το Κ/Να η διαπερατότητα είναι 10-5 nm/sec Σύγκριση με Πάχος μεμβράνης Για 7 nm απαιτούνται 7/10-5 sec, Δηλαδή sec = 194 ΩΡΕΣ!!!

94

95

96 Απλή διάχυση υποβοηθούμενη διάχυση Video clips ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ

97 Video clips ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ

98 Video clip ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΑΝΤΛΙΑ Κ +, Να +

99 ΛΛΟΣ ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Διέλευση μεταφερόμενου μορίου (ΜΜ) με τη συμμετοχή υποδοχέα-διαμεμβρανικής Πρωτεΐνης (Υ) και μορίου-ενεργοποιητή (Ε)

100 Η περίπτωση της νευρομυϊκής σύναψης Video clip ΑΥΤΌ ΠΟΥ ΑΚΡΙΒΩΣ ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ, ΕΊΝΑΙ

101 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΩΝ ΔΙΑΥΛΩΝ ΣΤΗ ΝΕΥΡΟΜΥΪΚΗ ΣΥΝΑΨΗ Πρωτεΐνη Π1 κλειστή...ανοίγει με αλλαγή δυναμικού και εισέρχεται Ca ++ Συναπτικά Κυστίδια γεμάτα νευροδιαβιβαστή..ελευθερώνονται εξωκυττάρια Πρωτεΐνη Π2 κλειστή...ανοίγει και εισέρχονται Νa + μέσα Πρωτεΐνη Π3 κλειστή...ανοίγει και επιτρέπει έξοδο Ca ++ στο κυτταρόπλασμα

102

103

104

105 ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ Η ενεργητική μεταφορά περιλαμβάνει τρεις κύριες λειτουργίες στα κύτταρα και στα οργανίδια: Κάνει δυνατή την πρόσληψη θρεπτικών ουσιών από το περιβάλλον ή από τα γύρω υγρά ακόμη και αν οι συγκεντρώσεις στο περιβάλλον είναι μικρότερες από ότι μέσα στο κύτταρο Επιτρέπει σε διάφορες ουσίες, στα εκκρινόμενα συστατικά και στις άχρηστες ουσίες να μετακινηθούν από τα κύτταρα ή τα οργανίδια, ακόμη και αν η συγκέντρωση έξω είναι μεγαλύτερη από μέσα. Επίσης επιτρέπει συγκεκριμένες ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις ειδικών ανόργανων ιόντων, όπως Κ+, Νa+, Ca++ και H+ ανεξάρτητα από τις εξωκυττάριες. Στην ενεργητική μεταφορά διακρίνουμε δύο τύπους την άμεση ενεργητική μεταφορά και την έμμεση ενεργητική μεταφορά, ενώ οι πρωτεΐνες μεταφορείς που συμμετέχουν στην ενεργητική μεταφορά ονομάζονται και αντλίες (pumps)

106

107 Στην άμεση ενεργητική μεταφορά έχει βρεθεί ότι συμμετέχουν τέσσερις τύποι μεταφορικών ΑΤΡασών, που είναι γνωστές ως Ρ-τύπος, V-τύπος, F-τύπος και ABC-τύπος. Οι παραπάνω τύποι αντλιών είναι διαφορετικοί ως προς τη δομή, το μηχανισμό, τη θέση τους και το ρόλο που διαδραματίζουν. Οι περισσότερες διακινούν ιόντα Νa + ή H + προς τα έξω διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης.

108

109 ABC-τύπος Οι μεταφορείς αυτοί παρουσιάζουν μεγάλο ιατρικό ενδιαφέρον, γιατί μερικοί από αυτούς αντλούν αντιβιοτικά ή άλλα φάρμακα έξω από το κύτταρο, και έτσι το κάνουν ανθεκτικό σε αυτά. Μερικοί όγκοι στον άνθρωπο είναι ασυνήθιστα ανθεκτικοί σε μια ποικιλία από φάρμακα που είναι σε κανονικές συνθήκες αποτελεσματικά στην αναχαίτιση της ανάπτυξής τους. Τα κύτταρα αυτών των όγκων έχουν συνήθως μεγάλες συγκεντρώσεις μια μεγάλης πρωτεΐνης που αναφέρεται ως πολυφαρμακοανθεκτική μεταφορική πρωτεΐνη (multidrug resistant: MDR), που ήταν η πρώτη ABC-τύπου ΑΤΡάση που εντοπίστηκε στον άνθρωπο. Η πρωτεΐνη αυτή χρησιμοποιεί την ενέργεια υδρόλυσης του ΑΤΡ για να αντλήσει τα υδρόφοβα φάρμακα έξω από τα κύτταρα, και έτσι να ελαττώσει την κυτταροπλασματική συγκέντρωση των φαρμάκων και ως εκ τούτου την αποτελεσματικότητά τους ως θεραπευτικών παραγόντων. Η MDR-πρωτεΐνη, είναι γνωστή και ως Ρ-γλυκοπρωτεΐνη, έχει μια σημαντική ειδικότητα, ήτοι μπορεί να μετακινεί ένα ευρύ φάσμα από ανόμοια φάρμακα, που χρησιμοποιούνται συνήθως στη χημειοθεραπεία του καρκίνου, οπότε σε ένα κύτταρο που περιέχει MDR- πρωτεΐνη, η πλασματική μεμβράνη του γίνεται ανθεκτική σε ένα ευρύ φάσμα από θεραπευτικούς παράγοντες.

110 Kυστική ίνωση Το ιατρικό ενδιαφέρον γι' αυτήν την κατηγορία πρωτεϊνών έγινε ακόμη μεγαλύτερο όταν ανακαλύφθηκε ότι η κυστική ίνωση οφείλεται σε γενετική ανωμαλία μιας πρωτεΐνης της πλασματικής μεμβράνης που δομικά ανήκει στους ABC μεταφορείς. Είναι γνωστό, ότι άτομα με κυστική ίνωση συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες βλέννας στους πνεύμονες, μια κατάσταση που οδηγεί σε πνευμονία και άλλες ασθένειες των πνευμόνων. Τώρα είναι γνωστό ότι το πρόβλημα είναι η ανικανότητα των κυττάρων αυτών να εκκρίνουν ιόντα χλωρίου και ότι η γενετική ανωμαλία αφορά μια ABC-τύπου πρωτεΐνη που λειτουργεί ως ιοντικός δίαυλος χλωρίου. Η έξοδος των ιόντων χλωρίου από τα κύτταρα προς την κοιλότητα των αεραγωγών των πνευμόνων αποτελεί την προϋπόθεση για την ταυτόχρονη κίνηση των ιόντων νατρίου μέσα στην ίδια κοιλότητα. Η ωσμωτική πίεση επίσης κάνει το νερό να ακολουθεί πάντα τα ιόντα χλωρίου και νατρίου με αποτέλεσμα την έκκριση ενός αραιού αλατούχου διαλύματος.

111 Kυστική ίνωση Το διάλυμα αυτό επιτρέπει τη φυσική ενυδάτωση της βλέννας που υπάρχει στην κοιλότητα. Στα άτομα με κυστική ίνωση, τα ιόντα χλωρίου δεν εξέρχονται προς την κοιλότητα, συνεπώς και τα ιόντα νατρίου και το νερό, με αποτέλεσμα η βλέννα να μην ενυδατώνεται φυσιολογικά και να ευνοείται η ανάπτυξη βακτηρίων και η εμφάνιση λοιμώξεων του πνεύμονα (πνευμονίες). Αυτή η ABC-τύπου πρωτεΐνη ονομάζεται «ρυθμιστής διαμεμβρανικής αγωγιμότητας κυστικής ίνωσης» (Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator: CFTR). Αποτελείται από δύο διαμεμβρανικά τμήματα, δύο περιφερειακά με περιοχές σύνδεσης ΑΤΡ και μια υψηλά υδροφοβική ρυθμιστική περιοχή. Τα διαμεμβρανικά και περιφερειακά τμήματα είναι όμοια στην αλληλουχία και έχουν την ίδια τοπολογία με τον κεντρικό πυρήνα των ABC μεταφορέων. Συνεπώς η CFTR είναι ένας ιοντικός δίαυλος που δε χρησιμοποιεί ΑΤΡ για να προωθήσει τη μεταφορά, όπως κάνουν οι περισσότερες ABC-τύπου ΑΤΡάσες. Αντίθετα η υδρόλυση ΑΤΡ φαίνεται ότι σχετίζεται με το άνοιγμα του διαύλου. Πρόσφατες μελέτες που αφορούν στην κυστική ίνωση σε μοριακό επίπεδο αναφέρουν ότι από τη μελέτη των CFTR γονιδίων σε ασθενείς με κυστική ίνωση, ανιχνεύτηκαν 600 διαφορετικές μεταλλαγές.

112

113

114 Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΟ ΑΙΜΑ στα επιθηλιακά κύτταρα του λεπτού εντέρου. Πραγματοποιείται με τη συμμετοχή πρωτεϊνών συνμεταφοράς, αντιμεταφοράς και παθητικής μεταφοράς

115 Όταν το νάτριο εισέλθει στο κύτταρο, παρασύροντας μαζί του τη γλυκόζη, Θα πρέπει να βγει έξω από το κύτταρο με τη βοήθεια της αντλίας καλίου - νατρίου

116 συνμεταφορά παθητική μεταφορά αντιμεταφορά

117

118 VIDEO CLIP Η μεταφορά της γλυκόζης μέσω μεμβράνης (Video clip)

119

120

121

122 Οι πρωτεΐνες των μεμβρανών κινούνται πλευρικά με διάχυση

123 Πείραμμα των Frye και Edidin (1970) Παρατηρήθηκε ότι 40 μετά τη σύντηξηεπέρχεται πλήρης α νάμιξη τ ων δύο α ντιγόνων σ τη νέα μεμβράνη. H παρατήρηση βέβαια αυτή θα μπορούσε να σημαίνει: ότι παράγονται με πρωτεϊνοσύνθεση νέα αντιγόνα που παίρνουν νέες θέσεις στη μεμβράνη μετά τη σύντηξη ότι αποκολλούνται τα αντισώματα και ξαναμπαίνουν σε άλλες θέσεις στη μεμβράνη (αυτό βέβαια θα απαιτούσε κατανάλωση ενέργειας ΑΤΡ) ότι γίνεται διάχυση των αντιγόνων από μια θέση της μεμβράνης σε μια άλλη.

124 Πείραμμα των Frye και Edidin (1970) Για να βρεθεί τι ακριβώς ήταν εκείνο που προκαλεί την ανάμιξη των αντιγόνων θα έπρεπε να ελεγχθεί η συμμετοχή καθενός από τους παραπάνω παράγοντες (α,β,γ) στο φαινόμενο της ανάμιξης. Έτσι έγινε: αναστολή της πρωτεϊνοσύνθεσης με κυκλοεξαμίδιο, πουρομυκίνη και χλωραμφαινικόλη στα κύτταρα που επρόκειτο να συντηχθούν. Παρατηρήθηκε ότι η μεταχείριση αυτή δεν είχε κανένα αποτέλεσμα στην ανάμιξη των αντιγόνων αναστολή σύνθεσης ΑΤΡ με δινιτροφαινόλη (DΝΡ) και NαF, οπότε στο πείραμα αυτό δεν παρατηρήθηκε καμία μείωση της ανάμιξης των αντιγόνων επώαση των κυττάρων μετά τη σύντηξη, σε διάφορες θερμοκρασίες για χρόνο 40, οπότε παρατηρήθηκε μεγάλη ελάττωση της ανάμιξης που έφτασε στο μηδέν για θερμοκρασία Αποδείχθηκε έτσι ότι η ανάμιξη των αντιγόνων των δύο (διαφορετικών) πλασματικών μεμβρανών είναι επακόλουθο διάχυσης. Βέβαια μετά τα πειράματα αυτά των Frye και Εdidin βρέθηκε ότι εκτός από τη διάχυση τα μεμβρανικά συστατικά μπορούν και αλλάζουν θέση στη μεμβράνη και με τη βοήθεια μικροϊνιδίων (συσταλτών κυτταροπλασματικών πρωτεϊνών). Σε συνδυασμό και με άλλα δεδομένα οι παρατηρήσεις αυτές είναι σύμφωνες με το «ρευστό μωσαϊκό μοντέλο» της δομής των βιολογικών μεμβρανών.

125 ΦΩΤΟΝΙΟΓΡΑΦΙΕΣ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ Κύτταρο ποντικού Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες Φθορίζουν πράσινες Αμέσως μετά τη σύντηξη των δύο κυττάρων (ετεροκάρυο), οι δύο κατηγορίες πρωτεϊνών βρίσκονται σε αντιδιαμετρικές περιοχές Κύτταρο ανθρώπου Οι μεμβρανικές πρωτεινες Φθορίζουν κόκκινες 30 αργότερα Ο φθορισμός και Από τις δύο κατηγορίες Πρωτεϊνών καλύπτει Ολόκληρη την επιφάνεια Του ετεροκάρυου

126 ΑΠΟ ΤΙ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ Η ΑΝΑΜΕΙΞΗ ΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ;

127 βαθμοί 4 βαθμοί χωρίςατρ η ώρα 2η ώρα 3η ώρα 4η ώρα Συσχέτιση της θερμοκρασίας και της παρουσίας ΑΤΡ Με το ποσοστό διάχυσης μεμβρανικών πρωτεϊνών

128

129

130

131

132

133 Το ρευστό μωσαϊκό μοντέλλο Εξηγεί πλήρως τη δομή και τη λειτουργία των ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ

134 Αρχικό μοντέλο Singer & Nicolson, 1969

135 Πρόσφατη απόδοση από Ι. Κωνσταντινίδη

136 Τμήμα ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Μάθημα: ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ 2014 Kεφ. 4: Κυτταρική Μεμβράνη I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ...για περισσότερα...

137

138 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ - ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΔΙΠΛΟΣΤΙΒΑΔΕΣ 4.6. Εξειδικευμένα μεμβρανικά συστήματα Ερυθροκυτταρική μεμβράνη Βακτηριακές μεμβράνες Οι δισκοειδείς μεμβράνες αμφιβληστροειδή Βιβλιογραφία

139 Η ΕΡΥΘΡΟΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ ΑΠΟΤΕΛΕΙ ΠΡΟΤΥΠΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΗΣ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ

140 8 μm 2 μm

141 Το σχήμα των ερυθροκυττάρων αλλοιώνεται κατά τη διέλευση απο τα τριχοειδή

142 ΠΩΣ ΔΙΑΣΦΑΛΙΖΕΤΑΙ ΝΑ ΜΗΝ ΕΊΝΑΙ ΜΟΝΙΜΗ Η ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΑΥΤΉ?

143 Τομή και κάτοψη του ερυθροκυττάρου Τομή Κάτοψη

144 Ερυθροκύτταρα Πρωτεΐνες Μεμβράνης Ερυθροκυττάρων ΠΟΙΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ ΤΩΝ ΕΡΥΘΡΟΚΥΤΤΑΡΩΝ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΕΊΝΑΙ ΥΠΕΥΘΥΝΟ ΓΙΑ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ? ΠΟΥ ΕΝΤΟΠΙΖΟΝΤΑΙ ΟΙ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΣΤΗ ΛΙΠΙΔΙΚΗ ΔΙΠΛΟΣΤΟΙΒΑΔΑ?

145 ΜΕ ΤΗΝ ΕΙΔΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΨΥΚΤΟΕΞΑΧΝΩΣΗΣ ΔΙΑΚΡΙΝΟΝΤΑΙ ΣΕ ΚΑΤΟΨΗ ΟΙ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ (ΑΠΌ ΤΗΝ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΠΛΕΥΡΑ) ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 4.14

146

147 Διαμεμβρανική κατανομή των φωσφολιπιδίων στην ερυθροκυτταρική μεμβράνη του ανθρώπου 50 Total Ολικά φωσφολιπίδια (%) SM PC PE PA PS PIPn Εξωτερική στιβάδα Εσωτερική στιβάδα SM, σφιγγομυελίνη PC, φωσφατιδυλοχολίνη PE, φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη PS, φωσφατιδυλοσερίνη PA, φωσφατιδικό οξύ PIPn, n-φωσφορική φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη

148

149

150

151 Σχηματική αναπαράσταση της ερυθροκυτταρικής μεμβράνης (Από Xiuli An & Narla Mohandas, 2008

152

153 A B Γ Ανάλυση της ερυθροκυτταρικής μεμβράνης με ψυκτοεξάχνωση. (Α) Ψυκτοεξάχνωση ερυθροκυτταρικών μεμβρανών με μονόπλευρη σκίαση. Στη σωματιδιακή PF όψη της μεμβράνης διακρίνονται τα σωματίδια ψυκτοεξάχνωσης ενώ η εξωτερική επιφάνεια της μεμβράνης ΕS φαίνεται λεία (Χ ). (Β) Ψυκτοεξάχνωση ερυθροκυτταρικών μεμβρανών με κυκλική σκίαση μετά από σύντομη (1 min, 37oC) επώαση σε χαμηλή ιοντική ισχύ 2 mosm. Διακρίνονται ινίδια (βέλη) που αντιπροσωπεύουν τις περιφερειακές πρωτείνες σπεκτρίνη και ακτίνη να ξεκινούν από την εσωτερική (PS) επιφάνεια της μεμβράνης. Αντίθετα, η εξωτερική (ES) επιφάνεια της μεμβράνης δε δημιουργεί τέτοια ινίδια. (Χ ). (Γ) Μεμβράνη επανασυγκροτημένων λιπιδικών κυστιδίων με υλικό που περιέχει τις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες ζώνη 3, γλυκοφορίνες κ.ά. μετά από ψυκτοεξάχνωση και κυκλική σκίαση. Διακρίνονται σωματίδια μεγέθους 35Å (κύκλος) έως 80Å (πολύγωνο) που αντιπροσωπεύουν διαμεμβρανικά σωματίδια γλυκοφορίνης και ζώνης 3 αντίστοιχα.

154

155 Εντόπιση ελλειπτοκυτταρικών μεταλλαγών γύρω από τη θέση αυτοσυγκρότησης ετεροτετραμερούς. Οι επαναλαμβανόμενες μονάδες αριθμούνται από το αμινοτελικό άκρο

156 Τρισδιάστατη αναπαράσταση των επαναλήψεων τριπλής α-έλικας της σπεκτρίνης (κάτω) και της σύνθετης δομής τριπλής α-έλικας που σχηματίζεται στη θέση αυτοσυγκρότησης ετεροτετραμερούς (πάνω)

157 Οι σπεκτρίνες λόγω της δομής τους είναι ευέλικτα μόρια που μπορούν να αναπροσαρμόζουν το μήκος τους ανάλογα με τις ανάγκες του κυττάρου και να εξασφαλίζουν ελαστικές μεταβολές του κυτταρικού σχήματος

158

159 ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΜΕΓΑΛΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΨΥΚΤΟΕΞΑΧΝΩΣΗΣ

160 Μοντέλο για τον ανιοντοανταλλάκτη SLC4A1/AE1. Η Μεθειονίνη 66 (βέλος) είναι η έναρξη στον ΑΕ1 του νεφρού. Οι πολυμορφισμοί που κωδικοποιούν αντιγόνα ομάδων αίματος αναπαρίστανται με μπλε χρώμα. Οι μεταλλαγές που σχετίζονται με την κληρονομική σφαιροκυττάρωση και την οβαλοκύττωση είναι με πορτοκαλί. Πάνω αριστερά: Φωτογραφίες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης με φυσιολογικά ερυθροκύτταρα και ΑΕ1(-/-) σφαιροκύτταρα βοδιού (Alper, 2006).

161

162

163 ΜΕ ΤΗ ΜΟΡΦΗ ΜΙΚΡΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΨΥΚΤΟΕΞΑΧΝΩΣΗΣ

164 Σχηματικό διάγραμμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ γλυκοφορίνης Α και ζώνης 3. Διακρίνονται οι 12 διαμεμβρανικές περιοχές της ζώνης 3 και η προτεινόμενη θέση αλληλεπίδρασης της διαμεμβρανικής περιοχής της γλυκοφορίνης Α και των διαμεμβρανικών περιοχών 8 και 9 της ζώνης 3

165

166 Υδατοπορίνη - CHIP28 (CHannel-forming Integral Protein Δομή των μονομερών της AQP1 και το τετραμερές σύμπλοκο στη μεμβράνη. (Α) Κρυσταλλική δομή του μονομερούς της AQP1 με τις δομές της α-έλικας (1-6) που περιβάλλουν το δίαυλο του νερού. (Β) Το τετραμερές σύμπλοκο της πρωτεΐνης στη μεμβράνη, στο οποίο κάθε μονομερές περιέχει δίαυλο νερού.

167 Η αδουσίνη συνδέεται με τα πρωτονημάτια της ακτίνης παρουσία ή απουσία σπεκτρίνης αλλά στη δεύτερη περίπτωση η σύνδεση γίνεται με μεγαλύτερη συγγένεια

168 Γλυκοσιλφωσφατιδυλινοσιτολ-συνδεδεμένες πρωτεΐνες (πρωτεΐνες GPI-Α)

169 Παρατήρηση του δικτύου Υπομεμβρανικών Πρωτεϊνών με το Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Η διάταξη αυτή εξηγεί τις αλλαγές Σχήματος των ερυθροκυττάρων rbc30b

170

171 Ο σκελετός είναι δομή ελαστική και εκτατή. (Α) Οι αποστάσεις ανάμεσα στα συζευγμένα μόρια υφίστανται αυξομειώσεις οι οποίες διαμέσου των συνδέσμων με τα διαμεμβρανικά συστατικά καθορίζουν την τοπολογία και την οργάνωσή τους στη μεμβράνη. (Β) Οι παραπάνω ιδιότητες του σκελετού καθορίζονται σε σημαντικό βαθμό από την ελαστικότητα των νηματίων της σπεκτρίνης

172 Σχηματική απεικόνιση του κυτταροσκελετού όπου διακρίνονται τα σύμπλοκα ζεύξης και τα σύμπλοκα ανάρτησης

173 ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΕΡΥΘΡΟΚΥΤΤΑΡΙΚΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ rbc32

174 Κυτταρική επιφάνεια E. coli

175

176

177 Τα κωνία έχουν διάμετρο 3-5 μm και μήκος περίπου 40 μm, βρίσκονται κεντρικά στον αμφιβληστροειδή, είναι τα κύτταρα με τα οποία αντιλαμβανόμαστε τα χρώματα (τριχρωματική βάση κόκκινο, πράσινο, μπλε) και αριθμούν περίπου 12x106. Τα ραβδία, έχουν πάχος 2 μm και μήκος 50 μm, τα συναντάμε στην περιφέρεια του αμφιβληστροειδή και με αυτά αντιλαμβανόμαστε την ένταση του φωτός (όχι χρώμα). Υπάρχουν περίπου 6,5x106 σε κάθε οφθαλμό. Τα ραβδία του αμφιβληστροειδή περιέχουν τη γλυκοπρωτεΐνη ροδοψίνη μέσα σε δισκοειδείς μεμβράνες που προέρχονται από την πλασματική μεμβράνη.

178

179 Για τη διέγερση μορίων ροδοψίνης μέσα στους δίσκους των ραβδίων απαιτούνται τουλάχιστον επτά φωτόνια. Πρωταρχικό ρόλο στη διαδικασία παίζει το μόριο της ροδοψίνης (γλυκοπρωτεΐνη οψίνη cis ρετινόλη) που κατά την επίδραση του φωτός διασπάται στα συστατικά της με αποτέλεσμα τη μείωση ιόντων ασβεστίου από τους δίσκους προς το κυτταρόπλασμα επηρεάζοντας έτσι την είσοδο των Na +.