Δοµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης Ε. Παρασκευά 0

Transcript

1 Δοµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης Ε. Παρασκευά 0

2 Η κυτταρική µεµβράνη Αποµόνωση του κυττάρου από το περιβάλλον Καθορισµός του ως οντότητα Περιβάλλει το κύτταρο Καθορίζει τα όρια του Διατηρεί τις διαφορές ανάµεσα στο κυτταρόπλασµα και το εξωκυτταρικό περιβάλλον Ε. Παρασκευά 1

3 Άλλες λειτουργίες της κυτταρικής µεµβράνης 1. Ρυθµίζει τη διεύλευση ουσιών 2. Αναγνωρίζει χηµικά σήµατα 3. Συνδέει γειτονικά κύτταρα 4. Καθηλώνει κύτταρα στο εξωκυττάριο στρώµα Ε. Παρασκευά 2

4 Η κυτταρική µεµβράνη και οι µεµβράνες των οργανιδίων ενός κυττάρου αποτελούν ένα συνεχές σύστηµα Κοινή δοµή Ανταλλαγή µορίων Ε. Παρασκευά 3

5 An electron micrograph of a plasma membrane (of a human red blood cell) seen in cross section. (Courtesy of Daniel S. Friend.) Figure 10-1a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 4

6 Τρεις όψεις της Κυτταρικής Μεµβράνης Figure 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 5

7 Τα κύρια συστατικά της Κυτταρικής Μεµβράνης ü Λιπιδιακή Διπλοστοιβάδα ü Μεµβρανικές Πρωτεΐνες Ε. Παρασκευά 6

8 Η δοµή της λιπιδιακής διπλοστιβάδας οφείλεται στις ιδιότητες των λιπιδίων Ø Φωσφολιπίδια Φωσφογλυκερίδια Σφιγγολιπίδια Ø Στερόλες 10.2-lipids.mov Ε. Παρασκευά 7

9 Φωσφολιπίδια ü Φωσφογλυκερίδια Φωσφοτιδυλοχολίνη Ε. Παρασκευά 8

10 Τα κυριότερα φωσφολιπίδια της κυτ. µεµβράνης Ε. Παρασκευά 9

11 Ε. Παρασκευά 10

12 Φωσφολιπίδια ü Σφιγκολιπίδια Σφιγκοµυελίνη Ε. Παρασκευά 11

13 Χοληστερόλη Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 10-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 12

14 Τα φωσφολιπίδια σχηµατίζουν αυτόµατα διπλοστιβάδες space-filling model of a typical phospholipid bilayer Ε. Παρασκευά 13

15 Υδρόφοβα και Υδρόφιλα µόρια αντιδρούν διαφορετικά µε τα µόρια του νερού Διαµορφώσεις των µορίων λιπιδίων σε υδάτινο περιβάλλον Figure 10-7 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 14

16 Η Λιπιδιακή Διπλοστιβάδα ü σχηµατίζει αυτόµατα κλειστές δοµές Δηµιουργία του πρώτου κυττάρου? Figure 10-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 15

17 Οι λιπιδιακές διπλοστιβάδες έχουν αυτο-επιδιορθωτικές ιδιότητες ü µικρά κενά καλύπτονται από την µετακίνηση λιπιδίων ü µεγαλύτερα κενά στην κυτ. µεµβράνη ευκαρυωτικών κυττάρων καλύπτονται από τη σύντηξη κυστιδίων Ε. Παρασκευά 16

18 Συνθετικές Λιπιδιακές Διπλοστιβάδες Λιποσώµατα Figure 10-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Λιπιδιακή Διπλοστιβάδα (black membrane) Ε. Παρασκευά 17

19 Τα λιπίδια της µεµβράνης βρίσκονται σε συνεχή κίνηση Φθορίζουσα χρωστική Σωµατίδιο χρυσού Spin label (>N-O) ESR sprectroscopy Figure Q10-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 18

20 Κίνηση των Φωσφολιπιδίων Πλευρική διάχυση (10 7 φορές ανά sec) Μεταπίδηση στην άλλη στιβάδα (1 φορά το µήνα) Περιστροφή γύρω από τον άξονα τους Κίνηση των αλυσίδων υδρογονανθράκων Ε. Παρασκευά 19

21 Η Ρευστότητα της Λιπιδιακής Διπλοστιβάδας εξαρτάται από τη σύσταση και τη θερµοκρασία της Αλλαγή Φάσης (phase transition) θερµοκρασία αλλαγής φάσης Η χοληστερόλη εµποδίζει ακρότητες στη ρευστότητα της µεµβράνης 1) αυξάνει τη ρευστότητα σε θερµοκρασίες 2) αυξάνει τη σταθερότητα σε θερµοκρασίες Ε. Παρασκευά 20

22 Table 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 21

23 Τα λιπίδια της µεµβράνης µπορούν να σχηµατίσουν περιοχές µε διαφορετική σύσταση 1:1 -φωσφατιδυλχολίνη -σφινγγοµυελίνη 1:1:1 -φωσφατιδυλχολίνη -σφινγγοµυελίνη -χοληστερόλη Ε. Παρασκευά 22

24 Η Κυτταρική Μεµβράνη περιέχει Λιπιδικές Σχεδίες (Lipid Rafts) Σφιγγολιπίδια µακριές κορεσµένες αλυσίδες υδρογονανθράκων Χοληστερόλη Μικροπεριοχές όπου η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι παχύτερη µε αποτέλεσµα να συγκεντρώνονται κάποιες πρωτεΐνες Τα σφιγγολιπίδια στις δύο στιβάδες επικοινωνούν µεταξύ τους Ε. Παρασκευά 23

25 Δοµή των λιπιδικών σχεδιών. Αλληλεπίδραση σφιγγοµυελίνης -γλυκολιπιδίων - χοληστερόλης Λιπιδική σχεδία σε συνθετική διπλοστιβάδα Ε. Παρασκευά 24

26 Μοντέλο λιπιδικής σχεδίας Οργάνωση πρωτεϊνών Συγκέντρωση σε µεταφορικά κυστίδια Διευκολύνουν την δράση τους φέρνοντας τη µία κοντά στην άλλη Ε. Παρασκευά 25

27 Η κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύµµετρη Ε. Παρασκευά 26

28 Η ασυµµετρία στην κατανοµή των λιπιδίων δηµιουργείται από µεµβρανικούς µεταφορείς φωσφολιπιδίων Ε. Παρασκευά 27

29 Η Ασυµµετρία της Λιπιδικής Διπλοστιβάδας είναι Σηµαντική για τη Λειτουργία της Παρουσία φωσφατιδυλσερίνης στην εσωτερική στιβάδα: συγκέντρωση αρνητικών φορτίων διαφορά φορτίου ανάµεσα στις δύο στιβάδες. Κυτταροπλασµατικές πρωτεϊνες όπως η PKC προσδένονται στην εσωτερική στιβάδα και χρειάζονται την παρουσία αρνητικού φορτίου για να δράσουν Ε. Παρασκευά 28

30 Τα κύτταρα χρησιµοποιούν την ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα για να διακρίνουν ανάµεσα σε ζωντανά και νεκρά κύτταρα Ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα ανθρώπινων ερυθροκυττάρων Έκθεση φωσφατιδυλσερίνης στην εξωτερική στιβάδα της κυττ. µεµβράνης Σήµα για φαγοκυττάρωση του νεκρού κυττάρου του πυρήνα των πρώιµων ερυθροκυττάρων Οφείλεται: Απενεργοποίηση των µεταφορέων φωσφολιπιδίων Ενεργοποίηση του ενζύµου που κατανέµει µη ειδικά τα τα φωσφολιπίδια στις δύο στιβάδες Ε. Παρασκευά 29

31 Επίδραση της φωσφατιδυλινοσιτόλης στη µεταγωγή σήµατος µέσω της κυτταρικής µεµβράνης Φωσφο-ινοσιτόλη : 2-8 % των φωσφολιπιδίων της πλασµατικής µεµβράνης ζωικών κυττάρων Ε. Παρασκευά 30

32 Η φωσφατιδυλινοσιτόλη φωσφορυλιώνεται από την ΡΙ3Κ και στρατολογεί πρωτεΐνες σηµατοδότησης στην κυτταρική µεµβράνη Figure 10-17a Molecular Biology of the Cell Ε. Παρασκευά 31

33 Διάσπαση της φωσφατιδυλινοσιτόλης από την φωσφολιπάση C και ενεργοποίηση ενδοκυτταρικής σηµατοδότησης Figure 10-17b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 32

34 Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 33

35 Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 34

36 Τα γλυκολιπίδια βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της κυτταρικής µεµβράνης 5% των λιπιδίων της κυτ. µεµβράνης Βρίσκονται στην εξωτερική στιβάδα Γλυκολιπίδια σφιγγοσίνη σάκχαρα Ε. Παρασκευά 35

37 Τα γλυκολιπίδια ως καθοριστές των οµάδων αίµατος Ε. Παρασκευά 36

38 Γανκλιοσίδια : σιαλικό οξύ αρνητικό φορτίο νευρώνες v Μεταλλάξεις που εµποδίζουν την παραγωγή σύνθετων γαγγλιοσιδίων δεν προκαλούν φαινότυπο, εκτός από την ελαττωµατική µεταφορά τεστοστερόνης στους όρχεις (στειρότητα) G M1 : είσοδος τοξίνης του βακτηρίου που προκαλεί χολέρα ενδοκυττάριου camp στα επιθηλιακά κύτταρα του εντέρου είσοδος Na+ και H 2 O Ε. Παρασκευά 37

39 Η συσσώρευση ενδιάµεσων προϊόντων της αποικοδόµησης σφιγγολιπιδίων αποτελεί αίτια εµφάνισης ασθενειών Συσσωµατώµατα γαγγλιοσιδών σε εγκεφαλικό κύτταρο παιδιού µε ασθένεια Tay-Sachs Ε. Παρασκευά 38

40 Μεµβρανικές Πρωτεΐνες 50% της µάζας της µεµβράνης 50 µόρια λιπιδίων για κάθε µόριο πρωτεΐνης Υπεύθυνες για τις ειδικές λειτουργίες της µεµβράνης Ε. Παρασκευά 39

41 Ø Υποδοχείς Ø Ένζυµα κατάλυση αντιδράσεων κοντά στη µεµβράνη Ø Δίαυλοι µετακίνηση µορίων στις δύο πλευρές της µεµβράνης Ø Κινητήριες πρωτεΐνες κίνηση του κυττάρου Ø Πρωτεΐνες που λειτουργούν στην κυτταρική αναγνώριση Ø Μόρια κυτταρικής πρόσφυσης Ø Πρωτεΐνες φορείς Ε. Παρασκευά 40

42 Μεµβρανικές πρωτεΐνες Διαµεµβρανικές (1-3) Ενσωµατωµένες (4-6) Περιφερικές (7-8) Ε. Παρασκευά 41

43 Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Λιπαρών οξέων Οµάδας πρενυλίου Ε. Παρασκευά 42

44 Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Ολιγοσακχαριτών GPI anchor to PI Ε. Παρασκευά 43

45 Διαµεµβρανικές πρωτεΐνες Ε. Παρασκευά 44

46 Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτείνες διασχίζουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα µε τη µορφή α έλικας Σταθερός προσανατολισµός στη µεµβράνη καθορισµένη κυτοσολική µη κυτοσολική περιοχή διαµεµβρανική περιοχή Αµινοξέα µε µη πολικές πλευρικές οµάδες Πολικοί πεπτιδικοί δεσµοί Σχηµατισµός δεσµών υδρογόνου ανάµεσα στους πεπτιδικούς δεσµούς Διαµόρφωση α έλικας Υδρόφοβα αµινοξέα Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 45

47 Ε. Παρασκευά 46

48 Οι χάρτες υδροπάθειας βοηθούν στην αναγνώριση περιοχών της πρωτεΐνης που διασχίζουν τη µεµβράνη µε τη µορφή α-έλικας Ε. Παρασκευά 47

49 Οι a έλικες µπορεί να διαπερνούν µόνο τη µισή λιπιδική διπλοστιβάδα (ιοντικοί δίαυλοι) υδατοπορίνη Ε. Παρασκευά 48

50 Διαµεµβρανικές πρωτεϊνες µε τη διαµόρφωση β-βαρελιού απαντώνται στις µεµβράνες βακτηρίων, µιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Ανελαστική διαµόρφωση (κάθε β-αλυσίδα συνδέεται µε τις γειτονικές µε δεσµούς υδρογόνου) Οι α-έλικες µπορούν να αλλάζουν θέση και η πρωτεϊνη αλλάζει διαµόρφωση: Ιοντικοί δίαυλοι Μεταφορά διαλυτών µορίων Μεταγωγή σήµατος Ε. Παρασκευά 49

51 Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτεΐνες είναι γλυκοσυλιωµένες Οι οµάδες σακχάρων βρίσκονται πάντα στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης Δηµιουργία δισουλφιδικών δεσµών µόνο στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης Σταθεροποίηση της διαµόρφωσης της πρωτεΐνης της σύνδεσής της µε άλλες πολυπεπτιδικές αλυσίδες Ε. Παρασκευά 50

52 Η επιφάνεια του κυττάρου καλύπτεται από σάκχαρα γλυκοπρωτεΐνες γλυκολιπίδια πρωτεογλυκάνες Γλυκοκάλυκας Αναγνώριση από λεκτίνες Προστασία από µηχανική και χηµική βλάβη Αποµόνωση του κυττάρου Ε. Παρασκευά 51

53 ΕΙΚΟΝΑ Ο γλυκοκάλυκας. Φωτογραφία εντερικού επιθηλίου σε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο, όπου φαίνεται ο γλυκοκάλυκας (βέλη). (Don Fawcett/Visuals Unlimited.) Ε. Παρασκευά 52

54 Αποµόνωση & Μελέτη µεµβρανικών πρωτεϊνών Ε. Παρασκευά 53

55 Οι περιφερικές πρωτεΐνες διαλυτοποιούνται εύκολα Ε. Παρασκευά 54

56 Διαλυτοποίηση και Καθαρισµός Μεµβρανικών Πρωτεϊνών µε τη Χρήση Απορρυπαντικών απορρυπαντικά αµφιπαθή µόρια διασπούν τους υδρόφοβους δεσµούς και καταστρέφουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 55

57 Διαλυτοποίηση ενσωµατωµένων διαµεµβρανικών πρωτεϊνών µε απορρυπαντικά. β-οκτυλογλυκοσίδιο Ε. Παρασκευά 56

58 Ιοντικά Μη-ιοντικά Μετουσίωση πρωτεϊνης SDS-PAGE Αναδιάταξη, ανάκτηση δραστικότητας Ε. Παρασκευά 57

59 Πολλές Μεµβρανικές Πρωτεΐνες Διαχέονται κατά µήκος της Μεµβράνης Figure Molecular Biology of the Cell Περιστροφή γύρω από τον άξονά τους Πλευρική Διάχυση Ε. Παρασκευά 58

60 Μέτρηση του ρυθµού πλευρικής διάχυσης µεµβρανικών πρωτεϊνών µε τεχνικές φωτο-αποχρωµατισµού Figure 10-36a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 59

61 Figure 10-36b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 60

62 Μέτρηση του ρυθµού πλευρικής διάχυσης µεµβρανικών πρωτεϊνών µε τεχνικές φωτο-αποχρωµατισµού Η σταθερά διάχυσης διαφέρει σηµαντικά για διάφορες πρωτεΐνες οι αλληλεπιδράσεις µε άλλες πρωτεΐνες εµποδίζουν τη διάχυση όταν δεν υπάρχει παρεµπόδιση η µεµβράνη φαίνεται ότι πυκνότητα συγκρίσιµη µε του ελαιόλαδου Ε. Παρασκευά 61

63 Διαφορετικές περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης περιέχουν διαφορετικές πρωτεΐνες Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Επιθηλιακό κύτταρο Ασύµµετρη κατανοµή Πρωτεϊνών Λιπιδίων Στενοσύνδεσµοι Ε. Παρασκευά 62

64 Οι τρεις περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης του σπερµατοζωαρίου Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Η διαφορετική κατανοµή των πρωτεϊνών στη µεµβράνη δεν οφείλεται στην ύπαρξη στενοσυνδέσµων Ε. Παρασκευά 63

65 Μηχανισµοί που χρησιµοποιούνται για τον περιορισµό µιας πρωτεΐνης σε µια περιοχή της µεµβράνης Σχηµατισµός συσσωµατωµάτων Σύνδεση µε κυτταρικές δοµές Σύνδεση µε δοµές στον εξωκυττάριο χώρο Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Αλληλεπίδραση µε πρωτεΐνες στην επιφάνεια άλλων κυττάρων Ε. Παρασκευά 64

66 Σύνδεση των πρωτεϊνών της κυτταρικής µεµβράνης µε τον κυτταροσκελετό ερυθροκύτταρα Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 65

67 Σύνδεση των πρωτεϊνών της κυτταρικής µεµβράνης µε τον κυτταροσκελετό Ε. Παρασκευά 66

68 Κυτταρική αναγνώριση µέσω ολιγοσακχαριτών Αναγνώριση ωοκυττάρου σπέρµατος Πήξη αίµατος Χηµειοταξία λεµφοκυττάρων Φλεγµονή Ε. Παρασκευά 67

69 Διαµεµβρανικές πρωτεΐνες συµµετέχουν στην αλληλεπίδραση µεταξύ κυττάρων Ε. Παρασκευά 68

70 Ο ρόλος της σύντηξης µεµβρανών στις κυτταρικές διαδικασίες Ε. Παρασκευά 69

71 Είσοδος του ιού HIV σε Τ λεµφοκύτταρα Ε. Παρασκευά 70