Ιοντικοί Δίαυλοι Ε. Παρασκευά 1

Transcript

1 Ιοντικοί Δίαυλοι Ε. Παρασκευά 1

2 Ενδοκυτταρικές & Εξωκυτταρικές συγκεντρώσεις Ιόντων Table 11-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 2

3 Διαπερατότητα της συνθετικής λιπιδικής διπλοστιβάδας για διάφορα µόρια Figure 11-1 Molecular Biology of the Cell Σχετική διαπερατότητα Figure 11-2 Molecular Biology of the Cell Συντελεστές διαπερατότητα Ε. Παρασκευά 3

4 Ενεργητική & Παθητική Μεταφορά Figure 11-4a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Η ηλεκτροχηµική κλίση συνδυάζει το δυναµικό της µεµβράνης & την κλίση συγκέντρωσης Figure 11-4b Molecular Biology of the Cell Ε. Παρασκευά 4

5 Πρωτεΐνες δίαυλοι Διαµεµβρανικές πρωτεΐνες Χασµατο σύνδεσµοι Πορίνες Figure 15-7 Molecular Biology of the Cell Figure 11-3b Molecular Biology of the Cell υδατοπορίνη Ιοντικοί δίαυλοι Ε. Παρασκευά 5

6 Ιοντικοί δίαυλοι συνδέονται ασθενικά µε τα µόρια που µεταφέρουν σχηµατίζουν έναν υδάτινο πόρο στην κυτταρική µεµβράνη επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων, πάντα σύµφωνα µε την κλίση συγκέντρωσης Η µεταφορά µέσω ιοντικών διαύλων είναι ταχύτερη (10 7 ιόντα / sec) δεν επέρχεται κορεσµός Οι κύριες ιδιότητες των ιοντικών διαύλων ü Άγουν ιόντα ü Αναγνωρίζουν και επιλέγουν συγκεκριµένα ιόντα ü Ανοίγουν και κλείνουν αποκρινόµενοι σε ειδικά σήµατα Ε. Παρασκευά 6

7 Ρύθµιση της Διάνοιξης των Ιοντικών Διαύλων τασοεξαρτώµενοι χηµειοεξαρτώµενοι µηχανοευαίσθητοι Οι ιοντικοί δίαυλοι παραµένουν ανοιχτοί για πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα (msec) Ε. Παρασκευά 7

8 >100 τύποι ιοντικών διαύλων Ιόντα που άγουν Μηχανισµό ρύθµισης Συχνότητα έκφρασης Κυτταρική εντόπιση Ε. Παρασκευά 8

9 Οι ιοντικοί δίαυλοι είναι υπεύθυνοι για ü την ηλεκτρική διέγερση των µυϊκών κυττάρων ü τη µεταγωγή ηλεκτρικών σηµάτων στο νευρικό σύστηµα ü τη διαµόρφωση της διαφοράς δυναµικού εκατέρωθεν της κυτταρικής µεµβράνης και για τις ταχείες µεταβολές της σε όλα τα κύτταρα Ε. Παρασκευά 9

10 Δηµιουργία Δυναµικού στην Κυτταρική Μεµβράνη Ζωϊκών Κυττάρων Αντλίες ιόντων Δίαυλοι ιόντων Δίαυλοι Κ+ K + leak channels Ε. Παρασκευά 10

11 Δίαυλοι Κ+ Εκλεκτικότητα & εξειδίκευση Άγουν τα Κ φορές καλύτερα από τα Na +? Να + < Κ + Η ταχύτητα αγωγής δεν συµβιβάζεται µε ισχυρή σύνδεση ιόντος-διαύλου Καθορισµός της τριτοταγούς δοµής των ιοντικών διαύλων Ε. Παρασκευά 11

12 The Nobel Prize in Chemistry 2003 The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry for 2003 "for discoveries concerning channels in cell membranes", with one half of the prize to Peter Agre "for the discovery of water channels" and one half of the prize to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels". The cell's contact with the outer world The wall that separates a cell from its surroundings - the membrane - is not an impermeable shell. It is pierced through by various sorts of channel. The channels consist of proteins, each with its own function. Salt and water are important actors in the chemistry of life. Life on earth, and our own lives, originated in salt water in the oceans and in the womb. Yet only fairly recently have we understood how water molecules and salt ions are transported in and out through the cell walls. Peter Agre Roderick MacKinnon Ε. Παρασκευά 12

13 Ο δίαυλος Κ+ έχει δοµή ενός «κώνου µέσα σε κώνο» ηθµός Potassium ion channel KcsA Ε. Παρασκευά 13

14 Figure 2 : The four subunits of the channel are shown in different colors. They surround a central pore, guarded by the selectivity filter made up of the P-loops from each of the subunits. This filter determines the permeability of the pore to different ions. Dotted lines show the approximate position of the cell membrane Nature Publishing Group Zagotta, W. N. Membrane biology: Permutations of permeability. Nature 440, (2006). All rights reserved Ε. Παρασκευά 14

15 Αρνητικά φορτισµένα αµινοξέα Αύξηση της συγκέντρωσης κατιόντων 11.4-potassium_channel.mov Ε. Παρασκευά 15

16 Μοντέλο λειτουργίας του διαύλου Κ Ε. Παρασκευά 16

17 Ρύθµιση των διαύλων Κ Ε. Παρασκευά 17

18 Τύποι διαύλων Κ + Petkov G., Nat. Rev. Urol Ε. Παρασκευά 18

19 Ε. Παρασκευά 19

20 Η δοµή ενός διαύλου Κ+ αποκαλύπτει που βασίζεται η εξειδίκευσή του Ρύθµιση Η µεγαλύτερη οµολογία ανάµεσα στους διαύλους Κ+ υπάρχει στην περιοχή του πόρου- περιέχει τον ηθµό εξειδίκευσης το Κ+ περνά ευκολότερα από το Να Ε. Παρασκευά 20

21 Οµολογία στην αµινοξική αλληλουχία Μελέτη των υποµονάδων που απαρτίζουν τον ιοντικό δίαυλο Ε. Παρασκευά 21

22 The amino-acid sequences from a range of ion channels show remarkable similarity in the region of the selectivity filter. Red conserved glycines in the signature sequence TVGYG, found in the potassium ion channel KcsA. Yellow amino acids are chemically similar. As the filter sequence becomes less conserved, the channels lose their selectivity for K + over Na + and become more permeable to Ca 2+. The structure of the nonselective cation channel NaK from Bacillus cereus has been solved and comparison of the selectivity filters of NaK and KcsA (left) provides structural clues to sodium-ion permeability Ε. Παρασκευά 22

23 Ρύθµιση της διάνοιξης των ιοντικών διαύλων Ε. Παρασκευά 23

24 Ε. Παρασκευά 24

25 Οι τασεοεξαρτώµενοι δίαυλοι κατιόντων είναι υπεύθυνοι για τη δηµιουργία δυναµικών ενεργείας στα διεγέρσιµα κύτταρα Ε. Παρασκευά 25

26 Ε. Παρασκευά 26

27 Διάδοση δυναµικού ενεργείας Ε. Παρασκευά 27

28 Ε. Παρασκευά 28

29 Η απενεργοποίηση των διαύλων Να+ εµποδίζει τη διάδοση του δυναµικού προς τα πίσω Ε. Παρασκευά 29

30 Ο νευρωνικός δίαυλος Να+ είναι τασοεξαρτώµενος 1 πολυπεπτίδιο 4 περιοχές Εξειδίκευση του διαύλου Να Ε. Παρασκευά 30

31 Ε. Παρασκευά 31

32 Ε. Παρασκευά 32

33 Απενεργοποίηση του διαύλου Να+ Το µήκος της αλυσίδας καθορίζει το χρόνο που ο δίαυλος παραµένει ανοιχτός Μοντέλο µπάλας - αλυσίδας Ε. Παρασκευά 33

34 Ιοντικοί Δίαυλοι Ca 2+ ü Μυς Σύζευξη Διέγερσης-Συστολής ü Νευρικό και ενδοκρινικό σύστηµα Σύζευξη Διέγερσης - Έκκρισης Μεγάλο εύρος δράσεων Πολλά γονίδια Διαφορετικοί τύποι διαύλων Ca Ε. Παρασκευά 34

35 Ιδιότητες και Τύποι Τασοεξαρτώµενων Διαύλων Ca 2+ Δίαυλος Ιδιότητα L T N P/Q R Κινητική Μεγάλη διάρκεια Υψηλή (>-30mV) στιγµιαίος Χαµηλή (<-30mV) Μεσαία-Μεγάλη διάρκεια Υψηλή (>-30mV) Μεσαία-Μεγάλη διάρκεια Υψηλή (>-30mV) Μεσαία διάρκεια Υψηλή (>-30mV) Θέση Λειτουργία DHP +++ DHP + DHP ω-conotoxin+++ Καρδιά, σκελετικός µυς, νευρώνες, λείος µυς, µήτρα, νευροκρινή κύτταρα Σύζευξη ΕC, µεταγωγή ενδοκυτ. σήµατος Ca Καρδιά, νευρώνες στον εγκέφαλο Τάση ενεργοποίησης Φαρµακολογία Επαναλαµβανό- µενα δυναµικά Προσυναπτική µεµβράνη, δενδρίτες και κυτταρικό σώµα στους νευρώνες, Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστ ή DHP ω-agatoxin IVA +++ Νευρώνες ΚΝΣ Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστ ή DHP ω-agatoxin IIIA +++ νευρώνες Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστ ή Γονίδια a 1s, a 1C, a 1D a 1G a 1B a 1A a 1E (πιθανόν) Ε. Παρασκευά 35

36 Μοντέλο Διαύλου Cl Ε. Παρασκευά 36

37 Ε. Παρασκευά 37

38 Μοντέλο Υδατοπορίνης Υδρόφιλα aa Υδρόφοβα aa 4 όµοιες υποµονάδες σχηµατίζουν το δίαυλο (κάθε υποµονάδα σχηµατίζει 1 πόρο στη µεµβράνη) Υδρόφιλα aa: +δεσµοί υδρογόνου µε µόρια H 2 O Υδρόφοβα aa: -δεσµοί υδρογόνου µε µόρια H 2 O Δίοδος H 2 O, αλλά όχι ιόντων Ε. Παρασκευά 38

39 Fig 3. Passage of water molecules through the aquaporin AQP1. Because of the positive charge at the center of the channel, positively charged ions such as H3O+, are deflected. This prevents proton leakage through the channel Ε. Παρασκευά 39

40 Χηµειοεξαρτώµενοι ιοντικοί δίαυλοι Figure 15-16a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 40

41 Ο νικοτινικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης Διαθεσιµότητα νευροτοξινών που συνδέονται µε µεγάλη συγγένεια µε τον υποδοχέα ακετυλοχολίνης Ξεχωριστή θέση στην ιστορία της µελέτης των ιοντικών διαύλων Ο 1ος ιοντικός δίαυλος που κλωνοποιήθηκε το γονίδιο του καθορίστηκε η αλληλουχία του ανασυγκροτήθηκε σε λιπιδικές διπλοστιβάδες καταγράφηκε ηλεκτρικό σήµα από ένα µόνο δίαυλο καθορίστηκε η δοµή του Δίαυλοι ακετυλοχολίνης στην µετασυναπτική µεµβράνη Ε. Παρασκευά 41

42 Figure 15-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 42

43 Η ακετυλοχολίνη που απελευθερώνεται από τον προσυναπτικό νευρώνα συνδέεται µε τον υποδοχέα της και προκαλεί το άνοιγµα του διαύλου Επιτρέπεται η διέλευση Νa +, Ca 2+ και Κ + Τα ανιόντα και άλλα κατιόντα αποκλείονται Η διέλευση Νa + είναι ταχεία και δεν παρουσιάζει κορεσµό Ε. Παρασκευά 43

44 σύνδεση Ach Ε. Παρασκευά 44

45 Ε. Παρασκευά 45

46 Δοµή Ιοντικών Διαύλων Δίαυλος Κ + Χηµειοεξαρτώµενος δίαυλος (ACh, GABA) Δίαυλος Cl Ε. Παρασκευά 46

47 Το ρεύµα ενός ιοντικού διαύλου είναι δυνατόν να µετρηθεί Ένας τυπικός ιοντικός δίαυλος παραµένει ανοιχτός για χιλιοστά του δευτερολέπτου οι βιοχηµικές µέθοδοι δεν επαρκούν Ανάπτυξη νέας µεθοδολογίας Τεχνική καθήλωσης κηλίδων Patch-clump The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991 Erwin Neher Bert Sakmann "for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells" Ε. Παρασκευά 47

48 Τεχνική καθήλωσης κηλίδων Patch-clump Μέγεθος και διάρκεια ρεύµατος Συχνότητα Επίδραση από παράγοντες (µεµβρανικό δυναµικό, ρυθµιστικοί συνδέτες, τοξίνες) Ε. Παρασκευά 48

49 Ε. Παρασκευά 49

50 Κλωνοποίηση των γονιδίων που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες των ιοντικών διαύλων Έκφραση ανασυνδυασµένων ιοντικών διαύλων Μελέτη της επίδρασης µεταλλάξεων Ε. Παρασκευά 50

51 Οι δίαυλοι ιόντων που ενεργοποιούνται στη νευροµυϊκή σύναψη Ε. Παρασκευά 51

52 Η αρχιτεκτονική των χηµειοεξαρτόµενων διαύλων Ε. Παρασκευά 52

53 Ο υποδοχέας Ν-µεθυλο-D-ασπαραγινικού (NMDA) Ενεργοποίηση από γλουταµινικό Η γλυκίνη δρα ως συνενεργοποητής όµως Η παρουσία του Mg 2+ αποκλείει το δίαυλο Απαιτείται εκπόλωση της µεµβράνης που οδηγεί σε απόµάκρυνση του Mg Ε. Παρασκευά 53

54 Ε. Παρασκευά 54

55 ΙΡ3- εξαρτώµενος δίαυλος Ca2+ στο ενδοπλασµατικό δίκτυο Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 55

56 Ρύθµιση Ιοντικοί διαύλων από G πρωτείνες Ε. Παρασκευά 56

57 Ιοντικοί Δίαυλοι και Όραση Ε. Παρασκευά 57

58 Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ε. Παρασκευά 58

59 Ιοντικοί Δίαυλοι και Όσφρηση G olf Ε. Παρασκευά 59

60 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004 Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of "odorant receptors and the organization of the olfactory system" Ε. Παρασκευά 60

61 Ιοντικοί Δίαυλοι και Γεύση Ε. Παρασκευά 61

62 Ε. Παρασκευά 62

63 Μηχανοευαίσθητοι Ιοντικοί Δίαυλοι (a) Mechanosensitive ion channels are gated ion channels that respond to mechanical deformation of the plasma membrane. A mechanosensitive channel is connected to the plasma membrane and the cytoskeleton by hair-like tethers. When pressure causes the extracellular matrix to move, the channel opens, allowing ions to enter or exit the cell. (b) Stereocilia in the human ear are connected to mechanosensitive ion channels. When a sound causes the stereocilia to move, mechanosensitive ion channels transduce the signal to the cochlear nerve Ε. Παρασκευά 63

64 Ε. Παρασκευά 64

65 Ε. Παρασκευά 65

66 Διαυλοπάθειες Nature Publishing Group Ackerman, M. J. Cardiac channelopathies: it's in the genes. Nature Medicine 10, (2004). All rights reserved Ε. Παρασκευά 66

67 Ένας ελαττωµατικός ιοντικός δίαυλος προκαλεί Κυστική Ίνωση Συµπτώµατα σε αεραγωγούς και στο γαστρεντερικό σωλήνα Σχηµατισµός υπερβολικής ποσότητας βλέννης Οι ασθενείς πεθαίνουν συνήθως από λοιµώξεις του αναπνευστικού (Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa) Ε. Παρασκευά 67

68 Υπολειπόµενη µετάλλαξη 5% του πληθυσµού είναι φορείς Δίαυλος Cl Ε. Παρασκευά 68

69 Φυσιολογικά τα επιθηλιακά κύτταρα ü εκκρίνουν βλέννη µε αντιµικροβιακές ιδιότητες (εκλωβισµός και θάνατος των βακτηρίων) ü αποµακρύνουν τα νεκρά βακτήρια µέσω της κίνησης των κροσσών τους Σε ασθενείς µε CF οι λειτουργίες αυτές είναι αναποτελεσµατικές Ε. Παρασκευά 69

70 Η πρωτεΐνη CTFR Phe 508 Μεµβρανική πρωτεΐνη Ιοντικός δίαυλος Cl - Η δράση του αυξάνει µέσω φωσφορυλλίωσης σε πολλαπλές θέσεις των πλάγιων αλυσίδων από την εξαρτώµενη από camp κινάση (PKA) Η εξάλειψη της Phe 508 είναι η µετάλλαξη υπεύθυνη για το 70% των περιπτώσεων CF Η πρωτεΐνη δεν έχει σωστή διαµόρφωση και δεν εισέρχεται στη µεµβράνη Άλλες µεταλλάξεις εµποδίζουν την ενεργοποίηση από φωσφορυλλίωση Σε κάθε περίπτωση: Ο δίαυλος Cl - είναι ανενεργός Ε. Παρασκευά 70