ΕΙΚΟΝΑ Διαβαθµίσεις ιόντων µεταξύ των δύο πλευρών της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης ενός τυπικού κυττάρου θηλαστικών. Οι συγκεντρώσεις Na + και

Transcript

1 Ιοντικοί Δίαυλοι 1

2 2

3 ΕΙΚΟΝΑ Διαβαθµίσεις ιόντων µεταξύ των δύο πλευρών της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης ενός τυπικού κυττάρου θηλαστικών. Οι συγκεντρώσεις Na + και Cl είναι υψηλότερες στο εξωτερικό του κυττάρου απ ό,τι στο εσωτερικό του, ενώ η συγκέντρωση K + είναι υψηλότερη στο εσωτερικό. Οι χαµηλές συγκεντρώσεις Na + και Cl εξισορροπούν την υψηλή ενδοκυτταρική συγκέντρωση οργανικών ενώσεων, εξισώνοντας την ωσµωτική πίεση και εµποδίζοντας την ωσµωτική εισροή ύδατος. 3

4 Σχετική διαπερατότητα συνθετικής λιπιδικής διπλοστιβάδας για διάφορα µόρια Συντελεστές διαπερατότητα συνθετικής λιπιδικής διπλοστιβάδας για διάφορα µόρια 4

5 Πρωτεΐνες φορείς και ιοντικοί δίαυλοι Οι 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 5

6 Ενεργητική & Παθητική Μεταφορά Η ηλεκτροχηµική κλίση συνδυάζει το δυναµικό της µεµβράνης & την κλίση συγκέντρωσης 6

7 Οι κύριες ιδιότητες των ιοντικών διαύλων Διαµεµβρανικές πρωτεΐνες ü Άγουν ιόντα ü Αναγνωρίζουν και επιλέγουν συγκεκριµένα ιόντα ü Ανοίγουν και κλείνουν αποκρινόµενοι σε ειδικά σήµατα 7

8 τασοεξαρτώµενοι χηµειοεξαρτώµενοι µηχανοευαίσθητοι Οι ιοντικοί δίαυλοι παραµένουν ανοιχτοί για πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα (msec) 8

9 >100 τύποι ιοντικών διαύλων Ιόντα που άγουν Μηχανισµό ρύθµισης Συχνότητα έκφρασης Κυτταρική εντόπιση 9

10 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 10

11 Δηµιουργία Δυναµικού στην Κυτταρική Μεµβράνη Ζωϊκών Κυττάρων Αντλίες ιόντων Δίαυλοι ιόντων K + leak channels 11

12 K + leak channels 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 12

13 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 Contents: Introduction The cell's contact Water channels Ion channels Cells signal with salt Timeline Further reading Credits Web Adapted Version of the Nobel Poster from the Royal Swedish Academy of Sciences 13

14 Ο δίαυλος Κ+ έχει δοµή ενός «κώνου µέσα σε κώνο» ηθµός 14

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

16 Μοντέλο λειτουργίας του διαύλου Κ+ 16

17 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+ 17

18 Ρύθµιση των διαύλων Κ + 18

19 19

20 20

21 21

22 Οµολογία στην αµινοξική αλληλουχία Μελέτη των υποµονάδων που απαρτίζουν τον ιοντικό δίαυλο 22

23 Οι τασεοεξαρτώµενοι δίαυλοι κατιόντων είναι υπεύθυνοι για τη δηµιουργία δυναµικών ενεργείας στα διεγέρσιµα κύτταρα 23

24 24

25 Διάδοση δυναµικού ενεργείας 25

26 26

27 Η απενεργοποίηση των διαύλων Να+ εµποδίζει τη διάδοση του δυναµικού προς τα πίσω 27

28 Ο νευρωνικός δίαυλος Να+ είναι τασοεξαρτώµενος 1 πολυπεπτίδιο 4 περιοχές Εξειδίκευση του διαύλου Να+ 28

29 29

30 30

31 Απενεργοποίηση του διαύλου Να+ Το µήκος της αλυσίδας καθορίζει το χρόνο που ο δίαυλος παραµένει ανοιχτός Μοντέλο µπάλας - αλυσίδας 31

32 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 2+ 32

33 Ιδιότητες και Τύποι Τασοεξαρτώµενων Διαύλων Ca 2+ Δίαυλος Ιδιότητα L T N P/Q R Κινητική Μεγάλη διάρκεια στιγµιαίος Μεσαία-Μεγάλη διάρκεια Τάση ενεργοποίησης Υψηλή (>-30mV) Χαµηλή (<-30mV) Υψηλή (>-30mV) Μεσαία-Μεγάλη διάρκεια Υψηλή (>-30mV) Μεσαία διάρκεια Υψηλή (>-30mV) Φαρµακολογία DHP +++ DHP + DHP ω-conotoxin+++ DHP ω-agatoxin IVA +++ DHP ω-agatoxin IIIA +++ Θέση Καρδιά, σκελετικός µυς, νευρώνες, λείος µυς, µήτρα, νευροκρινή κύτταρα Καρδιά, νευρώνες στον εγκέφαλο Προσυναπτική µεµβράνη, δενδρίτες και κυτταρικό σώµα στους νευρώνες, Νευρώνες ΚΝΣ νευρώνες Λειτουργία Σύζευξη ΕC, µεταγωγή ενδοκυτ. σήµατος Ca Επαναλαµβανό- µενα δυναµικά Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή Γονίδια a 1s, a 1C, a 1D a 1G a 1B a 1A a 1E (πιθανόν) 33

34 Μοντέλο Διαύλου Cl - 34

35 35

36 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 36

37 37

38 Χηµειοεξαρτώµενοι ιοντικοί δίαυλοι 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 Δίαυλοι ακετυλοχολίνης στην µετασυναπτική µεµβράνη καθορίστηκε η δοµή του 38

39 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 39

40 σύνδεση Ach 40

41 41

42 Δοµή Ιοντικών Διαύλων Δίαυλος Κ + Χηµειοεξαρτώµενος δίαυλος (ACh, GABA) Δίαυλος Cl + Υδατοπορίνη 42

43 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" 43

44 Τεχνική καθήλωσης κηλίδων Patch-clump Μέγεθος και διάρκεια ρεύµατος Συχνότητα Επίδραση από παράγοντες (µεµβρανικό δυναµικό, ρυθµιστικοί συνδέτες, τοξίνες) 44

45 45

46 Κλωνοποίηση των γονιδίων που κωδικοποιούν τις πρωτεΐνες των ιοντικών διαύλων Έκφραση ανασυνδυασµένων ιοντικών διαύλων Μελέτη της επίδρασης µεταλλάξεων 46

47 Οι δίαυλοι ιόντων που ενεργοποιούνται στη νευροµυϊκή σύναψη 47

48 Η αρχιτεκτονική των χηµειοεξαρτόµενων διαύλων 48

49 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 2+ 49

50 50

51 Ιοντικοί Δίαυλοι και Όραση 51

52 Ιοντικοί Δίαυλοι και Όραση 52

53 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" 53

54 54

55 Ιοντικοί Δίαυλοι και Όσφρηση G olf 55

56 Ιοντικοί Δίαυλοι και Γεύση 56

57 57

58 58

59 59

60 60

61 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) 61

62 Υπολειπόµενη µετάλλαξη 5% του πληθυσµού είναι φορείς Δίαυλος Cl - 62

63 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 63

64 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 64

65 Cell Physiology Source Book. 3 rd edition. N. Sperelakis Κεφ Molecular Biology of the Cell, 5 th edition. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter Κεφ. 11 & 15. Molecular Cell Biology, 4 th edition. Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell Κεφ. 5 & 21. Lehninger Principles of Biochemistry, 3 rd edition. Nelson and Cox Κεφ Stryer Κεφ