οµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης

Transcript

1 οµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης

2 Αποµόνωση του κυττάρου από το περιβάλλον 10.1-membrane_fluidity.mov

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

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

5 Τρεις όψεις της Κυτταρικής Μεµβράνης (A) An electron micrograph of a plasma membrane (of a human red blood cell) seen in cross section. (B and C) These drawings show two-dimensional and threedimensional views of a cell membrane. (A, courtesy of Daniel S. Friend.)

6 Τα κύρια συστατικά της Κυτταρικής Μεµβράνης Λιπιδιακή ιπλοστοιβάδα Μεµβρανικές Πρωτεΐνες

7 Η δοµή της λιπιδιακής διπλοστιβάδας οφείλεται στις ιδιότητες των λιπιδίων Οι 3 κύριες κατηγορίες λιπιδίων της κυτταρικής µεµβράνης Φωσφολιπίδια Γλυκολιπίδια Στερόλες

8 Φωσφολιπίδια Φωσφογλυκερίδια Φωσφοτιδυλοχολίνη

9

10

11 Φωσφολιπίδια Σφιγκολιπίδια Σφιγκοµυελίνη

12 Γλυκολιπίδια σφιγγοσίνη σάκχαρα 5% των λιπιδίων στην εξωτερική στιβάδα της κυτ. µεµβράνης Τα γλυκολιπίδια ως καθοριστές των οµάδων αίµατος

13 Ιδιότητες των φωσφολιπιδίων space-filling model of a typical phospholipid bilayer

14 Υδρόφοβα και Υδρόφιλα µόρια αντιδρούν διαφορετικά µε τα µόρια του νερού ιαµορφώσεις των µορίων λιπιδίων σε υδάτινο περιβάλλον

15 Χοληστερόλη 10.2-lipids.mov

16 Οι λιπιδιακές διπλοστιβάδες έχουν αυτο-επιδιορθωτικές ιδιότητες µικρά κενά καλύπτονται από την µετακίνηση λιπιδίων µεγαλύτερα κενά στη ν κυτ. µεµβράνη ευκαρυωτικών κυττάρων καλύπτονται από τη σύντηξη κυστιδίων Η Λιπιδιακή ιπλοστιβάδα σχηµατίζει αυτόµατα κλειστές δοµές ηµιουργία του πρώτου κυττάρου?

17 Συνθετικές Λιπιδιακές ιπλοστιβάδες Λιπιδιακή ιπλοστιβάδα (black membrane) Λιποσώµατα

18 Τα λιπίδια της µεµβράνης βρίσκονται σε συνεχή κίνηση

19 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

20 Η Ρευστότητα της Λιπιδιακής ιπλοστιβάδας εξαρτάται από τη σύσταση και τη θερµοκρασία της Αλλαγή Φάσης (phase transition) θερµοκρασία αλλαγής φάσης Η χοληστερόλη 1) αυξάνει τη ρευστότητα σε θερµοκρασίες 2) µειώνει τη ρευστότητα σε θερµοκρασίες εµποδίζει ακρότητες στη ρευστότητα της µεµβράνης

21

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

23 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

24 οµή των λιπιδικών σχεδιών. Αλληλεπίδραση σφιγγοµυελίνης -γλυκολιπιδίων - χοληστερόλης Λιπιδική σχεδία σε συνθετική διπλοστιβάδα

25 Μοντέλο λιπιδικής σχεδίας Οργάνωση πρωτεϊνών Συγκέντρωση σε µεταφορικά κυστίδια ιευκολύνουν την δράση τους φέρνοντας τη µία κοντά στην άλλη

26 Η κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύµµετρη Ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα ανθρώπινων ερυθροκυττάρων Η ασυµµετρία στην κατανοµή των λιπιδίων δηµιουργείται από µεµβρανικούς µεταφορείς φωσφολιπιδίων

27

28

29 Επίδραση των λιπιδίων στη λειτουργία της κυτταρικής µεµβράνης

30 Τα κύτταρα χρησιµοποιούν την ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα για να διακρίνουν ανάµεσα σε ζωντανά και νεκρά κύτταρα Έκθεση φωσφατιδυλσερίνης στην εξωτερική στιβάδα της κυτταρικής 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

31 Η Ασυµµετρία της Λιπιδικής ιπλοστιβάδας είναι Σηµαντική για τη Λειτουργία της Φωσφο-ινοσιτόλη : 2-8 % των φωσφολιπιδίων της πλασµατικής µεµβράνης ζωικών κυττάρων

32 Τα γλυκολιπίδια βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της κυτταρικής µεµβράνης 5% των λιπιδίων της εξωτ. στιβάδας

33 Τα γλυκολιπίδια βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της κυτταρικής µεµβράνης Γανκλιοσίδια : σιαλικό οξύ αρνητικό φορτίο νευρώνες 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

34 Η συσσώρευση ενδιάµεσων προϊόντων της αποικοδόµησης σφιγγολιπιδίων αποτελεί αίτια εµφάνισης ασθενειών Συσσωµατώµατα γαγγλιοσιδών σε εγκεφαλικό κύτταρο παιδιού µε ασθένεια Tay-Sachs

35 Μεµβρανικές Πρωτεΐνες 50% της µάζας της µεµβράνης 50 µόρια λιπιδίων για κάθε µόριο πρωτεΐνης Υπεύθυνες για τις ειδικές λειτουργίες της µεµβράνης

36 Υποδοχείς Ένζυµα κατάλυση αντιδράσεων κοντά στη µεµβράνη ίαυλοι µετακίνηση µορίων στις δύο πλευρές της µεµβράνης Κινητήριες πρωτεΐνες κίνηση του κυττάρου Πρωτεΐνες που λειτουργούν στην κυτταρική αναγνώριση Μόρια κυτταρικής πρόσφυσης Πρωτεΐνες φορείς

37 Μεµβρανικές πρωτεΐνες ιαµεµβρανικές (1-3) Ενσωµατωµένες (4-6) Περιφερικές (7-8)

38 Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Λιπαρών οξέων Οµάδας πρενυλίου

39 Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Ολιγοσακχαριτών GPI anchor to PI

40 ιαµεµβρανικές πρωτεΐνες

41 Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτείνες διασχίζουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα µε τη µορφή α έλικας Σταθερός προσανατολισµός στη µεµβράνη καθορισµένη κυτοσολική µη κυτοσολική περιοχή διαµεµβρανική περιοχή Υδρόφοβα αµινοξέα Αµινοξέα µε µη πολικές πλευρικές οµάδες Πολικοί πεπτιδικοί δεσµοί Σχηµατισµός δεσµών υδρογόνου ανάµεσα στους πεπτιδικούς δεσµούς ιαµόρφωση α έλικας 03.1-alpha_helix.mov

42

43

44 Οι χάρτες υδροπάθειας βοηθούν στην αναγνώριση περιοχών της πρωτεΐνης που διασχίζουν τη µεµβράνη µε τη µορφή α-έλικας Προλίνη; 03.4-proline_kinks.mov

45

46 ιαµεµβρανικές 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 03.2-beta_sheet.mov

47 Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτεΐνες είναι γλυκοσυλιωµένες Οι οµάδες σακχάρων βρίσκονται πάντα στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης ηµιουργία δισουλφιδικών δεσµών µόνο στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης Σταθεροποίηση της διαµόρφωσης της πρωτεΐνης της σύνδεσής της µε άλλες πολυπεπτιδικές αλυσίδες

48 Η επιφάνεια του κυττάρου καλύπτεται από σάκχαρα γλυκοπρωτεΐνες γλυκολιπίδια πρωτεογλυκάνες Γλυκοκάλυκας Αναγνώριση από λεκτίνες Προστασία από µηχανική και χηµική βλάβη Αποµόνωση του κυττάρου

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

50 ιαλυτοποίηση και Καθαρισµός Μεµβρανικών Πρωτεϊνών µε τη Χρήση Απορρυπαντικών Παράγοντες που διασπούν τους υδρόφοβους δεσµούς και καταστρέφουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα απορρυπαντικά αµφιπαθή µόρια

51 ΕΙΚΟΝΑ 13.6 ιαλυτοποίηση ενσωµατωµένων διαµεµβρανικών πρωτεϊνών µε απορρυπαντικά. Τα απορρυπαντικά (π.χ. το οκτυλογλυκοσίδιο) είναι αµφιπαθή µόρια που περιέχουν υδρόφιλες κεφαλές και υδρόφοβες ουρές. Οι υδρόφοβες ουρές δεσµεύονται στις υδρόφοβες περιοχές των ενσωµατωµένων διαµεµβρανικών πρωτεϊνών, σχηµατίζοντας σύµπλοκα απορρυπαντικού-πρωτεΐνης που είναι διαλυτά στο υδατικό διάλυµα.

52 Οι περιφερικές πρωτεΐνες διαλυτοποιούνται εύκολα

53 Μη-ιοντικά Ιοντικά Μετουσίωση πρωτεϊνης SDS-PAGE Αναδιάταξη, ανάκτηση δραστικότητας

54 Πολλές Μεµβρανικές Πρωτεΐνες ιαχέονται κατά µήκος της Μεµβράνης Περιστροφή γύρω από τον άξονά τους Πλευρική ιάχυση

55 Μέτρηση του ρυθµού πλευρικής διάχυσης µεµβρανικών πρωτεϊνών µε τεχνικές φωτο-αποχρωµατισµού 10.6-FRAP.mov

56 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

57 ιαφορετικές περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης περιέχουν διαφορετικές πρωτεΐνες Επιθηλιακό κύτταρο Ασύµµετρη κατανοµή Πρωτεϊνών Λιπιδίων Στενοσύνδεσµοι

58 Οι τρεις περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης του σπερµατοζωαρίου Η διαφορετική κατανοµή των πρωτεϊνών στη µεµβράνη δεν οφείλεται στην ύπαρξη στενοσυνδέσµων

59 Μηχανισµοί που χρησιµοποιούνται για τον περιορισµό µιας πρωτεΐνης σε µια περιοχή της µεµβράνης Σχηµατισµός συσσωµατωµάτων Σύνδεση µε δοµές στον εξωκυττάριο χώρο Σύνδεση µε κυτταρικές δοµές Αλληλεπίδραση µε πρωτεΐνες στην επιφάνεια άλλων κυττάρων

60 Σύνδεση των πρωτεϊνών της κυτταρικής µεµβράνης µε τον κυτταροσκελετό

61

62 Μελέτη των µεµβρανικών πρωτεϊνών

63 Η κυτταρική µεµβράνη των ερυθροκυττάρων Εξωκυττάρια πλευρά Παρασκευή κυτταρικών µεµβρανών ερυθροκυττάρων Κυτταροπλασµατική πλευρά

64 Εντοπισµός πρωτεϊνών στην εξωκυττάρια ή στην εσωτερική πλευρά της µεµβράνης προσθήκη ουσίας σήµανσης Εξωκυττάρια πλευρά Κυτταροπλασµατική πλευρά Πρότυπο ηλεκτροφόρησης των πρωτεϊνών της µεµβράνης του ερυθροκυττάρου

65 γλυκοφορίνη

66 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Ψύξης-Τεµεχισµού (Freeze-fracture EM) Εξωκυτταρική πλευρά Κυτταροπλασµατική πλευρά

67 Τα σωµατίδια που παρατηρούνται στην κυτταροπλασµατική πλευρά της µεµβράνης είναι κυρίως µόρια πρωτεΐνης ζώνης 3 Οι πρωτεΐνες παραµένουν συνδεδεµένες στη στιβάδα που περιέχει την κύρια µάζα τους

68 Κυτταρική αναγνώριση µέσω ολιγοσακχαριτών Αναγνώριση ωοκυττάρου σπέρµατος Πήξη αίµατος Χηµειοταξία λεµφοκυττάρων Φλεγµονή

69 ιαµεµβρανικές πρωτεΐνες συµµετέχουν στην αλληλεπίδραση µεταξύ κυττάρων

70 Ο ρόλος της σύντηξης µεµβρανών στις κυτταρικές διαδικασίες

71 Είσοδος του ιού HIV σε Τ λεµφοκύτταρα