Βιολογικζσ Μεμβράνεσ και Μεμβρανικζσ Πρωτεΐνεσ

Transcript

1 Βιολογικζσ Μεμβράνεσ και Μεμβρανικζσ Πρωτεΐνεσ

2 1.Μεμβράνεσ - Λιπίδια

3 Οι βιολογικζσ μεμβράνεσ ζχουν περιγραφεί ςαν διςδιάςτατα υγρά που αποτελοφνται από δφο επιφάνειεσ που περιζχουν κυρίωσ λιπιδικά μόρια. Οι μεμβράνεσ αποτελοφνται από μία διπλι ςτοιβάδα αμφιπακικϊν λιπιδίων κυρίωσ φωςφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων. H εξωτερικι πλευρά τθσ κάκε επιφάνειασ ςυντίκεται κυρίωσ από ιοντικζσ και πολικζσ ομάδεσ που αλλθλεπιδροφν με τουσ υδατικοφσ πολικοφσ διαλφτεσ ενϊ θ εςωτερικι ςυντίκεται από τισ αλυςίδεσ των υδρογονανκράκων των λιπιδίων. Οι λιπιδικζσ αλυςίδεσ διατάςςονται παράλλθλα και κάτω από φυςιολογικζσ ςυνκικεσ υπάρχει αρκετι ευκαμψία που επιτρζπει περιςτροφζσ γφρω από τισ αλειφατικζσ αλυςίδεσ. Σα μθ πολικά άκρα των αλυςίδων ζρχονται ςε επαφι ςτο μζςο τθσ λιπιδικισ ςτοιβάδασ δθμιουργϊντασ ζνα υδρόφοβο φράγμα αδιαπζραςτο από πολικά μόρια αλλά διαπερατό από μικρά μόρια όπωσ θ αικανόλθ ι το DMSO. Οι ενςωματωμζνεσ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ και τα λιπιδικά μόρια που περιορίηονται μζςα ςτθν διλιπιδικι ςτοιβάδα μποροφν να διαχζονται πλευρικά. Σο κυριότερο χαρακτθριςτικό τθσ προςομοίωςθσ τθσ μεμβράνθσ ςαν διςδιάςτατο πολυμορφικό υγρό είναι ότι περιγράφεται ςαν ζνα δυναμικό ςφςτθμα όπου πρωτεΐνεσ και λιπίδια μποροφν να μετακινοφνται και να αλλθλεπιδροφν. χθματικι αναπαράςταςθ τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ.

4

5 Οι εξωτερικζσ μεμβράνεσ απομονϊνουν το κφτταρο από το περιβάλλον και οι πρωτεΐνεσ που βρίςκονται ςε αυτζσ τισ μεμβράνεσ επιτρζπουν ςτα κφτταρα να αντιδροφν ςε εξωτερικά ερεκίςματα και να ρυκμίηουν τθν είςοδο πολικϊν ςθμάτων και κρεπτικϊν ουςιϊν. Οι εςωτερικζσ μεμβράνεσ των κυττάρων διαχωρίηουν οργανίδια και οι πρωτεΐνεσ ςε αυτά επιτρζπουν ςε αυτά να επικοινωνοφν με άλλεσ περιοχζσ του κυττάρου. Επειδι οι μεμβράνεσ είναι δυςδιάςτατεσ επιφάνειεσ εντοπίηουν και ςυγκεντρϊνουν κυτταρικά ςυμπλζγματα που ρυκμίηουν τθ φφςθ και κατεφκυνςθ των κυτταρικϊν ςθμάτων. Παρ' ότι παίηουν ςθμαντικοφσ ρόλουσ ςτθν κυτταρικι λειτουργία, θ γνϊςθ για τθν δομι των κυτταρικϊν πρωτεϊνϊν περιορίηεται από τθν δυςκολία τθσ διάλυςθσ και κρυςτάλλωςθσ των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν.

6 Σα λιπαρά οξζα

7 Σα λιπαρά οξζα Τα λιπαρά οξζα αποτελοφνται από μία καρβοξυλικι ομάδα προςδεδεμζνθ ςε μία αλειφατικι αλυςίδα αικυλομάδων (CH2) και είναι φυςιολογικό προϊόν τθσ πζψθσ των λιπϊν. Η βαςικι διαφορά τουσ από τα αντίςτοιχα λιπίδια με δφο υδρογονανκρακικζσ αλυςίδεσ είναι ότι τα λιπαρά οξζα μποροφν ελεφκερα να ενςωματϊνονται ςε μεμβράνεσ και να μεταπθδοφν ι να κατανζμονται ςτισ δφο ςτοιβάδεσ τθσ διλιπιδικισ μεμβράνθσ.

8 Σα λιπαρά οξζα Οι υδρογονανκρακικζσ αλυςίδεσ των λιπιδίων ζχουν μικοσ ανκράκων και εξ αιτίασ του μθχανιςμοφ ςφνκεςθσ τουσ ζχουν πάντα άρτιο αρικμό ανκράκων. Οι αλυςίδεσ είναι ςυνικωσ παράλλθλεσ μεταξφ τουσ. Περιςτροφζσ γφρω από τουσ δεςμοφσ άνκρακα άνκρακα (C-C) κατά μικοσ των αλυςίδων προςδίδουν ςτισ αλυςίδεσ τθν anti (επιμικθ) ι gauche (ςτρεβλωμζνθ) ςτερεοδομι. Η anti επιτρζπει ςτισ αλυςίδεσ να βρίςκονται κοντά θ μία ςτθν άλλθ ενϊ θ gauche αυξάνει τθν απόςταςθ μεταξφ τθσ ςτρεβλωμζνθσ αλυςίδασ και των γειτονικϊν τθσ. Σο πόςο κοντά βρίςκονται οι υδρογονανκρακικζσ αλυςίδεσ υπαγορεφει τισ φυςικζσ ιδιότθτεσ τθσ μεμβράνθσ όπωσ τθν μετακίνθςθ των λιπιδίων, τθν διαπερατότθτα από πολικζσ ομάδεσ και τθν μετάπτωςθ φάςθσ από ρευςτι ςε κολλϊδθ. τθν κολλϊδθ φάςθ οι λιπιδικζσ αλυςίδεσ είναι ευκυγραμμιςμζνεσ με λίγεσ περιςτροφζσ γφρω από τουσ απλοφσ δεςμοφσ C-C που βρίςκονται κυρίωσ ςτθν anti μορφι. Η υγρι μορφι τθσ μεμβράνθσ χαρακτθρίηεται από ςχετικά υψθλι διάχυςθ των μεμβρανικϊν ςυςτατικϊν και μικρότερο πάχοσ τθσ διλιπιδικισ ςτοιβάδασ εξ αιτίασ του μεγάλου αρικμοφ gauche ιςομερϊν των υδρογονανκρακικϊν αλυςίδων. Οι διπλοί δεςμοί C=C ςτισ αλυςίδεσ επίςθσ μποροφν να βρεκοφν ςε trans ι cis μορφι. Λιπίδια με κεκορεςμζνεσ ι trans ακόρεςτεσ αλυςίδεσ ςυςςωρεφονται με μεγάλθ πυκνότθτα. Λιπίδια με cis ακόρεςτεσ αλυςίδεσ, που είναι και οι πλζον ςυνικεισ ςτισ βιολογικζσ μεμβράνεσ, ςυςςωρεφονται με μικρότερθ πυκνότθτα εξ αιτίασ των παραμορφϊςεων των αλυςίδων. Η παρουςία διπλϊν cis δεςμϊν μειϊνει το μικοσ τθσ υδρογονανκρακικισ αλυςίδασ και ζτςι διλιπιδικζσ μεμβράνεσ ακόρεςτων λιπιδίων είναι λεπτότερεσ από τισ αντίςτοιχεσ κεκορεςμζνεσ του ίδιου αρικμοφ ανκράκων.

9

10 Η κυτταρικι μεμβράνθ Οι κυτταρικζσ μεμβράνεσ περιζχουν ποικίλα λιπιδικά και μθ λιπιδικά μόρια που ρυκμίηουν με ακρίβεια τισ φυςικζσ ιδιότθτεσ τθσ ςυγκεκριμζνθσ μεμβράνθσ δθμιουργϊντασ μία ποικιλία περιβάλλοντοσ γφρω από τισ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ. Η ςφνκεςθ των μεμβρανϊν αλλάηει από κφτταρο ςε κφτταρο και ακόμθ και ςτο ίδιο κφτταρο. Η οργάνωςθ των αμφιπακικϊν λιπιδίων ςτισ βιολογικζσ μεμβράνεσ γίνεται ςτθν διπλοςτοιβάδα ζτςι ϊςτε το κεντρικό υδρόφοβο τμιμα τθσ μεμβράνθσ να περιζχει τισ λιπιδικζσ αλυςίδεσ των φωςφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων ενϊ οι πολικοί φωςφοδιεςτζρεσ ι γλυκοςυλιομζνεσ αλυςίδεσ βρίςκονται ςτισ εξωτερικζσ πλευρζσ τθσ μεμβράνθσ.

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21 Όπωσ υπάρχει διαφοροποίθςθ των κυτοπλαςματικϊν μερϊν του κυττάρου ζτςι υπάρχει και διαφοροποίθςθ ςτισ μεμβράνεσ. Εκτόσ από τισ πρωτεΐνεσ, τα κφρια ςυςτατικά των μεμβρανϊν είναι τα λιπίδια και θ χολθςτερόλθ με μικρά ποςοςτά άλλων ενϊςεων όπωσ λιπαρά οξζα. Σα ςχετικά ποςοςτά αυτϊν των ενϊςεων ποικίλει από μεμβράνθ ςε μεμβράνθ και ακόμθ μεταξφ των πλευρϊν τθσ μεμβράνθσ. Οι δομζσ των λιπιδίων, χολθςτερόλθσ και λιπαρϊν οξζων περιγράφονται ςτθν εικόνα.

22 Η χολθςτερόλθ Η χοληςτερόλη είναι μία πολυκυκλικι δομι με μία πολικι ομάδα υδροξυλίου που μπορεί να αλλθλεπιδρά με ομάδεσ επάνω ι κοντά ςτθν μεμβρανικι επιφάνεια. Η χολθςτερόλθ επθρεάηει τθν ρευςτότθτα τθσ μεμβράνθσ. τθν ρευςτι φάςθ τθσ μεμβράνθσ θ χολθςτερόλθ ελαττϊνει τθν περιςτροφικι ελευκερία των γειτονικϊν υδρογονανκρακικϊν αλυςίδων και ζτςι ελαχιςτοποιεί τθν ρευςτότθτα ι αλλιϊσ δθμιουργεί ακαμψία ςτθν μεμβράνθ. τθν κολλϊδθ φάςθ θ χολθςτερόλθ δρα ωσ πρόςμιξθ που ελαττϊνει τθν τάξθ μεταξφ των καλά πακεταριςμζνων λιπιδικϊν αλυςίδων. Η χολθςτερόλθ βρίςκεται ςε υψθλά ποςοςτά ςε μερικζσ κυτταρικζσ μεμβράνεσ.

23

24

25

26 Φωςφολιπίδια Η Φωςφατιδυλολχολίνθ είναι μία από τισ κυριότερεσ φωςφορικζσ ομάδεσ που παρατθροφνται ςε βιολογικά λιπίδια. Ειναι μία επαμφοτερίηουςα ιοντικι ομάδα με αρνθτικό φορτίο ςτθν φωςφορικι ομάδα και κετικό φορτίο ςτθν αμίνθ. Μερικζσ ομάδεσ τροποποιοφνται με μεγάλα υδατανκρακικά ςυμπλζγματα που χρθςιμοποιοφνται για τθν ταυτοποίθςθ και αναγνϊριςθ των κυττάρων. Οι πολικζσ κεφαλζσ των λιπιδίων ςυμμετζχουν με ιςχυρζσ θλεκτροςτατικζσ αλλθλεπιδράςεισ και υδρογονικοφσ δεςμοφσ με τα αμινοξικά κατάλοιπα τθσ επιφάνειασ διεπαφισ των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν και το φορτίο και το υδατικό μικροπεριβάλλον τουσ μπορεί να επθρεάςει τθν δραςτικότθτα των περιφερειακϊν μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν.

27 Το θωζθαηιδικό οξύ, η θωζθαηιδςλογλςκεπόλη και η θωζθαηιδςλοζεπίνη είναι επίζηρ κοινέρ απνηηικά θοπηιζμένερ πολικέρ ομάδερ λιπιδίων. Μεπικέρ ομάδερ είναι μικπόηεπερ και λιγόηεπο ενςδαηωμένερ κάηι πος πποκαλεί ηάζειρ ζηην διλιπιδική επιθάνεια επειδή οι ςδπογονανθπακικέρ αλςζίδερ είναι πεπιζζόηεπο έκθεηερ.

28

29 Σα γλυκολιπίδια

30 Σο ποςοςτό γλυκολιπιδίων, φωςφολιπιδίων και χολθςτερόλθσ ςε διαφορετικοφσ τφπουσ τθσ μεμβράνθσ. Τύπος Μεμβράνης (καηά βάρος) Ποζοζηό % λιπιδίων Γλςκολιπίδια Φωζθολιπίδια Χοληζηεπόλη Ανθπ.Επςθποκύηηαπα Μςελίνη Μιηοσόνδπια ήπαηορ (πονηίκι) < Ενδοπλαζμαηικό δίκηςο < Ππωηοπλάζηερ βακηηπίων Ίσνη Φςηικοί σλωποπλάζηερ

31 Η μεμβρανική διηλεκτρική διαβάθμηςη. Η φυςικι ιδιότθτα που κάνει τθν λιπιδικι μεμβράνθ ζνα καλό φραγμό ςε πολικζσ ι υδατοδιαλυτζσ ομάδεσ είναι θ απότομθ διθλεκτρικι διαβάκμιςθ. Η μεγάλθ αλλαγι τθσ διθλεκτρικισ ςτακεράσ μεταξφ τθσ ιοντικισ λιπιδικισ κεφαλισ και του λιπαροφ εςωτερικοφ ςυμβαίνει ςε ςχετικά μικρι απόςταςθ και κάνει τθν μεμβράνθ ενεργειακά πολφ αςφμφορθ για τθν ενςωμάτωςθ ενόσ φορτίου (20Kcal/mol) ι τθν φπαρξθ δότθ ι δζκτθ πρωτονίου (υδρογονικόσ δεςμόσ) (5Kcal/mol). Με αυτό τον τρόπο θ διθλεκτρικι διαβάκμιςθ επθρεάηει τθν αμινοξικι ςφςταςθ των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. Επειδι θ πεπτιδικι κφρια αλυςίδα αποτελείται από πολικά καρβονφλια και αμινομάδεσ που ςχθματίηουν υδρογονικοφσ δεςμοφσ, θ ενςωμάτωςθ πολυπεπτιδικϊν αλυςίδων ςτθν μεμβράνθ κα είναι ενεργειακά πολφ αςφμφορθ αν οι υδρογονικοί δεςμοί δεν ικανοποιοφνται. Γι αυτό τον λόγο οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ προςλαμβάνουν τζτοιεσ δευτεροταγείσ και τριτοταγείσ ςτερεοδομζσ που ικανοποιοφν αυτοφσ τουσ υδρογονικοφσ δεςμοφσ. Η διαβάκμθςθ τθσ πολικότθτασ(μαφρθ γραμμι) μιασ μεμβράνθσ διολεοφωςφατιδυλχολίνθσ (μπλζ γραμμοςκιάςεισ) Από Wimley and White Biochim. Biophys. Acta 1376: (1998)

32

33 2.Μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ. Ιδιότητεσ μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. Όλεσ οι βιολογικζσ μεμβράνεσ περιζχουν πρωτεΐνεσ. Ο λόγοσ βάρουσ πρωτεΐνθσ - λιπιδίων κυμαίνεται από 3,6 ςτθν μιτοχονδριακι μεμβράνθ μζχρι 0,25 ςτθν μεμβράνθ τθσ μυελίνθσ. Οι πρωτεΐνεσ που ευρίςκονται ςτθν κυτταρικι μεμβράνθ και ζχουν ζνα τουλάχιςτον πολυπεπτιδικό κομμάτι να διαςχίηει τθν διλιπιδικι ςτοιβάδα λζγονται μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ Πολλζσ πρωτεΐνεσ από αυτζσ περιζχουν και γλυκοςιδικζσ αλυςίδεσ που ςυνικωσ προςκολλϊνται ςτθν αμιδικι ομάδα του αμινοξζοσ αςπαραγίνθ. Οι πρωτεΐνεσ αυτζσ λζγονται γλυκοπρωτεΐνεσ. Οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ βρίςκονται ςε ζνα πολφ αςφμμετρο περιβάλλον ςε ςφγκριςθ με τισ αντίςτοιχεσ τουσ ςτο κυτόπλαςμα. Σο περιβάλλον των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν ζχει μία πολικι (υδατικι) περιοχι εκτόσ τθσ μεμβράνθσ, μία πολικι (ιοντικι) περιοχι ςτθν μεμβρανικι επιφάνεια και μία λιπόφιλθ περιοχι ςτο εςωτερικό τθσ μεμβράνθσ. Σο διαφορετικό περιβάλλον με διαφορετικζσ διθλεκτρικζσ ιδιότθτεσ κζτει δομικοφσ περιοριςμοφσ ςτισ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ και επίςθσ ρυκμίηει τθν δυναμικι τουσ λειτουργία.

34 Σο πάχοσ τθσ διλιπιδικισ ςτοιβάδασ κακορίηει το μικοσ τθσ περιοχισ με χαμθλι διθλεκτρικι ςτακερά που ορίηει τελικά ποιεσ περιοχζσ τθσ πρωτεΐνθσ βρίςκονται ςτο εςωτερικό, το εξωτερικό και τθν επιφάνεια διεπαφισ τθσ μεμβράνθσ. Ζτςι το πάχοσ τθσ διλιπιδικισ ςτιβάδασ μπορεί να ςτακεροποιεί κάποιεσ ςτερεοδιατακτικζσ καταςτάςεισ τθσ πρωτεΐνθσ. Σο πάχοσ τθσ υδρόφοβθσ περιοχισ τθσ μεμβράνθσ πρζπει να βρίςκεται κοντά ςτο μικοσ τθσ υδρόφοβθσ περιοχισ τθσ μεμβρανικισ πρωτεΐνθσ. Εάν το μικοσ τθσ πρωτεΐνθσ είναι μεγαλφτερο ι μικρότερο θ πρωτείνθ μπορεί να δθμιουργεί ςυςςωματϊματα ςε μια προςπάκεια να ελαχιςτοποιεί τισ ενεργειακά αςφμφορεσ αλλθλεπιδράςεισ. Επίςθσ οι πρωτεΐνεσ μπορεί να παραμορφϊνονται για να προςαρμόςουν το μικοσ τουσ ςε αυτό τθσ διλιπιδικισ ςτοιβάδασ.

35 Όλεσ οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ ζχουν μία ςυγκεκριμζνθ επάνω-κάτω ι πλευρικι προσ τθν μεμβράνθ διευκζτθςθ ςτθν διλιπιδικι ςτοιβάδα. Οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ ανάλογα με τθν κζςθ τουσ ςτθ μεμβράνθ χωρίηονται ςε κατθγορίεσ. Ι. Περιφερειακζσ. ΙΙ. Μερικά ειςερχόμενεσ ςτθν μεμβράνθ. ΙΙΙ. Διαμπερείσ τθσ μεμβράνθσ με ζνα μεμβρανικό τμιμα. ΙV. Διαμπερείσ τθσ μεμβράνθσ με πολλά μεμβρανικά τμιματα. V. Περιφερειακζσ με ςφνδεςθ με λιπίδια.

36

37 Η μεγαλφτερθ κατθγορία μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν είναι οι ολοκλθρωτικά ενςωματωμζνεσ ι διαμεμβρανικζσ διτοπικζσ ι πολυτοπικζσ πρωτεΐνεσ. Αυτζσ μποροφν να αποχωριςτοφν από τθν μεμβράνθ μόνον με διακοπι τθσ διλιπιδικισ ςτοιβάδασ με τθν επίδραςθ απορρυπαντικϊν. Η ενςωμάτωςθ των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν ςτθν μεμβράνθ είναι αποτζλεςμα τριϊν παραγόντων: Ι. Σθσ ανάγκθσ ςφμπτωςθσ των διθλεκτρικϊν ιδιοτιτων των αμινοξικϊν πλευρικϊν αλυςίδων με τα λιπίδια. ΙΙ. Σθσ ανάγκθσ ικανοποίθςθσ των υδρογονικϊν δεςμϊν. ΙΙΙ. Σθσ ανάγκθσ ευκυγράμμιςθσ με τθν διάταξθ των αλυςίδων υδρογονανκράκων. Οι πλθροφορίεσ για τα δομικά ςτοιχεία των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν προκφπτουν από τα πειραματικά δεδομζνα των μεκόδων κρυςταλλογραφίασ και θλεκτρονικισ μικροςκοπίασ και λιγότερο από τον πυρθνικό μαγνθτικό ςυντονιςμό (NMR), τον ςυντονιςμό φκοριςμοφ (FR), κυκλικό διχρωϊςμό (CD) και πρωτεϊνικι πζψθ.

38 Μερικζσ πρωτεΐνεσ προςδζνονται ςτθν μεμβράνθ με ιοντικζσ αλλθλεπιδράςεισ μεταξφ αμινοξζων με κετικό φορτίο και αρνθτικά φορτιςμζνων ομάδων των κεφαλϊν των λιπιδίων (κατθγορία Ι). Ο όροσ μονοτροπικι ι περιφερειακι μεμβρανικι πρωτεΐνθ αναφζρεται ςε πρωτεΐνεσ που λίγο ειςχωροφν ςτθν μεμβρανικι επιφάνεια (κατθγορία ΙΙ). Πολλζσ περιφερειακζσ πρωτεΐνεσ μποροφν να απελευκερϊνονται από τθν μεμβράνθ μεταβάλλοντασ τθν ιοντικι ιςχφ του διαλφτθ. Η τοπογραφία των τάξεων ΙΙΙ και ΙV των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν ςτθν διλιπιδικι ςτοιβάδα.

39 Σζςςερισ διαφορετικοί τρόποι με τουσ οποίουσ πρωτεϊνικά μόρια μποροφν να προςδεκοφν ςε μια μεμβράνθ. Με πράςινο είναι οι μεμβρανο-προςδενόμενεσ περιοχζσ και με κόκκινο οι περιοχζσ ζξω από τθ μεμβράνθ. Οι α-ζλικεσ απεικονίηονται ωσ κφλινδροι και τα β-φφλλα ωσ βζλθ. Από αριςτερά προσ τα δεξιά είναι: (a) μια πρωτεΐνθ τθσ οποίασ θ πολυπεπτιδικι αλυςίδα διαπερνά τθ μεμβράνθ μια φορά ωσ α-ζλικα, (b) μια πρωτεΐνθ θ οποία ςχθματίηει αρκετζσ διαμεμβρανικζσ α-ζλικεσ που ςυνδζονται με υδρόφιλουσ βρόχουσ, (c) μια πρωτεΐνθ με αρκετά β-φφλλα που ςχθματίηουν ζνα κανάλι διαμζςου τθσ μεμβράνθσ και (d) μια πρωτεΐνθ θ οποία είναι αγκυροβολθμζνθ ςτθ μεμβράνθ μζςω μιασ α-ζλικασ παράλλθλθσ προσ το επίπεδο τθσ μεμβράνθσ. Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

40

41

42

43

44 χθματικό διάγραμμα μιασ υπομονάδασ τθσ πορίνθσ του Rhodobacter capsulatus, όπωσ φαίνεται από το επίπεδο τθσ μεμβράνθσ. Δεκαζξι β-φφλλα ςχθματίηουν ζνα αντιπαράλλθλο β-βαρζλι το οποίο διαπερνά τθ μεμβράνθ. Οι βρόχοι ςτθν κορυφι τθσ εικόνασ είναι εξωκυτταρικοί, ενϊ οι μικρζσ ςτροφζσ ςτο κάτω μζροσ κοιτοφν προσ τον περιπλαςμικό χϊρο. Ο μεγάλοσ βρόχοσ μεταξφ των β- φφλλων 5 και 6 (με κόκκινο) παρεμποδίηει το κανάλι του βαρελιοφ. Δφο άτομα αςβεςτίου παρουςιάηονται ωσ πορτοκαλί ςφαίρεσ. (Προςαρμοςμζνθ από τουσ M. S. Weiss and G. E. Schulz, J. Mol. Biol., 227: , 1992.) Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

45 Εικόνα 12.8 χθματικό διάγραμμα του τριμεροφσ μορίου τθσ πορίνθσ, όπωσ φαίνεται από τον εξωκυτταρικό χϊρο. Οι μπλε περιοχζσ απεικονίηουν τα τοιχϊματα των τριϊν βαρελιϊν τθσ πορίνθσ, οι βρόχοι που παρεμποδίηουν το κανάλι είναι κόκκινοι και τα άτομα αςβεςτίου πορτοκαλί. Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

46

47

48

49 Άλλεσ προςδζνονται με μεταβιοςυνκετικζσ προςαρτιςεισ μυριςτικοφ, παλμιτικοφ, φαρνεςυλικοφ και άλλων λιπαρϊν οξζων, ι λιπιδίων όπωσ θ γλυκοφωςφατιδιλικι ινοςιτόλθ που τισ ςυγκρατεί ςε περιοχζσ κοντά ςε πρωτεϊνικοφσ ςυντρόφουσ τουσ (κατθγορία 5). Επειδι οι πρωτεΐνεσ αυτζσ ακολουκοφν τουσ κανόνεσ των κυτοπλαςματικϊν διαλυτϊν πρωτεϊνϊν δεν κα μελετθκοφν περαιτζρω.

50

51

52

53

54 Γενικζσ αρχζσ διπλϊματοσ και ςτακερότθτασ μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. Σο κερμοδυναμικό κόςτοσ τθσ μεταφοράσ φορτιςμζνων και πολικϊν μοριακϊν ομάδων ςτο υδρόφοβο υδρογονανκρακικό εςωτερικό των μεμβρανικϊν διπλοςτοιβάδων είναι αρκετά υψθλό. Αυτό ζχει τισ εξισ ςυνζπειεσ: Η πλειονότθτα των αμινοξικϊν καταλοίπων των διαμεμβρανικϊν τμθμάτων πρζπει να είναι μθ πολικά (π.χ. Αλανίνθ, Βαλίνθ, Λευκίνθ, Ιςολευκίνθ, Φαινυλαλανίνθ). Οι πολικζσ CONH ομάδεσ των πεπτιδίων τθσ πρωτεϊνικισ αλυςίδασ πρζπει να ςυμμετζχουν ςε υδρογονικοφσ δεςμοφσ ϊςτε θ ενεργειακι διαφορά τθσ μεταφοράσ τουσ ςτο υδρόφοβο εςωτερικό να είναι μικρι. Αυτό επιτυγχάνεται με κανονικζσ ςτερεοδιατάξεισ όπωσ οι α- ζλικεσ όπου όλοι οι υδρογονικοί δεςμοί ςχθματίηονται εντόσ των ςτοιχείων τθσ δευτεροταγοφσ δομισ και οι β-πτυχωτζσ επιφάνειεσ όπου οι υδρογονικοί δεςμοί ςχθματίηονται μεταξφ των β-κλϊνων.

55 Σο μοντζλο ενόσ πολικοφ μεμβρανικοφ πόρου. α) διαμεμβρανικι α-ζλικα τθσ πρωτεΐνθσ που ςχθματίηει τον πόρο. β) Σομι τθσ πρωτεΐνθσ παράλλθλα με τθν κυτταρικι μεμβράνθ.

56 Η ςυγκρότθςθ των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν και θ ενςωμάτωςθ τουσ ςτθν κυτταρικι μεμβράνθ. Οι ιδιοςυςτατικζσ (constitutive) μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ με τθν ζκφραςθ τουσ από το ριβόςωμα προςκολλϊνται ςε ζνα μεμβρανικό πρωτεϊνικό ςφμπλοκο που λζγεται translocon. Αυτό προςφζρει τθν διαμεμβρανικι ςιραγγα δια μζςου τθσ οποίασ θ νζα μεμβρανικι πρωτεΐνθ ειςζρχεται ςτθν μεμβράνθ. Μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ πρωτεϊνοςφνκεςθσ το ριβόςωμα αποχωρίηεται από το translocon και θ πρωτεΐνθ απελευκερϊνεται ςτθν μεμβράνθ για να πάρει τθν τελικι ςτερεοδομι τθσ. Η δθμιουργία και ενςωμάτωςθ ιδιοςυςτατικϊν μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν.

57 Οι μθ ιδιοςυςτατικζσ (non-constitutive) μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ είναι πρωτεΐνεσ όπωσ τοξίνεσ και αντιμικροβιακά πεπτίδια που ενςωματϊνονται ςτθν μεμβράνθ με διαφορετικό τρόπο. υνικωσ θ ενςωμάτωςθ επιτυγχάνεται με φυςικοχθμικζσ διεργαςίεσ ςτισ μεμβράνεσ ςτόχουσ. ε αυτζσ ανικουν θ α-αιμολυςίνθ του ςταφυλόκοκκου, οι τοξίνεσ που ςχθματίηουν κανάλια, τα αντιμικροβιακά πεπτίδια τθσ ντεφενςίνθσ κλπ. Η ενςωμάτωςθ μθ ιδιοςυςτατικϊν μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν (α-αιμολυςίνθ)

58 Ανεξάρτθτα με τον τρόπο που θ πρωτεΐνθ βρίςκει να ειςζλκει ςτθν μεμβράνθ, μετά τθν ενςωμάτωςθ τθσ ενεργειακά βρίςκεται ςε ζνα ελάχιςτο που προζρχεται από τισ αλλθλεπιδράςεισ μεταξφ των πρωτεϊνικϊν υπομονάδων και των λιπιδίων. Επειδι θ διπλωμζνθ μεμβρανικι πρωτεΐνθ είναι αδιάλυτθ ςε πολικό διαλφτθ, θ δε ξεδιπλωμζνθ πρωτεϊνικι αλυςίδα αδιάλυτθ ςτθ μεμβράνθ (ι οργανικό υδρόφοβο διαλφτθ) θ κατανόθςθ του μθχανιςμοφ τθσ αναδίπλωςθσ τθσ μεμβρανικισ πρωτεϊνικισ αλυςίδασ γίνεται με τθν μελζτθ ανεξάρτθτων τμθμάτων τθσ που ςχθματίηουν ςτοιχεία δευτεροταγοφσ δομισ και αλλθλεπιδροφν μεταξφ τουσ.

59 Η δθμιουργία α-ελίκων και θ είςοδοσ τουσ ςτθν μεμβράνθ Σο πρϊτο ςτάδιο είναι θ δθμιουργία των ςτοιχείων δευτεροταγοφσ δομισ ςτθν επιφάνεια διεπαφισ τθσ διλιπιδικισ μεμβράνθσ. Αυτό γίνεται με τθν ελάττωςθ τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ που προκφπτει από τθν δθμιουργία υδρογονικϊν δεςμϊν μεταξφ των πεπτιδίων. Αυτι είναι περίπου 0.5kcal/mol για β-πτυχωτι επιφάνεια και 0.4kcal/mol για α- ζλικα για κάκε πεπτίδιο και ακροιςτικά μπορεί να είναι πολφ μεγάλθ (5kcal/mol για τθν μελλιτίνθ).

60 Η αλλθλεπίδραςθ των ςτοιχείων δευτεροταγοφσ δομισ μζςα ςτθν μεμβράνθ. Σο δεφτερο ςτάδιο και το λιγότερο κατανοθτό είναι θ είςοδοσ του ςτοιχείου τθσ δευτεροταγοφσ δομισ ςτθν μεμβρανικι διλιπιδικι ςτοιβάδα. Αυτό εξαρτάται από τθν αλλθλεπίδραςθ των εξωτερικϊν (υδρόφοβων) πλευρικϊν αλυςίδων με τθν επιφάνεια διεπαφισ τθσ μεμβράνθσ. Τπολογίηεται ότι το ενεργειακό κόςτοσ αυτισ τθσ διεργαςίασ μπορεί να είναι από 0-1.6kcal/mol.

61 Σο τρίτο ςτάδιο είναι θ αλλθλεπίδραςθ των ςτοιχείων τθσ δευτεροταγοφσ δομισ μεταξφ των, μζςα ςτθν μεμβράνθ. Ζχει δειχκεί ότι είναι δυνατι θ δθμιουργία του φυςικοφ ςυμπλόκου τθσ βακτθριοροδοψίνθσ από διαμεμβρανικά τμιματα που ζχουν ειςχωριςει ςτθν μεμβράνθ ανεξάρτθτα. Αυτό υποδεικνφει ότι το ςτάδιο τθσ ενςωμάτωςθσ ςτθν μεμβράνθ είναι ανεξάρτθτο από αυτό τθσ ενδομεμβανικισ ςφνκεςθσ τθσ πρωτεΐνθσ.

62 Δομι μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. Πρωτοταγισ δομι διαμεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. Κλίμακα Υδροφοβικότητασ. Επειδι το εςωτερικό τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ είναι μθ πολικό, είναι αναμενόμενο τα επιφανειακά αμινοξικά κατάλοιπα των διαμεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν να ζχουν κυρίωσ μθ πολικζσ πλευρικζσ αλυςίδεσ. Με αυτι τθν προχπόκεςθ είναι δυνατι θ πρόβλεψθ των τμθμάτων τθσ πρωτεΐνθσ που κα βρίςκονται ςτο εςωτερικό τθσ μεμβράνθσ. Ζτςι ζχουν οριςτεί κλίμακεσ υδροφοβικότθτασ που δίνουν αρικμθτικζσ τιμζσ ςτθν υδροφοβικότθτα των αμινοξικϊν πλευρικϊν αλυςίδων. Ενϊ όμωσ ο υδροφοβικόσ χαρακτιρασ οριςμζνων αμινοξζων, όπωσ θ λευκίνθ, είναι φανερόσ για άλλα όπωσ θ γλυκίνθ ι θ ςερίνθ δεν είναι. Τπάρχει μία πλθκϊρα κλιμάκων υδροφοβικότθτασ των αμινοξζων που προζρχεται από μελζτεσ διαλυτότθτασ, κρυςταλλογραφικζσ μελζτεσ ι ςυνδυαςμό και των δφο.

63 Οι κλίμακεσ υδροφοβικότθτασ βαςίηονται ςτον υπολογιςμό τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ μεταφοράσ από ζνα πολικό (υδατικό) διαλφτθ ςε ζνα διαλφτθ που μιμείται τθν κυτταρικι μεμβράνθ όπωσ ι οκτανόλθ. Οι τιμζσ υδροφοβικότθτασ που προζρχονται από τισ κρυςταλλογραφικζσ δομικζσ μελζτεσ βαςίηονται ςτον υπολογιςμό τθσ υδροφοβικότθτασ ςε ςυνάρτθςθ με τθν προςβαςιμότθτα του διαλφτθ ςτθν επιφάνεια του αμινοξικοφ καταλοίπου. Μία ςφαίρα ακτίνασ 1.4Ǻ που αναπαριςτά ζνα μόριο νεροφ ςαρϊνει τθν επιφάνεια του μορίου και ζτςι υπολογίηεται θ επιφάνεια επαφισ με τθν Van der Waals επιφάνεια όλων των αμινοξικϊν καταλοίπων τθσ πρωτεΐνθσ. Για τθν πλειονότθτα των αμινοξζων οι δφο μζκοδοι υπολογιςμοφ υδροφοβικότθτασ δίνουν ςυγκρίςιμεσ τιμζσ αλλά διαφζρουν ςε κατάλοιπα των οποίων οι πλευρικζσ αλυςίδεσ ζχουν και πολικό και μθ πολικό χαρακτιρα όπωσ λυςίνθ, τρυπτοφάνθ, τυροςίνθ και αργινίνθ.

64 Δευτεροταγισ δομι μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν Επειδι το εςωτερικό τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ δεν περιζχει νερό ι άλλα πολικά μόρια τα πολικά άτομα τθσ κφριασ πολυπεπτιδικισ αλυςίδασ μποροφν να ςχθματίηουν υδρογονικοφσ δεςμοφσ μόνο προσ τισ πλευρικζσ αλυςίδεσ και άλλα άτομα τθσ κφριασ αλυςίδασ. Παρατθρείται ότι οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ προτιμοφν ςτοιχεία δευτεροταγοφσ δομισ όπου τα πεπτιδικά αμίδια και καρβονφλια ςχθματίηουν υδρογονικοφσ δεςμοφσ μεταξφ τουσ ςε κανονικοφσ ςχθματιςμοφσ, ιτοι α-ζλικεσ και β-πτυχωτζσ επιφάνειεσ.

65 Σα περιςςότερα διαμεμβρανικά τμιματα είναι α-ζλικεσ. Όλεσ οι πρωτεΐνεσ των οποίων θ δομι ζχει προςδιοριςτεί και διαςχίηουν τθν κυτταρικι μεμβράνθ μία φορά τθν διαςχίηουν με μία α-ζλικα. Επίςθσ και οι περιςςότερεσ πρωτεΐνεσ που διαςχίηουν τθν κυτταρικι μεμβράνθ περιςςότερο από μία φορζσ περιζχουν α-ζλικεσ ςτο διαμεμβρανικό τμιμα. Ελάχιςτεσ τθν διαςχίηουν με β-πτυχωτζσ επιφάνειεσ. Η προτίμθςθ τθσ χριςθσ α-ελίκων για τα διαμεμβρανικά τμιματα μπορεί να οφείλεται ςτο ότι το μικοσ των β-πτυχωτϊν επιφανειϊν να μθν μπορεί να ιςορροπιςει μικρζσ αλλαγζσ ςτο πάχοσ τθσ διλιπιδικισ ςτοιβάδασ όπωσ θ α- ζλικα. Επίςθσ μπορεί να οφείλεται ςτο ότι οι α-ζλικεσ μποροφν να ειςζλκουν ςτθν μεμβράνθ κάκε μία ανεξάρτθτα κατά το δίπλωμα τθσ πρωτεΐνθσ (αφοφ οι υδρογονικοί δεςμοί ζχουν ιδθ ικανοποιθκεί) ενϊ τα β-φφλλα πρζπει πρϊτα να ςχθματίςουν τισ β-πτυχωτζσ επιφάνειεσ πριν τθν είςοδο ςτθν μεμβράνθ.

66 Η πρόβλεψθ των διαμεμβρανικϊν τμθμάτων μιασ πρωτεΐνθσ βαςίηεται ςτον παρακάτω υπολογιςμό. Επειδι οι υδρογονανκρακικζσ αλυςίδεσ των λιπιδίων είναι CH2 ςε μικοσ, κάκε διαμεμβρανικι α-ζλικα πρζπει να περιζχει περίπου 18 αμινοξικά κατάλοιπα ενϊ κάκε διαμεμβρανικό β-φφλλο 7 κατάλοιπα. Εάν για κάκε κατάλοιπο οριςτεί και μία τιμι υδροφοβικότθτασ (ανάλογα με τον χαρακτιρα τθσ πλευρικισ του αλυςίδασ) και θ αμινοξικι ακολουκία ςαρωκεί με ζνα πλαίςιο 18 ι 7 καταλοίπων θ τιμι τθσ υδροφοβικότθτασ ενόσ πλαιςίου πάνω από τθν τιμι βάςθσ μπορεί να ςχετίηεται με τον αν μία περιοχι τθσ ακολουκίασ κα περιλαμβάνει μια διαμεμβρανικι περιοχι τθσ πρωτεΐνθσ. Ο δείκτθσ υδροφοβικότθτασ για τισ πρωτεΐνεσ βακτθριοροδοψίνθ και γλυκοφορίνθ.

67 Είναι ενδιαφζρον ότι πολλζσ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ περιζχουν το αμινοξφ προλίνη (που διακόπτει τθν ςυνζχεια τθσ α-ζλικασ) ςτο διαμεμβρανικό τμιμα τουσ. τισ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ θ προλίνθ μπορεί να αλλάηει τθν κλίςθ τθσ ελικοειδοφσ περιοχισ ι να ρυκμίηει τθν κάκετθ κζςθ τθσ ζλικασ ςε ςχζςθ με άλλεσ γειτονικζσ ελικοειδείσ αλλθλεπιδροφςεσ περιοχζσ όπωσ ςτθν περίπτωςθ του τθσ ροδοψίνθσ

68 Σριτοταγισ δομι μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν Ο τρόποσ που διπλϊνουν οι μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ αναμζνεται να είναι παρόμοιοσ με αυτόν των υδατοδιαλυτϊν πρωτεϊνϊν ςτο ότι αρχικά ςχθματίηονται τα ςτοιχεία δευτεροταγοφσ δομισ και κατόπιν αυτά ςυνδυάηονται και ςχθματίηουν τθν τριτοταγι δομι. Σο πότε όμωσ θ πρωτεΐνθ ειςζρχεται ςτθν μεμβράνθ δεν είναι κακοριςμζνο. τθν περίπτωςθ τθσ γλυκοφορίνθσ το δίπλωμα τθσ πρωτεΐνθσ γίνεται ςε δφο ςτάδια. το πρϊτο ςτάδιο γίνεται θ είςοδοσ τθσ πολυπεπτιδικισ αλυςίδασ ςτθν μεμβράνθ και ο ςχθματιςμόσ των α-ελίκων και ςτο δεφτερο ο ςυςχετιςμόσ των τελευταίων για τθν δθμιουργία τθσ τελικισ τριτοταγοφσ δομισ. Αυτόσ είναι πικανά και ο κυρίαρχοσ μθχανιςμόσ για α-ελικοειδισ μεμβρανικζσ πρωτεΐνεσ. Εναλλακτικά για πρωτεΐνεσ με β-πτυχωτζσ επιφάνειεσ πικανότατα πρϊτα ςχθματίηεται θ β-πτυχωτι επιφάνεια και κατόπιν ειςζρχεται ςτθν μεμβράνθ. Ο ςυςχετιςμόσ των διαμεμβρανικϊν τμθμάτων τθσ πολυπεπτιδικισ αλυςίδασ μετά τθν είςοδο τουσ ςτθν μεμβράνθ γίνεται με το παρακάτω μθχανιςμό. Οι μθ πολικζσ περιοχζσ των διαμεμβρανικϊν τμθμάτων προςανατολίηονται με τζτοιο τρόπο ϊςτε να καλφπτονται ςτο εςωτερικό τθσ πρωτεΐνθσ ι ςτισ επιφάνειεσ διεπαφισ και να μεγιςτοποιείται το πακετάριςμα μεταξφ των ελίκων.

69 Η δομι πρωτεϊνϊν που προςδζνονται ςτθν μεμβράνθ και των περιφερειακϊν πρωτεϊνϊν. Είναι γνωςτό ότι πολλζσ περιφερειακζσ πρωτεΐνεσ προςδζνονται ςτθν επιφάνεια τθσ μεμβράνθσ με μεταβιοςυνκετικζσ αλλαγζσ όπωσ μιρυςτυλίωςθ ι φαρνεςιλίωςθ ι GPI ςυνδζςεισ. Η ενζργεια αυτϊν των ςυνδζςεων (περίπου 0.2Kcal/mol) δεν είναι ικανι για να κρατιςει τθν πρωτεΐνθ προςκολλθμζνθ ςτθν μεμβράνθ. Οι πρωτεΐνεσ που προςκολλϊνται ςτθν μεμβράνθ πρζπει να ζχουν και άλλεσ περιοχζσ αλλθλεπίδραςθσ με τθν μεμβράνθ με δομικζσ ενότθτεσ που ςτοχεφουν ςε πολικζσ κεφαλζσ λιπιδίων ι βαςικά αμινοξικά κατάλοιπα που αλλθλεπιδροφν με αρνθτικζσ πολικζσ κεφαλζσ λιπιδίων. Επειδι οι περιςςότερεσ μεμβράνεσ ζχουν ζνα μεγάλο αρικμό φωςφολιπιδίων οι θλεκτροςτατικζσ αλλθλεπιδράςεισ ςυμβάλουν ενεργειακά κατά το μεγαλφτερο ποςοςτό ςτθν πρόςδεςθ.

70 Η Σεταρτοταγισ δομι των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν Οι ίδιεσ αρχζσ που αναπτφχκθκαν για τθν αλλθλεπίδραςθ των ςτοιχείων δευτεροταγοφσ δομισ ςτθν ανάπτυξθ τθσ τριτοταγοφσ δομισ ιςχφουν και ςτθν αλλθλεπίδραςθ μεταξφ πολυπεπτιδικϊν αλυςίδων ι πρωτεϊνικϊν μονάδων ςτθν δθμιουργία τθσ τεταρτοταγοφσ δομισ.

71 Η μελιτίνθ ςχθματίηει ζνα κανάλι ςτθν κυτταρικι μεμβράνθ. Μελιτίνθ - απιτοξίνθ

72 Οι μεμβρανικοί υποδοχείσ είναι απαραίτθτοι για τθν διαμεταγωγι εξωτερικϊν ερεκιςμάτων και μθνυμάτων. τισ δράςεισ τουσ ςυμπεριλαμβάνεται ο ζλεγχοσ τθσ διαπερατότθτασ τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ, μεταφορικζσ πρωτεΐνεσ, θ απορρόφθςθ ςιδιρου, κυτταρικι αλλθλεπίδραςθ κλπ. Οι περιςςότεροι μεμβρανικοί υποδοχείσ διαςχίηουν τθν μεμβράνθ περιςςότερεσ από μία φορζσ και ςυχνά ζχουν πολλζσ δομικζσ ενότθτεσ (domains). Μεμβρανικοί υποδοχείσ

73 Προτεινόμενθ διάταξθ ςτο χϊρο διάφορων υποδοχζων ςτθν πλαςματικι μεμβράνθ.

74 Μία άλλθ ςθμαντικι οικογζνεια διαμεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν είναι θ οικογζνεια των υποδοχζων που δεςμεφουν πρωτεινεσ G (πρωτεινϊν που δεςμεφουν το νουκλεοτίδιο γουανίνθ). Οι υποδοχείσ αυτοί ςυμμετζχουν ςτθν μεταβίβαςθ ποικίλων ςθμάτων ςτο κφτταρο (από φωσ ςτθν ροδοψίνθ, νευροδιαβιβαςτζσ ςτουσ μουςκαρινικοφσ και αδρενεργικοφσ ςε γενετικζσ φερομόνεσ ςτθν οξυτοςίνθ). Παρά τθν μεγάλθ λειτουργικι ποικιλομορφία όλοι οι υποδοχείσ δεςμεφουν πρωτεΐνθ G για τθν μεταφορά του ςιματοσ από τθν μεμβράνθ. Σο κοινό δομικό τουσ χαρακτθριςτικό είναι οι επτά διαμεμβρανικζσ α- ζλικεσ ςε κακωριςμζνθ τοπολογία με μικρά εξωμεμβρανικά τμιματα.

75 Ο μθχανιςμόσ ενεργοποίθςθσ των υποδοχζων που αλλθλεπιδροφν με πρωτεΐνεσ G. α) Διζγερςθ τθσ κυκλάςθσ τθσ αδενίνθσ (Ε) από τον υποδοχζα ( R ) με τθν ςυμετοχι τθσ πρωτεΐνθσ G. β) Διζγερςθ τθσ φωςφολιπάςθσ C από τον α-αδρενεργικό υποδοχζα για τθν παραγωγι IP3 και διαγλυκερόλθσ (DAG). γ) Διζγερςθ του μουςκαρινικοφ υποδοχζωσ ςε καρδιακά κφτταρα από τθν ακετυλοχολίνθ οδθγεί διαμζςου τθσ πρωτεΐνθσ G ςτο άνοιγμα του ιοντικοφ καναλιοφ ιόντων καλίου.

76 Μοντζλο του μεμβρανικοφ τμιματοσ υποδοχζων που αλλθλεπιδροφν με πρωτεΐνεσ G. Δομικά μοντζλα τριϊν υποδοχζων που αλλθλεπιδροφν με πρωτεΐνεσ G. Παρότι θ τριτοταγισ δομι είναι παρόμοια θ ομοιότθτα ςτθν πρωτοταγι είναι πολφ μικρι.

77 Παραδείγματα διαμεταγωγισ ςιματοσ από υποδοχείσ που αλλθλεπιδροφν με πρωτεΐνεσ G. Τποδοχζασ Ερζκιςμα Σελεςτισ Σφποσ G-Πρωτεΐνθσ Παράδειγμα Απόκριςθσ

78

79

80

81 Η διεργαςία μετατροπισ του φωτονικοφ ςιματοσ ςε νευρικό παλμό. Η μετατροπι τθσ ενζργειασ του φωτόσ ςε θλεκτροχθμικό παλμό γίνεται ςτα ραβδία και τα κωνία των οπτικϊν οργάνων. Οι μεμβράνεσ των δίςκων των ραβδίων που βρίςκονται ςτο οπτικό όργανο περιζχουν ροδοψίνθ, μεταγωγάςθ (transducin Σ) και φωςφοδιεςτεράςθ (PDE) που υδρολφει το κυκλικό GMP. Η ςφλλθψθ του φωτονίου από το 11 cis ρετινοϊκό οξφ που περιζχεται ςτθν ροδοψίνθ το μετατρζπει ςε trans με αποτζλεςμα ςτερεοδομικζσ αλλαγζσ ςτθν ροδοψίνθ και ενεργοποίθςθ τθσ αλλθλεπίδραςθσ τθσ με τθν πρωτεΐνθ G.

82 Ροδοψίνη. Διςδιάςτατοι κρφςταλλοι τθσ πρωτεΐνθσ βακτθριοροδοψίνθσ χρθςιμοποιικθκαν για τον προςδιοριςμό τθσ τριςδιάςτατθσ δομισ τθσ ςε υψθλι διακριτικότθτα από θλεκτρονιο-μικρογραφίεσ. Ζνασ χάρτθσ θλεκτρονικισ πυκνότθτασ προςδιορίςτθκε ςε διακριτικότθτα 7 Å (a) και ερμθνεφτθκε με τθν παραδοχι τθσ φπαρξθσ επτά διαμεμβρανικϊν ελίκων (b). Σο 1990 θ διακριτικότθτα αυξικθκε ςτα 3 Å, γεγονόσ που επιβεβαίωςε τθν παρουςία των επτά α-ελίκων. Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

83 (c) Η δομι αυτι ζδειξε επίςθσ το πϊσ αυτζσ οι ζλικεσ ςυνδζονται με βρόχουσ και το ςθμείο ςτο οποίο ςυνδζεται το μόριο τθσ ρετινάλθσ ςτθ βακτθριοροδοψίνθ. (Ευγενικι προςφορά R. Henderson.) Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

84 Η χρωςτικι ρετινάλθ υφίςταται μια αλλαγι ςτθ διαμόρφωςθ που ονομάηεται ιςομερείωςθ, όταν απορροφά φωσ. Ζνα τμιμα του μορίου (με ςκοφρο μπλε και κόκκινο) ςτρζφεται κατά 180 γφρω από το διπλό δεςμό μεταξφ των δφο ατόμων άνκρακα (με πράςινο). Η γεωμετρία του μορίου αλλάηει με αυτι τθν περιςτροφι από τθν trans ςτθ cis διαμόρφωςθ. Σα άτομα του άνκρακα φαίνονται με μπλε, τα άτομα υδρογόνου με γκρι και τα άτομα οξυγόνου με κόκκινο. Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

85 χθματικό διάγραμμα του μορίου τθσ βακτθριοροδοψίνθσ που δείχνει τθ ςχζςθ μεταξφ του καναλιοφ πρωτονίων και τθσ προςδεδεμζνθσ ρετινάλθσ ςτθν trans διαμόρφωςι τθσ. Με Α μζχρι Ε ςυμβολίηονται οι επτά διαμεμβρανικζσ ζλικεσ. Η ρετινάλθ ςυνδζεται ομοιοπολικά με ζνα κατάλοιπο λυςίνθσ. Φαίνονται επίςθσ και οι ςχετικζσ κζςεισ των δφο καταλοίπων Asp, τα οποία είναι ςθμαντικά για τθ μεταφορά πρωτονίων. (Προςαρμοςμζνθ από τουσ R. Henderson et al., J. Mol. Biol., 213: , 1990.) Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

86 χθματικό διάγραμμα ςτο οποίο απεικονίηονται οι κινιςεισ των πρωτονίων ςτο φωτοκφκλο τθσ βακτθριοροδοψίνθσ. Η πρωτεΐνθ υιοκετεί δφο κφριεσ διαμορφϊςεισ, τθν τεταμζνθ (Σ) και τθ χαλαρι (R). Η «Σ» διαμόρφωςθ προςδζνει τθν trans -ρετινάλθ ιςχυρά και θ R τθ cisρετινάλθ. (a) Δομι τθσ βακτθριοροδοψίνθσ ςτθν Σ διαμόρφωςθ, με τθν transρετινάλθ προςδεδεμζνθ ςτθ Lys 216 μζςω μιασ βάςθσ του Schiff. (b) Ζνα πρωτόνιο μεταφζρεται από τθ βάςθ του Schiff ςτο Asp 85 και ακολουκεί ιςομερείωςθ τθσ ρετινάλθσ και μια αλλαγι ςτθ διαμόρφωςθ τθσ πρωτεΐνθσ. (c) Δομι τθσ βακτθριοροδοψίνθσ ςτθν R διαμόρφωςθ με τθ cis-ρετινάλθ προςδεδεμζνθ. Ζνα πρωτόνιο μεταφζρεται από το Asp 96 ςτθ βάςθ του Schiff και από το Asp 85 ςτον εξωκυτταρικό χϊρο. (d) Ζνα πρωτόνιο μεταφζρεται από το κυτταρόπλαςμα ςτο Asp 96. (Προςαρμοςμζνθ από τουσ R. Henderson et al., J. Mol. Biol., 213: , 1990.) Protein Structure - Ακαδθμαϊκζσ Εκδόςεισ 2007

87 Ιοντικά κανάλια, Αννεξίνθ, ΑΣΡάςθ Οι κυτταρικζσ μεμβράνεσ ςυνδζονται άμεςα με τθν επιλεκτικι μετακίνθςθ ιόντων μεταξφ κυττάρου και εξωτερικοφ περιβάλλοντοσ. Σα κφτταρα επικοινωνοφν με χαςματικζσ ςυνδζςεισ και ιοντικά κανάλια. Αυτά είναι κανάλια που βρίςκονται ενςωματωμζνα ςε περιοχζσ τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ και επιτρζπουν τθσ ρυκμιηόμενθ ςφνδεςθ μεταξφ του κυτοπλάςματοσ διαδοχικϊν κυττάρων. Σα κανάλια είναι nm ςε διάμετρο και επιτρζπουν ιόντα και μεταβολίτεσ μοριακοφ βάρουσ ζωσ και 1 kd να περνοφν και ςτισ δφο κατευκφνςεισ. Μία χαρακτθριςτικι περίπτωςθ ρυκμιςτικοφ υποδοχζα ιόντων νατρίου που ζχει μελετθκεί εκτενϊσ είναι ο νικοτινικόσ υποδοχζασ τθσ ακετυλοχολίνθσ. Μοντζλο του νικοτινικοφ ακετυλοχολινικοφ υποδοχζα. α) αποτελείται από δφο α και απο μία β,γ,δ υπομονόδασ που ςυμμετζχουν ςτθν δθμιουργία ζνοσ ιοντικοφ καναλιοφ. β) Η προτεινόμενθ κζςθ του ςτθν κυτταρικι μεμβράνθ.

88

89

90 ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ, ΠΕΚ 2014

91

92

93 Ο υποδοχζασ ακετυλοχολίνθσ του εγκεφάλου ενζχεται ςτθν εμφάνιςθ πολλϊν κλινικϊν ςυμπτωμάτων τθσ αςκζνειασ Alzheimer. Επίςθσ, θ αντίδραςθ τθσ νικοτίνθσ με τον υποδοχζα αυτόν ευκφνεται για τθν εξάρτθςθ ςτο κάπνιςμα. Με τθν κατανόθςθ ςε βάκοσ τθσ ςτερεοδομισ των ςθμείων πρόςδεςθσ των υποκαταςτατϊν του υποδοχζα (νικοτίνθσ, ακετυλοχολίνθσ και α- bungarotoxin), μποροφν μελλοντικά να ςχεδιαςτοφν εκλεκτικοί αγωνιςτζσ και ανταγωνιςτζσ των υποκαταςτατϊν αυτϊν για τθν κεραπευτικι αντιμετϊπιςθ τθσ Alzheimer και για τθ απαλλαγι από τθν ζξθ ςτο κάπνιςμα.

94 Υποδοχείσ ανοςοποιητικοφ ςυςτήματοσ. Οι υποδοχείσ αυτοί ζχουν δομικζσ ενότθτεσ που ζχουν τθν δομικι μορφι των ανοςοςφαιρινϊν και ςυνδζονται με τθν διακυτταρικι αναγνϊριςθ. Μερικά παραδείγματα τζτοιων υποδοχζων δίνονται παρακάτω.

95 υνδετικζσ πρωτεΐνεσ. Οι υποδοχείσ τθσ πλαςματικισ μεμβράνθσ που περιζχουν τμιματα που προςκολλοφνται ςτο εξωκυτταρικό πλζγμα λζγονται ςυνδετάςεσ (integrins).

96 Ο γλυκοκάλυκασ. Η περιοχι εξωτερικά τθσ λιπιδικισ ςτοιβάδασ που κυρίωσ αποτελείται από υδατάνκρακεσ λζγεται γλυκοκάλυκασ ι κυτταρικό περίβλθμα. Σο περίβλθμα αυτό μπορεί να ζχει πάχοσ μζχρι και 50 nm. Ο γλυκοκάλυκασ αποτελείται από τα εξωκυτταρικά τμιματα των γλυκοςυλιωμζνων μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν. χθματικι αναπαράςταςθ του γλυκοκάλυκα και των προτεωγλυκοςιδίων.

97 Ο Κυτταροςκελετόσ. Ο κυτταροςκελετόσ ςτακεροποιεί τθν πλαςματικι μεμβράνθ και διατθρεί το ςχιμα του κυττάρου. υχνά περιζχει ινίδια ακτίνθσ και ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ πρωτεϊνϊν αλλθλεπιδρά με αυτά. Η αλλθλεπίδραςθ μεταξφ των πρωτεϊνϊν του κυτταροςκελετοφ και ενςωματωμζνων μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν τθσ μεμβράνθσ ερυκροκυττάρων.