Μεμβρανικοί μεταφορείς, δίαυλοι και αντλίες

Transcript

1 Mεμβρανική μεταφορά Μεμβρανικοί μεταφορείς, δίαυλοι και αντλίες 1

2 Η λιπιδική διπλοστιβάδα των βιολογικών μεμβρανών είναι εγγενώς αδιαπέραστη από πολικά μόρια και ιόντα (Α). Ειδικές πρωτείνες (μεταφορείς, αντλίες, δίαυλοι) επιτρέπουν την μεταφορά μορίων δια μέσου μεμβρανών (Β). Υδρόφοβα μόρια, Αέρια Ο2, Ν0 Μικρά αφόρτιστα πολικά μόρια H2O, γλυκερόλη Μεγάλα,, αφόρτιστα πολικά και φορτισμένα μόρια Αμινοξέα, γλυκόζη Ιόντα H+, Na+, K+, Ca2+ (Α) (Β) Σύνοψη 2

3 Μηχανισμοί μεταφοράς * ** απλή και διευκολυνόμενη διάχυση * Μονο-μεταφορέας ** Συν- ή Αντι μεταφορέας (συζευγμένος μεταφορέας) 3 Παθητική μεταφορά

4 Παθητική μεταφορά 1. Aπλή διάχυση μορίων δια μέσου μεμβρανών Μόνο λιπόφιλα μόρια (πχ στεροειδείς ορμόνες, λιποδιαλυτές βιταμίνες) και αέρια μπορούν να κινούνται παθητικά δια μέσου μεμβρανών Η παθητική μεταφορά έχει καθοδική κατεύθυνση, δηλ. από τη μεγαλύτερη προς τη μικρότερη συγκέντρωση και αρνητική μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας ΔG = RT ln(cin/cout) < 0 4 Διευκολυνόμενη διάχυση-ιόντα

5 2. Διευκολυνόμενη διάχυση μορίων δια μέσου μεμβρανών Ιόντα και πολικά μόρια κινούνται καθοδικά (προς τη μικρότερη συγκέντρωση), χωρίς επιπλέον κατανάλωση ενέργειας μέσω α) διαύλων, β) μονο-μεταφορέων 2α) ιόντα μπορούν να κινηθούν μέσω εξειδικευμένων ιονικών διαύλων Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Σημειώστε!! τις μεγάλες διαφορές στην ενδοκυττάρια vs την εξωκυττάρια συγκέντρωση κάθε ιόντος Iόν Eνδοκυττάρια συγκέντρωση (mm) Eξωκυττάρια συγκέντρωση (mm) Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Να Κ Μg Ca Cl Η πρωτεΐνη-δίαυλος επιλέγει ιόντα με βάση το μέγεθος και το φορτίο τους και επιτρέπει την καθοδική τους διάχυσή μόνο για ορισμένο βραχύτατο χρόνο!!! 5 Η κινητήρια δύναμη είναι το ηλεκτροχημικό δυναμικό, που είναι συνάρτηση της διαφοράς συγκέντρωσης και της διαφοράς δυναμικού, δηλ. ΔG = RT ln(cin/cout) + ZF ΔV μεταφορείς

6 2β) Πολικά μόρια μπορούν να κινηθούν μέσω εξειδικευμένων μεταφορέων (μονο-μεταφορέων) με καθοδική κατεύθυνση (χωρίς την δαπάνη ενέργειας) ping pong Οι μεταφορείς έχουν κινητική συμπεριφορά ανάλογη με αυτήν των ενζύμων Vo= Vmax [S] / Km+[S] (Μικρό Km = Μεγάλη ταχύτητα) 6 Πχ γλυκόζη και GLUT2

7 Διευκολυνόμενη διάχυση γλυκόζης απο κυτταρο-ειδικούς μεταφορεις (GLUT: GLUcose Trasporters) 1. Η γλυκόζη δεσμεύεται στον μονομεταφορέα (GLUT), ο οποίος αλλάζει διαμόρφωση και επιτρέπει τη δέλ διέλευσή της προς το εσωτερικό 2. Η γλυκόζη κινείται καθοδικά δια μέσου της μεμβράνης 3. Η εξοκινάση την παγιδεύει με τη μορφή 6-φωσφορικής γλυκόζης στο εσωτερικό του κυττάρου Ο GLUT1 των ερυθροκυττάρων (Km ~1.5 mm) λειτουργεί με ταχύτητα ~Vmax σε φυσιολογική συγκέντρωση γλυκόζης στο πλάσμα ~5mM (~90 mg/dl) Ο GLUT4 των μυών και λιπώδους ιστού (Km ~5 mm) διεγείρεται από ινσουλίνη Ο GLUT2 του ήπατος (Km ~20 mm) μπορεί να εξάγει* τα αυξημένα ενδοκυττάρια επίπεδα γλυκόζης που προκύπτουν από αποικοδόμηση γλυκογόνου *ηπατική φωσφατάση 1-Ρ γλυκόζης 12 διαμεμβρανικές έλικες!!! 7 Cl- HCO3-

8 2β. Ο ανταλλάκτης Cl - HCO3 - καταλύει την ηλεκτρικά ουδέτερη συμμεταφορά ανιόντων στα ερυθροκύτταρα. Η σημασία του ανταλλάκτη στην αναπνοή: Η εκπνοή CO2 εξαρτάται από την μετακίνηση των HCO3- διαμέσου της μεμβράνης των ερυθροκυττάρων Στα ερυθροκύτταρα τo CO2 μετατρέπεται σε HCO3- από την καρβονική ανυδράση) και εξέρχεται στο πλάσμα με ταυτόχρονη είσοδο ενός Cl- Στους πνεύμονες ξανα-εισέρχεται στα ερυθροκύτταρα με έξοδο Clκαι μετατρέπεται και πάλι σε CO2 Ενεργός μεταφορά 8 Ηλεκτροχημικό δυναμικό

9 3. Ενεργός μεταφορά μορίων δια μέσου μεμβρανών Ιόντα ή πολικά μόρια κινούνται ανοδικά (προς τη μεγαλύτερη συγκέντρωση), μόνο με κατανάλωση ενέργειας μέσω α) αντλιών, β) συζευγμένων μεταφορέων Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Ενέργεια ΔG = RT ln(c2/c1) Na+ Na+ Na+ Na+ Η ενέργεια ανοδικής μεταφοράς αποθηκεύεται ως δυναμικό διαφοράς συγκέντρωσης, και στην περίπτωση ιόντων/φορτίων ως ηλεκτροχημικό δυναμικό ΔG = RT ln(c2/c1) + ZF ΔV Ηλεκτροχημικό δυναμικό 9 ΑΤΡ, φως κλπ

10 Η ενέργεια λειτουργίας των αντλιών παρέχεται από το ΑΤΡ, το φως κλπ, ενώ των συζευγμένων μεταφορέων από ένα δεύτερο προϋπάρχον ηλεκτροχημικό δυναμικό (συμμεταφορείς, αντιμεταφορείς) Αντλία-ΑΤΡάση «φωτο-κινούμενη» φ μ η αντλία Συζευγμένος μεταφορέας 10 Transport ATPases

11 3α) Αντλίες - ΑΤΡάσες άντλησης/μεταφοράς Τύπου F (F- ATPase) χρησιμοποιεί την ηλεκτροχημική βαθμίδωση Η+ για να συνθέσει ΑΤΡ από ADP. Μιτοχόνδρια, βακτήρια, χλωροπλάστες!!! Τύπου V (V-type). Αντλίες πρωτονίων με βασικό ρόλο στη διατήρηση του όξινου χαρακτήρα υποκυτταρικών διαμερισμάτων π.χ. ενδοσώματα ABC Transporters (ΑΤP Binding Cassete, Multi-drug transporter) ΑΤΡάσες Τύπου P (P-type) -- Πολυπληθής οικογένεια από εξελικτικά συγγενείς μεμβρανικές αντλίες που εξειδικεύονται στην άντληση κατιόντων -- Καταλύουν την αυτο-φωσφορυλίωσή τους (τύπος ύ Ρ) και αλληλο-μεταπίπτουν λ σε δυο διακριτές διαμορφώσεις, E1 και E2 (E1-E2 ATPases) Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα Τύπου P Μυική ΑΤΡαση Ca++ Μεταφορά Ca++ ΑΤΡαση Να+ - Κ+. Έξοδος 3Να+, είσοδος 2Κ+ Γαστρική ΑΤΡαση H+ - Κ+. Είσοδος 2Κ+, έξοδοσς 2H+ στο εσωτερικό του στομάχου (αναστολή από ομεπραζόλη- Losec) 11 Μυική ΑΤΡαση Ca

12 Μυική ΑΤΡαση Ca++ : Μεταφορά Ca++ από το κυτταρόπλασμα στο σαρκοπλασματικό δίκτυο (ΣΔ). Μοναδιαίο πολυπεπτίδιο με 10 διαμεμβρανικές α-έλικες, 80% της συνολικής πρωτείνης του ΣΔ Δημιουργεί 4 τάξεων μεγέθους διαφορά στη [Ca++], Κυτ/πλασμα 0.1μΜ vs ΣΔ 1.5mM) Η μετακίνηση Ca++ από το κυτταρόπλασμα στο ΣΔ προκαλεί μυική χάλαση, και αντιστρόφως... Ρ Μηχανισμός άντλησης ιόντων Ca++ 1. Δέσμευση ΑΤΡ και Ca++ στη μορφή Ε1 2. Φωσφορυλίωση του ασπαραγινικού με δότη Ρ το ΑΤΡ 3. Εκστροφή της αντλίας (μορφή Ε2) 4. Απελευθέρωση του Ca++ στη πλευρά του ΣΔ 5. Η απελευθέρωση του Ca++ προκαλεί υδρόλυση της φωσφορικής ομάδας 6. Η αντλία μεταπίπτει ξανά στη μορφή Ε112 Αντλία Να Κ

13 Η αντλία Να+ - Κ+ : δημιουργεί ηλεκτροχημικά δυναμικά εξάγοντας τρία ιόντα Να+ και εισάγοντας δύο ιόντα Κ+ Καταναλώνει το 1/3 του συνολικού ΑΤΡ. Καθιστά διεγέρσιμα τα νευρικά και μυϊκά κύτταρα. Καθοδηγεί την ενεργό μεταφορά σακχάρων και αμινοξέων. Μηχανισμός άντλησης ιόντων Να+ Κ+ 1. Δέσμευση 3Να+ στη μορφή Ε1 3. Δέσμευση 2Κ+, υδρόλυση της φωσφορικής της αντλίας ομάδας 2. Φωσφορυλίωση της αντλίας στο ασπαραγινικό από ΑΤΡ,εκστροφή της αντλίας (Ε2) και απελευθέρωση 3Να+ 4. Η αντλία μεταπίπτει ξανά στη μορφή Ε1 απελευθερόνοντας στο εσωτερικό 2Κ+ 13 Δευτερογενείς μεταφορείς

14 3β) Συζευγμένοι μεταφορείς (συμμεταφορείς, αντιμεταφορείςανταλλάκτες). Χρησιμοποιούν* την ενέργεια που έχει αποθηκευθεί σε μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση (π.χ. Να+) ) για να δημιουργήσουν μια δεύτερη βαθμίδωση Οι Aντι-μεταφορείς Να+ - Ca++ και Να+ - Η+ εξάγουν Ca++ και Η+, αντίστοιχα. * Αλληλομετατροπές μορφών ενέργειας Οι Συν-μεταφορείς Να+ - γλυκόζης και Να+ - αμινοξέων εισάγουν γλυκόζη και αμινοξέα, αντίστοιχα. 14 Συνμεταφορέας Να-γλυκόζης στο έντερο

15 1. Συν-μεταφορέας Να+ - γλυκόζης αντλεί γλυκόζη στο εντερικό επιθήλιο Η γλυκόζη απελευθερώνεται παθητικά στη κυκλοφορία μέσω του μεταφορέα GluT2 (Ανάλογα, ο GluT2 διευκολύνει την έξοδο γλυκόζης που προκύπτει από την υδρόλυση του γλυκογόνου στα ηπατοκύτταρα ) Παθητικά ηγλυκόζη εισέρχεται στον μυικό, λιπώδη ιστό και ερυθροκύτταρα από άλλους κυτταρο-ειδικούς μεταφορείς (GluT4, GluT1) Είσοδος λακτόζης και Η+ 2. Συν-μεταφορείς σε βακτήρια και μύκητες χρησιμοποιούν το ηλεκτροχημικό δυναμικό της βαθμίδωσης Η+ για να εισάγουν ανοδικά σάκχαρα, αμινοξέα κλπ 15 Αντιμεταφορέας Να-Ca

16 3. To παράδειγμα του μυοκαρδίου Ο Αντι-μεταφορέας Να+ - Ca++ (ΝCX) χρησιμοποιεί τη διαβάθμιση Να+, που έχει δημιουργήσει η αντλία Να+ Κ+,, για την εξαγωγή γή Ca++ Η μυική σύσπαση πυροδοτείται από την (αύξηση στην) ενδοκυττάρια συγκέντρωση Ca++ που καθορίζεται απο διαύλους Ca++ (RyR) και αντλίες Ca++ ΑΤΡασες (SERCA) στo ΣΔ Αναστολή της λειτουργίας της αντλίας Να+ Κ+ επιβραδύνει την έξοδο Ca++ με αποτέλεσμα αύξηση της συσπαστικότητας του καρδιακού μυός Δακτυλίτιδα 16

17 Η διγιτοξιγενίνη, στεροειδές της δακτυλίτιδας (Digitalis purpurea), όπως και η ουαβαίνη, παρεμποδίζει την αποφωσφορυλίωση της αντλίας καλίου νατρίου και χρησιμοποιείται ως καρδιοτονωτικό φάρμακο Δυο αιώνες πριν η κ. Shropshire χορηγούσε επιτυχώς δακτυλίτιδα σε ασθενείς με συμφορητική καρδιακή ανεπάρκεια. Χωρίς να το γνωρίζει, μειώνοντας τη βαθμίδωση Να+ προκαλούσε επιβράδυνση της εξαγωγής Ca++ (μέσω του ανταλλάκτη Na-Ca) και τα αυξημένα επίπεδα Ca++ εξασφάλιζαν μεγαλύτερη μγ συσπαστικότητα του καρδιακού μυός! 17 MDR transport

18 Μεταφορείς με ATP-Βinding Cassette (ABC transporters) 1. Πολυφαρμακευτικός μεταφορέας / Multi-drug transporter. Mετακίνηση προς το εξωκυττάριο περιβάλλον πολλών διαφορετικών ουσιών (π.χ φάρμακα), με κατανάλωση ATP. Πολύ-φαρμακευτική αντίσταση (MDR)- ανθεκτικότητα καρκινικών κυττάρων σε κυτταροστατικά 2. CFTR (Δίαυλος Cl- ) - Κιστική ίνωση / Cystic Fibrosis. Ανισορροπία στη μεταφορά ιόντων και υγρών δια μέσου της πλασματικής μεμβράνης προκαλεί αναστολή εκκρίσεων του παγκρέατος και συσσώρευση πυκνής βλέννης στους πνεύμονες Στη απόλυτη μορφή της είναι θνησιγόνα κληρονομήσιμη ανωμαλία Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) functions as a camp-activated ATP-gated anion channel, 18 Ιονικοί δίαυλοι

19 ΙΟΝΙΚΟΙ ΔΙΑΥΛΟΙ Αποτελεσματικότητα, εξειδίκευση, ρύθμιση Κινητική μεταφοράς 1. Αντλίες και οι δευτερογενείς μεταφορείς μετακινούν ~10 3 mol/sec ενώ οι ιονικοί δίαυλοι μετακινούν >10 6 mol/sec χωρίς να φτάνουν σε κορεσμό!!! 2. Εμφανίζουν επιλεκτικότητα για συγκεκριμένα ιόντα (μέγεθος, φορτίο). 3. Μεταπίπτουν ελεγχόμενα από την κλειστή στην ανοιχτή διαμόρφωση αποκρινόμενοι σε (ΔV, πρόσδεμα, μηχανικό ερέθισμα). 4. Μεταπίπτουν αυθόρμητα στην ανενεργό διαμόρφωση σε βραχύτατο χρόνο (χρονόμετρο) 19 Τασο-προσδεμα-μηχανο ελεγχόμενοι δίαυλοι

20 Οι δίαυλοι μεταπίπτουν από την κλειστή στην ανοιχτή διαμόρφωση αποκρινόμενοι σε διάφορες μεταβολές Mεταβολές β ς στη διαφ. δυναμικού της μεμβράνης-μβρ Τασο-ελεγχόμενοι 2. Πρόσδεση σηματοδοτικών μορίων πχ νευροδιαβιβαστών- Προσδεμα-ελεγχόμενοι 3. Μηχανικά ερεθίσματα- Μηχανο-ελεγχόμενοι 20 Οικογένειες διαύλων

21 Κάθε οικογένεια διαύλων αριθμεί πολλά εξειδικευμένα μέλη Tύπος διαύλου Τσο-ελεγχόμενοι κατιονικοί δίαυλοι Αντιπρόσωποι Δίαυλος Να+ Δίαυλος Κ+ Δίαυλος Ca++ Πρόσδεμα-ελεγχόμενοι ιονικοί δίαυλοι Κατιονικός δίαυλος ακετυλοχολίνης Ca++ δίαυλος γλουταμικού Κατιονικός δίαυλος σεροτονίνης Cl- δίαυλος GABA Cl- δίαυλος γλυκίνης 21 Παραδείγματα, ακετυλοχολίνη

22 Παραδείγματα διαύλων 1. Ο δίαυλος ς του νικοτινικού υποδοχέα χ ακετυλοχολίνης: χ ης Πρόσδεμα-ελεγχόμενος ρ μ γχ μ ς κατιονικός ς δίαυλος (Na+, K+) που μεταδίδει την νευρική ώση σε νευρομυικές συνάψεις Η είσοδος Ca++ απο την συναπτική ή σχισμή χ μή στο προσυναπτικό κύτταρο πυροδοτεί έκκριση Ακετυλοχολίνης Πρόσδεμα / Νευροδιαβιβαστής Η είσοδος Να+ στην μυική ίνα Προκαλεί απελευθέρωση Ca++ από το ΣΔ και μυική σύσπαση 50nm n= mol Περιστροφή 22 και ολίσθηση

23 Η πρόσδεση της ακετυλοχολίνης στον υποδοχέα/δίαυλο (α2βγδ) προκαλεί περιστροφή και ολίσθηση των ελίκων και μετάπτωση στην ανοικτή διαμόρφωση α 2 βγδ 23 Τασοελεγχόμενοι δίαυλοι

24 2. Τασο- ελεγχόμενοι δίαυλοι Νa+ και δίαυλοι Κ+ άγουν την νευρική ώση κατά μήκος του νευρώνα Η δομή του διαύλου Na+: 4 x [S1-S6] υδρόφοβες έλικες Οι S5-S6 θηλιές συγκροτούν τον πόρο Απομόνωση Διαύλου Νa+ H S4 έλικα (R,K) είναι αισθητήρας δυναμικού 24 Ομολογίες Τασοελεγχόμενων δίαυλων

25 Δομικές ομολογίες μεταξύ ιοντικών διαύλων Δίαυλος Νa+ Οι 4 S5-S6S6 θηλιές Μπορούν να συγκροτούν τον πόρο 25 Η δομή του προκαρυωτιοκού διαύλου καλίου

26 Η δομή του προκαρυωτικού διαύλου καλίου απεκάλυψε τη βάση της εξειδικευμένης και ταχύτατης ιονικής ροής Τετραμερές ρ πανομοιότυπων υπομονάδων,, που η κάθε μια συνίσταται από δύο διαμεμβρανικές μμβρ α-έλικες. Οι τέσσερις υπομονάδες συγκροτούνται σχηματίζοντας κεντρικό κωνικό πόρο. S5-S6 θηλειά 26 Εξειδίκευση

27 Η εξειδίκευση του ιονικού διαύλου καθορίζεται από τη διάμετρο και το σχήμα του, αλλά και από τα φορτία των αμινοξέων που επενδύουν το εσωτερικό του Φίλτρο επιλογής Η αλληλουχία Thr-Val-Gly-Tyr-Gly διατηρείται στην S5-S6 θηλιά όλων των διαύλων Κ+ 27

28 Το μοντέλο της σφαίρας και της αλυσίδας για την αυτόματη απενεργοποίηση του διαύλου 28

29 Οι Χασματοσυνδέσεις επιτρέπουν την κίνηση ιόντων μεταξύ επικοινωνούντων κυττάρων 29

30 Ασκήσειςryer Σελ , 4, 6, 9, 12 Lehninger Kεφ ,8,12,15 30