Μεμβρανικοί δίαυλοι και αντλίεσ

Transcript

1 Μεμβρανικοί δίαυλοι και αντλίεσ

2 Γενικά χαρακτθριςτικά μεμβρανών Οι βιολογικές μεμβράνες αποηελούν ηα θσζικά όρια ηων κσηηάρων. Είναι θραγμοί με μεγάλη επιλεκτική διαπερατότητα και ότι αδιαπέραζηοι ηοίτοι. Είναι δσναμικές δομές. Έτοσν περιγραθεί ζαν διζδιάζηαηα σγρά ποσ αποηελούνηαι από δύο επιθάνειες ποσ περιέτοσν κσρίως λιπιδικά μόρια. Περιέτοσν και πρωηεΐνες ζε κ/β αναλογία από 1:4 εως 4:1 Οι πρωηεΐνες ηοσς είναι βσθιζμένες ζηη διπλοζηιβάδα ηων λιπιδίων. Είναι ηλεκηρικά πολωμένες, με ηο εζωηερικό αρνηηικό -60 mv

3 Διαπερατότθτα μεμβρανών Η λιπιδικι διπλοςτιβάδα των μεμβρανϊν είναι εγγενϊσ αδιαπζραςτθ από ιόντα και πολικά μόρια. Ωςτόςο, τζτοια μόρια πρζπει να διζρχονται και προσ τισ δφο κατευκφνςεισ για εξαςφαλιςτεί θ φυςιολογικι λειτουργία των κυττάρων.

4 Διαπερατότθτα μεμβρανών Οφείλεται ςε τρεισ κατθγορίεσ μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν: Αντλίες, φορείς, διαφλους Οι αντλίες χρθςιμοποιοφν ενζργεια για να ωκιςουν τθ κερμοδυναμικά μθ επιτρεπτι μεταφορά (ενεργόσ μεταφορά). Οι φορείς διεκπεραιϊνουν μεταφορά χωρίσ κατανάλωςθ ενζργειασ (δευτερογενισ ενεργόσ μεταφορά). Οι δίαυλοι προςφζρουν ζναν πόρο δια μζςου του οποίου ρζουν ιόντα προσ τθ κερμοδυναμικά ευνοοφμενθ κατεφκυνςθ (πακθτικι μεταφορά).

5 Βακμίδωςθ ςυγκζντρωςθσ ιόντων υγκζντρωςθ Na + (mm) υγκζντρωςθ Κ + (mm) Εξωκυτταρικά Ενδοκυτταρικά Η διατιρθςθ τθσ βακμίδωςθσ αυτισ απαιτεί τθν κατανάλωςθ ενζργειασ. υνολικά, θ ενδοκυτταρικι περιοχι είναι αρνθτικότερθ ςυγκριτικά με τθν εξωκυτταρικι.

6 Ο ρόλοσ των διαφλων και των αντλιών ςτο νευρικό κφτταρο

7 Ο ρόλοσ των διαφλων και των αντλιών ςτο νευρικό κφτταρο Μεταςυναπτικοί δίαυλοι Νευρικι ϊςθ

8 Η ςφναψθ Ζνασ νευροδιαβιβαςτισ

9 Ιοντικοί δίαυλοι ελεγχόμενοι από πρόςδεμα Διακρίνονται ςτουσ διεγερτικοφσ και ςτουσ αναςταλτικοφσ Κατιοντικοί (π.χ. Κ +, Να +, Ca 2+ ) Ανιοντικοί (π.χ. Cl - ) Ακετυλοχολίνθσ εροτονίνθσ Γλουταμικοφ P2X GABAA Γλυκίνθσ 5μερείσ 5μερείσ 4μερείσ 3μερείσ 5μερείσ 5μερείσ χθματίηουν ομομερείσ ι ςυνθκζςτερα ετερομερείσ υποδοχείσ με μεγάλθ ποικιλία ςυνδυαςμϊν και ςτοιχειομετριϊν. Η ποικιλία αυτι ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν φπαρξθ μεγάλου εφρουσ υποδοχζων με διαφορετικζσ φαρμακολογικζσ και θλεκτροφυςιολογικζσ ιδιότθτεσ και ποικίλα πρότυπα ζκφραςθσ εντόσ του νευρικοφ ςυςτιματοσ και άλλων ιςτϊν.

10 19 υπομονάδεσ 16 υπομονάδεσ

11 Ιοντικοί δίαυλοι ελεγχόμενοι από πρόςδεμα Ειςροι ιόντων Πρόςδεςθ ACh

12 Οι υποδοχείσ ακετυλοχολίνθσ ζχουν ψευδοπενταμερι ςυμμετρία. υγκροτοφνται από 5 ίδιεσ (ομοπενταμερι) ι 5 ομόλογεσ (ετεροπενταμερι) υπομονάδεσ. Η πρόςδεςθ του νευροδιαβιβαςτι ςτθν διεπιφάνεια μεταξφ δφο υπομονάδων προκαλεί ςθμαντικζσ μεταβολζσ ςτθ διαμόρφωςθ του υποδοχζα ανοιχτι κατάςταςθ. Η περιςτροφι των α-ελίκων του διαμεμβρανικοφ τμιματοσ οφείλεται ςτθν αλλοςτερικι επίδραςθ τθσ ακετυλοχολίνθσ. τουσ νευρικοφ τφπου υποδοχείσ ειςζρχονται ιόντα νατρίου ι αςβεςτίου, ακολουκϊντασ τθν θλεκτροχθμικι κλίςθ (πακθτικι μεταφορά). + ACh Pymol: morphing_video.pse

13 Η μετάδοςθ τθσ ώςθσ κατά μικοσ του άξονα Η είςοδοσ ιόντων μζςω των υποδοχζων ενεργοποιοφμενων από πρόςδεμα δθμιουργεί τοπικι αποπόλωςθ τθσ μεμβράνθσ. Η διαφορά δυναμικοφ μειϊνεται και ενεργοποιοφνται ταςεοελεγχόμενοι δίαυλοι νατρίου. Ανατροφοδοτικι διαδικαςία ξεκινά και θ διαφορά δυναμικοφ φτάνει κετικζσ τιμζσ. Αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν ενεργοποίθςθ των ταςεοελεγχόμενων διαφλων καλίου (εκροι ιόντων). Η διαφορά δυναμικοφ μειϊνεται και θ επαναπόλωςθ τθσ μεμβράνθσ ξεκινά. Οι ςυγκεντρϊςεισ Na + και K + και θ διαφορά δυναμικοφ αποκακίςτανται με τθ δράςθ ειδικϊν διαφλων και με τθ δράςθ αντλιϊν Na + -K +, δθλ. τθν κατανάλωςθ ενζργειασ.

14 Η μετάδοςθ τθσ ώςθσ κατά μικοσ του άξονα - 1 Παροδικι εκπόλωςθ και επαναπόλωςθ τθσ μεμβράνθσ

15 Η μετάδοςθ τθσ ώςθσ κατά μικοσ του άξονα - 2

16 Η μετάδοςθ τθσ ώςθσ κατά μικοσ του άξονα - 3 Δυναμικά ενεργοποίθςθσ και αγωγιμότθτα διαφλων Na + και K +

17 Ιοντικοί δίαυλοι Μεταφζρουν τα ιόντα εκατζρωκεν τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ με ρυκμοφσ που πλθςιάηουν εκείνουσ που αναμζνονται για ιόντα που διαχζονται ελεφκερα δια μζςω υδατικϊν διαλυμάτων. Ωςτόςο, δεν πρόκειται για απλοφσ διαμεμβρανικοφσ ςωλινεσ. Πρόκειται για πολφπλοκεσ μοριακζσ μθχανζσ που αποκρίνονται ταχφτατα και πολφ αποτελεςματικά ςε μεταβολζσ του περιβάλλοντόσ τουσ και υφίςτανται αλλαγζσ ςτθ ςτερεοδιάταξι τουσ.

18 Ιοντικοί δίαυλοι ςε γραμμικι απεικόνιςθ αποτελοφνται από 4 ομόλογεσ περιοχζσ. κάκε περιοχι ζχει διαμεμβρανικζσ ζλικεσ και μία κετικϊσ φορτιςμζνθ περιοχι. τα κετικϊσ φορτιςμζνα κατάλοιπα των S4 δρουν ωσ αιςκθτιρεσ τάςθσ.

19 Σοπολογία ιοντικών ταςεοελεγχόμενων διαφλων Ο δίαυλοσ K + ςχθματίηεται ωσ ςφμπλοκο τεςςάρων πανομοιότυπων υπομονάδων (ομοτετραμερζσ), από τισ οποίεσ παρουςιάηεται θ μία. Ο δίαυλοσ Na + αποτελείται από μία μόνο πολυπεπτιδικι αλυςίδα με τζςςερισ επαναλαμβανόμενεσ επικράτειεσ, κακεμία από τισ οποίεσ είναι όμοια με μία υπομονάδα του διαφλου K +. Ο δίαυλοσ Ca 2+ είναι παρόμοιοσ με τον δίαυλο Na +. Κάκε υπομονάδα ι επικράτεια των παραπάνω διαφλων περιζχει ζξι α-ζλικεσ.

20 Η δομι ενόσ ιοντικοφ διαφλου Αρχικά ο πόροσ είναι ευρφχωροσ τθ ςυνζχεια ςτενεφει (φίλτρο εκλεκτικότθτασ) Απογφμνωςθ του ιόντοσ K + από τα μόρια φδατοσ To ςτενό τμιμα δομείται από κατάλοιπα δφο α-ελίκων υντθρθμζνθ θ αλλθλουχία του τμιματοσ ςχεδόν ςε όλουσ τουσ διαφλουσ καλίου

21 Η δομι ενόσ ιοντικοφ διαφλου Σο φίλτρο επιλογισ φζρει τθν αλλθλουχία Thr-Val-Gly-Tyr-Gly ςε εκτεταμζνθ διαμόρφωςθ με τισ καρβονυλικζσ ομάδεσ να ςτρζφονται προσ το εςωτερικό του πόρου.

22 Ιδιότθτεσ αλκαλικών ιόντων

23 Είναι 100 φορζσ πιο διαπερατοί από Κ + απ ότι Na + Η ςφγκριςθ των αλλθλουχιϊν επιτρζπει τθν εξιγθςθ τθσ λειτουργίασ των διαφλων Na + και Ca 2+ λόγω τθσ υψθλισ ομολογίασ με τουσ διαφλουσ Κ +. Οι δίαυλοι Ca 2+ είναι ςυμμετρικοί ωσ προσ το φίλτρο επιλογισ, ενϊ ςτουσ διαφλουσ Na + θ ςυμμετρία 4 θσ τάξθσ δεν ιςχφει. ε αντίςτοιχεσ κζςεισ υπάρχουν διαφορετικά αμινοξζα (DEKA). Η προτίμθςθ για ςυγκεκριμζνο ιόν εξαςφαλίηεται από το μζγεκοσ του πόρου.

24 Οι κζςεισ δζςμευςθσ Κ+ είναι υψθλισ ςυγγζνειασ. Πωσ εξθγείται θ ταχφτατθ μεταφορά ιόντων δια μζςου αυτϊν των διαφλων;

25 Σαςεοελεγχόμενοι δίαυλοι Κ + Η λειτουργία τουσ ελζγχεται από το μεμβρανικό δυναμικό Σα τμιματα S5 και S6 ςχθματίηουν το κανάλι, ενϊ τα τμιματα S1-S4 δομοφν περιοχζσ που εκτείνονται προσ τα ζξω. Η S4 αποτελεί τον αιςκθτιρα τάςθσ

26 Προτεινόμενο μοντζλο ενεργοποίθςθσ και απευαιςκθτοποίθςθσ ταςεοελεγχόμενων διαφλων Κ + Η εκπόλωςθ δθμιουργεί κίνθςθ των S4. Απωςτικζσ μεταξφ τουσ δυνάμεισ ανοίγουν το δίαυλο. Απενεργοποίθςθ που ςυμφωνεί με το μοντζλο σφαίρας-αλυσίδας.

27

28 Αντλίεσ ιόντων -1 Η μεταβολι τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ για τθ μεταφορά ενόσ μορίου από διάλυμα ςυγκζντρωςθσ c1 ςε διάλυμα ςυγκζντρωςθσ c2 είναι: ΔG = RT ln (c2/c1) Επιπλζον, για φορτιςμζνα ςωματίδια θ ανιςοκατανομι δθμιουργεί ζνα θλεκτρικό δυναμικό. τθν περίπτωςθ αυτι θ μεταβολι τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ είναι: ΔG = RT ln (c2/c1) + ΖF ΔV Τπενκυμίηεται ότι οι αυκόρμθτεσ διαδικαςίεσ (πακθτικζσ) ζχουν ΔG < 0, ενϊ αυτζσ που απαιτοφν τθν προςκικθ ενζργειασ ΔG > 0 υγκζντρωςθ Na + (mm) υγκζντρωςθ Κ + (mm) Εξωκυτταρικά Ενδοκυτταρικά

29 Αντλίεσ ιόντων - 2 Ιδιαίτερα διαδεδομζνεσ είναι οι πρωτεΐνεσ που χρθςιμοποιοφν τθν υδρόλυςθ τθσ ΑΣΡ για τθν άντλθςθ ιόντων και μορίων δια μζςου των μεμβρανϊν, αντίκετα από τθν θλεκτροχθμικι κλίςθ. Η βακμίδωςθ ςυγκζντρωςθσ νατρίου-καλίου οφείλεται ςε ζνα ζνηυμο που ονομάηεται αντλία Na + - K + ι ΑΤΡάση Na + - K +. Τπολογίηεται ότι θ κατανάλωςθ ενόσ μορίου ΑΣΡ είναι επαρκισ για τθν ενεργό μεταφορά 3 ιόντων νατρίου προσ τθν εξωκυτταρικι περιοχι και 2 ιόντων καλίου προσ τθν εςωκυτταρικι. Σο 1/3 του ΑΣΡ που καταναλϊνεται από τουσ ηωικοφσ οργανιςμοφσ χρθςιμοποιείται για τθ διατιρθςθ τθσ διαβάκμιςθσ νατρίου-καλίου. Σα ζνηυμα αυτά ονομάηονται ΑΣΡάςεσ τφπου Ρ, διότι κατά τθ δράςθ τουσ ςχθματίηουν ζνα ενδιάμεςο φωςφορυλιωμζνο προϊόν.

30 ΑΣΡάςθ Ca 2+ του Δ Είναι ζνηυμο με ςπουδαίο ρόλο ςτθ χάλαςθ των ςυςπϊμενων μυϊν, διότι θ μυϊκι ςυςτολι ενεργοποιείται από απότομθ αφξθςθ των κυτταροπλαςματικϊν επιπζδων αςβεςτίου. Αποτελεί το 80% των μεμβρανικϊν πρωτεϊνϊν του Δ. Διατθρεί τθν κυτταροπλαςματικι ςυγκζντρωςθ του αςβεςτίου ςτα 0.1 μm, ςε ςφγκριςθ με αυτιν ςτο Δ που είναι 1.5 mm. H δομι του ενηφμου ζχει προςδιοριςτεί ςε πζντε διαφορετικζσ καταςτάςεισ, επιτρζποντασ τον ακριβι προςδιοριςμό του μθχανιςμοφ δράςθσ του.

31 Η δομι του ενηφμου Pymol: ca_pumps_morphing.pse

32 Μθχανιςμόσ δράςθσ

33 Αντλία Na + -K + Σο Na + αντλείται εξϊ από το κφτταρο, ενϊ το K + αντλείται προσ το εςωτερικό του κυττάρου, ϊςτε θ ςυγκζντρωςθ Na + να είναι υψθλότερθ ςτο εξωτερικό του άξονα απ ό,τι ςτο εςωτερικό του, ενϊ θ ςυγκζντρωςθ K + να είναι υψθλότερθ ςτο εςωτερικό απ ό,τι ςτο εξωτερικό. Όταν θ μεμβράνθ βρίςκεται ςε θρεμία, είναι περιςςότερο διαπερατι ςε K + παρά ςε Na + ι άλλα ιόντα, επειδι περιζχει ανοικτοφσ διαφλουσ K +. Η ροι K + μζςω αυτϊν των διαφλων ςυμβάλλει κατά το μεγαλφτερο ποςοςτό ςτθ διαμόρφωςθ τθσ τιμισ του δυναμικοφ θρεμίασ τθσ μεμβράνθσ, θ οποία, ωσ εκ τοφτου, προςεγγίηει τθν τιμι του δυναμικοφ ιςορροπίασ του K +.

34 Animation λειτουργίασ Na + -K + αντλίασ

35 Μετάδοςθ τθσ νευρικισ ώςθσ ςτον επόμενο νευρώνα

36 Ρφκμιςθ τθσ ζκκριςθσ νευροδιαβιβαςτϊν από αςβζςτιο Κατθγορίεσ ςυναπτοταγμινών Οι περιςςότερεσ λειτουργοφν εξαρτϊμενεσ από τθ ςυγκζντρωςθ ιόντων αςβεςτίου Δομζσ των τμθμάτων ςυναπτοταγμίνθσ και οι κζςεισ πρόςδεςθσ των ιόντων αςβεςτίου

37 Ρφκμιςθ τθσ ζκκριςθσ νευροδιαβιβαςτϊν από αςβζςτιο Η πρόςδεςθ ιόντων αςβεςτίου ζχει ωσ αποτζλεςμα των ελευκζρωςθ αμινοξικϊν καταλοίπων που είναι κετικά φορτιςμζνα

38 Ρφκμιςθ τθσ ζκκριςθσ νευροδιαβιβαςτϊν από αςβζςτιο

39 Άλλα ζνηυμα με περιοχζσ δζςμευςθσ ΑΣΡ Σο φαινόμενο τθσ πολυφαρμακευτικισ αντίςταςθσ (MDR) oφείλεται ςτθν ζκφραςθ μίασ μεμβρανικισ πρωτεΐνθσ που δρα ωσ αντλία εξαρτϊμενθ από ΑΣΡ και εξωκεί μία ςειρά από μικρά μόρια από τα κφτταρα που τθν εκφράηουν. Μεταφορείσ ΑΒC (ATP-binding cassettes)

40 Η δομι ενόσ μεταφορζα ABC Ο καταλυτικόσ κφκλοσ Pymol: abc_transporter_morphing.pse

41 Οι φορείσ Είναι πρωτεΐνεσ που μεταφζρουν μόρια/ιόντα δια μζςου τθσ μεμβράνθσ χωρίσ κατανάλωςθ ΑΣΡ. υηεφγνουν κερμοδυναμικά μθ ευνοϊκζσ μεταφορζσ με άλλεσ που είναι κερμοδυναμικά ευνοϊκζσ (άλλου ι διαφορετικοφ μορίου/ιόντοσ). Ονομάηονται δευτερογενείσ μεταφορείσ και διακρίνονται ςε συμμεταφορείς και αντιμεταφορείς.

42 Οι φορείσ - 2 Πρόκειται για αρχαίεσ μθχανζσ, κοινζσ ςε όλα τα είδθ κυττάρων. το γονιδίωμα τθσ E. coli κωδικεφονται 160 τζτοιεσ πρωτεΐνεσ από ζνα ςφνολο φγκριςθ των αλλθλουχιϊν δείχνει ότι περιζχουν 12 διαμεμβρανικζσ ζλικεσ. Η διαπεράςθ τθσ λακτόηθσ (ςυμμεταφορζασ) Pymol: lactose_transporter.pse

43 Μθχανιςμόσ λειτουργίασ τθσ διαπεράςθσ τθσ λακτόηθσ Χρθςιμοποιεί τθ βακμίδωςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ πρωτονίων (εξωκυτταρικά μεγαλφτερθ ςυγκζντρωςθ Η + ). Αποτελείται από δφο ομόλογα τμιματα (κακζνα φζρει 6 διαμεμβρανικζσ ζλικεσ) και θ κζςθ δζςμευςθσ τθσ λακτόηθσ είναι ςε μία εςωτερικι κοιλότθτα. Όταν το ζνηυμο είναι προςανατολιςμζνο με τθν κοιλότθτα προσ το εξωτερικό πρωτονιϊνεται ζνα γλουταμικό οξφ (Glu269). Αυξάνει θ ςυγγζνεια του ενηφμου για τθ λακτόηθ. Η δομι εκςτρζφεται. Ελευκερϊνει τθ λακτόηθ και το Η + ςτο εςωτερικό. Σο ζνηυμο επανζρχεται.

44 Οι υδατοπορίνεσ Πρόκειται για διαφλουσ που αυξάνουν τον ρυκμό ροισ του νεροφ δια μζςου τθσ μεμβράνθσ. Η παρουςία τουσ αναγκαία ςε οριςμζνουσ ιςτοφσ (π.χ νεφροφσ). Αποτελείται από μία πολυπεπτιδικι αλυςίδα 6 α-ελίκων και δφο υδρόφιλων κθλιϊν που βρίςκονται ςτο εςωτερικό τθσ πρωτεΐνθσ. Ο ρυκμόσ διζλευςθσ των μορίων νεροφ είναι 10 6 /sec. Δεν επιτρζπει τθ διζλευςθ πρωτονίων και άρα δεν διαταράςςει τθ βακμίδωςθ πρωτονίων.

45 Οι χαςματοςυνδζςεισ Γνωςτζσ και ωσ διακυτταρικοί δίαυλοι λειτουργοφν ωσ δίοδοι μεταξφ εφαπτόμενων κυττάρων. Εντοπίηονται ςε διακριτζσ περιοχζσ τθσ κυτταρικισ μεμβράνθσ. Σο χάςμα μεταξφ των δφο κυτταροπλαςματικϊν περιοχϊν είναι ~35Å. Κινοφνται εφκολα μικρά πολικά μόρια (π.χ. ιόντα, μεταβολίτεσ), όχι όμωσ πρωτεΐνεσ. υχνζσ μεταξφ κυττάρων διεγζρςιμων ιςτϊν (π.χ. μυοκάρδιο). Χρθςιμοποιοφνται για τθ κρζψθ κυττάρων μακριά από τα αιμοφόρα αγγεία. θμαντικοί κατά τθν περίοδο τθσ ανάπτυξθσ και διαφοροποίθςθσ. Κάκε δίαυλοσ αποτελείται από 12 μόρια ςυνδετίνθσ (διαμεμβρανικι πρωτεΐνθ με 4 α-ζλικεσ). Ζξι ςυνδετίνεσ ςχθματίηουν τον θμιδίαυλο (εξαγωνικόσ ςχθματιςμόσ). υνζνωςθ δφο θμιδιαφλων ςτον μεςοκυτταρικο χϊρο ςχθματίηει τθν χαςματοςφνδεςθ. Οι χαςματοςυνδζςεισ παραμζνουν ανοιχτζσ για χρόνο δευτερολζπτων μζχρι και λεπτά. Κλείνουν αυκόρμθτα με υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ αςβεςτίου ι/και πρωτονίων (λόγω τθσ εν δυνάμει υψθλισ τοξικότθτασ τουσ). Διαφζρουν από τουσ υπόλοιπουσ διαφλουσ, διότι α) ςυνδζουν κυτταρόπλαςμα με κυτταρόπλαςμα, β) διαπερνοφν δφο μεμβράνεσ. Σο ανκρϊπινο γονιδίωμα κωδικεφει 21 διαφορετικζσ ςυνδετίνεσ.