ΛΙΠΙΔΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ. Stryer Ch. 12

Transcript

1 ΛΙΠΙΔΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ Stryer Ch. 12 1

2 ΛΙΠΙΔΙΑ Λιπαρά οξέα Στεροειδή Λιποδ. βιταμίνες Τερπένια Ισοπρενοειδή Εικοσανοειδή Τριακυγλυκερόλες Κηροί Σφινγγολιπίδια Γλυκεροφωσφολιπίδια Κεραμίδια Πλασμαλογόνα Φωσφατίδια Σφινγγομυελίνες Κερεβροζίτες Γανγλιοσίδια Φωσφατιδυλαιθανολαμίνες Φωσφατιδυλσερίνες Φωσφατιδυλχολίνες Φωσφατιδυλ- Ινοσιτόλες Γλυκοσφινγγολιπίδια Φωσφολιπίδια Καύσιμα μόρια (β-oξείδωση), Υψηλής πυκνότητας αποθήκες ενέργειας, Σηματοδοτικά μόρια (προσταγλανδίνη, φωσφο-ινοσιτίδια, στεροειδή ) κλπ, κλπ, κλπ + Δομικά συστατικά μεμβρανών 2

3 OI ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ EINAI ΚΛΕΙΣΤΕΣ, ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ ΛΙΠΙΔΙΩΝ και ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ 1. ΟΡΙΖΟΥΝ ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ και ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑΤΟΠΟΙΟΥΝ ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟΥ 2. ΕΞΑΣΦΑΛΙΖΟΥΝ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΗ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ μέσω ΑΝΤΛΙΩΝ και ΔΙΑΥΛΩΝ μεμβρανική διπλοστιβάδα 3. ΦΕΡΟΥΝ ΜΟΡΙΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ, YΠΟΔΟΧΕΙΣ, ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΒΙΒΑΣΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ Ηλεκτρονιομικρογραφία ερυθροκυττάρου (χρώση τετραοξειδίου του οσμίου) Δομικά χαρακτηριστικά 3

4 ΚΟΙΝΑ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΟΙΚΙΛΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Λεπτά διμοριακά φύλλα λιπιδίων (διπλοστιβάδες Α 0 ) και πρωτεΐνών σε ποικίλες αναλογίες (1:4-4:1) Μη ομοιοπολικά συγκροτήματα από ρευστές δομές (εγκάρσια διάχυση) Τα λιπίδια κατανέμονται προσανατολισμένα (υδρόφιλη κεφαλή- υδρόφοβη ουρά) σχηματίζοντας αυθόρμητα κλειστές δομές που αποκλείουν την ροή πολικών μορίων Οι πρωτεΐνες επιτελούν ποικίλες χαρακτηριστικές λειτουργίες, αντλίες, δίαυλοι, υποδοχείς, μεταγωγείς ενέργειας κλπ Είναι ηλεκτρικά πολωμένες (αρνητικό εσωτερικό, -60mV): Το μεμβρανικό δυναμικό παίζει κυρίαρχο ρόλο στη μεταφορά μορίων, στη μετατροπή ενέργειας και στη διεγερσιμότητα 4 Λιπαρά οξέα

5 ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ: βασικά συστατικά μεμβρανικών λιπιδίων cis-διαμόρφωση 5 Ονοματολογία Tm

6 Ονοματολογία και Tm λιπαρών οξέων n=14: δεκαοκτ ανικό, ένας διπλός δεσμό: δεκαοκτ ενικό, δυο διπλοί δεσμοί: δεκαοκτ διενικό Η βραχεία αλυσίδα και η ακορεστότητα αυξάνουν τη ρευστότητα των λιπαρών οξέων και των παραγώγων τους cis-δ n+3 6 Τm

7 Εστέρες λιπαρών οξέων και γλυκερόλης ΟΗ ΟΗ λιπαρό οξύ 1 ΟΗ Γλυκερόλη Φωσφατιδικό φωσφορικό ΟΗ ΟΗ λιπ. οξύ 2 ΟΗ Δι ακυλ γλυκερόλη (DAG) Μονο ακυλ γλυκερόλη λιπ. οξύ 3 Λειτουργίες και Είδη λιπιδίων Τρι ακυλ γλυκερόλη (TAG) 7

8 TΡΙΑ ΚΟΙΝΑ ΕΙΔΗ ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΩΝ ΛΙΠΙΔΙΩΝ 1. Φωσφολιπίδια, 2. Γλυκολιπίδια 3. Χοληστερόλη Τα φωσφο-λιπίδια είναι η κύρια κατηγορία μεμβρανικών λιπιδίων, διακρίνονται σε: 1α. Φωσφογλυκερίδια : Λιπαρά οξέα εστεροποιούνται με γλυκερόλη 1β. Σφιγγολιπίδια : Τα λιπαρά οξέα εστεροποιούνται με σφιγγοσίνη 8 παραδείγματα

9 1α. Φωσφογλυκερίδια : Λιπαρά οξέα εστεροποιούνται με γλυκερόλη 9 παραδείγματα

10 Κοινά Φωσφογλυκερίδια 10 αιθερολιπίδια

11 (Α) Αιθερολιπίδια-Πλασμαλογόνα (βινυλ-αιθερικός δεσμός) (Β) Φωσφολιπίδια Α Β Tα Πλασμαλογόνα αντιπροσωπεύουν το 30-35% των μεμβρανικών λιπιδίων του καρδιακού μυός Οι μεμβράνες των αρχαίων σχηματίζονται από διακλαδισμένα αιθερο-λιπίδια Ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και ακραίες τιμές ph: 1. Οι μη πολικές αλυσίδες συνδέονται με τη γλυκερόλη μέσω σταθερότερων αιθερικών δεσμών 2. Οι μη πολικές αλυσίδες είναι διακλαδισμένες και ανθεκτικότερες σε οξείδωση 11 Σφιγγολιπίδια

12 1β. Σφιγγολιπίδια Τα λιπαρά οξέα εστεροποιούνται με σφιγγοσίνη (αντί με γλυκερόλη) Σφιγγοσίνη: αμινοαλκοόλη που φέρει ήδη μια επιμήκη αλειφατική αλυσίδα Μονάδα λιπαρού οξέος φωσφορυλ-χολίνη σφιγγοσίνη Σφιγγομυελίνη: ένα λιπαρό οξύ συνδέεται με αμιδικό δεσμό, ενώ η υδροξυλική ομάδα με φωσφόρυλο χολίνη 12 Γλυκολιπίδια

13 2. Γλυκολιπίδια: Υδατανθρακικές ομάδες (γλυκόζη ή γαλακτόζη) καταλαμβάνουν τη θέση της φωσφορυλ-αλκοόλης σφιγγοσίνη Τα πιο πολύπλοκα γλυκολιπίδια (π.χ. γαγγλιοζίτες) περιέχουν διακλαδισμένες αλυσίδες επτά μονοσακχαριτών, τα οποία πάντα διατάσσονται στο εξωτερικό της μεμβράνης Τί είναι η χοληστερόλη? 13

14 3. Η Χοληστερόλη είναι ένα λιπίδιο με στεροειδή πυρήνα Η χοληστερόλη διατάσσεται παράλληλα με τις αλυσίδες λιπαρών οξέων των φωδφολιπιδίων, με την ΟΗ-ομάδα να αλληλεπιδρά με τις πολικές κεφαλές Βρίσκεται σε διάφορα ποσοστά σε όλες τις ζωικές μεμβράνες, π,χ. 25% των λιπιδίων σε ορισμένα νευρικά κύτταρα, ενώ απουσιάζει από μερικές ενδοκυττάριες μεμβράνες 14 Αμφιπαθή μόρια Δυνάμεις

15 Κοινή φυσικοχημική ιδιότητα των μεμβρανικών λιπιδίων είναι ο αμφιπαθής (αμφίφιλος ) χαρακτήρας: μια υδρόφιλη κεφαλή και μια υδρόφοβη ουρά Υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις και δυνάμεις van der Waals μεταξύ των υδρογονανθρακικών ουρών Ηλεκτροστατικές δυνάμεις και δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των πολικών κεφαλών Ο σχηματισμός διπλοστιβάδων είναι αυθόρμητη διεργασία αυτοσυγκρότησης λόγω πολλαπλών μη ομοιοπολικών συνεργειακών αλληλεπιδράσεων 15 Αυτοσυγκρότηση

16 Σε υδάτινο περιβάλλον, τα φωσφολιπίδια και τα γλυκολιπίδια συγκροτούνται αυθόρμητα σε διμοριακές διπλοστιβάδες μικκύλιο δυο αλυσίδες μια αλυσίδα Η ευνοούμενη- στερεοχημικά- δομή για τα περισσότερα φωσφολιπίδια και γλυκολιπίδια σε υδατικό περιβάλλον είναι η διμοριακή στιβάδα παρά το μικκύλιο Αντίθετα οι σάπωνες, άλατα λιπαρών οξέων (πχ παλμιτικό νάτριο), αυθόρμητα σχηματίζουν μικκύλια 16 Κλειστές δομές

17 Οι συνεργειακές πολλαπλές μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις προσδίδουν βιολογικά σημαντικά χαρακτηριστικά: Ενεργειακά μη ευνοική διαμόρφωση Έχουν την εγγενή τάση να είναι εκτεταμένες Τείνουν να ενώνουν ελεύθερα άκρα ή οπές σχηματίζοντας κλειστές δομές Ευνοική διαμόρφωση 17 Λιποσώματα

18 Τα φωσφολιπίδια μπορούν να σχηματίσουν λιπιδικά κυστίδια, γνωστά ως λιποσώματα Με ιδιαίτερη κλινική σημασία στη μεταφορά φαρμακευτικών ουσιών μέσα στα κύτταρα 18 πρωτείνες

19 Oι περισσότερες μεμβρανικές διεργασίες επιτελούνται από πρωτείνες - Μεταφορά ουσιών και πληροφοριών (Οι μεμβράνες είναι σχεδόν αδιαπέραστες από ιόντα και από τα περισσότερα πολικά μόρια) - Ενζυμικές αντιδράσεις - Μετατροπές ενέργειας κλπ Οι μεμβράνες διαφέρουν σημαντικά ως προς την ποσότητα των πρωτεϊνών που περιέχουν, μυελίνη 18% μέση ζωική μεμβράνη 50% εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη 75% Οι μεμβράνες διαφέρουν σημαντικά και ως προς την ταυτότητα των πρωτεϊνών που περιέχουν. Διαφορετικές λειτουργίες Διαφορετικές πρωτείνες Ποιές πρωτείνες φαίνονται στην ηλεκτροφόρηση μεμβρανικών πρωτεινών?? 19 Ενσωματωμένες-περιφερειακές

20 Οι πρωτεΐνες συνδέονται στη λιπιδική διπλοστιβάδα με ποικίλους τρόπους Οι ενσωματωμένες πρωτεΐνες, συνήθως διαπερνούν το υδρόφοβο τμήμα της μεμβράνης (1-4). Εκχυλίζονται με απορρυπαντικά ή οργανικούς διαλύτες που ανταγωνίζονται υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Οι περιφερειακές πρωτεΐνες μπορεί να συνδέονται ηλεκτροστατικά με τα εξωτερικά τμήματα ενσωματωμένων πρωτεϊνών ή τις πολικές κεφαλές (7-8). Εκχυλίζονται με διαλύματα υψηλής ιονικής ισχύος (1Μ NaCl) ή αλλαγήτου ph. Περιφερειακές πρωτεΐνες μπορεί επίσης να συνδέονται ομοιοπολικά με λιπαρά οξέα (5-6), που ενσωματώνονται στη μεμβράνη. 20 Πρόβλεψη υδροφοβικότητας

21 Οι διαμεμβρανικές έλικες προβλέπονται από την αλληλουχία των αμινοξέων Γραφική παράσταση υδροπάθειας Προσοχή!! Α) Υδρόφοβες έλικες υπάρχουν και σε διαλυτές πρωτείνες Β) Μεμβρανικές έλικες μπορεί να έχουν αμφιπαθή χαρακτήρα Μεαβολή Ελεύθερης Ενέργειας κατά Την μετακίνηση αμινοξέων έξω από την μεμβράνη 21 Παραδείγματα?

22 Οι πρωτεΐνες εισχωρούν στις μεμβράνες με ποικίλες δομές Α. Πολλαπλές διαδοχικές αντι-παράλληλες α-έλικες διαπερνούν τη μεμβράνη, το παράδειγμα της αρχαϊκής βακτηριοροδοψίνης Μεταγωγή ενέργειας Φωτεινή ενέργεια Άντληση Η+ στο εξωκυττάριο περιβάλλον Βαθμίδωση Η+ Σύνθεση ΑΤΡ Τα κίτρινα υδρόφοβα 3 4, 5 αμινοξέα ανήκουν στις διαμεμβρανικές έλικες 6 22 ρετινάλη

23 Βακτηριοροδοψίνη Η Φωτεινή ενέργεια ισομεριώνει την ρετινάλη (προσθετική ομάδα) της βακτηριοροδοψίνης και οδηγεί σε άντληση Η+ στο εξωκυττάριο χώρο. Αυτή η ηλεκτροχημική βαθμίδωση αξιοποιείται για σύνθεση ΑΤΡ 23 Πoρίνη

24 Β. Πολλαπλές διαδοχικές β-πτυχώσεις, το παράδειγμα της βακτηριακής πορίνης Η σχηματιζόμενη πτυχωτή επιφάνεια κάμπτεται και δημιουργεί κύλινδρο/δίαυλο (β-barrel) με πολικά αμινοξέα διατεταγμένα στο εσωτερικό και υδρόφοβα στο εξωτερικό Η πορίνη ενσωματώνεται στην εξωτερική βακτηριακή μεμβράνη και επιτρέπει την διάχυση μικρών πολικών μορίων Τα υδρόφοβα αμινοξέα F, I, L, V, M, W, Y βρίσκονται σχεδόν πάντα στο εξωτερικό της δομής 24 Προσταγλανδίνη

25 Γ. Ενσωμάτωση στη μεμβράνη, το παράδειγμα της Συνθάσης 1 της Προσταγλανδίνης Η 2 * * Το ένζυμο είναι ενσωματωμένο στη μεμβράνη αλλά δεν την διαπερνά. Υδρόφοβες πλευρικές ομάδες αμινοξέων κατευθύνονται προς τη μεμβράνη Το αραχιδονικό προέρχεται από υδρόλυση μεμβρανικών λιπιδίων από φωσφολιπάσες και οδεύει στο ενεργό κέντρο του ενζύμου χωρίς να εκτεθεί στο υδατικό περιβάλλον. * Προσταγλανδίνες θρομβοξάνια και λευκοτριένια ανήκουν στα εικοσανοειδή λίπη 25 ΜΣΑΦ

26 Αναστολή της δραστικότητας κυκλοξυγενάσης (cox) από μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη (ΜΣΑΦ) Η ασπιρίνη ακετυλιώνει την Ser 530 του ενζύμου αναστέλλοντας τη λειτουργηκότητά του Δικλοφαινάκη 26 Bb Ομοιπολική σύνδεση

27 Ορισμένες υδρόφιλες πρωτεΐνες προσδένονται στις μεμβράνες μέσω ομοιοπολικά συνδεδεμένων λιπιδικών ομάδων: Παλμιτουλ-, Φαρνέσυλ-, Γλυκοζυλο φωσφατιδυλινοσιτόλη (GPI) Οι τροποποιήσεις γίνονται από ειδικά ενζυμικά συστήματα που αναγνωρίζουν σηματοδοτικές αλληλουχίες στη πρωτείνη Η σύνδεση στη μεμβράνη είναι γνώρισμα ορισμένων πρωτεϊνών μεταγωγής σήματος 27 Τm μεμβράνης

28 1. Το ρευστό μωσαϊκό επιτρέπει κινήσεις παράλληλες στο επίπεδο της μεμβράνης. Αλλά, όχι κάθετες προς αυτό, ειδικές flippases χρειάζεται να καταλύσουν τέτοιες μετακινήσεις. 2. Η ρευστότητα των μεμβρανών καθορίζεται από τη σύσταση σε λιπαρά οξέα (μήκος αλυσίδας, βαθμός κορεσμού) και την περιεκτικότητα σε χοληστερόλη, η οποία «διευρύνει» το θερμοκρασιακό εύρος στο οποίο συντελείται η μετάπτωση. Θερμοκρασία μετάπτωσης -/+ χοληστερόλη (...) Βακτήρια ελαττώνουν την αναλογία κορεσμένων:ακόρεστων μεμβρανικών λιπαρών οξέων ανάλογα με την θερμοκρασίας του περιβάλλοντος!! 28 Οριζόντια κίνηση πρωτεϊνών FRAP

29 Οι Μεμβρανικές πρωτείνες διαχέονται στο επίπεδο της μεμβράνης 1. Πειράματα κυτταρικής σύντηξης αποδεικνύουν την αυθόρμητη κίνηση πρωτεινών στην μεμβράνη Η κινητική της πλευρικής διάχυσης μπορεί να παρακολουθείται μέσω FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) Συντελεστή διάχυσης D D φωσφολιπιδίου 1μ 2 /sec D ροδοψίνης 0.4 μ 2 /sec D ινοσυνδετίνης 10-4 μ 2 /sec 3. Η ρευστότητα των μεμβρανών και η οριζόντια κίνηση πρωτεινών απαιτείται για την τελική τους διαμεμβρανική διαμόρφωση Νεοεισερχόμενη Μεμβρανική πρωτείνη Ωριμη μεμβρανική πρωτείνη 29 Ασσυμμετρία μεμβρανών

30 Όλες οι βιολογικές μεμβράνες είναι ασύμμετρες ως προς τη δομή και το φορτίο 30 Κυτταρικά τοιχώματα

31 Κυτταρικά τοιχώματα προκαρυωτικών κυττάρων, φυτικών κυττάρων και κυττάρων μηκύτων ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑΤΑ 31

32 12.7 ΤΑ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ Πυρήνας (γενετικό υλικό) Διπλή μεμβράνη, πυρηνικοί πόροι. Μιτοχόνδρια (σύνθεση ΑΤΡ) Διπλή μεμβράνη, εγκολπώσεις. Ενδοπλασματικό δίκτυο (ωρίμανση, μετακίνηση πρωτεϊνών, σύνθεση λιπιδίωνστερολών) Απλή μεμβράνη, πολλαπλές αναδιπλώσεις. Υπεροξειδοσώματα (οξείδωση λιπαρών οξέων) Απλή μεμβράνη. Πυρηνική τοποθέτηση

33 Οι πρωτεΐνες κατευθύνονται προς συγκεκριμένα διαμερίσματα μέσω σηματοδοτικών αλληλουχιών καρυοφερίνη 33 ενδοκυττάρωση μέσω υποδοχέα

34 Η ενδοκυττάρωση μέσω υποδοχέα αποτελεί μέρος πολλών σημαντικών βιολογικών διεργασιών Βλ. Κεφ.26 34

35 Σελ. 382 Ασκήσεις 4, 7, 8, 9,

36 Οι μεμβράνες είναι σχεδόν αδιαπέραστες από ιόντα και από τα περισσότερα πολικά μόρια Φαρμακευτική Κλινική σημασία 36 πρωτείνες

37 Η σύνδεση στη μεμβράνη είναι γνώρισμα ορισμένων πρωτεϊνών μεταγωγής σήματος Πρόβλεψη υδροφοβικότητας 37