4 ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ

Transcript

1 4 ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό εισάγεται η έννοια της τοπολογίας των μεμβρανικών συστατικών και αυτή συνδέεται με την τοπολογία της βιοσύνθεσης και τους μηχανισμούς διαλογής, διακίνησης και στόχευσης. Αναλυτική αναφορά γίνεται στα λιπιδικά συστατικά, καθώς και στις πρωτεΐνες διαφορετικού προορισμού, για τις οποίες περιγράφεται επί πλέον η διαδικασία ωρίμανσης. Τέλος, αναφέρονται πληροφορίες για την συναρμολόγηση των επί μέρους συστατικών σε υπερμοριακά συγκροτήματα. Προαπαιτούμενη γνώση Κεφάλαια 1,2,3. 95

2 4.1 Τοπολογία των μεμβρανικών συστατικών Για να κατανοήσει κανείς τον τρόπο με τον οποίο κάθε συστατικό συνεισφέρει στην αρχιτεκτονική και στη λειτουργικότητα μιας βιολογικής μεμβράνης πρέπει να εξετάσει την τοπολογία (topology) ή τοπογραφία τους (topography), δηλαδή τη διαμόρφωση και τοποθέτησή τους μέσα στη συγκεκριμένη μεμβράνη σε συνάρτηση με τις κρατούσες βιολογικές συνθήκες, τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή 1,2. Καθώς τα κύτταρα αναπτύσσονται, αυξάνουν σε όγκο, συνθέτουν νέα συστατικά για την πλασματική τους μεμβράνη και τελικά διασπώνται σε θυγατρικά κύτταρα. Πολλά συστατικά πρέπει να αντικατασταθούν, επειδή είτε καταστρέφονται, είτε μεταβολίζονται σε άλλες ενώσεις π.χ. η μεμβρανική φωσφατιδυλοχολίνη αποτελεί πρόδρομη ένωση της ακετυλοχολίνης, η χοληστερόλη των στεροειδών ορμονών, λιπαρά οξέα όπως το αραχιδονικό των προσταγλανδινών κ.λπ. Άλλα, τέλος, συστατικά εμφανίζονται για πρώτη φορά, ως απόκριση σε διαφοροποιήσεις του περιβάλλοντος π.χ. λιπίδια με ρυθμιζόμενα επίπεδα ακόρεστων λιπαρών οξέων για διατήρηση της ρευστότητας, η περμεάση της λακτόζης στο Ε. coli κ.λπ. Επειδή όμως η μεμβράνη πρέπει να παραμένει αδιαπέραστη σε όλες αυτές τις διαδικασίες, οι νεοσυντιθέμενες πρωτεΐνες και τα λιπίδια πρέπει να ενσωματώνονται στην προϋπάρχουσα διπλοστιβάδα χωρίς να διακόπτουν τη δομική της συνέχεια. Η βιοσύνθεση λοιπόν της μεμβράνης είναι αυτονόητα συνδεδεμένη με την επιμήκυνση και την αυτοσυγκρότησή της (self assembly). Οι πλασματικές μεμβράνες εμφανίζουν μεγάλη πολυπλοκότητα καθώς περιέχουν πάνω από 100 διαφορετικές πρωτεΐνες και αρκετές τάξεις φωσφολιπιδίων υποδιαιρούμενων σε μοριακά είδη, ανάλογα με τη σύσταση των λιπαρών τους οξέων. Τα μόρια αυτά, όπως γνωρίζουμε, είναι ασύμμετρα κατανεμημένα στις δύο στιβάδες της διπλοστιβάδας. Επιπρόσθετα, οι μεμβράνες των διαφορετικών οργανιδίων ενός του ιδίου ευκαρυωτικού κυττάρου έχουν διαφορετική σύσταση. Συνεπώς, οι διαδικασίες της βιοσύνθεσης και συγκρότησης των μεμβρανών (assembly), που ονομάζεται βιογένεση (membrane biogenesis), πρέπει να περιλαμβάνει όχι μόνο τρόπους μεταφοράς και διείσδυσης πρωτεϊνών και λιπιδίων, αλλά και μηχανισμούς με τους οποίους τα μόρια καταλαμβάνουν συγκεκριμένο προσανατολισμό. Ένα άλλο θέμα που συνδέεται με την βιογένεση είναι το πώς μακρομόρια που πρόκειται να εκκριθούν από μία μεμβράνη ή οργανίδιο (πεπτιδογλυκάνες και περιπλασμικές πρωτεΐνες που είναι υδρόφιλα μόρια) φθάνουν μετά τη βιοσύνθεση σε διαφορετικό προορισμό. Ειδικές πρωτεΐνες, για παράδειγμα, πρέπει να μεταφερθούν στην κυτταροπλασματική μεμβράνη όπου θα βοηθήσουν το κύτταρο να αναγνωρίζει ορμόνες, να προσδένεται σε εξωκυττάρια υποστρώματα και να προσλαμβάνει ή να αποβάλλει συγκεκριμένα ιόντα ή μικρά μόρια. Άλλες πρωτεΐνες όπως οι 96

3 RΝΑ- και οι DΝΑ-πολυμεράσες πρέπει να κατευθυνθούν στον πυρήνα. Άλλες, στα λυσοσώματα ή στα υπεροξυσώματα. Η διαδικασίες βιοσύνθεσης, διαλογής (sorting) και στόχευσης (targeting) των πρωτεϊνών είναι πολύπλοκες και απαιτούν αυστηρό έλεγχο. Τα κύτταρα δεν συναρμολογούν τις μεμβράνες τους de novo, αλλά επεξεργάζονται αυτές που κληρονομούν από τα μητρικά κύτταρα. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, η βιοσύνθεση των μεμβρανικών συστατικών γίνεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο, που τροφοδοτεί στη συνέχεια τις υπόλοιπες μεμβράνες με μεμβρανικά κυστίδια. Τα κυστίδια αυτά συντήκονται με τις μεμβράνες-στόχους και τις εμπλουτίζουν τόσο σε λιπίδια όσο και σε πρωτεΐνες. 97

4 4.2 Τοπολογία βιοσύνθεσης μεμβρανικών λιπιδίων και συγκρότηση λιπιδικών διπλοστιβάδων Τα περισσότερα ένζυμα βιοσύνθεσης των μεμβρανικών λιπιδίων είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες του ενδοπλασματικού δικτύου, που δρουν στην κυτταροπλασματική επιφάνεια της μεμβράνης (κυτταροπλασματική μονοστιβάδα), εφοδιάζοντάς την άμεσα με λιπίδια. Η βιοσύνθεση της χοληστερόλης και των περισσοτέρων φωσφολιπιδίων των βιολογικών μεμβρανών των ευκαρυωτικών κυττάρων γίνεται στη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου. Τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις έχουν τα ενεργά τους κέντρα στην κυτοπλασματική πλευρά αυτής της μεμβράνης (Σχήμα 4.1). Αυτό είναι αναμενόμενο, εφόσον οι πρόδρομες ενώσεις είναι υδατοδιαλυτές και βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα. Αφού βιοσυντεθούν τα φωσφολιπίδια στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης, έχει παρατηρηθεί ότι μεταφέρονται στην απέναντι-εσωτερική μονοστιβάδα με ταχύτητα μερικών λεπτών, δηλαδή κατά 105 φορές ταχύτερα απ ότι υπολογίζεται για την κίνηση flip-flop των λιπιδίων σε τεχνητές μεμβράνες, η οποία θα απαιτούσε μερικές ημέρες. Τουλάχιστον αυτό συμβαίνει στην περίπτωση της φωσφατιδυλοαιθανολαμίνης της μεμβράνης του Bacillus megaterium 3. Φαίνεται ότι τη μετακίνηση διευκολύνουν ειδικές μεμβρανικές πρωτεΐνες μεταφοράς ή ανταλλαγής φωσφολιπιδίων με μεγάλη εξειδίκευση. Σε ενδοπλασματικό δίκτυο έχει βρεθεί μία τέτοια πρωτεΐνη, που αναγνωρίζει και μεταφέρει αποκλειστικά φωσφατιδυλοχολίνη και όχι άλλα λιπίδια. Η παρουσία τέτοιων πρωτεϊνών στις μεμβράνες αποτελεί εν μέρει και την αιτία της ασύμμετρης κατανομής των λιπιδίων. Εκτός όμως από τις πρωτεΐνες αυτές, πιθανόν να υπάρχουν και κυτοπλασματικές πρωτεΐνες, που μεταφέρουν μεμονωμένα λιπίδια από το ενδοπλασματικό δίκτυο στις άλλες μεμβράνες του κυττάρου. Υπάρχουν τέλος και λιπίδια, όπως η φωσφατιδυλογλυκερόλη και η καρδιολιπίνη, που βιοσυντίθενται κυρίως στα μιτοχόνδρια 4. Τα κεραμίδια, μόρια που περιέχουν ολιγοσακχαρίτες, βιοσυντίθενται αρχικά στο ενδοπλασματικό δίκτυο, ενώ στη συνέχεια στη συσκευή Golgi, προστίθενται ολιγοσακχαρίτες και σχηματίζονται γλυκολιπίδια, ή χολίνη και σχηματίζεται η σφιγγομυελίνη 5. Οι δύο αυτές τάξεις λιπιδίων βιοσυντίθενται σχετικά αργά στη διαδικασία βιοσύνθεσης των μεμβρανών και βρίσκονται αποκλειστικά στην εξωτερική μονοστιβάδα της διπλοστιβάδας της πλασματικής μεμβράνης, γεγονός που βρίσκεται σε αρμονία με την τοπολογία των βιοσυνθετικών τους ενζύμων (εσωτερικός αυλός της μεμβράνης του ενδοπλασματικού δικτύου, ER). Αυτό συμβαίνει διότι από το ΕR αποκόπτονται κυστίδια, τα οποία μέσω του συστήματος Golgi μεταφέρονται και συντήκονται με την πλασματική μεμβράνη, οπότε ο εσωτερικός αυλός εκτίθεται προς τα έξω. 98

5 Σχήμα 4.1 Τοπολογία βιοσύνθεσης φωσφατιδυλοχολίνης. Τα οργανίδια των κυττάρων περιέχουν τα φωσφολιπίδια αυτά σε διάφορες αναλογίες. Οι πιο «φτωχές» σε λιπίδια μεμβράνες είναι αυτές των μιτοχονδρίων και των υπεροξυσωμάτων. Με ποιο τρόπο τα φωσφολιπίδια από το σημείο βιοσύνθεσής τους μεταφέρονται στις διάφορες μεμβράνες και ποιοί παράγοντες ρυθμίζουν αυτή τη διαδικασία; Μία πιθανότητα είναι ότι λιπιδικά κυστίδια με τη βοήθεια ειδικών μεταφορικών πρωτεϊνών αποκόπτονται από ορισμένες περιοχές του ενδοπλασματικού δικτύου και τελικά μεταφέρονται και συντήκονται με κάποιο άλλο οργανίδιο του κυττάρου. Πιθανώς συγκεκριμένες πρωτεΐνες κατευθύνουν τα κυστίδια στα κατάλληλα οργανίδια. Αυτό όμως δεν έχει προς το παρόν απαντηθεί. Ένας δεύτερος πιθανός μηχανισμός για τη μεταφορά λιπιδίων είναι μέσω των πρωτεϊνών ανταλλαγής φωσφολιπιδίων 6. Οι πρωτεΐνες αυτές ανήκουν σε μία τάξη υδατοδιαλυτών πρωτεϊνών που βρίσκονται στο κυτόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων και καταλύουν την ανταλλαγή διαφορετικών φωσφολιπιδίων μεταξύ δύο μεμβρανών (Σχήμα 4.2). Μερικές πρωτεΐνες δεν εμφανίζουν εξειδί- 99

6 κευση για το πολικό άκρο, άλλες όμως παρουσιάζουν μεγάλη εξειδίκευση. Σχήμα 4.2 Μηχανισμός λειτουργίας πρωτεϊνών μεταφοράς φωσφολιπιδίων. 100

7 4.3 Βιογένεση μεμβρανικών πρωτεϊνών Η σύνθεση των πρωτεϊνών της πλασματικής μεμβράνης, καθώς και των πρωτεϊνών που εκκρίνονται από τα ευκαρυωτικά κύτταρα, γίνεται συνήθως στα ριβοσώματα του ενδοπλασματικού δικτύου. Αυτές οι πρωτεΐνες θεωρείται ότι μεταφέρονται διαδοχικά στα διαφορετικά διαμερίσματα της συσκευής Golgi μέσω κυστιδίων-φορέων, «ωριμάζουν» και στη συνέχεια συντήκονται με την πλασματική μεμβράνη. Για τη σύνθεση και ενσωμάτωση των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών 7 υπάρχουν δύο μηχανισμοί 8 : Κάποιες συντίθενται στα πολυριβοσώματα του κυτοπλάσματος και στη συνέχεια ενσωματώνονται στη μεμβράνη (μετα-μεταφραστική εισδοχή, posttranslational insertion) και άλλες συντίθενται στα πολυριβοσώματα των μεμβρανών ενώ τα πολυπεπτίδια διεισδύουν στη μεμβράνη καθώς μεταφράζονται (συμμεταφραστική εισδοχή, cotranslatίοnal insertion). Το σημείο βιοσύνθεσης κάθε πρωτεΐνης εξαρτάται αποκλειστικά από την αλληλουχία αμινοξέων της. Κάποιες από τις πρωτεΐνες αυτές, μόλις συντεθούν, εισέρχονται στον αυλό του ενδοπλασματικού δικτύου, όπου ακολουθείται η διαδικασία διαλογής και στόχευσης στα σωστά σημεία. Τέτοιες είναι οι πρωτεΐνες της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, οι λυσοσωμικές 9 και οι εκκριτικές πρωτεΐνες, είδη των οποίων παριστάνονται στο Σχήμα 4.3. Η τύχη των πρωτεϊνών αυτών είναι διαφορετική από τις πυρηνικές, των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, οι οποίες απελευθερώνονται στο κυτόπλασμα και στη συνέχεια μεταφέρονται στο κατάλληλο οργανίδιο. Αναλυτικά, ο μηχανισμός βιοσύνθεσης των πρωτεϊνών αυτών έχει ως εξής: Το mrna των μεμβρανικών πρωτεϊνών διαθέτει, αμέσως μετά το κωδικόνιο έναρξης, μία ειδική αλληλουχία κωδικονίων που μεταφράζεται σε αλληλουχία υδρόφοβων αμινοξέων. Η αλληλουχία αυτή ονομάζεται σηματοδοτική, αλληλουχία-σήμα ή αλληλουχία-οδηγός και καθοδηγεί την πρωτεΐνη σε συγκεκριμένη περιοχή του ενδοπλασματικού δικτύου με τη βοήθεια του σωμάτιου αναγνώρισης σήματος (signal recognition particle, SRP, συμπλόκου έξι πρωτεϊνικών υπομονάδων) και ενός μορίου RNA. Το SRP συνδέεται με το ένα άκρο του στην αλληλουχία-σήμα και με το άλλο στο ριβόσωμα. Η μετάφραση σταματά μόλις αυτό το σύμπλεγμα συνδεθεί με τον υποδοχέα του SRP στη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου. Αμέσως μετά, το SRP απομακρύνεται και η μετάφραση συνεχίζεται. Η πεπτιδική αλυσίδα περνά, καθώς βιοσυντίθεται, στο εσωτερικό του ενδοπλασματικού δικτύου μέσα από πρωτεϊνικό πόρο, για τον οποίο όμως πολύ λίγα είναι γνωστά. Στην περίπτωση των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών υπάρχουν δύο σήματα στην αλληλουχία: ένα 101

8 για την είσοδό τους στη μεμβράνη και ένα δεύτερο (μια ακόμη υδρόφοβη αλληλουχία-σήμα) που σηματοδοτεί τον τερματισμό της λειτουργίας του πρωτεϊνικού πόρου. Έτσι, η πεπτιδική αλυσίδα «αγκιστρώνεται» στη μεμβράνη, πριν ακόμη ολοκληρωθεί η μετάφραση. Τελικά, η σηματοδοτική αλληλουχία αποκόπτεται με ειδικές πεπτιδάσες, τις σινιαλάσες (signalases), ένζυμα του ενδοπλασματικού δικτύου. Στην περίπτωση διαμεμβρανικών πρωτεϊνών που διαπερνούν τη λιπιδική διπλοστιβάδα περισσότερες από μία φορές, η πεπτιδική αλυσίδα διαθέτει τα ανάλογα διαδοχικά ζεύγη αλληλουχιών-σημάτων για έναρξη-τερματισμό-έναρξη-τερματισμό κ.λπ. της μεταφοράς της αλυσίδας μέσα από τη διπλοστιβάδα. Σχήμα 4.3 Τοπολογία διαφόρων διαμεμβρανικών πρωτεϊνών που συντίθενται στο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο. 102

9 Αν η διαμεμβρανική πρωτεΐνη είναι γλυκοπρωτεΐνη, η γλυκοζυλίωση αρχίζει όσο ακόμη το νεοσυντιθέμενο πολυπεπτίδιο βρίσκεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο. Οι υδατάνθρακες, περνούν από το κυτταρόπλασμα, όπου βρίσκονται, στο εσωτερικό του ενδοπλασματικού δικτύου, με τη βοήθεια μορίων δολιχόλης 10 (Σχήμα 4.4). Σχήμα 4.4 Μόριο δολιχόλης. Οι δολιχόλες είναι λιπιδικά μεμβρανικά μόρια αναδιπλωμένα μέσα στη μεμβράνη λόγω του μεγάλου μήκους τους. Αφού συνδεθούν με τους κατάλληλους υδατάνθρακες του κυτοπλάσματος (-CH2- O-P-P-σάκχαρα), μετακινούνται μέσα στη μεμβράνη και μεταφέρουν τις ομάδες αυτές στο εσωτερικό του ενδοπλασματικού δικτύου. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, ειδικές μεμβρανικές γλυκοζυλο-τρανσφεράσες μεταφέρουν τις υδατανθρακικές ομάδες στην πεπτιδική αλυσίδα. Με τον τρόπο αυτό μεταφέρονται δεκατετρασακχαρίτες (περιέχουν Ν-ακετυλο-γλυκοζαμίνη, μαννόζη και γλυκόζη) σε κατάλοιπα ασπαραγίνης, σχηματίζοντας Ν-γλυκοζιτικούς δεσμούς (βλ. Σχήμα 2.16). Η αλληλουχία Asn-Χ-Thr (ή Ser) 11 αποτελεί αλληλουχία αναγνώρισης του σημείου γλυκοζυλίωσης από τις τρανσφεράσες. Οι αρχικές αυτές υδατανθρακικές ομάδες υφίστανται επεξεργασία στο ενδοπλασματικό δίκτυο. Οι γλυκοπρωτεΐνες, υπό τη μορφή τμημάτων μεμβρανικών κυστιδίων, μετακινούνται από το ενδοπλασματικό δίκτυο στη συσκευή Golgi (trans cis) και από εκεί στην πλασματική μεμβράνη (βλ. Σχήμα 3.1). Επειδή οι υδατανθρακικές ομάδες βρίσκονται στο εσωτερικό των κυστιδίων, καταλήγουν τελικά στην εξωτερική επιφάνεια της πλασματικής μεμβράνης. Κατά τη σύντηξη των κυστιδίων με τις μεμβράνες της συσκευής Golgi ολοκληρώνεται η επεξεργασία των υδατανθράκων με αποτέλεσμα στις διαμεμβρανικές γλυκοπρωτεΐνες να υπάρχουν τελικά δύο είδη υδατανθρακικών ομάδων ενωμένων με Ν-γλυκοζιτικό δεσμό: τους σύμπλοκους ολιγοσακχαρίτες και τους ολιγοσακχαρίτες με υψηλή περιεκτικότητα σε μαννόζη. Στη συσκευή Golgi σχηματίζονται επίσης οι Ο-γλυκοζιτικοί δεσμοί των γλυκοπρωτεϊνών. Ο σχηματισμός διαμεμβρανικών πρωτεϊνών που συνδέονται με τη διπλοστιβάδα με λιπιδικές άγκυρες ολοκληρώνεται μετά το τέλος της μετάφρασης, με μετα-μεταφραστική τροποποίηση, όπως φαίνεται στο (βλ. Σχήμα 2.15). 103

10 Η διαδικασίες λοιπόν μετάφρασης της διαμεμβρανικής πρωτεΐνης και της ενσωμάτωσής της στη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου γίνονται παράλληλα, συμμεταφραστικά. Αυτό αφορά τις πρωτεΐνες που προορίζονται είτε να παραμείνουν στη μεμβράνη αυτή, είτε να αποτελέσουν πρωτεΐνες της πλασματικής μεμβράνης ή άλλων υποκυτταρικών οργανιδίων. Αν όμως προορίζονται για τις μεμβράνες των μιτοχονδρίων ή των χλωροπλαστών, βιοσυντίθενται μεν στο ενδοπλασματικό δίκτυο, απελευθερώνονται όμως στο κυτόπλασμα μετα-μεταφραστικά, μετά το τέλος της μετάφρασης, και ενσωματώνονται εκ των υστέρων στις μεμβράνες των οργανιδίων αυτών. Την ενσωμάτωση καθοδηγούν ειδικά πρόσθετα πεπτίδια-σήματα, που διαθέτουν οι πρωτεΐνες αυτές. 104

11 4.4 Μεταφορά και ωρίμανση νεοσυντιθέμενων εκκριτικών πρωτεϊνών Η μετατροπή του νεοσυντιθέμενου πολυπεπτιδίου σε ενεργό πρωτεΐνη ονομάζεται ωρίμανση της πρωτεΐνης και συμβαίνει στο σύστημα Golgi 12. Αναλυτικά, το νεοσυντιθέμενο πολυπεπτίδιο εξωθείται διαμέσου της μεμβράνης στον αυλό του οργανιδίου, από τον οποίον αποκόβονται κυστίδια που περιέχουν τις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, ενσωματωμένες στη μεμβράνη των κυστιδίων, και τις εκκριτικές πρωτεΐνες στο εσωτερικό τους. Μεταφέρονται αρχικά στην περιοχή cis της συσκευής Golgi, ενώ σταδιακά μεταφέρονται στην trans περιοχή. Τα κυστίδια στη συνέχεια μεταφέρονται στην εξωτερική μεμβράνη, συντήκονται και απελευθερώνουν τις εκκριτικές πρωτεΐνες στο εξωτερικό του κυττάρου, ενώ οι διαμεμβρανικές εμπλουτίζουν την πλασματική μεμβράνη. Η ωρίμανση των πρωτεϊνών προϋποθέτει τη δράση πολλών ενζύμων που βρίσκονται σε διαφορετικά οργανίδια και περιλαμβάνει μεταβολές στη σύσταση αμινοξέων παράπλευρων αλυσίδων, προσθήκη ή αλλαγή ομάδων σακχάρων, ειδικές πρωτεολυτικές διασπάσεις, σχηματισμό δισουλφιδικών δεσμών ή επιδιόρθωση θέσης του δισουλφιδικού δεσμού και συγκρότηση πολυπεπτιδικών αλυσίδων σε πολυπρωτεϊνικά σύμπλοκα με πολλές υπομονάδες (βλ. Σχήμα 5.31). Δεν συμβαίνουν όλες αυτές οι αντιδράσεις σε όλα τα κύτταρα, ούτε σε όλες τις εκκριτικές πρωτεΐνες. Το κολλαγόνο είναι παράδειγμα πρωτεΐνης που υφίσταται όλες τις παραπάνω μεταβολές. 105

12 4.5 Συναρμογή λιπιδίων και πρωτεϊνών στη συγκρότηση της μεμβράνης Η σύσταση μιας μεμβράνης σε λιπίδια και πρωτεΐνες εξαρτάται από παράγοντες περιβαλλοντικούς, καθώς και από την ηλικία του κυττάρου. Επειδή τα μεμβρανικά λιπίδια και αρκετές πρωτεΐνες συντίθενται στις ίδιες τις μεμβράνες και η βιογένεση των φυσιολογικών μεμβρανών περιλαμβάνει ενσωμάτωση και των δύο, τίθεται το ερώτημα αν υπάρχει συντονισμός μεταξύ της σύνθεσής τους: Καταρχήν έχει παρατηρηθεί ότι η ταχύτητα βιοσύνθεσης και ενσωμάτωσης διαφορετικών διαμεμβρανικών πρωτεϊνών είναι δύο ανεξάρτητες διαδικασίες που δεν συγχρονίζονται μεταξύ τους. Αυτό αποδείχθηκε σε πειράματα με μεταλλαγμένα στελέχη κυττάρων, που απαιτούν εξωτερική χορήγηση γλυκερόλης για τη βιοσύνθεση των φωσφολιπιδίων τους, κατά τα οποία αναστολή της βιοσύνθεσής τους δεν ανέστειλε την ενσωμάτωση πρωτεϊνών. Αντίστροφα, αναστολή της πρωτεϊνοσύνθεσης με χλωραμφενικόλη, παρουσία γλυκερόλης, έδειξε ότι τα λιπίδια συνεχίζουν να βιοσυντίθενται και να ενσωματώνονται στη μεμβράνη. Παρόλα αυτά, πρέπει να υπάρχουν ρυθμιστικοί μηχανισμοί που να καθορίζουν τις διαφορετικές ταχύτητες σύνθεσης λιπιδίων και πρωτεϊνών. Χαρακτηριστική παράμετρος κάθε μεμβράνης είναι η αναλογία λιπιδίων προς πρωτεΐνες. Τέλος, η συγκρότηση και διατήρηση των μεμβρανών είναι διαδικασία δυναμική που προϋποθέτει και αποικοδόμηση των συστατικών τους. Γενικά, τα φωσφολιπίδια έχουν μικρότερη ημιπερίοδο ζωής (πιο γρήγορο μεταβολικό κύκλο) από τις πρωτεΐνες 13,14,15. Βιβλιογραφία 1 Bogdanov M, Dowhan W, Vitrac H (2014) Lipids and topological rules governing membrane protein assembly. Biochim Biophys Acta, 1843: Ott CM, Lingappa VR (2002) Integral membrane protein biosynthesis: why topology is hard to predict. J Cell Sci, 115: Rothman JE, Kennedy EP (1977) Rapid transmembrane movement of newly synthesized phospholipids during membrane assembly. Proc Natl Acad Sci USA, 74(5): Baile MG, Lu YW, Claypool SM (2014) The topology and regulation of cardiolipin biosynthesis and remodeling in yeast. Chem Phys Lipids, 179: van Meer G, Hoetzl S (2010) Sphingolipid topology and the dynamic organization and function of membrane proteins. FEBS Letters, 584: Wirtz KWA, van Deenen LLM (1977) Phospholipid-exchange proteins: a new class of intracellular lipoproteins. Trends Biochem Sci, 2:

13 7 Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (2009) Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin. BMC Biol, 7:50. 8 Lodish H et al. (2004) Protein sorting: Organelle Biogenesis and Protein Secretion In Molecular Cell Biology, pp , WH Freeman, NY, 5 th edition. 9 Braulke T, Bonifacino JS (2009) Sorting of lysosomal proteins. Biochim Biophys Acta-Mol Cell Res, 1793: Kean EL (1992) Studies on the activation by dolichol-p-mannose of the biosynthesis of GlcNAc-P-P-dolichol and the topography of the GlcNAc-transferases concerned with the synthesis of GlcNAc-P-P-dolichol and (GlcNAc) 2 -P-P-dolichol: a review. Biochem Cell Biol, 70: Allan BB, Balch WE (1999) Protein sorting by Directed Maturation of Golgi Compartments. Science, 285 no. 5424: Lodish H et al. (2004) Protein Sorting: Organelle Biogenesis and Protein Secretion In Molecular Cell Biology, pp , WH Freeman, NY, 5 th edition. 14 Dawidowicz EA (1987) Dynamics of Membrane Lipid Metabolism and Turnover. Ann Rev Biochem, 56: Gohil VM, Greenberg ML (2009) Mitochondrial membrane biogenesis: phospholipids and proteins go hand in hand. J Cell Biol, 184: