Ηδοµή των λιπαρών οξέων

Transcript

1 Μεµβρανική Μεταφορά

2 Ηδοµή των λιπαρών οξέων

3

4

5 Λιπαρά οξέα-λιπίδια- µεµβράνες

6 Κυτταρικές µεµβράνες: ρόλος διαχωριστικού τοίχους

7 ιαφορετικές λειτουργίες της κυτταρικής µεµβράνης

8 Ενδoκυτταρικές µεµβράνες στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς

9 Η λιπιδική διπλοστιβάδα

10 A typical membrane lipid molecule

11 A phosphatidylcholine (PC) molecule φωσφατιδυλοχολίνη

12 3 είδη µεµβρανικών λιπιδίων φωσφολιπίδια στερόλες γλυκολιπίδια

13 A hydrophilic molecule in water A hydropobic molecule in water

14

15 A phospholipid bilayer

16 Phospholipid bilayers close in on themselves to form sealed compartments

17 υο είδη συνθετικών λιπιδικών διπλοστιβάδων χρησιµοποιούνται πειραµατικά Λιποσώµατα Συνθετική διπλοστιβάδα

18 Λιποσώµατα

19 Συνθετική λιπιδική διπλοστιβάδα

20 Κινητικότητα των φωσφολιπιδίων

21 Ο ρόλος της χοληστερόλης

22 Η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύµµετρη

23 Ο ρόλος των φλιππασών στη βιοσύνθεση της λιπιδικής διπλοστιβάδας

24 Budding and fusing of a membrane vesicle

25 Σχετική διαπερατότητα της λιπιδικής διπλοστιβάδας

26 Υψηλή επιλεκτικότητα των βιολογικών µεµβρανών Ειδικά συστήµατα µεταφοράς: 1. Ρυθµίζουν τον κυτταρικό όγκο και διατηρούν το κυτταρικό ph και την ιοντική σύσταση σε αυστηρώς καθορισµένα όρια 2. Εξάγουν και συγκεντρώνουν µεταβολίτες και δοµικά υλικά, ενώ αποβάλλουν τοξικές ουσίες 3. ηµιουργούν βαθµιδώσεις ιοντικών συγκεντρώσεων Απαραίτητες για τη διεγερσιµότητα µυών και νεύρων

27 Μεταφορά Παθητική G < 0 Αυθόρµητη Ενεργή G>0 Απαιτεί παροχή ελεύθερης ενέργειας Μη φορτισµένα µόρια: G = RTln (c2/c1) Φορτισµένα µόρια: G = RTln (c2/c1) + ΖF V

28 Παθητική µεταφορά : κανάλια (Channels) Ενεργή µεταφορά : αντλίες (Pumps) κατανάλωση ενέγειας - υδρόλυση ATP - βαθµίδωση ιόντων (πρωτονίων)

29

30

31

32 ΗΝa + /K + ATPάση (Αντλία) ΗΝa+/K+ ATPάση είναι τµήµα της αντλίας Νa+/K+. Η υδρόλυση του ATP παρέχει την ενέργεια για την ενεργή µεταφορά αυτών των ιόντων

33 Μηχανισµός: 1. Η ATPάση φωσφορυλιώνεται από το ATP µόνο όταν υπάρχουν ιόντα Μg και Να 2. Το φωσφορυλιωµένο ενδιάµεσο υδρολύεται µόνο όταν υπάρχουν ιόντα Κ+ Σύζευξη µεταξύ υδρόλυσης ATP και µεταφοράς ιόντων Αλλα παραδείγµατα σύζευξης σε βιολογικά συστήµατα: -Αναπνευστική αλυσίδα και παραγωγή ATP στα µιτοχόνδρια -Μυική συστολή και υδρόλυση

34 Κοινό ενδιάµεσο σε όλες τις εκατοντάδες P-type ATPάσες β-ασπαραγινυλο-φωσφορικό ή φωσφοασπαρτικό

35 Βασικές αρχές για τη λειτουργία µιας αντλίας (Jardetzky, 1966): 1.Kοιλότητα αρκετά µεγάλη για να δέχεται ένα µικρό µόριο ή ιόν 2. ύο στεροδιατάξεις ώστε η κοιλότητα να ανοίξει προς το εσωτερικό στη µια µορφή της και προς το εξωτερικό στην άλλη 3. Η συγγένεια προς το µεταφερόµενο ιόν πρέπει να είναι διαφορετική στις δύο στεροδιατάξεις

36 H ATPάση του ασβεστίου του σαρκοπλασµατικού δικτύου είναι µια P-type ΑΤPάση

37

38 P-type ATPάσες έχουν διατηρηθεί στην εξέλιξη και παίζουν σηµαντικούς ρόλους: Η ελεύθερη ενέργεια υδρόλυσης ΑTP οδηγεί σε µεµβρανική µεταφορά ιόντων ή µορίων µέσω στερεοδοµικών αλλαγών προσθήκης και αποµάκρυνσης φωσφορικής οµάδας σε διατηρηµένα ασπαρτικά κατάλοιπα Φλιππάση: P-type ATPάση που µεταφέρει λιπίδια

39 Στα ευκαρυωτικά κύτταρα υπάρχουν τρία βασικά είδη ATPασών που µεταφέρουν ιόντα 1. P-type (100 kda) 2. V-type (µόνο πρωτόνια, 400 kda) 3. F-type (σύνθεση ΑΤP, 600 kda µιτοχόνδρια) Στα βακτήρια, µόνο P- και F- type V-type των ευκαρυωτικών : ενδοκυττάρωση και εξωκυττάρωση

40 Οι δευτεροταγείς µεταφορείς χρησιµοποιούν όχι υδρόλυση ATP σαν ενέργεια αλλά βαθµίδωση συγκέντρωσης για τη µεταφορά κάποιου άλλου ιόντος ή µορίου ιατηρηµένες µοριακές µηχανές σε βακτήρια, αρχαία και ευκαρυωτικούς οργανισµούς 160 πρωτείνες (από τις 4000 συνολικά) στο E. coli

41 αντιµεταφορείς συµµεταφορείς

42 Παράδειγµα: ιαπεράση λακτόζης

43 Μεταγωγή ενέργειας (energy transduction) από µεµβρανικές πρωτείνες 1. ηµιουργία βαθµίδωσης Να+ µέσω υδρόλυσης ATP 2. Χρήση της βαθµίδωσης Να+ για τη µεταφορά γλυκόζης

44 Ηβαθµίδωση συγκεντρώσεων ιόντων (κυρίως Να+ και Η+) χρησιµοποιείται σαν πηγή ενέργειας για τη µεταφορά άλλων µορίων

45 Ιατρικές εφαρµογές: MDR kai CFTR: ΑΒC transporters 79 τέτοιες πρωτείνες στο Ε. coli

46 Στα βακτήρια, οι µεµβρανικές περιοχές και οι περιοχές πρόσδεσηςatp ανήκουν σε διαφορετικές πολυπετιδικές αλυσίδες ιαπεράση της Ιστιδίνης

47 Μεµβρανική Μεταφορά - Κανάλια Ιόντων

48 Αντιβιοτικά µεταφοράς: φορείς ή διαµορφωτές καναλιών Αυξάνουν τη διαπερατότητα της µεµβράνης σε ιόντα Βαλινοµυκίνη (κυκλικό µόριο): φορέας Κ+ Γραµµισιδίνη Α (γραµµικό µόριο): ιαµορφωτής καναλιού

49 Εξειδικευµένα κανάλια µεταφέρουν ιόντα µέσω µεµβρανών Αντλίες και δευτερογενείς µεταφορείς: χιλιάδες ιόντα/δευτερόλεπτο Κανάλια ιόντων: 1000 φορές πιο γρήγορα Τα κανάλια ιόντων είναι εξαιρετικά εξειδικευµένες µοριακές µηχανές που ανταποκρίνονται σε φυσικές και χηµικές αλλαγές του περιβάλλοντος µέσω δοµικών αλλαγών

50 Χαρακτηριστικές ιδιότητες: 1. Εξειδίκευση για τα ιόντα που µεταφέρουν 2. Υπάρχουν σε δύο καταστάσεις: ανοιχτή και κλειστή 3. Μετάπτωση από την ανοιχτή στην κλειστή κατάσταση είναι ελεγχόµενη: ύο ειδών ελεγχόµενα κανάλια a. ligand-gated b. voltage-gated 4. H ανοιχτή κατάσταση µπορεί αυθόρµητα να µετατραπεί σε ανενεργή κατάσταση

51

52 Η πειραµατική µέτρηση της αγωγιµότητας µεσω της τεχνικής patch-clamp δείχνει την ενεργότητα ενός καναλιού Πλεονεκτήµατα: - µέτρηση στο κυτταρικό περιβάλλον (µεµβράνη) -µέτρηση ενεργότητας ενός µόνο µορίου

53 Η µεγάλη συγγένεια της τετροδοτοξίνης για το κανάλι νατρίου (Κι=1 nm) βoήθησε στην αποµόνωση και στον καθαρισµό του

54 Το κανάλι νατρίου

55 Σχέσεις πρωτοταγούς δοµής των καναλιών ιόντων

56 Ηδοµή του καναλιού καλίου Τέσσερεις υποµονάδες, οµή κώνου, µε το µεγαλύτερο άνοιγµα εσωτερικά του κυττάρου

57 Το µονοπάτι µέσα από ένα κανάλι Κ+ Εξωτερικό κυττάρου Στένωση αφυδατωµένο ιόν Εσωτερικό κυττάρου Υδατικό περιβάλλον ενυδατωµένο ιόν

58 «Φίλτρο» επιλεκτικότητας του καναλιού Κ+ Αλληλουχία TVGYG (selectivity filter) στη στένωση του καναλιού

59 Ερώτηση: Γιατί το κανάλι Κ+ µεταφέρει το Κ+ πολύ πιο αποτελεσµατικά από το Να+?

60

61

62

63

64 Ερώτηση: Γιατί το κανάλι Κ+ µεταφέρει το Κ+ πολύ πιο αποτελεσµατικά από το Να+? Απάντηση: Το κανάλι πληρώνει το ενεργειακό κόστος αφυδάτωσης µέσω ευνοϊκών αλληλεπιδράσεων στη στένωση του φίλτρου εξειδίκευσης

65 Ηδοµή του καναλιού Κ+ εξηγεί την ταχύτητα µεταφοράς του ιόντος

66 Ηεπιλεκτικότητα του καναλιού Να+ βασίζεται εν µέρει στην στερική παρεµπόδιση

67 Ball and chain model για την απενεργοποίηση του καναλιού Κ+

68 Απενεργοποίηση του καναλιού Κ+

69

70 Μεµβρ. υναµικό ισσοροπίας

71

72 Θετική επανατροφοδότηση µεταξύ εκπόλωσης και εισόδου Να+ Αποτέλεσµα: Μια πολύ αποδοτική µετάδοση σήµατος σε µεγάλες αποστάσεις Ενα πολύ µικρό µέρος των ιόντων Να+ και Κ+ (1 στο 10 6 ) στα νευρικά κύτταρα διασχίζει την κυτταρική µεµβράνη κατά τη διάρκεια του δυναµικού ενεργείας

73