ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13. Η κυτταροπλασματική μεμβράνη. Ευάγγελος Κωλέττας

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 Η κυτταροπλασματική μεμβράνη Ευάγγελος Κωλέττας Αναπληρωτής Καθηγητής Μοριακής Κυτταρικής Βιολογίας Εργαστήριο Γενικής Βιολογίας, Τμήμα Ιατρικής Σχολή Επιστημών Υγείας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων και Συμβεβλημένο Μέλος ΔΕΠ Τμήμα Βιοϊατρικών Ερευνών Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας & Βιοτεχνολογίας Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας (ΒΕ-ΙΜΒΒ/ΙΤΕ) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΜΕΜΒΡΑΝΗ Όλα τα κύτταρα - τόσο τα προκαρυωτικά όσο και τα ευκαρυωτικά - περιβάλλονται από μια κυτταροπλασματική μεμβράνη, που καθορίζει τα όρια του κυττάρου και διαχωρίζει το εσωτερικό περιεχόμενο από το περιβάλλον του. Λειτουργώντας ως επιλεκτικός φραγμός για τη διέλευση των μορίων, η κυτταροπλασματική μεμβράνη καθορίζει τη σύσταση του κυτταροπλάσματος, και κατά συνέπεια ορίζει την ίδια την ταυτότητα του κυττάρου. Επομένως, η κυτταροπλασματική μεμβράνη αποτελεί μία από τις πιο θεμελιώδεις δομές της κυτταρικής εξέλιξης. Πράγματι, το πρώτο κύτταρο θεωρείται ότι προέκυψε από τον εγκλεισμό αυτο-αντιγραφόμενου RNA σε μια μεμβράνη φωσφολιπιδίων. Η βασική δομή της κυτταροπλασματικής μεμβράνης είναι η φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα (phospholipid bilayer), που είναι αδιαπέραστη για τα περισσότερα υδατοδιαλυτά μόρια. Επομένως, η διέλευση των ιόντων και των περισσότερων βιολογικών μορίων από τη μεμβράνη επιτυγχάνεται μέσω πρωτεϊνών, που ευθύνονται για την επιλεκτική διακίνηση μορίων από το περιβάλλον του κυττάρου προς το εσωτερικό του και αντίστροφα. Άλλες πρωτεΐνες της κυτταροπλασματικής μεμβράνης ελέγχουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων των πολυκύτταρων οργανισμών και λειτουργούν ως αισθητήρες μέσω των οποίων το κύτταρο λαμβάνει σήματα από το περιβάλλον του. Επομένως, η κυτταροπλασματική μεμβράνη έχει διττό ρόλο: αφενός απομονώνει το κυτταρόπλασμα και αφετέρου εμπλέκεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του κυττάρου και του περιβάλλοντος. 2

ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ ΕΧΟΥΝ ΠΟΛΛΑΠΛΟΥΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΥΣ ΡΟΛΟΥΣ 1. Λειτουργούν ως επιλεκτικοί φραγμοί για τη διέλευση των μορίων διαχωρίζοντας το κύτταρο από το περιβάλλον και καθορίζοντας τη σύσταση του κυτταροπλάσματος 2. Δημιουργούν ενδοκυτταρικά διαμερίσματα 3. Βασική δομή είναι η φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα που είναι αδιαπέραστη σε υδατοδιαλυτά μόρια. Ελέγχουν την είσοδο θρεπτικών συστατικών και την εκροή βιοσυνθετικών προϊόντων 4. Λειτουργούν ως διαμεσολαβητές στην κυτταρική επικοινωνία και ορίζουν την ταυτότητα του κυττάρου, και λαμβάνουν και μεταδίδουν διάφορα σήματα (signals) 5. Ικανότητα κίνησης και μετανάστευσης 3

ΜΕΡΟΣ Ι: ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ 4

ΚΥΡΙΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Η κυτταροπλασματική μεμβράνη αποτελείται από: Μεμβρανικά λιπίδια Φωσφολιπίδια: (~50-90% των ολικών λιπιδίων των μεμβρανών) Γλυκολιπίδια (<5%) Λιπίδια Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Φωσφατιδυλοχολίνη (phosphatidylcholine) Φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη (phosphatidylethanolamine) Φωσφατιδυλοσερίνη (phosphatidylserine), και Σφιγγομυελίνη (sphingomyelin) Χοληστερόλη (5-25%) που είναι ασύμμετρα κατανεμημένα και σχηματίζουν μια φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα. Μεμβρανικές πρωτεΐνες Ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες (πολλές είναι διαμεμβρανικές) Περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες (είναι συνήθως γλυκοζυωμένες) Διαφορετικές μεμβράνες έχουν διαφορετική αναλογία πρωτεΐνης/λιπιδίων - 3.6 για μιτοχόνδρια, 1.1 για κυτταροπλασματική μεμβράνη, 0.25 για μυελίνη. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομόνωση διαφορετικών μεμβρανών. Ο τύπος της μεμβράνης μπορεί να ταυτοποιηθεί από την παρουσία ειδικών πρωτεϊνικών μαρτύρων (δηλ. πρωτεϊνών που εντοπίζονται μόνο στις συγκεκριμένες μεμβράνες) Παράδειγμα: ATPάση Na/K-είναι μάρτυρας της πλασματικής μεμβράνης, ενώ η αφυδρογονάση του ηλεκτρικού οξέος (succinate dehydrogenase) είναι μιτοχονδριακός μάρτυρας. 5

Στις κυτταρικές μεμβράνες υπάρχει διαχωρισμός των λειτουργιών των δύο κύριων συστατικών: Λιπιδίων και Πρωτεϊνών Τα λιπίδια είναι υπεύθυνα για τη διαμερισματοποίηση των κυτταρικών μεταβολιτών, και την ενδοκυτταρική μεταφορά. Οι πρωτεΐνες εμπλέκονται στις περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις που διεξάγονται στο κύτταρο. 6

Η δομή της κυτταροπλασματικής μεμβράνης Η ΚΜ αποτελείται από λιπίδια και πρωτεΐνες. Η θεμελιώδης δομή της μεμβράνης είναι η φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα, που σχηματίζει ένα σταθερό φραγμό ανάμεσα σε δύο υδατικά διαμερίσματα - το εσωτερικό και εξωτερικό του κυττάρου. Πρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα διεκπεραιώνουν τις ειδικές λειτουργίες της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, όπως είναι η επιλεκτική μεταφορά μορίων και η αναγνώριση μεταξύ κυττάρων. Μελέτες της ΚΜ των ερυθροκυττάρων κατέδειξαν ότι οι βιολογικές μεμβράνες αποτελούνται από λιπιδικές διπλοστιβάδες [Goiter και Grendel (1925)]. ΕΙΚΟΝΑ 13.1: Η κυτταροπλασματική μεμβράνη εμφανίζει δομή διπλοστιβάδας. Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει ένα ερυθρό αιμοσφαίριο ανθρώπου. Παρατηρήστε την εμφάνιση της ΚΜ με μορφή «σιδηροδρομικών γραμμών». Η ΚΜ εμφανίζει τη μορφή 2 πυκνών γραμμών που διαχωρίζονται μεταξύ τους με ένα μεσοδιάστημα μορφολογία που παρομοιάζεται με «σιδηροδρομικές γραμμές». Προκύπτει δε από την πρόσδεση των ηλεκτρονιακά πυκνών βαρέων μετάλλων που χρησιμοποιούνται ως χρωστικές στην ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης στις πολικές κεφαλές των φωσφολιπιδίων, που για το λόγο αυτό εμφανίζονται ως σκούρες γραμμές. Αυτές οι πυκνές γραμμές διαχωρίζονται μεταξύ τους με ένα μεσοδιάστημα ανοικτής χρώσης, που αντιστοιχεί στο εσωτερικό τμήμα της μεμβράνης που περιέχει τις υδρόφοβες αλυσίδες των 7 λιπαρών οξέων.

ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΑ ΛΙΠΙΔΙΑ 8

Φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα: Οι κυτταροπλασματικές μεμβράνες των ζωικών κυττάρων περιέχουν 4 κυρίως είδη φωσφολιπιδίων φωσφατιδυλοχολίνη (phosphatidylcholine) που αποτελούν αθροιστικά >50% φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη (P-ethanolamine) των λιπιδίων των περισσότερων φωσφατιδυλοσερίνη (P-serine) και μεμβρανών: σφιγγομυελίνη (sphingomyelin) Τα φωσφολιπίδια αποτελούν το ~50-90% των ολικών λιπιδίων των μεμβρανών. Τα περισσότερα φωσφολιπίδια είναι παράγωγα της 3-φωσφοδιακυλο γλυκερόλης ή φωσφατιδικού Τα 4 είδη φωσφολιπιδίων είναι ασύμμετρα κατανεμημένα στα 2 ημίσεα της διπλοστιβάδας της μεμβράνης ΕΙΚΟΝΑ 13.2: Τα λιπιδικά συστατικά της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Το εξωτερικό φύλλο αποτελείται κυρίως από φωσφατιδυλοχολίνη, σφιγγομυελίνη και γλυκολιπίδια, ενώ το εσωτερικό φύλλο περιέχει φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη, φωσφατιδυλοσερίνη και φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη. Η χοληστερόλη είναι κατανεμημένη και στα δύο φύλλα. Σημειώνεται το καθαρό αρνητικό φορτίο των κεφαλών των μορίων φωσφατιδυλοσερίνης και φωσφατιδυλοϊνοσιτόλης, με αποτέλεσμα η επικράτηση τους στο εσωτερικό φύλλο της μεμβράνης να οδηγεί σε δημιουργία καθαρού αρνητικού φορτίου στην κυτταροπλασματική πλευρά. 9

Τα φωσφολιπίδια παράγονται με την εστεροποίηση της φωσφορικής ομάδας του φωσφατιδίου με ένα υδροξύλιο μιας από αρκετές αμινοαλκοόλες O R1 C O C H2 R2 C O CH Ο O H2C - O - P O O Φωσφατιδικό ή φωσφοδιακυλογλυκερόλη είναι το ενδιάμεσο της βιοσύνθεσης πολλών φωσφολιπιδίων Τυπικές Αμινοαλκοόλες: Χολίνη OH-CH2-CH2-N+(CH3)3 Αιθανολαμίνη OH-CH2-CH2-NH+3 Σερίνη OH-CH2-CH COO NH+3 Γλυκερόλη OH-CH2-CH-CH2-OH OH Ινοσιτόλη ινοσιτόλη 10

Δύο γενικά χαρακτηριστικά όλων των φωσφολιπιδικών διπλοστιβάδων έχουν καθοριστική σημασία για τη μεμβρανική λειτουργία: 1. Η δομή των φωσφολιπιδίων είναι υπεύθυνη για τη βασική λειτουργία των μεμβρανών ως φραγμών μεταξύ 2 υδατικών διαμερισμάτων. Εφόσον το εσωτερικό της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας καταλαμβάνεται από υδρόφοβες αλυσίδες λιπαρών οξέων, η μεμβράνη είναι αδιαπέραστη σε υδατοδιαλυτά μόρια, όπως ιόντα και περισσότερα βιολογικά μόρια, και επομένως εμφανίζει επιλεκτική διαπερατότητα. 2. Οι διπλοστιβάδες των φωσφολιπιδίων που συναντώνται στη φύση είναι ιξώδη υγρά, όχι στερεά. Τα λιπαρά οξέα των φυσικών φωσφολιπιδίων περιέχουν συνήθως έναν ή περισσότερους διπλούς δεσμούς (C=C), που εισάγουν σημεία κάμψης (kinks) στις υδρογονανθρακικές αλυσίδες και δυσχεραίνουν τη διευθέτηση τους σε συμπαγή διάταξη στον χώρο. 11

Διπλοί δεσμοί βρίσκονται συνήθως στη διαμόρφωση cis οδηγώντας στο στρέβλωμα της ακυλο-αλυσίδας. H CH2 C=C H CH2 Οι μακριές υδρογονανθρακικές αλυσίδες των λιπαρών οξέων κινούνται ελεύθερα στο εσωτερικό της μεμβράνης, καθιστώντας την ίδια τη μεμβράνη μαλακή και εύκαμπτη. Επιπλέον, τόσο τα φωσφολιπίδια όσο και οι πρωτεΐνες έχουν ελευθερία πλευρικής διάχυσης (lateral diffusion) μέσα στη μεμβράνη - μια ιδιότητα με καθοριστική σημασία για πολλές λειτουργίες της. 12

Εκτός από φωσφολιπίδια, οι ΚΜ των ζωικών κυττάρων περιέχουν: Γλυκολιπίδια (glycolipids): Συναντώνται αποκλειστικά στο εξωτερικό φύλλο της κυτταροπλασματικής μεμβράνης (ΚΜ), με το υδατανθρακικό τμήμα (1 ή περισσότερα κατάλοιπα σακχάρου υδρόφιλο τμήμα) εκτεθειμένο στην κυτταρική επιφάνεια, και 2 μακριές υδρογονανθρακικές αλυσίδες (ουρές) (Hydrocarbon tails) που εκτείνονται στο εσωτερικό της ΚΜ. Αποτελούν μικρό ποσοστό των συστατικών της μεμβράνης, ~2% (ως 5%) των λιπιδίων των περισσότερων κυτταροπλασματικών μεμβρανών. Κερεβροσίδιο Απλούστερο είναι το γλυκολιπίδιο κερεβροσίδιο (cerebroside), που περιέχει ένα κατάλοιπο σακχάρου, τη γαλακτόζη (galactose). Γαγκλιοσίδια (Gangliosides) περιέχουν μια διακλαδισμένη αλυσίδα με ως και 7 κατάλοιπα σακχάρου. Χοληστερόλη (cholesterol): Αποτελεί βασικό συστατικό των μεμβρανών των ζωικών κυττάρων, συναντάται στις ίδιες περίπου μοριακές ποσότητες με τα φωσφολιπίδια. Τα Χολικά οξέα και άλατα (Bile acids ή Bile salts) είναι πολικά παράγωγα της χοληστερόλης. Σχηματίζονται στο ήπαρ από τη χοληστερόλη, και εκκρίνονται στη χοληδόχο κύστη. Τα χολικά οξέα εισέρχονται διαμέσου του χοληφόρου πόρου στο έντερο, όπου διευκολύνουν την πέψη των λιπών και των λιποδιαλυτών βιταμινών που προέρχονται από τη διατροφή. 13

Η ρευστότητα της μεμβράνης εξαρτάται από τη σύσταση των λιπιδίων Παράγοντες που επηρεάζουν τη ρευστότητα των μεμβρανών: Μήκος των άκυλο-αλύσων των λιπιδίων Βαθμός της ακορεστότητας των άκυλο-αλυσίδων των λιπιδίων Παρουσία χοληστερόλης Το άκαμπτο σύστημα δακτυλίων της χοληστερόλης παρεμβάλλεται στο σφικτό πακετάρισμα των αλυσίδων των λιπαρών οξέων των φωσφολιπιδίων και έτσι μειώνει την ρευστότητα της μεμβράνης. Αναστέλλει τη διατήρηση της υγρής κρυσταλλικής κατάστασης) μετάβαση στην κρυσταλλική κατάσταση με τη μείωση της θερμοκρασίας). Λόγω της άκαμπτης δομής του δακτυλίου της, η χοληστερόλη έχει ιδιαίτερο ρόλο στη δομή της μεμβράνης. Δε σχηματίζει μεμβράνη από μόνη της, αλλά μπορεί να διεισδύει σε μια διπλοστιβάδα φωσφολιπιδίων τοποθετώντας την πολική υδροξυλομάδα της κοντά στις κεφαλές των φωσφολιπιδίων. Η χοληστερόλη επιδρά στη ρευστότητα της μεμβράνης με τρόπο που εξαρτάται από τη θερμοκρασία: Σε υψηλές θερμοκρασίες περιορίζει την κίνηση των αλυσίδων των λιπαρών οξέων των φωσφολιπιδίων, ελαττώνοντας τη ρευστότητα του εξωτερικού τμήματος της μεμβράνης και μειώνοντας τη διαπερατότητα της σε μικρά μόρια. Σε χαμηλές όμως θερμοκρασίες έχει την αντίθετη επίδραση: περιορίζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αλυσίδων των λιπαρών οξέων, προφυλάσσοντας τις μεμβράνες από πήξη και διατηρώντας τη ρευστότητα τους. Η χοληστερόλη αποτελεί απαραίτητο συστατικό των κυτταροπλασματικών μεμβρανών των ζωικών κυττάρων. 14

Σφιγγοσίνη Σφιγγομυελίνη 15

Η χοληστερόλη, τα γλυκολιπίδια και τα σφιγγολιπίδια [σφιγγομυελίνη (φωσφολιπίδιο & σφιγγοσίνη)] δε διαχέονται ελεύθερα στην ΚΜ, αλλά τείνουν να συγκεντρώνονται σε μικρές ημίρρευστες διακριτές περιοχές, γνωστές ως λιπιδικές σχεδίες (lipid rafts). Οι θερμοκρασίες τήξης των σφιγγολιπιδίων διαφέρουν από τις θερμοκρασίες τήξης των γλυκεροφωσφολιπιδίων. Εξαιτίας αυτής της διαφοράς, οι λιπιδικές σχεδίες εμφανίζουν υψηλότερο βαθμό οργάνωσης απ' ότι το μεγαλύτερο τμήμα της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. ΕΙΚΟΝΑ 13.3: Δομή των λιπιδικών σχεδιών. Λιπιδικές σχεδίες σχηματίζονται από την αλληλεπίδραση μεταξύ σφιγγομυελίνης, γλυκολιπιδίων και χοληστερόλης. 16

Λόγω της διαφορετικής θερμοκρασίας σφιγγολιπιδίων και γλυκεροφωσφολιπιδίων είναι η απεικονιστική τους ανάλυση in vivo με μικροσκοπία δύο φωτονίων με χρήση μιας ευαίσθητης φθορίζουσας ομάδας που ανιχνεύει τον βαθμό ακαμψίας της διπλοστιβάδας των φωσφολιπιδίων. Οι λιπιδικές σχεδίες περιέχουν μεγάλες συγκεντρώσεις GPI-αγκυροβολημένων πρωτεϊνών και πρωτεϊνών που συμμετέχουν στην κυτταρική σηματοδότηση και στην ενδοκυττάρωση. Οι λιπιδικές σχεδίες μπορούν να σταθεροποιηθούν αλληλεπιδρώντας με τον κυτταροσκελετό μέσω περιφερειακών μεμβρανικών πρωτεϊνών, όπως είναι η καβεολίνη, που συνδέεται με μια συγκεκριμένη κατηγορία λιπιδικών σχεδίων που ονομάζονται μικροκοιλότητες που συμμετέχουν στην ενδοκυττάρωση. ΕΙΚΟΝΑ 13.4: Απεικόνιση των λιπιδικών σχεδιών στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Οι λιπιδικές περιοχές υψηλού βαθμού οργάνωσης (λιπιδικές σχεδίες) απεικονίζονται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη ενός μακροφάγου μέσω χρώσης με τη φθορίζουσα χρωστική Laurdan. Οι περιοχές υψηλότερης δομικής οργάνωσης εμφανίζονται με τα θερμότερα εικονικά χρώματα, π.χ. ερυθρό). (Gaus K et al, 2003. Proc Natl Acad Sci USA 100:15555)17

ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ Ενώ τα λιπίδια είναι τα θεμελιώδη δομικά συστατικά των μεμβρανών, οι πρωτεΐνες της μεμβράνης είναι υπεύθυνες για τη διεκπεραίωση συγκεκριμένων λειτουργιών. Οι περισσότερες κυτταροπλασματικές μεμβράνες αποτελούνται, κατά βάρος, κατά ~50% από λιπίδια και κατά ~50% από πρωτεΐνες, ενώ τα υδατανθρακικά τμήματα γλυκολιπιδίων και γλυκοπρωτεϊνών συνιστούν το 5-10% της μεμβρανικής μάζας. Καθώς οι πρωτεΐνες είναι πολύ μεγαλύτερες από τα λιπίδια, το ποσοστό αυτό αντιστοιχεί περίπου σε ένα μόριο πρωτεΐνης ανά 50-100 μόρια λιπιδίων. Το 1972, ο Jonathan Singer και ο Garth Nicolson εισηγήθηκαν το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού (fluid mosaic model) για την ερμηνεία της δομής των μεμβρανών, ένα μοντέλο που είναι κοινά αποδεκτό σήμερα ως το βασικό υπόδειγμα οργάνωσης όλων των βιολογικών μεμβρανών. Σύμφωνα με το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού, οι μεμβράνες θεωρούνται ρευστά δύο διαστάσεων που περιέχουν πρωτεΐνες ενσωματωμένες σε λιπιδικές διπλοστιβάδες. 18

Ο Singer και Nicolson διέκριναν 2 κατηγορίες πρωτεϊνών συνδεδεμένων με τη μεμβράνη, που ονόμασαν: Περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες (peripheral proteins), και membrane Ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες (integral membrane proteins). ΕΙΚΟΝΑ 13.5: Το μοντέλο ρευστού μωσαϊκού της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες βρίσκονται μέσα στη λιπιδική διπλοστιβάδα μια ή περισσότερες φορές, ενώ οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες συνδέονται με τη μεμβράνη έμμεσα, μέσω αλληλεπιδράσεων πρωτεΐνης-πρωτεΐνης ή ομοιοπολικά με τα λιπίδια. Οι περισσότερες ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι διαμεμβρανικές, με τμήματα τους εκτεθειμένα και στις 2 πλευρές της λιπιδικής διπλοστιβάδας. Τα εξωκυτταρικά τμήματα αυτών των πρωτεϊνών, καθώς και οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες που προσδένονται στην εξωτερική όψη της μεμβράνης είναι συνήθως γλυκοζυλιωμένα. 19

Σχηματισμός υδατοδιαλυτού συμπλέγματος διαμεμβρανικής πρωτεΐνης και μορίων απορρυπαντικού Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες μπορούν να αποσπαστούν από τη μεμβράνη μόνο κατόπιν επεξεργασίας που οδηγεί σε διάσπαση της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. Καθώς τμήματα αυτών των πρωτεϊνών είναι ενσωματωμένα στη λιπιδική διπλοστιβάδα, μπορούν να διαχωριστούν μόνο με αντιδραστήρια που διασπούν υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. ΕΙΚΟΝΑ 13.6: Διαλυτοποίηση ενσωματωμένων διαμεμβρανικών πρωτεϊνών με απορρυπαντικά. Τα απορρυπαντικά (π.χ. το οκτυλογλυκοσίδιο) είναι αμφιπαθή μόρια που περιέχουν υδρόφιλες κεφαλές και υδρόφοβες ουρές. Οι υδρόφοβες ουρές δεσμεύονται στις υδρόφοβες περιοχές των ενσωματωμένων διαμεμβρανικών πρωτεϊνών, σχηματίζοντας σύμπλοκα απορρυπαντικού-πρωτεΐνης που είναι διαλυτά στο υδατικό διάλυμα. 20

Οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες ορίστηκαν ως πρωτεΐνες που διαχωρίζονται από τη μεμβράνη μετά από επεξεργασία με πολικά αντιδραστήρια που δε διασπούν τη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα, όπως διαλύματα ακραίων pη ή υψηλής συγκέντρωσης αλάτων. Εφόσον διαχωριστούν από τη μεμβράνη, οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι διαλυτές σε υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα. Οι πρωτεΐνες αυτές δεν ενσωματώνονται στο υδρόφοβο εσωτερικό τμήμα της λιπιδικής διπλοστιβάδας. Αντίθετα, συνδέονται έμμεσα με τις μεμβράνες μέσω αλληλεπιδράσεων πρωτεΐνης-πρωτεΐνης. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν συχνά ιοντικούς δεσμούς, που διασπώνται σε συνθήκες ακραίων pη ή υψηλής συγκέντρωσης αλάτων. Σε αντίθεση, οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες μπορούν να αποσπαστούν από τη μεμβράνη μόνο κατόπιν επεξεργασίας που οδηγεί σε διάσπαση της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. Τμήματα αυτών των πρωτεϊνών είναι ενσωματωμένα στη λιπιδική διπλοστιβάδα, επομένως μπορούν να διαχωριστούν μόνο με αντιδραστήρια που διασπούν υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Τα πιο κοινά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται για τη διαλυτοποίηση των ενσωματωμένων μεμβρανικών πρωτεϊνών είναι απορρυπαντικά, μικρά αμφιπαθή μόρια που περιέχουν τόσο υδρόφοβες όσο και υδρόφιλες ομάδες. Τα υδρόφοβα τμήματα των απορρυπαντικών εκτοπίζουν τα λιπίδια της μεμβράνης και προσδένονται στα υδρόφοβα τμήματα των ενσωματωμένων μεμβρανικών πρωτεϊνών. Καθώς το άλλο άκρο του μορίου του απορρυπαντικού είναι υδρόφιλο, τα σύμπλοκα απορρυπαντικού-πρωτεΐνης είναι διαλυτά σε υδατικά διαλύματα. 21

Πολλές ενσωματωμένες πρωτεΐνες είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες (transmembrane proteins), που διαπερνούν τη λιπιδική διπλοστιβάδα αφήνοντας τμήματα τους εκτεθειμένα και στις 2 πλευρές της μεμβράνης. Αυτές οι πρωτεΐνες μπορούν να απεικονιστούν σε φωτογραφίες κυτταροπλασματικών μεμβρανών που έχουν παρασκευαστεί με την τεχνική του τεμαχισμού υπό ψύξη (freeze-fracture). Σε αυτά τα δείγματα, η μεμβράνη διανοίγεται και διαχωρίζεται στα δύο της φύλλα. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες διακρίνονται τότε με μορφή σωματιδίων στις εσωτερικές όψεις της μεμβράνης. Τα διαμεμβρανικά τμήματα των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών είναι συνήθως α-έλικες 20-25 υδρόφοβων αμινοξέων που εισάγονται στη μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου (ΕΔ) κατά τη σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Στη συνέχεια, οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες μεταφέρονται μέσα σε μεμβρανικά κυστίδια από το ΕΔ στη συσκευή Golgi και από εκεί στην ΚΜ. Υδατανθρακικές ομάδες προστίθενται στις πολυπεπτιδικές αλυσίδες τόσο στο ΕΔ όσο και στη συσκευή Golgi, με αποτέλεσμα οι περισσότερες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες της ΚΜ να ΕΙΚΟΝΑ 13.7: Φωτογραφία ΗΜ που απεικονίζει είναι γλυκοπρωτεΐνες με τους μεμβράνες ανθρώπινων ερυθρών αιμοσφαιρίων ολιγοσακχαρίτες εκτεθειμένους στην μετά από τεμαχισμό υπό ψύξη. Τα σωματίδια που επιφάνεια του κυττάρου. διακρίνονται πάνω στη μεμβράνη είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες. 22

Μελέτες σε ερυθροκύτταρα προσφέρουν σημαντικά παραδείγματα περιφερειακών και ενσωματωμένων μεμβρανικών πρωτεϊνών που συνδέονται με την κυτταροπλασματική μεμβράνη. Οι μεμβράνες των ανθρώπινων ερυθροκυττάρων περιέχουν ~12 κύριες πρωτεΐνες, που ταυτοποιήθηκαν μέσω ηλεκτροφορητικής ανάλυσης μεμβρανικών παρασκευασμάτων. Περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες, συστατικά του κυτταροσκελετού, που βρίσκεται κάτω από την ΚΜ και καθορίζει το σχήμα του κυττάρου Σύνδεση του κυτταροσκελετού του φλοιού των ερυθροκυττάρων με την κυτταροπλασματική μεμβράνη. Η κυτταροπλασματική μεμβράνη συνδέεται με ένα δίκτυο τετραμερών σπεκτρίνης που είναι διασυνδεδεμένα μέσω ινιδίων ακτίνης μικρού μήκους σε συνδυασμό με την πρωτεΐνη ζώνης 4.1. Το δίκτυο σπεκτρίνης-ακτίνης συνδέεται με τη μεμβράνη μέσω της αγκυρίνης, η οποία προσδένεται τόσο στη σπεκτρίνη όσο και στην πρωτεΐνη ζώνης 3, μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη που αφθονεί στα ερυθροκύτταρα. Ένας επιπλέον σύνδεσμος δημιουργείται μέσω της πρόσδεσης της πρωτεΐνης ζώνης 4.1 στη γλυκοφορίνη. 23

Οι περισσότερες είναι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες, συστατικά του κυτταροσκελετού, που βρίσκεται κάτω από την κυτταροπλασματική μεμβράνη και καθορίζει το σχήμα του κυττάρου. Η πιο άφθονη περιφερειακή μεμβρανική πρωτεΐνη στα ερυθροκύτταρα είναι η σπεκτρίνη, η κύρια πρωτεΐνη του κυτταροσκελετού των ερυθροκυττάρων. Άλλες περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες των ερυθρών αιμοσφαιρίων είναι η ακτίνη, η αγκυρίνη και η πρωτεΐνη ζώνης 4.1. Η αγκυρίνη αποτελεί τον πρωταρχικό σύνδεσμο μεταξύ κυτταροπλασματικής μεμβράνης και κυτταροσκελετού, καθώς προσδένεται τόσο στη σπεκτρίνη όσο και στην πρωτεΐνη ζώνης 3, που είναι μια ενσωματωμένη μεμβρανική πρωτεΐνη σε αφθονία. Η πρωτεΐνη ζώνης 4.1 προσδένεται στους συνδέσμους σπεκτρίνης και ακτίνης, καθώς και στη γλυκοφορίνη (την άλλη κύρια ενσωματωμένη μεμβρανική πρωτεΐνη των ερυθροκυττάρων) και παρέχει μια ακόμη σύνδεση μεταξύ της μεμβράνης και του κυτταροσκελετού. 24

Οι δύο κύριες ενσωματωμένες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες των ερυθροκυττάρων είναι η γλυκοφορίνη και η πρωτεΐνη ζώνης 3. Μεταφορέας ιόντων HCΟ32- και Cl- 23 αμινοξέα ΕΙΚΟΝΑ 13.8: Ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Η γλυκοφορίνη, μια πρωτεΐνη 131 αμινοξέων, ΜΒ ~30 kda, φέρει μια διαμεμβρανική α-έλικα 23 αμινοξέων, και περιέχει κατά 50% πρωτεΐνη και κατά 50% υδατάνθρακες. Το έντονα γλυκοζυλιωμένο αμινοτελικό τμήμα της φέρει ολιγοσακχαρίτες σε 16 θέσεις του εξωκυτταρικού τμήματος της πολυπεπτιδικής αλυσίδας της και είναι εκτεθειμένο στην επιφάνεια του κυττάρου. Η λειτουργία της παραμένει άγνωστη. Η πρωτεΐνη ζώνης 3, μια πρωτεΐνη 929 αμινοξέων θεωρείται ότι περιέχει 14 διαμεμβρανικές περιοχές α-έλικας. Λειτουργεί ως μεταφορέας ανιόντων που ευθύνεται για τη διέλευση του διττανθρακικού ανιόντος (HCΟ32-) και του ανιόντος χλωρίου (Cl-). Διμερή της πρωτεΐνης ζώνης 3 σχηματίζουν μέσα στη μεμβράνη εσωτερικούς διαύλους, που επιτρέπουν τη διέλευση των ιόντων HCΟ32- και Cl- από τη λιπιδική διπλοστιβάδα. 25

Αν και οι περισσότερες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες διασχίζουν τη μεμβράνη μέσω περιοχών α-έλικας, εξαίρεση αποτελούν οι πορίνες (porins) - μια κατηγορία πρωτεϊνών που σχηματίζουν διαύλους σε ζωικά κύτταρα, στην εξωτερική μεμβράνη ορισμένων βακτηρίων καθώς επίσης και στην εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών. Δομικές αναλύσεις έδειξαν ότι οι πορίνες δεν περιέχουν περιοχές υδρόφοβων α-ελίκων, αλλά διασχίζουν την ΚΜ σε μορφή β-κυλινδρικών βαρελιών. Η αναδίπλωση 8-22 βπτυχωτών φύλλων της πορίνης δημιουργεί μια δομή όμοια με βαρέλι, που περικλείει έναν υδατικό πόρο. Οι πλευρικές ομάδες των πολικών αμινοξέων επενδύουν τον πόρο, ενώ οι πλευρικές ομάδες των υδρόφοβων αμινοξέων αλληλεπιδρούν με το εσωτερικό της ΚΜ. Ορισμένες πορίνες βρίσκονται στην ΚΜ ως μονομερή, ενώ άλλες συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας σταθερά πολυμερή, που περιέχουν πολυάριθμους διαύλους που επιτρέπουν τη διάχυση πολικών μορίων μέσω της μεμβράνης. ΕΙΚΟΝΑ 13.10: Εξωτερικές μεμβράνες βακτηρίων. Η ΚΜ μερικών βακτηρίων περιβάλλεται από ένα κυτταρικό τοίχωμα που έχει τη δική του, διακριτή, εξωτερική μεμβράνη. Η εξωτερική μεμβράνη περιέχει πορίνες, που σχηματίζουν υδατικούς διαύλους που επιτρέπουν την ελεύθερη διέλευση ιόντων και μικρών μορίων. Οι πορίνες διασχίζουν την ΚΜ ως βκυλινδρικά βαρέλια. 26

Παραδείγματα Διαμεμβρανικών Πρωτεϊνών ATPάση μεταφοράς Ca2+ Δίαυλος K+ (Ca2+-transporting ATPase) (K+-channel) 27

Σε αντίθεση με τις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, μια ποικιλία άλλων πρωτεϊνών (πολλές συμπεριφέρονται ως ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες) βρίσκονται αγκυροβολημένες στην κυτταροπλασματική μεμβράνη μέσω ομοιοπολικής πρόσδεσης σε λιπίδια ή γλυκολιπίδια. Τα μέλη μιας κατηγορίας αυτών των πρωτεϊνών ενσωματώνονται στο εξωτερικό φύλλο της κυτταροπλασματικής μεμβράνης με άγκυρες γλυκοζυλοφωσφατιδυλοϊνοσιτόλης (GPI anchors; Glycosylghosphatidylinositol anchors). Οι άγκυρες GPI προστίθενται σε ορισμένες πρωτεΐνες που συγκρατούνται αγκυροβολημένες στη μεμβράνη μέσω μιας καρβοξυτελικής διαμεμβρανικής περιοχής κατά τη μεταφορά τους στο ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ). Κατά την προσθήκη της άγκυρας GPI, η διαμεμβρανική περιοχή αποκόπτεται, αφήνοντας την πρωτεΐνη συνδεδεμένη με τη μεμβράνη μόνο μέσω του γλυκολιπιδίου. Εφόσον οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες των GPI-αγκυροβολημένων πρωτεϊνών μεταφέρονται μέσω του ΕΔ, οι πρωτεΐνες αυτές είναι γλυκοζυλιωμένες και, αφού μεταφερθούν στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, εκτίθενται στην εξωτερική επιφάνεια του κυττάρου. 28

ΕΙΚΟΝΑ 13.11: Παραδείγματα πρωτεϊνών που βρίσκονται αγκυροβολημένες στην κυτταροπλασματική μεμβράνη μέσω λιπιδίων και γλυκολιπιδίων. Ορισμένες πρωτεΐνες (πρωτεΐνη Thy-1 των Πρωτεΐνες αγκυροβολημένες στο εξωτερικό φύλλο της KM λεμφοκυττάρων) βρίσκονται αγκυροβολημένες με ομοιοπολική πρόσδεση στο εξωτερικό φύλλο της KM με άγκυρες GPI, σε λιπίδια ή γλυκολιπίδια που προστίθενται στο καρβοξυτελικό τους διαμέσου άκρο κατά τη μεταφορά τους στο ΕΔ. Οι Άγκυρα GPI (γλυκοζυλοφωσφατιδυλοϊνοσιτόλης) πρωτεΐνες αυτές είναι γλυκοζυλιωμένες και εκτεθειμένες στην κυτταρική επιφάνεια. Άλλες πρωτεΐνες βρίσκονται αγκυροβολημένες στο εσωτερικό φύλλο της KM μετά τη σύνθεση τους, που γίνεται σε ελεύθερα ριβοσώματα του κυτταροδιαλύματος. Η πρωτεΐνη Ras είναι αγκυροβολημένη μέσω μιας πρενυλομάδας, που προστίθεται στην πλευρική αλυσίδα ενός καταλοίπου κυστεΐνης (Cys) που βρίσκεται στο καρβοξυτελικό άκρο, και μιας ομάδας παλμιτικού, που προστίθεται σε ένα κατάλοιπο Cys που βρίσκεται 5 θέσεις ανοδικά του καρβοξυτελικού άκρου. Η πρωτεΐνη Src είναι αγκυροβολημένη μέσω μιας ομάδας μυριστικού, που προστίθεται στο αμινοτελικό της άκρο. Επίσης, στην αλληλεπίδραση της πρωτεΐνης Src με τη μεμβράνη συμβάλλει μια θετικά φορτισμένη περιοχή του μορίου, που αλληλεπιδρά πιθανόν με τις αρνητικά φορτισμένες κεφαλές της φωσφατιδυλοσερίνης 29

Άλλες πρωτεΐνες βρίσκονται αγκυροβολημένες στο εσωτερικό φύλλο της KM μέσω ομοιοπολικής πρόσδεσης σε λιπίδια. Οι πρωτεΐνες αυτές δεν υφίστανται επεξεργασία μέσω της εκκριτικής οδού, αλλά συντίθενται σε ελεύθερα ριβοσώματα του κυτταροδιαλύματος και στη συνέχεια τροποποιούνται μέσω της προσθήκης λιπιδίων. Οι τροποποιήσεις αυτές περιλαμβάνουν προσθήκη μυριστικού οξέος [λιπαρό οξύ με 14 άτομα άνθρακα (C)] στο αμινοτελικό άκρο της πολυπετττιδικής αλυσίδας, προσθήκη πρενυλομάδων (15 ή 20 C) στις πλευρικές αλυσίδες των καρβοξυτελικών καταλοίπων κυστεΐνης και προσθήκη παλμιτικού οξέος (με 16 C) στις πλευρικές αλυσίδες των καταλοίπων κυστεΐνης. Σε μερικές περιπτώσεις, αυτές οι πρωτεΐνες (πολλές συμπεριφέρονται ως περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες) στοχεύονται στην KM όχι μόνο μέσω των προσδεδεμένων λιπιδίων αλλά και μέσω θετικά φορτισμένων περιοχών της πολυπεπτιδικής αλυσίδας τους. Αυτές οι θετικά φορτισμένες πρωτεϊνικές περιοχές μπορεί να αλληλεπιδρούν με τις αρνητικά φορτισμένες κεφαλές φωσφατιδυλοσερίνης στην πλευρά της KM που βλέπει προς το κυτταροδιάλυμα. Πολλές από τις πρωτεΐνες που βρίσκονται αγκυροβολημένες στο εσωτερικό φύλλο της KM (πρωτεΐνες Src και Ras) έχουν σημαντικό ρόλο στη μεταβίβαση σημάτων από τους επιφανειακούς υποδοχείς προς ενδοκυτταρικούς στόχους. Η ελεύθερη διάχυση των μεμβρανικών πρωτεϊνών μπορεί επίσης να παρεμποδιστεί από τη λιπιδική σύνθεση της μεμβράνης. Οι GPI-αγκυροβολημένες πρωτεΐνες συγκεντρώνονται σχηματίζοντας λιπιδικές σχεδίες, που είναι εμπλουτισμένες με σφιγγομυελίνη, γλυκολιπίδια και χοληστερόλη (Εικ. 13.3). Επιπλέον, αρκετοί διαφορετικοί τύποι μεμβρανικών πρωτεϊνών κινούνται ελεύθερα από και προς τις λιπιδικές σχεδίες, διευκολύνοντας τη συγκέντρωση αυτών των πρωτεϊνών για διεργασίες όπως η κυτταρική κίνηση ή η κυτταρική σηματοδότηση. Οι λιπιδικές σχεδίες μπορούν επίσης να σταθεροποιηθούν αλληλεπιδρώντας με τον κυτταροσκελετό μέσω περιφερειακών μεμβρανικών πρωτεϊνών. Μία από αυτές τις περιφερειακές πρωτεΐνες είναι η καβεολίνη, που συνδέεται με μια συγκεκριμένη κατηγορία λιπιδικών σχεδίων που ονομάζονται μικροκοιλότητες που συμμετέχουν στην 30 ενδοκυττάρωση.

Οι Μεμβράνες έχουν ρευστή δομή Η ρευστότητα των μεμβρανών είναι σημαντική για: Σύντηξη των μεμβρανών, δηλ. την σύντηξη των κυστιδίων με τα οργανίδια Πλευρική διάχυση (μετακίνηση) νέων λιπιδίων και νέων πρωτεϊνών, έτσι ώστε να έχουν ισοδύναμη κατανομή Πλευρική διάχυση πρωτεϊνών και άλλων μορίων κατά μήκος της μεμβράνης κατά την ενεργοποίηση πορειών μεταγωγής σήματος Κατάλληλος διαχωρισμός μεμβρανών κατά την κυτταρική διαίρεση http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/notes/lipids/diff.html Πλευρική μετακίνηση (Πλευρική διάχυση) Η κινητικότητα των λιπιδίων είναι ~ 2 mm/sec Η κινητικότητα των πρωτεϊνών είναι ~10-4 με 0.4 mm/sec Περιστροφή κατά μήκος της λιπιδικής διπλοστοιβάδας (Εγκάρσια διάχυση, flip-flop) Ένα μόριο φωσφολιπιδίου περιστρέφεται εγκάρσια (flip-flop) μια φορά μέσα σε αρκετές ώρες Οι πρωτεΐνες δεν περιστρέφονται 31

Κινητικότητα των μεμβρανικών πρωτεϊνών: Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες δεν μπορούν να μετακινηθούν από το εσωτερικό στο εξωτερικό φύλλο της μεμβράνης και αντίστροφα με μετρήσιμο ρυθμό. Καθώς όμως είναι ενσωματωμένες σε μια ρευστή λιπιδική διπλοστιβάδα, οι πρωτεΐνες έχουν δυνατότητα πλευρικής διάχυσης σε ολόκληρη την επιφάνεια της μεμβράνης. Αυτή η πλευρική κίνηση καταδείχθηκε άμεσα σε ένα πείραμα που δημοσίευσαν οι Larry Frye και Michael Edidin (1970), που υποστήριζε το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού. ΕΙΚΟΝΑ 13.12: Κινητικότητα μεμβρανικών πρωτεϊνών. Στο πείραμα των Frye και Edidin (1970) πραγματοποιήθηκε σύντηξη κυττάρων ανθρώπου και κυττάρων ποντικιού, από την οποία παρήχθησαν υβριδικά κύτταρα. Στη συνέχεια, αναλύθηκε η κατανομή των πρωτεϊνών της κυτταρικής επιφάνειας (μεμβράνης) των υβριδικών κυττάρων με χρήση αντισωμάτων που αναγνωρίζουν ειδικά πρωτεΐνες του ανθρώπου ή πρωτεΐνες του ποντικιού, τα οποία είχαν σημανθεί με διαφορετικές φθορίζουσες χρωστικές (κόκκινο και πράσινο χρώμα αντίστοιχα), ώστε να καταστεί δυνατή η διάκριση των πρωτεϊνών του ανθρώπου από τις πρωτεΐνες του ποντικιού με μικροσκοπία φθορισμού. Αμέσως μετά τη σύντηξη, οι πρωτεΐνες του ανθρώπου και οι πρωτεΐνες του ποντικιού βρέθηκε ότι εντοπίζονταν σε διαφορετικά ημίσεα των υβριδικών κυττάρων. Ωστόσο, έπειτα από 40 λεπτά επώασης στους 37 C, οι πρωτεΐνες του ανθρώπου και του ποντικιού είχαν πλέον κατανεμηθεί ομοιογενώς σε ολόκληρη την κυτταρική επιφάνεια, γεγονός που υποδεικνύει ότι κινήθηκαν ελεύθερα στην επιφάνεια της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. 32

Δεν έχουν όλες οι πρωτεΐνες δυνατότητα ελεύθερης διάχυσης στην επιφάνεια της μεμβράνης. Σε μερικές περιπτώσεις, η κινητικότητα των μεμβρανικών πρωτεϊνών περιορίζεται λόγω της σύνδεσης τους με τον κυτταροσκελετό, π.χ. μέρος των μορίων της πρωτεΐνης ζώνης 3 στη μεμβράνη των ερυθροκυττάρων ακινητοποιείται λόγω της σύνδεσης του με την αγκυρίνη και τη σπεκτρίνη. Σε άλλες περιπτώσεις, η κινητικότητα των μεμβρανικών πρωτεϊνών περιορίζεται από τη σύνδεση τους με άλλες μεμβρανικές πρωτεΐνες, με πρωτεΐνες που βρίσκονται στην επιφάνεια γειτονικών κυττάρων ή με το εξωκυτταρικό στρώμα. 33

Σε αντίθεση με τα ερυθροκύτταρα, τα επιθηλιακά κύτταρα εμφανίζουν πόλωση κατά την οργάνωση τους σε ιστούς, με διαφορετικά τμήματα του κυττάρου να αναλαμβάνουν την εκτέλεση διαφορετικών λειτουργιών. Κατά συνέπεια, οι ΚΜ πολλών επιθηλιακών κυττάρων είναι οργανωμένες σε 2 διακριτές περιοχές, μια κορυφαία περιοχή (apical domain) και μια βασεοπλευρική περιοχή (basolateral domain), που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη λειτουργία και την πρωτεϊνική σύνθεση. Ένα παράδειγμα είναι τα επιθηλιακά κύτταρα του λεπτού εντέρου, που απορροφούν θρεπτικές ουσίες από τον πεπτικό σωλήνα. ΕΙΚΟΝΑ 13.13: Πολωμένο κύτταρο του εντερικού επιθηλίου. Η κορυφαία επιφάνεια του κυττάρου περιέχει μικρολάχνες και εξειδικεύεται στην απορρόφηση θρεπτικών ουσιών από τον εντερικό αυλό. Η βασεοπλευρική επιφάνεια εξειδικεύεται στη μεταφορά των απορροφημένων θρεπτικών ουσιών προς τον υποκείμενο συνδετικό ιστό, που περιέχει τριχοειδή αιμοφόρα αγγεία. Στενοσύνδεσμοι διαχωρίζουν την κορυφαία από τη βασεοπλευρική περιοχή της μεμβράνης. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες διαχέονται ελεύθερα σε κάθε περιοχή, αλλά δεν μπορούν να περάσουν από τη μία περιοχή στην άλλη. 34

Για να εξυπηρετηθεί η λειτουργία της απορρόφησης, η κορυφαία επιφάνεια αυτών των επιθηλιακών εντερικών κυττάρων, που βλέπει προς τον εντερικό αυλό, είναι καλυμμένη με μικρολάχνες, που αυξάνουν το εμβαδόν επιφάνειας της και διευκολύνουν την απορρόφηση θρεπτικών ουσιών. Η βασεοπλευρική επιφάνεια, που βλέπει προς τον υποκείμενο συνδετικό ιστό και τα αιμοφόρα αγγεία, μεσολαβεί για να προωθηθούν οι απορροφημένες θρεπτικές ουσίες στην κυκλοφορία. Για να διατηρούνται οι δύο αυτές διακριτές λειτουργίες, η κινητικότητα των πρωτεϊνών της κυτταροπλασματικής μεμβράνης θα πρέπει να περιορίζεται στις κατάλληλες περιοχές της κυτταρικής επιφάνειας. Μέρος τουλάχιστον αυτού του μηχανισμού περιλαμβάνει τον σχηματισμό στενοσυνδέσμων μεταξύ γειτονικών κυττάρων του επιθηλίου. Αυτοί οι σύνδεσμοι όχι μόνο σφραγίζουν το μεσοδιάστημα μεταξύ των κυττάρων αλλά χρησιμεύουν και ως φραγμοί στη μετακίνηση των μεμβρανικών λιπιδίων και πρωτεϊνών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι πρωτεΐνες να μπορούν να διαχέονται στην κορυφαία ή στη βασεοπλευρική περιοχή της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, αλλά να μην μπορούν να περάσουν από τη μία περιοχή στην άλλη. 35

ΓΛΥΚΟΚΑΛΥΚΑΣ Τα εξωκυτταρικά τμήματα πρωτεϊνών της ΚΜ είναι συνήθως γλυκοζυλιωμένα. Ομοίως, τα υδατανθρακικά τμήματα των γλυκολιπιδίων είναι εκτεθειμένα στην εξωτερική πλευρά της ΚΜ. Επομένως, η επιφάνεια του κυττάρου καλύπτεται από έναν μανδύα υδατανθράκων γνωστό ως γλυκοκάλυκας, που σχηματίζεται από τους ολιγοσακχαρίτες των γλυκολιπιδίων και των διαμεμβρανικών γλυκοπρωτεϊνών. Ο γλυκοκάλυκας: (α) προστατεύει την κυτταρική επιφάνεια από ιοντικό και μηχανικό στρες, και (β) σχηματίζει έναν φραγμό που αποτρέπει την είσοδο μικροοργανισμών. ΕΙΚΟΝΑ 13.14: Γλυκοκάλυκας (glycocalyx) Φωτογραφία εντερικού επιθηλίου σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, όπου φαίνεται ο γλυκοκάλυκας (βέλη). Οι ολιγοσακχαρίτες του γλυκοκάλυκα συμμετέχουν σε ποικίλες αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου. 36

Παράδειγμα φυσιολογικής αλληλεπίδρασης όπου συμμετέχει ο γλυκοκάλυκας είναι η πρόσφυση των λευκών αιμοσφαιρίων (λευκοκυττάρων) στα ενδοθηλιακά κύτταρα που επενδύουν τα αιμοφόρα αγγεία - μια διαδικασία που επιτρέπει στα λευκοκύτταρα να εγκαταλείπουν το κυκλοφορικό σύστημα και να εμπλέκονται στη φλεγμονώδη απόκριση τραυματισμένων ιστών. Το αρχικό βήμα της πρόσφυσης μεταξύ λευκοκυττάρων και ενδοθηλιακών κυττάρων επιτυγχάνεται μέσω μιας οικογένειας διαμεμβρανικών πρωτεϊνών τις σελεκτίνες (selectins), που αναγνωρίζουν συγκεκριμένους υδατάνθρακες στην επιφάνεια του κυττάρου. Δύο μέλη της οικογένειας των σελεκτινών, Ε-σελεκτίνη και Ρ-σελεκτίνη, που εκφράζονται από τα ενδοθηλιακά κύτταρα και τα αιμοπετάλια, προσδένονται σε συγκεκριμένους ολιγοσακχαρίτες που εκφράζονται στην επιφάνεια των ευκοκυττάρων. Η P-σελεκτίνη είναι απαραίτητη κατά την πρώτη φάση της στρατολόγησης των λευκοκυττάρων σε θέσεις τραυματισμένων ιστών κατά τη φλεγμονή. Όταν ενεργοποιούνται τα ενδοθηλιακά κύτταρα από την ισταμίνη ή τη θρομβίνη κατά τη φλεγμονή, η P-σελεκτίνη μεταφέρεται από το εσωτερικό στην επιφάνεια των ενδοθηλιακών κυττάρων. Σε αντίθεση, η Ε-σελεκτίνη (αντιγόνο CD262E) εκφράζεται μόνο από τα ενδοθηλιακά κύτταρα ως απόκριση σε φλεγμονώδεις κυτταροκίνες όπως η IL-1 και TNFα, και εμπλέκεται στη στρατολόγηση των λευκοκυττάρων σε θέσεις τραυματισμένων ιστών κατά τη φλεγμονή. Μια άλλη σελεκτίνη, η L-σελεκτίνη εκφράζεται από τα λευκά αιμοσφαίρια και αναγνωρίζει έναν ολιγοσακχαρίτη στην επιφάνεια των ενδοθηλιακών κυττάρων. Με τον τρόπο αυτό, οι ολιγοσακχαρίτες που εκτίθενται στην επιφάνεια των κυττάρων παρέχουν ένα σύνολο δεικτών που συμβάλλουν στην αναγνώριση των διαφορετικών κυτταρικών τύπων ενός πολυκύτταρου οργανισμού. 37

Συμμετοχή γλυκοκάλυκα στην πρόσφυση των λευκών αιμοσφαιρίων (λευκοκυττάρων) στα ενδοθηλιακά κύτταρα που επενδύουν τα αιμοφόρα αγγεία μια διαδικασία που επιτρέπει στα λευκοκύτταρα να εγκαταλείπουν το κυκλοφορικό σύστημα και να εμπλέκονται στη φλεγμονώδη απόκριση τραυματισμένων ιστών P-σελεκτίνη ή Ε-σελεκτίνη ΕΙΚΟΝΑ 13.15: Πρόσδεση σελεκτινών στους ολιγοσακχαρίτες. Η L-σελεκτίνη είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη που εκφράζεται από τα λευκά αιμοσφαίρια και προσδένεται σε έναν ολιγοσακχαρίτη ο οποίος εκφράζεται στην επιφάνεια των ενδοθηλιακών κυττάρων. Ο ολιγοσακχαρίτης που αναγνωρίζεται από την L-σελεκτίνη περιέχει Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη (GlcNAc), φουκόζη (Fuc), γαλακτόζη (Gal) και σιαλικό οξύ (Ν-ακετυλονευραμινικό οξύ, ΝΑΝΑ). 38

ΜΕΡΟΣ ΙI: ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ Μεταφορά Μικρών Μορίων διαμέσου των Μεμβρανών 39

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΜΙΚΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Η εσωτερική σύσταση του κυττάρου διατηρείται επειδή η κυτταροπλασματική μεμβράνη εμφανίζει επιλεκτική διαπερατότητα σε μικρά μόρια. Τα περισσότερα βιολογικά μόρια δεν μπορούν να διέρχονται με διάχυση μέσω της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας, δηλαδή η κυτταροπλασματική μεμβράνη σχηματίζει ένα φραγμό διαπερατότητας που εμποδίζει την ελεύθερη ανταλλαγή μορίων μεταξύ κυτταροπλάσματος και εξωτερικού περιβάλλοντος του κυττάρου. Συγχρόνως, ειδικές πρωτεΐνες μεταφοράς, πρωτεΐνες-(μετα)φορείς και πρωτεΐνες-δίαυλοι, εμπλέκονται στην επιλεκτική διέλευση μικρών μορίων και ιόντων μέσω της μεμβράνης, επιτρέποντας στο κύτταρο να ελέγχει τη σύσταση του κυτταροπλάσματος του. 40

Σημασία των διαμεμβρανικών μεταφορέων, διαύλων και αντλιών (transporters, channels, pumps) 1. Απαντώνται σε προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς οργανισμούς 2. Εμπλέκονται σε φυσιολογικές διαδικασίες - Αύξηση - Μεταβολικές δραστηριότητες (metabolic activities) - Αισθητήρια αντίληψη (sensory perception) 3. Εμπλέκονται σε διαφόρους νόσους/ασθένειες - Ελαττωματικοί μεταφορείς (κυστική ίνωση) - Ελαττωματικοί δίαυλοι (long QT syndrome, παράλυση) 4. Αποτελούν στόχους φαρμάκων (φαρμακολογικές θεραπείες) - Υπέρταση (Διουρητικά; diuretics) - Έλκος (αναστολείς αντλιών πρωτονίων; proton pump inhibitors) 41

Σημασία των διαμεμβρανικών μεταφορέων, διαυλων και αντλιών (transporters, channels, pumps) 1. Η συστηματική ανάλυση διαφόρων γονιδιωμάτων κατέδειξε ότι το ~10% όλων των πρωτεϊνών εμπλέκονται στη διαμεμβρανική μεταφορά. Στα προκαρυωτικά όπως στο βακτήριο E. coli υπάρχουν 427 μεταφορείς. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα 2/3 της κυτταρικής ενέργειας σε ηρεμία καταναλώνεται για τη μεταφορά ιόντων (H+, K+, Na+, Ca2+) - Έχουν χαρακτηρισθεί ~200 οικογένειες μεταφορέων. - Η μεγαλύτερη οικογένεια είναι: η οικογένεια των μεταφορέων ABC (ABC-transporters) 42

2. Βάση Φυσιολογικών διαδικασιών Οι μεταφορείς, οι δίαυλοι και οι αντλίες χρησιμοποιούνται: - Για την ανάπτυξη, την κυτταρική αύξηση και την διατήρηση της ζωής. Όλα τα κύτταρα έχουν ATPάσες όπως η Na+-K+ ATPάση που διατηρεί την ισορροπίας νατρίου και καλίου κατά πλάτος των κυτταρικών μεμβρανών. - Στις μεταβολικές δραστηριότητες και στην αισθητήρια αντίληψη. Στο νευρικό σύστημα χρησιμοποιούνται οι δίαυλοι για την μεταφορά ιόντων (π.χ. δίαυλοι Na+) κατά πλάτος των μεμβρανών. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο οι πληροφορίες από αισθητήρια νεύρα (υποδοχείς) μεταβιβάζονται στον εγκέφαλο. 43

3. Διαμεμβρανική μεταφορά και νόσοι Κυστική Ίνωση και ο Διαμεμβρανικός ρυθμιστής της αγωγιμότητας κατά την κυστική ίνωση [Cystic Fibrosis (CF) και Cystic Fibrosis transmembrane Conductance Regulator (CFTR): Είναι η συχνότερη θανατηφόρος νόσος κατά την παιδική ηλικία σε Καυκάσιους. Ανωμαλία στην έκκριση βλέννας και παγκρεατικών ενζύμων που οδηγεί σε βακτηριακές μολύνσεις, αναπνευστική και διατροφική ανεπάρκεια και ανδρική στειρότητα. Φυσιολογικά CTFR ρυθμίζει τους διαύλους Cl- στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων των εξωκρινών αδένων. Η μεταλλαγμένη μορφή της CTFR καθιστά τους διαύλους μη-διαπερατούς στα ιόντα Cl-. Επειδή η μεταφορά Cl- συνδέεται με τη μεταφορά Na+ και με τη σειρά τους με τη μεταφορά H2O, ασθενείς CF δεν εκκρίνουν επαρκείς ποσότητες NaCl και H2O και επομένως εκκρίνουν παχύρευστη βλέννα που παρεμποδίζει τις αναπνευστικές διόδους στον πνεύμονα που χάνει προοδευτικά την ελαστικότητα και γίνεται ινώδης. Όμοια, η παχύρευστη βλέννα παρεμποδίζει τη ροή των παγκρεατικών εκκρίσεων (ένζυμα) διαμέσου του παγκρεατικού πόρου. Ανωμαλίες στη μεταφορά Χολικών αλάτων: Διάφοροι μεταφορείς ABC που εκφράζονται ειδικά στο ήπαρ, εμπλέκονται στην έκκριση των συστατικών της χολής, και είναι υπεύθυνοι για διάφορες μορφές προοδευτικής συγγενούς ενδοηπατικής χολόστασης (progressive familial intrahepatic cholestasis), που οδηγεί σε ηπατική κίρρωση και ανεπάρκεια. 44

Πολυφαρμακευτική αντίσταση (Multidrug Resistance; MDR): Υπάρχουν τουλάχιστον 6 μεταφορείς ABC που εμπλέκονται στη μεταφορά φαρμάκων με σημαντικό ρόλο στην MDR. Μεταλλάξεις στα γονίδια τους (π.χ. MDR1 ή ABCB1 & MDR2) συνδέονται με φαινόμενα ανοχής έναντι φαρμάκων που χρησιμοποιούνται στη χημειοθεραπεία καρκινοπαθών. Μεταφορέας Γλουταμινικού οξέος (EAAT2): Λειτουργική ανεπάρκεια του μεταφορέα στο κεντρικό νευρικό σύστημα συνδέεται με νευροεκφυλιστικές παθήσεις και ατροφία μυών όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση και Νόσος του Huntington. Μεταφορέας Γλυκόζης/Νατρίου (SGLT1) του εντερικού επιθηλίου ευθύνεται για το σύνδρομο δυσαπορρόφησης γλυκόζης γαλακτόζης. Εκφυλισμός του αμφιβληστροειδούς χιτώνα: Η πρωτεΐνη ABCA4 μεταφέρει παράγωγα της ρετινόλης (Βιταμίνης Α) από τους φωτο-ϋποδοχείς στο κυτταρόπλασμα. Η απώλεια της λειτουργίας της ABCA4 οδηγεί σε μελαγχρωματκή αμφιβληστροειδίτιδα (retinitis pigmentosa) (αμφοτερόπλευρη εκφύλιση των ραβδίων και κωνίων του αμφιβληστροειδούς) και σε κηλιδώδη δυστροφία (macular dystrophy ή Groenouw τύπου ΙΙ) («τοπική» βλεννοπολυσακχαρίδωση λόγω εναπόθεσης γλυκοζαμινογλακών) με αποτέλεσμα τη απώλεια της όρασης. Ομοιόσταση Σιδήρου στα Μιτοχόνδρια: Η πρωτεΐνη ABCB7 εμπλέκεται στην ομοιόσταση του σιδήρου στα μιτοχόνδρια. Δύο χαρακτηριστικές παρανοηματικές (missense) μεταλλάξεις του γονιδίου της ABCB7 σχετίζονται με την X-συνδεόμενη σιδηροβλαστική αναιμία και αταξία. 45

Νόσος του Wilson (Wilson s disease): Η πρωτεΐνη ATP7B υπεύθυνη για τη νόσο του Wilson είναι ο κύριος ρυθμιστής της συγκέντρωσης ιόντων χαλκού στο ήπαρ: Φυσιολογικό ήπαρ Cu2+ Ήπαρ ATP7B -/ - 46

4. Βάση φαρμακολογικών θεραπειών Οι μεταφορείς, δίαυλοι και αντλίες χρησιμοποιούνται ως στόχοι σε φαρμακολογικές θεραπείες: Για την αντιμετώπιση της υπέρτασης (υψηλή αρτηριακή πίεση) χρησιμοποιούνται διουρητικά που παρεμποδίζουν την μεταφορά Na+ στους νεφρούς. Ειδικότερα παρεμποδίζουν την επαναρρόφηση Na+ στα νεφρικά σωληνάρια με αποτέλεσμα να αυξάνουν την απέκκριση τους και μαζί με τα Na+ αυξάνουν την έκκριση του νερού (αύξηση ούρων). Επομένως ο όγκος υγρού στο σώμα μειώνεται και αυτό οδηγεί στην μείωση της αρτηριακής πίεσης. Αυτή είναι η πρώτη αντιμετώπιση της υπέρτασης. Αναστολείς αντλιών χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση των ελκών του στομάχου (stomach ulcers). Π.χ. το ροζ χάπι Nexium που δρα ως αναστολέας της αντλίας πρωτονίων (H+) παρεμποδίζοντας την μεταφορά H+ στον αυλό του στομάχου, και επομένως ο στόμαχος δεν μπορεί να παράγει HCl. Επομένως ο συγκεκριμένος ανατολέας μεταβάλλει το ph του στομάχου, και αυτό επιτρέπει την θεραπεία των ελκών. 47

Οι μεταφορείς διαφέρουν σημαντικά ως προς την αρχιτεκτονική και το μέγεθος τους: Από μικρά οργανικά μόρια και πεπτίδια σε πολύ-πρωτεϊνικά συμπλέγματα (τα συμπλέγματα των ATPασών τύπου V και Fo μπορεί να έχουν περισσότερες από 10 υπομονάδες). Το μέγεθος του καθενός μορίου μπορεί να είναι μεγάλο και να αποτελείται από 5000 κατάλοιπα αμινοξέων (Ryanodine receptor). Που απαντώνται οι μεταφορείς: Μερικοί μεταφορείς απαντώνται σε όλους τους οργανισμούς (υδροπορίνες, μεταφορείς γλυκερόλης, ATPάσες μεταφοράς χαλκού) Άλλοι απαντώνται σε μερικούς οργανισμούς (βακτήρια και ζυμομύκητες δεν έχουν ATPάση Na+/K+, μεταφορέας εν αφθονία σε ανώτερα ευκαρυωτικά; Αντίθετα μόνον τα βακτήρια φέρουν το σύστημα της φωσφομεταφοράσης του φωσφο-ενολο-πυροσταφυλικού) (Phosphoenolpyruvate-dependent phosphotranspherase system) Οι μεταφορείς έχουν διττές λειτουργίες: Δρουν ως ένζυμα ή υποδοχείς, επιπλέον της διαμεμβρανικοί μεταφορείς. λειτουργίας τους ως Μολονότι οι διαμεμβρανικοί μεταφορείς διαφέρουν μεταξύ τους, λειτουργούν βάση κοινών αρχών για να μεταφέρουν ιόντα και μόρια διαμέσου των μεμβρανών 48

ΚΥΡΙΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΙΚΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Οι τρόποι διαμεμβρανικής μεταφοράς μικρών μορίων οφείλονται στην επιλεκτική διαπερατότητα των μεμβρανών I. ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (ή ΔΙΑΧΥΣΗ) (PASSIVE DIFFUSION ή TRANSPORT) (α) Απλή ή Παθητική Διάχυση (Simple Diffusion ή Transport) Δεν απαιτείται μεταφορέας: Μερικά μόρια διαχέονται διαμέσου της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. (β) Διευκολυνόμενη Διάχυση (Facilitated diffusion ή Transport) Διεξάγεται από διαμεμβρανικές πρωτεΐνες-(μετα)φορείς και διαύλους. - Μόρια/Ιόντα διαχέονται διαμέσου ενός υδατικού πόρου μιας διαμεμβρανικής πρωτεΐνης-διαύλου. - Μεταφορείς που εναλλάσσουν τη διαμόρφωση τους μπορούν να μεταφέρουν συγκεκριμένα μόρια διαμέσου της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας. 49

ΚΥΡΙΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΙΚΡΩΝ ΜΟΡΙΩΝ II. ΕΝΕΡΓΟΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (ACTIVE TRANSPORT ) Η ενέργεια που απελευθερώνεται από την υδρόλυση ATP χρησιμοποιείται από μια πρωτεΐνημεταφορέα για να μεταφέρει μόρια ενάντια στη διαβάθμιση της συγκέντρωσης μιας ουσίας. (α) Πρωτογενής (πρωτοταγής) ενεργός μεταφορά: Ωθείται από την υδρόλυση της ATP (β) Δευτερογενής (δευτεροταγής) ενεργός μεταφορά: Ωθείται από τη διαβάθμιση ιόντων III. ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΩΣΗ / ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΩΣΗ (α) Φαγοκυττάρωση και Πινοκυττάρωση (β) Ενδοκυττάρωση μέσω υποδοχέων (Receptor-mediated endocytosis) 50

ΠΑΘΗΤΙΚΗ ή ΑΠΛΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (Passive ή Simple Diffusion) Ο απλούστερος μηχανισμός με τον οποίο μπορούν τα μόρια να διασχίσουν την κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι η απλή (παθητική) διάχυση. Η απλή (ή παθητική) διάχυση: Δεν απαιτεί πρωτεΐνη-μεταφορέα ή δίαυλο: Ουσίες μεταφέρονται διαμέσου της φωσφολιπιδικής διπλοστoιβάδας των μεμβρανών με διάχυση Είναι μια τυχαία αλλά επιλεκτική διαδικασία που οδηγεί στην καθαρή μεταφορά ουσιών από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης, δηλαδή, η κατεύθυνση της κίνησης διαμέσου της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας της μεμβράνης καθορίζεται από τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης της ουσίας στις δύο πλευρές της μεμβράνης - από ένα διαμέρισμα με υψηλότερη συγκέντρωση του μορίου προς ένα διαμέρισμα με χαμηλότερη συγκέντρωση. Η μεταφορά συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία των συγκεντρώσεων ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κυττάρου. 51

Αέρια Υδρόφοβα μόρια μη-φορτισμένα μικρά μη-ιοντισμένα πολικά μόρια (μη-πολικά) μόρια ΕΙΚΟΝΑ 13.16: Διαπερατότητα των φωσφολιπιδικών διπλοστιβάδων. Αέρια (O2, CO2, N2), υδρόφοβα μόρια (βενζόλιο) και μικρά πολικά μη φορτισμένα μόρια (Η2O, αιθανόλη) μπορούν να διασχίσουν τη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα με παθητική διάχυση, ενώ μεγαλύτερα πολικά μη-φορτισμένα μόρια (γλυκόζη) και φορτισμένα μόρια ή ιόντα οποιουδήποτε μεγέθους (Η+, Na+, Κ+, Ca2+, CI-) είναι αδύνατον να διαλυθούν στο υδρόφοβο εσωτερικό της φωσφολιπιδικής διπλόστιβάδας. Για να διέλθουν αυτά τα μόρια από τη μεμβράνη, απαιτείται η λειτουργία ειδικών πρωτεϊνών-μεταφοράς και πρωτεϊνών-διαύλων, που ελέγχουν τη διακίνηση των περισσότερων βιολογικών μορίων από και προς το κύτταρο 52

Η παθητική διάχυση είναι μια μη επιλεκτική διαδικασία μέσω της οποίας κάθε μόριο που είναι σε θέση να διαλυθεί μέσα στη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα μπορεί να διασχίσει την ΚΜ και να εξισορροπήσει τις συγκεντρώσεις του ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κυττάρου. Μόνο μικρά, σχετικά υδρόφοβα μόρια μπορούν να διαχέονται διαμέσου της φωσφολιπιδικής διπλοστιβάδας με σημαντική ταχύτητα. Επομένως, η φωσφολιπιδική διπλοστοιβάδα των μεμβρανών εμφανίζει επιλεκτική ή εκλεκτική διαπερατότητα που επιτρέπει την είσοδο μόνων μικρών υδρόφοβων μορίων (Ο2, CO2, N2) και μικρών μη-ιοντισμένων (μηπολικών) μορίων (H2O, αιθανόλη), παρεμποδίζοντας την είσοδο μεγάλων πολικών (π.χ. σακχάρων γλυκόζη, σακχαρόζη) και μικρών ιοντισμένων μορίων, ή ιόντων (H+, Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-) ανεξάρτητα από το μέγεθος τους. 53

Η ταχύτητα διάχυσης είναι ανάλογη της θερμοκρασίας (Μόρια μετακινούνται ταχύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες). Η ταχύτητα διάχυσης είναι αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους των μορίων (Μεγαλύτερα μόρια μετακινούνται βραδύτερα) Η ταχύτητα διάχυσης εξαρτάται από την συνολική επιφάνεια και το πάχος της μεμβράνης. Διεξάγεται γρήγορα σε μικρές αποστάσεις και βραδύτερα σε μεγαλύτερες αποστάσεις 54

ΔΙΕΥΚΟΛΥΝΟΜΕΝΗ ΔΙΑΧΥΣΗ (Facilitated Diffusion) Το μόριο ή ιόν μετακινείται προς τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης του, δηλ. από περιοχή υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης. Σε αντίθεση με την παθητική διάχυση όπου τα μεταφερόμενα μόρια δε διαχέονται στη φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα, η μεταφορά του μορίου ή ιόντος διεξάγεται μέσω πρωτεϊνών που τους επιτρέπουν να διασχίζουν τη μεμβράνη χωρίς να αλληλεπιδρούν άμεσα με το υδρόφοβο εσωτερικό της, όπως διαμεμβρανικές πρωτεΐνες-δίαυλοι (Channels) και πρωτεΐνες-μεταφορείς (carrier proteins). Επομένως, η διευκολυνόμενη διάχυση επιτρέπει να διασχίζουν την κυτταροπλασματική μεμβράνη πολικά και φορτισμένα μόρια, όπως υδατάνθρακες, αμινοξέα, νουκλεοσίδια και ιόντα. Δεν απαιτείται ενέργεια, και επομένως τα μόρια διασχίζουν τη μεμβράνη προς την κατεύθυνση που καθορίζεται από τη διαβάθμιση της συγκέντρωσης τους, και στην περίπτωση φορτισμένων μορίων τόσο από τη διαβάθμιση συγκέντρωσης όσο και από τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ανάμεσα στις δύο πλευρές της μεμβράνης Ηλεκτροχημική διαβάθμιση 55

Διάκριση μεταξύ διευκολυνόμενης διάχυσης και απλής διάχυσης ή μεταφοράς Απλή Διάχυση: Ο ρυθμός είναι γραμμικός και εξαρτάται από τη συγκέντρωση των μορίων. Δεν απαιτείται μεταφορέας. Διευκολυνόμενη διάχυση: Ο μεταφορέας εμφανίζει εξειδίκευση για το μεταφερόμενο μόριο: Οι δίαυλοι και μεταφορείς εμφανίζουν χημική και στερεοχημική εξειδίκευση για τα μεταφερόμενα μόρια (π.χ. ο μεταφορέας γλυκόζης μεταφέρει D- αλλά όχι L-γλυκόζη) Ταχύτητα της μεταφοράς εξαρτάται από τη συγκέντρωση του μεταφορέα (πόρου ή διαύλου) και του μεταφερόμενου μορίου Υφίσταται κορεσμό Μέγιστος ρυθμός μεταφοράς (όπου η ταχύτητα γίνεται ανεξάρτητη από τη συγκέντρωση του μεταφερόμενου μορίου) είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των θέσεων δέσμευσης του μεταφορέα ή των πόρων. Όταν δεσμευτούν Η μεταφορά μορίων δεν απαιτεί την όλες οι θέσεις τότε έχουμε τον μέγιστο ρυθμό κατανάλωση ενέργειας και διεξάγεται μεταφοράς. προς την κατεύθυνση ηλεκτροχημικής διαβάθμισης της Υπόκειται σε ανταγωνιστική αναστολή 56

Διευκολυνόμενη Διάχυση Γιατί η μη-διευκολυνόμενη μεταφορά ενός πολικού/υδρόφιλου μορίου διαμέσου της μεμβράνης είναι αργή διαδικασία; (α) Απλή διάχυση του υδρόφιλου περιβλήματος στο μεταφερόμενο μόριο είναι ενδεργονική αντίδραση (ΔG> G>0 0), και η ενέργεια ενεργοποίησης (ΔG ) για μεταφορά διαμέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας είναι υψηλή υψηλή.. (β) Διευκολυνόμενη διάχυση: Διεξάγεται διαμέσου διαύλων και μεταφορέων μεταφορέων.. Η πρωτεΐνη--μεταφορέας μειώνει τη ΔG πρωτεΐνη για τη διαμεμβρανική μεταφορά ενός μορίου.. μορίου Ταχύτερη από την απλή διάχυση καθώς μειώνει την ελεύθερη ενέργεια ΔG που απαιτείται.. απαιτείται 57