Μεµβρανική Μεταφορά
Ηδοµή των λιπαρών οξέων
Λιπαρά οξέα-λιπίδια- µεµβράνες
Κυτταρικές µεµβράνες: ρόλος διαχωριστικού τοίχους
ιαφορετικές λειτουργίες της κυτταρικής µεµβράνης
Ενδoκυτταρικές µεµβράνες στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς
Η λιπιδική διπλοστιβάδα
A typical membrane lipid molecule
A phosphatidylcholine (PC) molecule φωσφατιδυλοχολίνη
3 είδη µεµβρανικών λιπιδίων φωσφολιπίδια στερόλες γλυκολιπίδια
A hydrophilic molecule in water A hydropobic molecule in water
A phospholipid bilayer
Phospholipid bilayers close in on themselves to form sealed compartments
υο είδη συνθετικών λιπιδικών διπλοστιβάδων χρησιµοποιούνται πειραµατικά Λιποσώµατα Συνθετική διπλοστιβάδα
Λιποσώµατα
Συνθετική λιπιδική διπλοστιβάδα
Κινητικότητα των φωσφολιπιδίων
Ο ρόλος της χοληστερόλης
Η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύµµετρη
Ο ρόλος των φλιππασών στη βιοσύνθεση της λιπιδικής διπλοστιβάδας
Budding and fusing of a membrane vesicle
Σχετική διαπερατότητα της λιπιδικής διπλοστιβάδας
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
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
Παθητική µεταφορά : κανάλια (Channels) Ενεργή µεταφορά : αντλίες (Pumps) κατανάλωση ενέγειας - υδρόλυση ATP - βαθµίδωση ιόντων (πρωτονίων)
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
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
Κοινό ενδιάµεσο σε όλες τις εκατοντάδες P-type ATPάσες β-ασπαραγινυλο-φωσφορικό ή φωσφοασπαρτικό
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
H ATPάση του ασβεστίου του σαρκοπλασµατικού δικτύου είναι µια P-type ΑΤPάση
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
Τα καρδιοτωνικά στεροειδή αναστέλλουν ειδικά την αντλία Να/Κ εµποδίζοντας την αντίδραση αποφωσφορυλίωσης
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
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
αντιµεταφορείς συµµεταφορείς
Παράδειγµα: ιαπεράση λακτόζης
Μεταγωγή ενέργειας (energy transduction) από µεµβρανικές πρωτείνες 1. ηµιουργία βαθµίδωσης Να+ µέσω υδρόλυσης ATP 2. Χρήση της βαθµίδωσης Να+ για τη µεταφορά γλυκόζης
Ηβαθµίδωση συγκεντρώσεων ιόντων (κυρίως Να+ και Η+) χρησιµοποιείται σαν πηγή ενέργειας για τη µεταφορά άλλων µορίων
Ιατρικές εφαρµογές: MDR kai CFTR: ΑΒC transporters 79 τέτοιες πρωτείνες στο Ε. coli
Στα βακτήρια, οι µεµβρανικές περιοχές και οι περιοχές πρόσδεσηςatp ανήκουν σε διαφορετικές πολυπετιδικές αλυσίδες ιαπεράση της Ιστιδίνης
Μεµβρανική Μεταφορά - Κανάλια Ιόντων
Αντιβιοτικά µεταφοράς: φορείς ή διαµορφωτές καναλιών Αυξάνουν τη διαπερατότητα της µεµβράνης σε ιόντα Βαλινοµυκίνη (κυκλικό µόριο): φορέας Κ+ Γραµµισιδίνη Α (γραµµικό µόριο): ιαµορφωτής καναλιού
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
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
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
Η µεγάλη συγγένεια της τετροδοτοξίνης για το κανάλι νατρίου (Κι=1 nm) βoήθησε στην αποµόνωση και στον καθαρισµό του
Το κανάλι νατρίου
Σχέσεις πρωτοταγούς δοµής των καναλιών ιόντων
Ηδοµή του καναλιού καλίου Τέσσερεις υποµονάδες, οµή κώνου, µε το µεγαλύτερο άνοιγµα εσωτερικά του κυττάρου
Το µονοπάτι µέσα από ένα κανάλι Κ+ Εξωτερικό κυττάρου Στένωση αφυδατωµένο ιόν Εσωτερικό κυττάρου Υδατικό περιβάλλον ενυδατωµένο ιόν
«Φίλτρο» επιλεκτικότητας του καναλιού Κ+ Αλληλουχία TVGYG (selectivity filter) στη στένωση του καναλιού
Ερώτηση: Γιατί το κανάλι Κ+ µεταφέρει το Κ+ πολύ πιο αποτελεσµατικά από το Να+?
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
Ηδοµή του καναλιού Κ+ εξηγεί την ταχύτητα µεταφοράς του ιόντος
Ηεπιλεκτικότητα του καναλιού Να+ βασίζεται εν µέρει στην στερική παρεµπόδιση
Ball and chain model για την απενεργοποίηση του καναλιού Κ+
Απενεργοποίηση του καναλιού Κ+
Μεµβρ. υναµικό ισσοροπίας
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