οµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης 1
Αποµόνωση του κυττάρου από το περιβάλλον 2
Λειτουργίες της κυτταρικής µεµβράνης 1. Ρυθµίζει τη διεύλευση ουσιών 2. Αναγνωρίζει χηµικά σήµατα 3. Συνδέει γειτονικά κύτταρα 4. Καθηλώνει κύτταρα στο εξωκυττάριο στρώµα 3
Η κυτταρική µεµβράνη και οι µεµβράνες των οργανιδίων ενός κυττάρου αποτελούν ένα συνεχές σύστηµα Κοινή δοµή Ανταλλαγή µορίων 4
Τρεις όψεις της Κυτταρικής Μεµβράνης (A) An electron micrograph of a plasma membrane (of a human red blood cell) seen in cross section. (B and C) These drawings show two-dimensional and threedimensional views of a cell membrane. (A, courtesy of Daniel S. Friend.) 5
Τα κύρια συστατικά της Κυτταρικής Μεµβράνης Λιπιδιακή ιπλοστοιβάδα Μεµβρανικές Πρωτεΐνες 6
Η δοµή της λιπιδιακής διπλοστιβάδας οφείλεται στις ιδιότητες των λιπιδίων Οι 3 κύριες κατηγορίες λιπιδίων της κυτταρικής µεµβράνης Φωσφολιπίδια Γλυκολιπίδια Στερόλες 7
Φωσφολιπίδια Φωσφογλυκερίδια Φωσφοτιδυλοχολίνη 8
9
10
Φωσφολιπίδια Σφιγκολιπίδια Σφιγκοµυελίνη 11
Γλυκολιπίδια σφιγγοσίνη σάκχαρα 5% των λιπιδίων στην εξωτερική στιβάδα της κυτ. µεµβράνης Τα γλυκολιπίδια ως καθοριστές των οµάδων αίµατος 12
Χοληστερόλη 13
Ιδιότητες των φωσφολιπιδίων space-filling model of a typical phospholipid bilayer 14
Υδρόφοβα και Υδρόφιλα µόρια αντιδρούν διαφορετικά µε τα µόρια του νερού ιαµορφώσεις των µορίων λιπιδίων σε υδάτινο περιβάλλον 15
Οι λιπιδιακές διπλοστιβάδες έχουν αυτο-επιδιορθωτικές ιδιότητες µικρά κενά καλύπτονται από την µετακίνηση λιπιδίων µεγαλύτερα κενά στη ν κυτ. µεµβράνη ευκαρυωτικών κυττάρων καλύπτονται από τη σύντηξη κυστιδίων Η Λιπιδιακή ιπλοστιβάδα σχηµατίζει αυτόµατα κλειστές δοµές ηµιουργία του πρώτου κυττάρου? 16
Συνθετικές Λιπιδιακές ιπλοστιβάδες Λιπιδιακή ιπλοστιβάδα (black membrane) Λιποσώµατα 17
Τα λιπίδια της µεµβράνης βρίσκονται σε συνεχή κίνηση 18
Κίνηση των Φωσφολιπιδίων Πλευρική διάχυση (10 7 φορές ανά sec) Μεταπίδηση στην άλλη στιβάδα (1 φορά το µήνα) Περιστροφή γύρω από τον άξονα τους Κίνηση των αλυσίδων υδρογονανθράκων 19
Η Ρευστότητα της Λιπιδιακής ιπλοστιβάδας εξαρτάται από τη σύσταση και τη θερµοκρασία της Αλλαγή Φάσης (phase transition) θερµοκρασία αλλαγής φάσης Η χοληστερόλη 1) αυξάνει τη ρευστότητα σε θερµοκρασίες 2) µειώνει τη ρευστότητα σε θερµοκρασίες εµποδίζει ακρότητες στη ρευστότητα της 20 µεµβράνης
21
Τα λιπίδια της µεµβράνης µπορούν να σχηµατίσουν περιοχές µε διαφορετική σύσταση 1:1 -φωσφατιδυλχολίνη -σφινγγοµυελίνη 1:1:1 -φωσφατιδυλχολίνη -σφινγγοµυελίνη -χοληστερόλη 22
Η Κυτταρική Μεµβράνη περιέχει Λιπιδικές Σχεδίες (Lipid Rafts) Σφιγγολιπίδια µακριές κορεσµένες αλυσίδες υδρογονανθράκων Χοληστερόλη Μικροπεριοχές όπου η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι παχύτερη µε αποτέλεσµα να συγκεντρώνονται κάποιες πρωτεΐνες Τα σφιγγολιπίδια στις δύο στιβάδες επικοινωνούν µεταξύ τους 23
οµή των λιπιδικών σχεδιών. Αλληλεπίδραση σφιγγοµυελίνης -γλυκολιπιδίων - χοληστερόλης Λιπιδική σχεδία σε συνθετική διπλοστιβάδα 24
Μοντέλο λιπιδικής σχεδίας Οργάνωση πρωτεϊνών Συγκέντρωση σε µεταφορικά κυστίδια ιευκολύνουν την δράση τους φέρνοντας τη µία κοντά στην άλλη 25
Η κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύµµετρη Ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα ανθρώπινων ερυθροκυττάρων Η ασυµµετρία στην κατανοµή των λιπιδίων δηµιουργείται από µεµβρανικούς µεταφορείς φωσφολιπιδίων 26
27
28
Επίδραση των λιπιδίων στη λειτουργία της κυτταρικής µεµβράνης 29
Τα κύτταρα χρησιµοποιούν την ασύµµετρη κατανοµή φωσφολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα για να διακρίνουν ανάµεσα σε ζωντανά και νεκρά κύτταρα Έκθεση φωσφατιδυλσερίνης στην εξωτερική στιβάδα της κυτταρικής µεµβράνης Σήµα για φαγοκυττάρωση του νεκρού κυττάρου του πυρήνα των πρώιµων ερυθροκυττάρων Οφείλεται: Απενεργοποίηση των µεταφορέων φωσφολιπιδίων Ενεργοποίηση του ενζύµου που κατανέµει µη ειδικά τα τα φωσφολιπίδια στις δύο στιβάδες 30
Η Ασυµµετρία της Λιπιδικής ιπλοστιβάδας είναι Σηµαντική για τη Λειτουργία της Φωσφο-ινοσιτόλη : 2-8 % των φωσφολιπιδίων της πλασµατικής µεµβράνης ζωικών κυττάρων 31
Τα γλυκολιπίδια βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της κυτταρικής µεµβράνης 5% των λιπιδίων της εξωτ. στιβάδας 32
Τα γλυκολιπίδια βρίσκονται στην εξωτερική πλευρά της κυτταρικής µεµβράνης Γανκλιοσίδια : σιαλικό οξύ αρνητικό φορτίο νευρώνες Μεταλλάξεις που εµποδίζουν την παραγωγή σύνθετων γαγγλιοσιδίων δεν προκαλούν φαινότυπο, εκτός από την ελαττωµατική µεταφορά τεστοστερόνης στους όρχεις (στειρότητα) G M1 : είσοδος τοξίνης του βακτηρίου που προκαλεί χολέρα ενδοκυττάριου camp στα επιθηλιακά κύτταρα του εντέρου είσοδος Na+ και H 2 O 33
Η συσσώρευση ενδιάµεσων προϊόντων της αποικοδόµησης σφιγγολιπιδίων αποτελεί αίτια εµφάνισης ασθενειών Συσσωµατώµατα γαγγλιοσιδών σε εγκεφαλικό κύτταρο παιδιού µε ασθένεια Tay-Sachs 34
Μεµβρανικές Πρωτεΐνες 50% της µάζας της µεµβράνης 50 µόρια λιπιδίων για κάθε µόριο πρωτεΐνης Υπεύθυνες για τις ειδικές λειτουργίες της µεµβράνης 35
Μεµβρανικές πρωτεΐνες ιαµεµβρανικές (1-3) Ενσωµατωµένες (4-6) Περιφερικές (7-8) 36
Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Λιπαρών οξέων Οµάδας πρενυλίου 37
Σύνδεση πρωτεϊνών στη Μεµβράνη µέσω Ολιγοσακχαριτών GPI anchor to PI 38
ιαµεµβρανικές πρωτεΐνες 39
Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτείνες διασχίζουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα µε τη µορφή α έλικας Σταθερός προσανατολισµός στη µεµβράνη καθορισµένη κυτοσολική µη κυτοσολική περιοχή διαµεµβρανική περιοχή Υδρόφοβα αµινοξέα Αµινοξέα µε µη πολικές πλευρικές οµάδες Πολικοί πεπτιδικοί δεσµοί Σχηµατισµός δεσµών υδρογόνου ανάµεσα στους πεπτιδικούς δεσµούς ιαµόρφωση α έλικας 40
Οι χάρτες υδροπάθειας βοηθούν στην αναγνώριση περιοχών της πρωτεΐνης που διασχίζουν τη µεµβράνη µε τη µορφή α-έλικας 41
42
ιαµεµβρανικές πρωτεϊνες µε τη διαµόρφωση β-βαρελιού απαντώνται στις µεµβράνες βακτηρίων, µιτοχονδρίων και χλωροπλαστών Ανελαστική διαµόρφωση (κάθε β-αλυσίδα συνδέεται µε τις γειτονικές µε δεσµούς υδρογόνου) Οι α-έλικες µπορούν να αλλάζουν θέση και η πρωτεϊνη αλλάζει διαµόρφωση: Ιοντικοί δίαυλοι Μεταφορά διαλυτών µορίων Μεταγωγή σήµατος 43
Οι περισσότερες διαµεµβρανικές πρωτεΐνες είναι γλυκοσυλιωµένες Οι οµάδες σακχάρων βρίσκονται πάντα στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης ηµιουργία δισουλφιδικών δεσµών µόνο στην εξωτερική πλευρά της µεµβράνης Σταθεροποίηση της διαµόρφωσης της πρωτεΐνης της σύνδεσής της µε άλλες πολυπεπτιδικές αλυσίδες 44
Η επιφάνεια του κυττάρου καλύπτεται από σάκχαρα γλυκοπρωτεΐνες γλυκολιπίδια πρωτεογλυκάνες Γλυκοκάλυκας Αναγνώριση από λεκτίνες Προστασία από µηχανική και χηµική βλάβη Αποµόνωση του κυττάρου 45
ΕΙΚΟΝΑ 13.14 Ο γλυκοκάλυκας. Φωτογραφία εντερικού επιθηλίου σε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο, όπου φαίνεται ο γλυκοκάλυκας (βέλη). (Don Fawcett/Visuals Unlimited.) 46
ιαλυτοποίηση και Καθαρισµός Μεµβρανικών Πρωτεϊνών µε τη Χρήση Απορρυπαντικών Παράγοντες που διασπούν τους υδρόφοβους δεσµούς και καταστρέφουν τη λιπιδική διπλοστιβάδα απορρυπαντικά αµφιπαθή µόρια 47
ΕΙΚΟΝΑ 13.6 ιαλυτοποίηση 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. 48
Οι περιφερικές πρωτεΐνες διαλυτοποιούνται εύκολα 49
Μη-ιοντικά Ιοντικά Μετουσίωση πρωτεϊνης SDS-PAGE Αναδιάταξη, ανάκτηση δραστικότητας 50
Πολλές Μεµβρανικές Πρωτεΐνες ιαχέονται κατά µήκος της Μεµβράνης Περιστροφή γύρω από τον άξονά τους Πλευρική ιάχυση 51
Μέτρηση του ρυθµού πλευρικής διάχυσης µεµβρανικών πρωτεϊνών µε τεχνικές φωτο-αποχρωµατισµού 52
Η σταθερά διάχυσης διαφέρει σηµαντικά για διάφορες πρωτεΐνες οι αλληλεπιδράσεις µε άλλες πρωτεΐνες εµποδίζουν τη διάχυση όταν δεν υπάρχει παρεµπόδιση η µεµβράνη φαίνεται ότι πυκνότητα συγκρίσιµη µε του ελαιόλαδου 53
ιαφορετικές περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης περιέχουν διαφορετικές πρωτεΐνες Επιθηλιακό κύτταρο Ασύµµετρη κατανοµή Πρωτεϊνών Λιπιδίων Στενοσύνδεσµοι 54
Οι τρεις περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης του σπερµατοζωαρίου Η διαφορετική κατανοµή των πρωτεϊνών στη µεµβράνη δεν οφείλεται στην ύπαρξη στενοσυνδέσµων 55
Μηχανισµοί που χρησιµοποιούνται για τον περιορισµό µιας πρωτεΐνης σε µια περιοχή της µεµβράνης Σχηµατισµός συσσωµατωµάτων Σύνδεση µε δοµές στον εξωκυττάριο χώρο Σύνδεση µε κυτταρικές δοµές Αλληλεπίδραση µε πρωτεΐνες στην επιφάνεια άλλων κυττάρων 56
57
Μελέτη των µεµβρανικών πρωτεϊνών 58
Η κυτταρική µεµβράνη των ερυθροκυττάρων Εξωκυττάρια πλευρά Παρασκευή κυτταρικών µεµβρανών ερυθροκυττάρων Κυτταροπλασµατική πλευρά 59
Εντοπισµός πρωτεϊνών στην εξωκυττάρια ή στην εσωτερική πλευρά της µεµβράνης προσθήκη ουσίας σήµανσης Εξωκυττάρια πλευρά Κυτταροπλασµατική πλευρά Πρότυπο ηλεκτροφόρησης των πρωτεϊνών της µεµβράνης του ερυθροκυττάρου 60
γλυκοφορίνη 61
Σύνδεση των πρωτεϊνών της κυτταρικής µεµβράνης µε τον κυτταροσκελετό 62
Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Ψύξης-Τεµεχισµού (Freeze-fracture EM) Εξωκυτταρική πλευρά Κυτταροπλασµατική πλευρά 63
Τα σωµατίδια που παρατηρούνται στην κυτταροπλασµατική πλευρά της µεµβράνης είναι κυρίως µόρια πρωτεΐνης ζώνης 3 Οι πρωτεΐνες παραµένουν συνδεδεµένες στη στιβάδα που περιέχει την κύρια µάζα τους 64
Κυτταρική αναγνώριση µέσω ολιγοσακχαριτών Αναγνώριση ωοκυττάρου σπέρµατος Πήξη αίµατος Χηµειοταξία λεµφοκυττάρων Φλεγµονή 65
ιαµεµβρανικές πρωτεΐνες συµµετέχουν στην αλληλεπίδραση µεταξύ κυττάρων 66
Ο ρόλος της σύντηξης µεµβρανών στις κυτταρικές διαδικασίες 67
Είσοδος του ιού HIV σε Τ λεµφοκύτταρα 68
Υποδοχείς Ένζυµα κατάλυση αντιδράσεων κοντά στη µεµβράνη ίαυλοι µετακίνηση µορίων στις δύο πλευρές της µεµβράνης Κινητήριες πρωτεΐνες κίνηση του κυττάρου Πρωτεΐνες που λειτουργούν στην κυτταρική αναγνώριση Μόρια κυτταρικής πρόσφυσης Πρωτεΐνες φορείς 69
Cell Physiology Source Book. 3 rd edition. N. Sperelakis Κεφ. 2-6. Molecular Biology of the Cell, 4 th edition. Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter Κεφ. 10. Molecular Cell Biology, 4 th edition. Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell Κεφ. 5. Lehninger Principles of Biochemistry, 3 rd edition. Nelson and Cox Κεφ. 11-12 70
οµή και Λειτουργία της Κυτταρικής Μεµβράνης Λειτουργίες της κυτταρικής µεµβράνης Η δοµή της λιπιδιακής διπλοστιβάδας Κίνηση των Φωσφολιπιδίων Η Κυτταρική Μεµβράνη περιέχει Λιπιδικές Σχεδίες (Lipid Rafts) Η κατανοµή φωσφολιπιδίων και γλυκολιπιδίων στη λιπιδική διπλοστιβάδα Η ασυµµετρία της Λιπιδικής ιπλοστιβάδας είναι σηµαντική για τη λειτουργία της Μεµβρανικές Πρωτεΐνες Σύνδεση των Μεµβρανικών Πρωτεϊνών µε τη Λιπιδική ιπλοστιβάδα ιαλυτοποίηση και Καθαρισµός Μεµβρανικών Πρωτεϊνών µε τη Χρήση Απορρυπαντικών Η κυτταρική µεµβράνη των ερυθροκυττάρων ιάχυση µεµβρανικών πρωτεϊνών κατά µήκος της µεµβράνης ιαφορετικές περιοχές της κυτταρικής µεµβράνης περιέχουν διαφορετικές πρωτεΐνες Μηχανισµοί που χρησιµοποιούνται για τον περιορισµό µιας πρωτεΐνης σε µια περιοχή της µεµβράνης Η επιφάνεια του κυττάρου καλύπτεται από σάκχαρα 71