ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Μεμβρανική Βιοφυσική Η δομή ιοντικών διαύλων Διδάσκων: Λεκ. Χαράλαμπος Λαμπρακάκης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Η δομή των ιοντικών διαύλων Χ. Λαμπρακάκης 2014 1
Οι ιονικοί δίαυλοι είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες ένα πετίδιο μπορεί να διαπερνά τη μεμβράνη περισσότερες απο μία φορές οι περιοχές του πεπτιδίου που διαπερνούν τη μεμβράνη λέγονται διαμεμβρανικές δομές. 2
Οι διαμεμβρανικές δομές σχηματίζουν α-έλικα είναι υδρόφοβες δομές οι υδρόφιλες ομάδες στο εσωτερικό της έλικας. 3
Ομάδες ιονικών διαύλων Τασεοευαίσθητοι Η αγωγιμότητα τους μεταβάλλεται ανάλογα με το δυναμικό της μεμβράνης. Συνδεματικοί Η αγωγιμότητα τους μεταβάλλεται ανάλογα με τη δέσμευση μηνυματοφόρου μορίου (αγωνιστής). 4
Κατηγορίες τασεοευαίσθητων διαύλων Ομαδοποιούνται ανάλογα με το ιόν που τους διαπερνάει: Οικογένεια διαύλων Καλίου Οικογένεια διαύλων Νατρίου Οικογένεια διαύλων Ασβεστίου Οικογένεια διαύλων Χλωρίου. 5
Οι μεμβρανικοί δίαυλοι μπορούν να αποτελούνται απο περισσότερες υπομονάδες Υπομονάδες που συμμετέχουν στη δημιουργία του ιοντικού πόρου καθορίζουν τα κύρια χαρακτηριστικά του διαύλου Υπομονάδες που δεν συμμετέχουν στη δημιουργία του ιοντικού πόρου (βοηθητικές) ρυθμίζουν λειτουργικά χαρακτηριστικά και τη σταθεροποίση του δίαυλου στη μεμβράνη καθορίζουν τα κύρια χαρακτηριστικά του διαύλου. 6
Ονοματολογία της οικογένειας των τασεοευαίσθητων διαύλων έχουν ονομαστεί με διάφορες ονομασιες, ανάλογα με φαρμακολογία, φυσιολογικά χαρακτηριστικά, ασθένειες κλπ. επικρατούσα πλέον συστηματική ονομασία ανάλογα με την συγγένεια πρωτεΐνης/γονιδίου: X Y z.v X = ιόν. Y = χαρακτηριστικό αγωγιμότητας. z = αριθμός υποοικογένειας. v = αριθμός ισομορφής υπομονάδας. Παραδείγματα: K V 2.3 Ca V 3.1 K Ca 4.5 K ATP 1.1 K V (V= voltage) η διαφορά δυναμικού επηρεάζειτην αγωγιμότητα K ATP το ATP επηρεάζει την αγωγιμότητα. 7
H υπεροικογένεια διαύλων καλίου Οι δίαυλοι καλίου είναι η πιο μεγάλη αριθμιτικά ομάδα διαύλων Πανω απο 100 γονίδια κωδικοποιούν για υπομονάδες των δίαυλων Κ + Συναντώνται σε όλους τους ορανισμούς. 8
Η δομή των διαύλων καλίου Υπομονάδες Υπομονάδα α: δημιουργεί τον δίαυλο Υπομονάδα β: βοηθητική Με βάση την υπομονάδα α, οι δίαυλοι καλίου χωρίζονται: Ομάδα τασεοευαίσθητων 6 διαμεμβρανικές δομές υπόλοιποι δίαυλοι Κ 2 διαμεμβρανικές δομές 4 διαμεμβρανικές δομές 6 διαμεμβρανικές δομές. 9
Δίαυλοι καλίου με 2 διαμεμβρανικές δομές δομή και διαμεμβρανικές δομές της υπομονάδας α Δομικά χαρακτηριστηκά: Δύο διαμεμβρανικές α-έλικες οι Μ1 και Μ2 Το αμινοτελικό και καρβοτελικά άκρα εσωτερικά Για τη δημιουργία της πρωτεΐνης του διαύλου συνδυαζονται 4 πεπτίδια της υπομονάδας α Ο βρόγχος P : εν μέρει εξωκυτταρικός και ενδομεμβρανικός βρόχος. Ο βρόγχος P συμμετέχει στη δημιουργία του πόρου και στην εκλεκτικότητα ροής ιόντων. Τετραμερή α-υπομονάδας 10
Δίαυλοι καλίου με 2 διαμεμβρανικές δομές K ir ir = Inward rec fying Η αγωγιμότητα τους μειώνεται σε πιο θετικά δυναμικά απο το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης Δεν είναι όμως τασεοευαίσθητα (άλλος ο μηχανισμός). 11
Θετικά φορτισμένα ενδοκυτταρικά οργανικά μόρια, οι πολυαμίνες μπλοκάρουν τους διαύλους Kir σε θετικότερα δυναμικά προκαλλόντας την ανόρθωση (rec fica on) πολυαμίνες π.χ. σπερμίνη, αλλά και ιόντα μαγνησίου. 12
Δίαυλοι καλίου με 4 διαμεμβρανικές δομές χαρακτηριστικό οι δύο βρόγχοι P Μ1-4 διαμεμβρανικές δομές συνδυαζονται 4 πεπτίδια της υπομονάδας α, για λειτουργικό δίαυλο + = 13
Δίαυλοι καλίου με 4 διαμεμβρανικές δομές K 2P Οι δίαυλοι K 2P είναι μη τασεοευαίσθητοι, παθητικοί δίαυλοι διαρροής Βασικοί στο καθορισμό του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης. 14
Δίαυλοι καλίου με 6 διαμεμβρανικές δομές Η οικογένεια των τασεοευαίσθητων δίαυλων καλίου K V συνδυασμός 4 υπομονάδων α, για δημιουργία του διαύλου Δομικά χαρακτηριστικά: 6 διαμεμβρανικές δομές S1-S6 o βρόγχος P (μεταξύ S5 και S6) Η διαμεμβρανική δομή/α-έλικα S4 Η S4 δομή είναι ο μοριακός αισθητήρας διαφοράς δυναμικού που καθιστά τους διαύλους τασεοευαίσθητους. 15
Η οικογένεια των τασεοευαίσθητων δίαυλων καλίου K V 12 ομάδες μέλος της οικογένειας ο δίαυλος καλίου delayed rec fier που παίζει σημαντικό ρόλο στην επαναπόλωση της μεμβράνης κατά το δυναμικό ενέργειας. 16
Άλλοι δίαυλοι καλίου με 6 διαμεμβρανικές δομές δίαυλοι καλίου ευαίσθητοι στην ενδοκυττάρια συγκέντρωση ασβεστίου K Ca 17
Ιονικοί δίαυλοι νατρίου Υπομονάδα α Υπομονάδες β1, β2 ΰ σχηματίζει τον δίαυλο ΰ βοηθητικές Έκφραση της α-υπομονάδας μόνο δίνει λειτουργικό δίαυλο, με όλα τα καθοριστικά χαρακτηριστικά. 18
Η α-υπομονάδα του διαύλου νατρίου Ψ Αποτελείται απο 4 ομόλογες επαναλαμβανόμες δομές: I, II, III, IV. Ψ Καθεμία απο τις 4 δομές αποτελείται απο 6 διαμεμβρανικές α-έλικες (S1-S6) (σύνολο 24 ΔΜ δομές) καθεμία απο τις 4 δομές έχει βρόγχος P μεταξύ S5 και S6, (φίλτρο εκλεκτικότητας) καθεμία απο τις 4 δομές έχει την ΔΜ/α-έλικα S4 (αισθητήρας διαφοράς δυναμικού). Ο βρόγχος IFM ένας ενδοκυτταρικός σύνδεσμος μεταξύ των δομών III και IV (τη σημασία του θα συζητήσουμε αργότερα). 19
Η α-υπομονάδα του διαύλου νατρίου Ένα πεπτίδιο α-υπομονάδας μόνο του είναι αρκετό για τη δημιουργία του διαύλου Οι 4 δομές του δημιουργούν τον κύλινδρο του πόρου ο οπoίος σχηματίζει τον δίαυλο στοκέντρο Στην πράξη μπορούμε να σκεφτούμε την α υπομονάδα του διαύλου του νατρίου σαν συνένωση τεσσάρων ξεχωριστών υπομονάδων των 6 διαμεμβρανικών δομών (σαν αυτές των τασεοευαίσθητων διαύλων καλίου). + + + = 20
Η α-υπομονάδα του διαύλου νατρίου S3 S5 S6 S2 S1 21
Οι ισομορφές της υπομονάδας α του δίαυλου του Na + Όνομα Δίαυλου Όνομα Γονιδίου (άνθρωπος) SCN1A SCN2A SCN3A SCN9A SCN4A SCN8A SCN5A SCN10A SCN11A 22
Ιονικοί δίαυλοι ασβεστίου Υπομονάδα α1 Υπομονάδες α2, β, γ, δ ΰ σχηματίζει τον δίαυλο ΰ βοηθητικές. 23
Η α1-υπομονάδα του διαύλου ασβεστίου Χαρακτηριστικά: επαναλαμβανόμενες δομές I-IV με 6 διαμεμβρανικές δομές S1-S6, α-έλικα S4 και βρόγχο P η κάθε μία. Όπως στον δίαυλο Na + : Η α-έλικα S4: αισθητήρας τάσης Βρόγχος P: εκλεκτικότητα ιόντων οι δομές I-IV σχηματίζουν κύλινδρο με τον πόρο στο κέντρο. 24
Οι ισομορφές της α1-υπομονάδας του διαύλου του ασβεστίου Τύποι δίαυλων ασβεστίου με βάση την ηλεκτροφυσιολογία τους: LVA Low voltage ac vated Ενεργοποίηση με χαμηλή τάση HVA High voltage ac vated Ενεργοποίηση με υψηλή τάση Δίαυλοι T Δίαυλοι L, N, P/Q, και R. 25
Άλλοι δίαυλοι με 6 διαμεμβρανικές δομές Cyclic nucleo de-regulated channels (CNG) Hyperpolariza on-ac vated cyclic nucleo de-gated channels (HCN) CatSper and Two-Pore channels Transient Receptor Poten al channels 26
CNG: Cyclic nucleo de-regulated channels Δίαυλοι που ρυθμίζονται απο την ενδοκυττάρια συγκέντρωση κυκλικών νουκλεοτιδίων camp/cgmp 6 διαμεμβρανικές δομές Βρόχος P Διαμεμβρανική δομή S4 Τετραμερή πρωτεΐνη (4x α) Διαθέτει περιοχή δέσμευσης κυκλικών νουκλεοτιδίων περιοχή σύνδεσης κυκλικών νουκλεοτιδίων: ενδοκυτταρικά στο καρβοξυλικό άκρο Αν και μοιάζει δομικά με τα K V, ο βρόχος P διαφέρει στα CNG, η διαφορά αυτή επιτρέπει τη διέλευση Κ +, Νa + και Ca 2+ (μη εκλεκτική διαπερατότητα) Υποομάδα HCN: hyperpolariza on and nucleo de gated channels, ανοίγουν με την υπερπόλωση της μεμβράνης και παίζουν ρόλο στη δημιουργία ρυθμών. Τα CNG: παίζουν ρόλο στην όραση, υπάρχουν στους φωτουποδοχείς. 27
Δίαυλοι TRP: transient receptor poten al 6 διαμεμβρανικές δομές Βρόχος P Διαμεμβρανική δομή S4 Τετραμερή πρωτεΐνη. Διαπερατότητα σε κατιόντα Na +, K +, Ca 2+ 28
Οι ομοιότητες στη δομή της υπομονάδας α της ομάδας των τασεοευαίσθητων διαύλων υποδηλώνει εξελεκτική σχέση μεταξύ τους Δίαυλοι Na + & Ca 2+ 29
Η ευαισθησία στην τάση των διαύλων καθορίζεται απο την S4 δομή Η δομή S4 είναι ο αισθητήρας της τάσης Η αλληλουχία αμινοξέων του S4 είναι εξελικτικά διατηρημένη σε όλους του τασικούς δίαυλους. Καθε τρίτο αμινοξύ είναι θετικά φορτισμένο. 30
Η ευαισθησία στην τάση των διαύλων καθορίζεται απο την S4 δομή - - - - - - - + + + + + + Η αλλαγή πόλωσης της μεμβράνης μετακινεί (ηλεκτροστατική έλξη/απώθηση) την S4 το οποίο προκαλεί την αλλαγή στη στεροδιάταξη του δίαυλου προς την ανοιχτή κατάσταση. 31
Η ευαισθησία στην τάση των διαύλων καθορίζεται απο την S4 δομή Ύπαρξη της S4 δομής δεν είναι αναγκαία και ικανή συνθήκη για ευαισθησία στην τάση. Μειωμένος αριθμός αρνητικά φορτισμένων αμινοξέων στην S4 προκαλεί ακόμη και απώλια ευαισθησίας στη τάση Επίσης άλλες δομές όπως οι S5 και S6 έχουν βρεθεί σε ορισμένες περιπτώσεις να συμμετέχουν στην ευαισθησία στη τάση. 32
Ο βρόγχος P συμμετέχει στη δημιουργία του πόρου και στην εκλεκτικότητα ροής ιόντων μέρος του βρόχου P του καναλιού καλίου που αποτελείται απο τα αμινοξέα Thr Val Gly Tyr Gly τα μόρια οξυγόνου της κύριας αλυσίδας των αμινοξέων αποτελούν σημεία ελέγχου του φίλτρου εκλεκτικότητας στην εικόνα δείχνονται δύο (κίτρινο) βρόχοι P, οι αλλοι δύο (απο τη τετραμερή δομή) είναι κάθετοι στο επίπεδο της διαφάνειας. 33
Ο βρόγχος P συμμετέχει στη δημιουργία του πόρου και στην εκλεκτικότητα ροής ιόντων Το φίλτρο εκλεκτικότητας του διαυλου νατρίου: Στην εικόνα φαίνονται 4 αμινοξέα απο κάθε βρόγχο P των δομών I,II,III,IV αρνητικά φορτισμένα αμινοξέα: Ε = γλουταμινικό οξυ (-) D = ασπαρτικό οξύ(-) Μετάλλαξη ενός μόνο αμινοξέος του βρόγχου P μπορεί να αλλάξει τη διαπερατότητα του διαύλου απο Na + σε Ca 2+. 34
Οι δίαυλοι χλωρίου δεν έχουν δομικά χαρακτηριστικά των άλλων διαύλων CaCC ευαίσθητα στο ασβέστιο. ClC CFTR τασεοευαίσθητα ευαίσθητα στο camp. Δομικά μοιάζουν με αντλίες χλωρίου παρά τασεοευαίσθητους διαυλους. Λειτουργίες: Ομοιόσταση χλωρίου Δυναμικό ηρεμίας. 35
Συνδεματικοί δίαυλοι ή Ιονικοί υποδοχείς νευροδιαβιβαστών 36
Οι συνδεματικοί δίαυλοι χωρίζονται σε τρείς ομάδες με βάση της διαμεμβρανικές δομές τους 4 διαμεμβρανικές δομές 3 διαμεμβρανικές δομές 2 διαμεμβρανικές δομές 37
Οι συνδεματικοί δίαυλοι χωρίζονται επίσης με βάση το μόριο που τους ενεργοποιεί 4 ΔΜΔ 3 ΔΜΔ 2 ΔΜΔ Ach - ακετυλοχολίνη GABA Gly - γλυκίνη 5-HT3 - σεροτονίνη Glu γλουταμινικό όξύ P2X - ATP 38
Αντιστοιχία αριθμού διαμεμβρανικών δομών και αριθμού υπομονάδων για να σχηματιστεί ο δίαυλος 39
Ο ιονοτροπικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης ονομάζεται και νικοτινικός Αποτελούνται απο 5 πεπτιδικές υπομονάδες ετεροπενταμερή δομή Υπομονάδες α, β, γ, δ. Συμμετέχουν όλες στο σχηματισμό του δίαυλου. Για το σχηματισμό δίαυλου απαιτούνται δύο υπομονάδες α. Η περιοχή σύνδεσης του νευροδιαβιβαστή βρίσκεται κυρίως στην α-υπομονάδα. Κάθε υπομονάδα 4 διαμεμβρανικές δομές Μ1-Μ4. 40
Ο ιονοτροπικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης Η δομή Μ2 απο κάθεμία απο τις 5 υπομονάδες συμμετέχει στη δημιουργία του εσωτερικού του πόρου και τη διαπερατότητα του. Εικόνα: τα αμινοξέα των Μ2 δομών που παίζουν ρόλο στη διαπερατότητα του διαύλου Ο νικοτινικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης όπως και ο υποδοχέας 5-HT3 της ίδιας ομάδας είναι διαπερατοί απο κατιόντα Na +, K +, Ca 2+. 41
Ο υποδοχέας GABA A M1 M2 M3 M4 5 υπομονάδες (ετεροπενταμερή) που δημιουργούν το δίαυλο Όλες οι υπομονάδες έχουν παρόμοιο μέγεθος ~405-500 αμινοξέα. Κάθε υπομονάδα αποτελείται απο 4 διαμεμβρανικές δομές M1-M4 Κατέχουν μεγάλο Ν-άκρο στην εξωκυττάρια πλευρά. 42
Ο υποδοχέας GABA A Η M2 διαμεμβρανική δομή απο όλες τις υπομονάδες είναι σημαντική για τη δημιουργία του πόρου του δίαυλου, την διαπερατότητα και την εκλεκτικότητα του Οι γνωστές υπομονάδες GABAA: (ελληνικοί χαρακτήρες και στην αγγλική ορολογία) α, β, γ, δ, ε, θ, π, ρ Οι α και οι β υπομονάδες μπορούν να δημιουργήσουν λειτουργικούς ομομερής Οι πλειονότητα των δίαυλων αποτελειται απο τις υπομονάδες α, β και γ Οι υπομονάδες έχουν ισομορφές: α1-α6, β1-β3, γ1-γ3. 43
Ο υποδοχέας GABA A Η σύνδεση του νευροδιαβιβαστή γίνεται σε ειδικές δομές που σχηματίζονται μεταξύ των υπομονάδων α και β Ο GABA A υποδοχέας όπως και ο υποδοχέας της γλυκίνης στην ίδια ομάδα είναι διαπερατοί σε ανιόντα. Κυρίως χλώριο και λιγότερο διττανθρακικά. 44
Δομή των δίαυλων Γλουταμινικού οξέος Αποτελούνται απο 4 υπομονάδες Γενική δομή υπομονάδας: 3 διαμεμβρανικές δομές τις M1, M3, M4. Η M2 εισέρχετε στη μεμβράνη αλλά δεν την διαπερνά. Παίζει ρόλο στη διαπερατότητα και εκλεκτικότητα του πόρου Οι δομές S1 και S2: Η δομή S1 εξωκυτταρικά στο αμινοτελικό άκρο (μεγάλο ) Η δομή S2 βρίσκεται μεταξύ των M3 και M4 εξωκυτταρικά και παίζουν ρόλο στη δέσμευση του γλουταμινικού οξέος. 45
4 υπομονάδες δημιουργούν τον δίαυλο γλουταμινικού οξέος τετραομο- ή τετραετερομερές είναι διαπερατοί απο κατιόντα Na +, K +, Ca 2+ 46
Μεγάλος αριθμός υπομονάδων Έχουν βρεθεί συνολικά 16: 7 NMDA, 4 AMPA, 5 Kainate 47
Δομή της τοποθεσίας σύνδεσης νευροδιαβιβαστή Οι δομές S1 και S2 δημιουργούν στόμιο μεσα στο οποίο εισχωρεί και συνδέεται το γλουταμινικό οξύ 48
Η σύνδεση γλουταμινικού στον υποδοχέα αλλάζει τη στερεοδιάταξη του Έκφραση της S1- και S2- δομής και ένωση τους με συνδετικό πεπτίδιο δημιουργεί μια υδατοδιαλυτή πρωτείνη με παρόμοια συγγένια για το γλουταμινικό και τους υπόλοιπους αγωνιστές. Κρυσταλλογραφία Χ της συνθετικης πρωτεϊνης με ή χωρίς το γλουταμινικό οξύ δείχνει ότι το στόμιο που δημιουργείται μεταξύ της S1- και S2- δομής είαναι κατα 20 ο πιό κλειστό μετά τη σύνδεση του γλουταμινικού. Αποτελεί απόδειξη αλλαγής στερεοδιάταξης με τη σύνδεση του αγωνιστή. 49
50
Ιονικοί διαύλοι P2X Υποδοχείς εξωκυττάριου ATP και πουρινών Δύο διαμεμβρανικές δομές Τρείς υπομονάδες για τη δημιουργία διαύλου Διαπερατότητα στα κατιόντα Na +, K +, Ca 2+ Υπομονάδες: P2X1, P2X2, P2X3, P2X4, P2X7 51
Ιονικοί διαύλοι P2X Υποδοχείς εξωκυττάριου ATP και πουρινών Τρείς θέσεις σύνδεσης του ATP στον υποδοχέα, μία για κάθε υπομονάδα. 52
Τέλος Ενότητας
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Σημειώματα
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ. http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1290.
Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Λεκ. Χαράλαμπος Λαμπρακάκης. «Μεμβρανική Βιοφυσική. Η δομή ιοντικών διαύλων». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1290.
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση Όχι Παράγωγα Έργα, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.