Εφαρμοσμένη Βιοτεχνολογία Σημειώσεις Νίκος Τσουκιάς Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ
Μετάδοση σημάτων [4.7] - Μηχανισμοί μεταφοράς μορίων μέσω κυτταρικών μεμβρανών (είσοδος θρεπτικών ουσιών - αίσθηση εξωκυτταρικού περιβάλλοντος)
Υδρόφοβα (lipid soluble) Υδρόφιλα (water soluble)
Μεταφορά δια της κυτταρικής μεμβράνης 1. Παθητική μεταφορά Παθητική ιάχυση ιευκολυνόμενη (Facilitated) ιάχυση Ώσμωση 2. Ενεργός μεταφορά ενάντια στη βαθμίδωση συγκέντρωσης - υδρόλυση ATP, - βαθμίδωση ph, ιόντων-ηλεκτρικού δυναμικού 3. Μετατόπιση ομάδας 4. Ενδο- Εξω- κύττωση
1α. Παθητική ιάχυση Νόμος του Fick J D dc dx J : Flux (moles / cm 2 /s) D: Diffusivity C: concentration C Ao J D (C Ai C Ao ) l C Ai ιαπερατότητα (Permeability)
1β. ιευκολυνόμενη ιάχυση (Facilitated Diffusion) μεταφορά πάντα από την ψηλή συγκέντρωση στη χαμηλή μόριο-φορέας συνδέεται αντιστρεπτά με ένα η περισσότερα μόρια φορέας μπορεί να κορεστεί J J max ( MT C Ao C Ao MT C Ai C Ai )
1γ. Ώσμωση Μεταφορά H 2 O μέσω ημιπερατής μεμβράνης, από το αραιότερο διάλυμα προς το πυκνότερο Αquaporins: πρωτεΐνες που σχηματίζουν πόρους στις μεμβράνες των κυττάρων Ωσμωτική πίεση p : πίεση για να αντιστρέψουμε το φαινόμενο [atm] R: [0.082 L atm/( o mole)] T: [ o ] c: συγκέντρωση του διαλύματος [moles/l = OSM] RTc
Isotonic solution Hypotonic solution Hypertonic solution H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Animal cell (1) Normal (2) Lysed (3) Shriveled Φυσιολογικός ορός: ιάλυμα NaCl (0.9%w/v;154mM) ισοτονικό με τα κύτταρα συγκέντρωση ~290mM (Osmolarity)
2. Ενεργός μεταφορά Transport protein Solute Protein changes shape 1 Solute binding 2 Phosphorylation 3 Transport 4 Phosphate detaches Protein reversion Ενάντια στην βαθμίδωση της συγκέντρωσης Χρειάζεται κατανάλωση ενέργειας Συνήθως υπό μορφή ATP (π.χ. Αντλία Να+/Κ+) Βαθμιδώσεις πρωτονίων, ιόντων-ηλεκτρικού δυναμικού
Ηλεκτρικό δυναμικό της κυτταρικής μεμβράνης Τα κύτταρα περιέχουν περίπου τον ίδιο αριθμό θετικών και αρνητικών φορτίων ηλεκτρικά ουδέτερα Μεγάλες διαφορές ωστόσο στις συγκεντρώσεις ιόντων μέσα και έξω από το κύτταρο ( Na +, Κ +, Cl - ) αυτές δημιουργούνται με ενεργό μεταφορά: αντλία ιόντων Na + / + (Na + / + ATPase)
- Το πέρασμα των πρώτων Κ+ μέσω διαύλου ιόντων, θα φορτίσει την δεξιά πλευρά θετικά - Το ηλ. δυναμικό που δημιουργείται απωθεί τα επόμενα Κ+ - Σύντομα το σύστημα αποκτά ισορροπία όταν εξισώνονται οι δύο δυνάμεις: ηλεκ. πεδίο - [Κ + ] i =150mM Κ + + [Κ + ] i =15mM βαθμίδωση συγκέντρωσης zf (Vin Vout ) RT ln Cout Cin
υναμικό ισορροπίας Nernst (Equilibrium potential) V S Vin Vout R: 8.315 Joules/( o mole) T: Θερμοκρασία [273+37 o ] F: σταθερά Faraday [9.65x10 4 Coulomb/mole] z: σθένος [+1 for Na + or + ] RT zf ln Cout Cin
υναμικό ισορροπίας Nernst V S - Εξαρτάται από τις ενδο/εξω-κυτταρικές συγκεντρώσεις του ιόντος S [όπου S = +, Na +, Cl - ] - Είναι η τάση που πρέπει να εφαρμόσουμε στην μεμβράνη (V m ) για να σταματήσουμε την μετακίνηση των ιόντων S - Είναι η τάση ισορροπίας της μεμβράνης (V m ) εάν η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο σε αυτό το ιόν
αναλογία με ηλεκτρικό δίκτυο - Ροή ιόντων μέσω ενός διαύλου ιόντων, αντίστοιχη με ροη ρεύματος σε μια αντίσταση - V= I R ή I =g V [νόμος του Ohm; g αγωγιμότητα] - πηγή == βαθμίδωση συγκέντρωσης == υναμικό Nernst [ + ] o g V [ + ] i
[ + ] o Ι g V [ + ] i - Εφαρμόζοντας το νόμο του Ohm για τα + έχουμε: I g (V M V ), g 1/ R - Η αγωγιμότητα g k εξαρτάται από το πόσοι ανοιχτοί δίαυλοι ιόντων Κ + υπάρχουν. - Θετικό ρεύμα == Θετικά ιόντα κινούνται προς τα έξω
μεμβράνη με περισσότερους από έναν διαύλους ιόντων [Na + ] i [Na + ] o I total I I I 0 g V V g V V g V V m Na Cl Na m Na Cl m Cl [ + ] i [ + ] o V m g V g g V g Na Na Na g g Cl Cl V Cl [Cl - ] i [Cl - ] o υναμικό ηρεμίας (Resting Membrane potential) V m - σταθμισμένος μέσος όρος (weighted average) δυναμικών Nernst - το υναμικό της μεμβράνης (Vm) τείνει προς το υναμικό Nernst (V S ) του ιόντος με την μεγαλύτερη αγωγιμότητα (g S )
Το δυναμικό μεμβράνης (Vm) μπορεί να μετρηθεί V m μεταβάλλεται όταν δίαυλοι ιόντων ανοίγουν/κλείνουν
Παράδειγμα ερυθρό αιμοσφαίριο: [Na + ] i =19mM [ + ] i =136mM [Na + ] o = 155mM [ + ] o = 5mM V RT [ Na ] o ln zf [ Na ] i 8.315 310 155 ln 55 10 4 ( 1)9.65 10 19 Na RT [ ] o V ln 86 mv zf [ ] i 3 Volts [Cl - ] I =78mM [Cl - ] o =112mM V RT zf ln [ Cl ] [ Cl ] o Cl 9 i mv g Na g g Cl 25 10 240 10 5 10 6 6 6 A Vcm A Vcm A Vcm 2 2 2 V m g V g NaV g g Na Na g g Cl Cl V Cl 71.5mV υναμικό ηρεμίας (Resting Membrane potential)
Σύστηµα φωσφοµεταφεράσης 3. Μετατόπιση ομάδας παράδειγμα Γλυκόζης http://ecoserver.imbb.forth.gr/microbiology/documents/lec6.pdf Χημική τροποποίηση κατά την μεταφορά πηγή ενέργειας το PEP φωσφορυλιωμένη μορφή παγιδεύεται στο κύτταρο ενεργειακά προτιμητέα από ενεργό μεταφορά για σάκχαρα που θα μεταβολιστούν
1. Κυτταρικοί υποδοχείς ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΣΗΜΑΤΟΣ (CELL SIGNALING) αυξητικοί παράγοντες, ορμόνες, νευροδιαβιβαστές συνδέονται με υποδοχείς Ενεργοποιούν μονοπάτια σηματοδότησηςμεταβολισμού ενεργοποίηση πρωτεϊνών με φωσφορυλίωση, παραγωγή μορίων δευτερογενών μεταβιβαστών ενεργοποίηση μεταγραφικών παραγόντων παραγωγή πρωτεϊνών; χημειοτακτισμός (chemotaxis); διαφοροποίηση/διαίρεση;
2. Μεταβολή δυναμικού μεμβράνης ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Ινσουλίνη αυξάνει την απορρόφηση γλυκόζης στα κύτταρα πρόσδεση στον υποδοχέα ινσουλίνης ενεργοποιεί την μεταγωγή σήματος αυξάνει την μεταφορά κυστιδιων που φέρουν GLUT4 (glucose transporter 4) ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΝΣΟΥΛΙΝΗΣ ΣΤΑ ΒΗΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Αύξηση γλυκόζης στο αίμα οδηγεί στην παραγωγή ινσουλίνης από κύτταρα του παγκρέατος Γλυκόζη εισέρχεται στο Beta κύτταρο μέσω GLUT2 Μεταγωγή σήματος οδηγεί στην έκκριση ινσουλίνης
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ πρόσδεση ινσουλίνης στον υποδοχέα ενεργοποιεί συνδεδεμένες πρωτεΐνες Κινάση Τυροσίνης φωσφορυλιώνει πρωτεΐνες και ενεργοποιεί μονοπάτια μίτωσηςμεταβολισμού Μεταβολισμός της γλυκόζης παράγει ATP Αύξηση ATP κλείνει το ATP κανάλι ιόντων Κ + Εκπόλωση (depolarization=λιγότερο αρνητικό) του δυναμικού της μεμβράνης Άνοιγμα καναλιών ιόντων Ca 2+ (Voltagesensitive) Είσοδος ιόντων ασβεστίου Εξωκύττωση κυστιδίων ινσουλίνης ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΝΣΟΥΛΙΝΗΣ ΣΤΑ ΒΗΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ
ΔΙΑΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ (INTERCELLULAR COMMUNICATION) Γειτονικά κύτταρα χασματοσυνδέσεις (gap junctions) επιτρέπουν την εναλλαγή μικρών μορίων και ηλεκτρική σύνδεση Κύτταρα σε απόσταση μέσω ορμονών που κυκλοφορούν στο αίμα με μετάδοση ηλεκτρικού σήματος (υπερ/εκ πόλωση δυναμικού μεμβράνης)
Νευροδιαβίβαση: Αισθητήριοι υποδοχείς (Thermoreceptors=ιοντικοί δίαυλοι TRPM8) στις νευρικές απολήξεις ενεργοποιούνται αλλάζοντας το δυναμικό της μεμβράνης (V m ) αισθητικών νευρώνων Το ηλεκτρικό σήμα μεταφέρεται κατά μήκος του νευρικού κύτταρου και από το ένα νευρικό κύτταρο στο άλλο μέσω των συνάψεων στο κεντρικό νευρικό σύστημα Στο ΚΝΣ γίνεται επεξεργασία πληροφοριών και αποστολή εντολών στους μυς μέσω κινητικών νευρώνων Χρειάζεται η γρήγορη μεταγωγή του σήματος και χωρίς απώλειες
Δυναμικό Ενέργειας (action potential) ηλεκτρική δραστηριότητα που αναπτύσσεται σε ένα excitable κύτταρο (μυϊκό ή νευρικό) μεταφέρεται γρήγορα κατά μήκος της κυτταρική μεμβράνης μεταφέρει μήνυμα δημιουργείται από τασο ευαίσθητους ιοντικούς διαύλους (voltage gated ion channels) επιτρέπει τη μεταφορά σήματος χωρίς απώλειες (self regenerating)
Ιοντικός δίαυλος Κ + Δυναμικό ηρεμίας, Vm= 70mV εκπόλωση, Vm> 60mV
Ιοντικός δίαυλος Na + Δυναμικό ηρεμίας, Vm= 70mV εκπόλωση, Vm> 60mV
Εκπόλωση ανοίγει voltage gated Na + and + channels Αδρανοποίηση των δίαυλων Na + Καθυστερημένο άνοιγμα των δίαυλων Κ + V m -60-70
Κλείσιμο των δίαυλων Κ + με επαναπόλωση V m -60-70
V M 71 mv V Na 55 mv I I Na g g g g ( 71.5 Na Na V 86 mv V m V V m V ( 71.5 ( 86 )) Na 55 ) 0 0 Κ+ : Ροή προ τα έξω
V Na 55 mv V Na
V 86 mv V