Βιολογικές μεμβράνες Τζώρτζης Νομικός Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Επιστήμης Διαιτολογίας-Διατροφής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο

Βιολογικές μεμβράνες: Τι είναι ?  Οι βιολογικές μεμβράνες αποτελούν δυναμικές, υπερμοριακές δομές λιποειδών, πρωτεϊνών και υδατανθράκων

Λειτουργίες μεμβρανών  Οριοθέτηση  Προστασία  Μόνωση  Διατήρηση σχήματος  Διαδικασίες κίνησης  Μεταβολικές αντιδράσεις  Κυτταρική αναγνώριση  Μεταγωγή σήματος  Μεταφορά ουσιών Το 30% των γονιδίων του Mycoplasma genitalium κωδικοποιεί μεμβρανικές πρωτείνες

Που συναντάμε μεμβράνες;

Μοριακή αρχιτεκτονική μεμβρανών  1972 : Singer-Nicholson  μοντέλο ρευστού μωσαϊκού

Δομή μεμβρανών – Είδη και αναλογίες μεμβρανικών βιομορίων  Λιποειδή  Πρωτεΐνες  Υδατάνθρακες

Σύσταση μεμβρανών – Λιπίδια (1)  Φωσφολιπίδια (PL), γλυκολιπίδια (GL), χοληστερόλη (Chol)  Tα κύρια PL : PC, PE, Sm, PS. Mικρότερα ποσοστά ΡΙ, Cdl  Βακτήρια-κυανοφύκη : Μεγάλο ποσοστό GL  To ποσοστό Chol επηρεάζεται από διατροφική κατάσταση

Σύσταση μεμβρανών – Λιπίδια (2)

Σύσταση μεμβρανών – Πρωτείνες  Περιφερειακές  Στην μία πλευρά της μεμβράνης  Απομονώνονται εύκολα με διαλύματα υψηλής ιονικής ισχύος ή pH  Διαμεμβρανικές  Παρεμβάλλονται στην λιποειδική διπλοστοιβάδα  Συγκρατούνται κυρίως με υδρόφοβους δεσμούς  Απομονώνονται δύσκολα με απορρυπαντικά ή οργανικούς διαλύτες  απώλεια λειτουργικότητα τους

Δομή μεμβρανών – Τρόποι σύνδεσης πρωτεϊνών

Δομή μεμβρανών – Παραδείγματα μεμβρανικών πρωτεϊνών Γλυκοφορίνη β2-αδρενεργικός υποδοχέας

Τρόποι ομοιοπολικής σύνδεσης περιφερειακών πρωτεϊνών στις μεμβράνες

Σύσταση μεμβρανών – Υδατάνθρακες  Ολιγοσακχαρίτες συνδεδεμένοι με Ο-, Ν-, γλυκοζιτικούς δεσμούς με :  Πρωτείνες (γλυκοπρωτείνες)  Λιπίδια (γλυκολιπίδια)  Τα κυριότερα σάκχαρα : γλυκόζη, γαλακτόζη, μαννόζη, σιαλικά οξέα Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη  Γλυκοκάλυκας. Ρόλος :  Προστασία  Δομή μεμβρανικών πρωτεϊνών  Αναγνώριση  Προσκόλληση  Πήξη  Φλεγμονώδεις διεργασίες

Ασυμμετρία μεμβρανών – Ασυμμετρία μεταξύ μονοστιβάδων  Πρωτείνες  Διαφορετικές περιφερειακές πρωτεΐνες στις δύο πλευρές  Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες είναι ασύμμετρα κατανεμημένες  Λιπίδια  Υδατάνθρακες  Μόνο στην εξωτερική πλευρά

Ασυμμετρία μεμβρανών – Πλευρική ασυμμετρία (1)  Περιοχές πλούσιες σε σφιγγολιπίδια και χοληστερόλη  Πιο συμπαγείς, οργανωμένες και παχιές δομές  ~ 50% της επιφάνειας της μεμβράνης  Πλούσιες σε πρωτεΐνες που συνδέονται με λιπίδια

Ασυμμετρία μεμβρανών – Πλευρική ασυμμετρία (2)  Εξειδικευμένα lipid rafts που περιέχουν καβεολίνη  Η παρουσία καβεολίνης δημιουργεί κοιλότητες (caveola) στις μεμβράνες  Συμμετέχουν σε μηχανισμούς μετακίνησης στο εσωτερικό του κυττάρου και σε μηχανισμούς μεταγωγής σήματος  Περιοχές στις οποίες εντοπίζονται οι υποδοχείς ινσουλίνης και αυξητικών παραγόντων

Ρευστότητα μεμβρανών – Κινήσεις συστατικών της μεμβράνης  Περιστροφή γύρω από τον άξονα κάθετα στο επίπεδο της μεμβράνης  λιπίδια, πρωτείνες  Πλάγια διάχυση  λιπίδια, πρωτείνες  Κίνηση λιπαρών αλυσίδων  λιπίδια  Αλλαγή μονοστιβάδας (flip-flop)  λιπίδια

Ρευστότητα μεμβρανών – Δεν κινούνται όλες οι πρωτεΐνες πάνω στη μεμβράνη

Ρευστότητα μεμβρανών – Μηχανισμοί ρύθμισης (1)  Η ρευστότητα καθορίζεται από :  Σύσταση μεμβράνης  Θερμοκρασία  Μείωση Τ  φάση πηκτής (paracrystalline state, gel)  μεμβράνη βιολογικά ανενεργή  Aύξηση Τ  ρευστή κατάσταση (fluid state)  Οι μεμβράνες στα κύτταρα πρέπει να βρίσκονται σε μία ενδιάμεση κατάσταση (liquid-ordered state)

Ρευστότητα μεμβρανών – Μηχανισμοί ρύθμισης (2)  Αύξηση ρευστότητας :  Μικρά F.A.  Aκόρεστα (cis) F.A.  Mείωση ρευστότητας :  Χοληστερόλη  Ca 2+  Ρύθμιση στα προκαρυωτικά  μεταβολή βιοσύνθεσης ακορεστων (cis) F.A.  Ρύθμιση στα ευκαρυωτικά  μεταβολή ποσοστού Chol

 1 μόριο Chol για κάθε μόριο PL  Διατάξη παράλληλη με τις λιπαρές αλυσίδες, το –ΟΗ στο επίπεδο των πολικών κεφαλών  Επίπεδο, άκαμπτο μόριο  παρεμποδίζει κίνηση ανθρακικής αλυσίδας  μείωση ρευστότητας στον πυρήνα της διπλοστιβάδας Ρευστότητα μεμβρανών – Χοληστερόλη

Λειτουργίες μεμβρανών  Οριοθέτηση  Προστασία  Μόνωση  Διατήρηση σχήματος  Διαδικασίες κίνησης  Μεταβολικές αντιδράσεις  Κυτταρική αναγνώριση  Μεταγωγή σήματος  Μεταφορά ουσιών

Μεταφορά ουσιών - Σημασία  Παραλαβή θρεπτικών συστατικών από το περιβάλλον  Αποβολή παραπροϊόντων μεταβολισμού  Δημιουργία ηλεκτροχημικών δυναμικών

Μεταφορά ουσιών  Η λιποειδική μεμβράνη δεν επιτρέπει την ελεύθερη διάχυση όλων των μορίων  Είδη μεταφοράς  Ενδοκυττάρωση  Ελεύθερη διάχυση  Παθητική μεταφορά  Ενεργητική μεταφορά

Μεταφορά ουσιών – Ελεύθερη διάχυση  Ευνοείται από μικρό μέγεθος και λιποφιλικότητα  Μεταφορά αερίων (Ο 2, CΟ 2, N 2 ) και μικρών μη πολικών μορίων (νερό, ουρία, γλυκερόλη)  Περιλαμβάνει τρία στάδια :  Ταχύτητα διάχυσης  Νόμος Fick : J = -D(δC/δx) ΔG=RTln (C2/C1) (Εξίσωση 1) ΔG=RTln (C2/C1) + zFΔV (Εξίσωση 2)

Μεταφορά ουσιών – Διευκολυνόμενη παθητική μεταφορά  Μεταφορά προς την κατεύθυνση της μικρότερης συγκέντρωσης  Δεν απαιτείται κατανάλωση ενέργειας  Είδη :  Αυθόρμητη παθητική μεταφορά  Διευκολυνόμενη παθητική μεταφορά μέσω : o Πρωτεϊνικής φύσεως δίαυλου/πόρου o Πρωτεϊνικής φύσεως μεταφορέα o Ιονοφόρων

 Συνδέονται με την ένωση που μεταφέρουν  Ακολουθούν κινητική κορεσμού και έχουν εξειδίκευση  Μηχανισμός μεταφοράς  Μεταφορά μεμονομένων μορίων (uniport)  Π.χ. Μεταφορέας D-γλυκόζης  Μεταφορά περισσοτέρων από ένα μόρια (co-transportres)  Συνμεταφορά (symporters)  Αντιμεταφορά (antiporters) Μεταφορείς πρωτεϊνικής φύσης (transporters, permeases)

Μεταφορείς γλυκόζης (GLUT)  12 ισομορφές  GLUT 1  ερυθροκύτταρα  GLUT 2  ήπαρ (μεταφορά Glu από ήπαρ στη κυκλοφορία)  GLUT 4  μυες, λιπώδεις ιστός (μεταφορά Glu στους ιστούς)

Αντιμεταφορέας HCO 3 - /Cl ερυθροκυττάρων

Πρωτεινικής φύσεως δίαυλοι-πόροι  Η 3D δομή των πρωτεϊνών δημιουργεί υδατοδιαλυτή οπή μέσα στη μεμβράνη  Δεν συνδέεται η ένωση με την πρωτείνη  Διαφορά πόρου (pore) – δίαυλου (channel) : Ο δίαυλος έχει εξειδίκευση και ανοίγει σε απόκριση ερεθισμάτων  Στο εσωτερικό της μεμβράνης δομή α-έλικας. Εξαίρεση : βακτηριακές πορίνες

Δίαυλοι που αποκρίνονται σε εξωτερικά ερεθίσματα Voltage-gated channels  Μεταβολή στο διαμεμβρανικό δυναμικό  Π.χ κανάλια Na +, K + στην πλασματική μεμβράνη Ligand-gated channels  Σύνδεση αγωνιστή στον δίαυλο  Ο αγωνιστής μπορεί να είναι νευροδιαβιβαστής,  Ενδοκυτταρικός μεσολαβητής, νουκλεοτίδιο  Π.χ. Νικοτινικός υποδοχέας ακετυλοχολίνης Mechanically-gated channels  Μηχανικό στρες

Yποδοχέας ακετυλοχολίνης

Τα Nobel Χημείας του 2003  Roderick MacKinnon : Εύρεση δομής καναλιού Κ + Peter Agre : Εύρεση ακουαπορινών (δίαυλων νερού)

Ιονοφόρα  Ενώσεις φυσικές (από μικροοργανισμούς) ή συνθετικές  Υδρόφοβες με υδρόφιλη οπή στο εσωτερικό  σύνδεση ιόντος  Δύο κατηγορίες :  Mobile carriers (π.χ. βαλινομυκίνη, Α23187)  Ιονοφόρα που σχηματίζουν πόρους (π.χ. γραμισιδίνη)

Ενεργητική μεταφορά  Μεταφορά προς την κατεύθυνση της μεγαλύτερης συγκέντρωσης  Απαιτείται κατανάλωση ενέργειας  Οι μεταφορείς  αντλίες (pumps)  Είδη :  Πρωτεογενής ενεργητική μεταφορά  Δευτερογενής ενεργητική μεταφορά  Μεταφορά με σύγχρονη χημική τροποποίηση

Πρωτογενής ενεργητική μεταφορά  Η ενέργεια προέρχεται από το ΑΤΡ, φως, ροή ηλεκτρονίων  Μεταφορικές ΑΤΡασες  ΑΤΡασες τύπου Ρ (plasma membrane ή phosphorylated)  ΑΤΡασες τύπου V (vacuole)  ΑΤΡασες τύπου F (energy-coupling factor)

Πρωτογενής ενεργητική μεταφορά – ΑΤΡασες τύπου Ρ  Φωσφορυλίωση-αποφωσφορυλίωση σε Asp  αλλαγή στην δομή  μεταφορά ιόντων  Π.χ. Νa + /K + ATΡαση  3 Νa + έξω, 2 K + μέσα με κατανάλωση 1 ΑΤΡ  Ρυθμίζει οσμωτικότητα και η κλίση που δημιουργεί χρησιμοποιείται για την μεταφορά σακχάρων και αμινοξέων  Π.χ. Ca 2+ ATPαση, Η + ΑΤΡαση

Μηχανισμός δράσης Na + /K + ATPασης

 Ca 2+ ΑΤΡαση  Βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα ή στο ενδοπλασματικό δίκτυο  Μεταφέρει Ca 2+ εξώ από το κυτταρόπλασμα ή μέσα στο ER διατηρώντας τα επίπεδα του χαμηλά σε αυτό  Η + ΑΤΡαση  Επιθηλιακά κύτταρα στομάχου  Μεταφορά Η + στο εσωτερικό του στομάχου  Υπεύθυνη για το όξινο περιβάλλον στομάχου Άλλες αντλίες τύπου Ρ

Πρωτογενής ενεργητική μεταφορά – ΑΤΡασες τύπου V  Mεταφέρουν Η + στα υποκυτταρικά σωματίδια (π.χ. λυσοσωμάτια, χυμοτόπια)  Η μεταφορά ιόντος και η υδρόλυση του ΑΤΡ από διαφορετικές υπομονάδες

ABC μεταφορείς  ΑTP-binding Cassette μεταφορείς  Μεταφέρουν πλήθος ουσιών (Chol, βιταμίνες, φάρμακα) διαμέσου των μεμβρανών υδρολύοντας ΑΤΡ

Πρωτογενής ενεργητική μεταφορά – ΑΤΡασες τύπου F  Καταλύουν τη μεταφορά Η+ αντίθετα από την ηλεκτροχημική βαθμίδωση στις μεμβράνες των μιτοχονδρίων, βακτηρίων και χλωροπλαστών  Δημιουργούν ΔV απαραίτητες για την οξειδωτική φωσφορυλίωση  Λειτουργούν και αντιστρεπτά  σχηματισμός ΑΤΡ (ΑΤΡ συνθάσες)

Δευτερογενής ενεργητική μεταφορά  Σύζευξη μίας μή αυθόρμητης μεταφοράς ιόντων (μεταφορά-1) με μία αυθόρμητη μεταφορά (μεταφορά-2)  Συν- ή αντι- μεταφορά  Η ενέργεια καταναλώνεται στην μεταφορά-1 ώστε να δημιουργηθούν κλίσεις συγκέντρωσης  Ζωικά κύτταρα : κλίσεις Na +  Προκαρυωτικά κύτταρα : κλίσεις Η +

Παραδείγματα δευτερογενούς ενεργητικής μεταφοράς  Συνμεταφορά γλυκόζης/Na +  Αντιμεταφορά Na + /H +  ρύθμιση pH  Αντιμεταφορά Cl - /HCO 3 -  ρύθμιση pH

Ευχαριστώ για την προσοχή σας Σκάρος, Ημεροβίγλι, Σαντορίνη