ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΙ ∆ΙΑΥΛΟΙ ΚΑΙΑΝΤΛΙΕΣ

ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΙ ∆ΙΑΥΛΟΙ ΚΑΙ ΑΝΤΛΙΕΣ

Αντλίες: Ενεργός µεταφορά– Χρησιµοποίηση πηγής ελεύθερης ενέργειας

∆ίαυλοι: Παθητική µεταφορά ή ∆ιευκολυνόµενη διάχυση

Η µεταφορά µορίων διαµέσου µιας µεµβράνης µπορεί να είναιενεργός ή παθητική

• Απλή διάχυση: Λιπόφιλα µόρια (π.χ. στεροειδείς ορµόνες) πουδιακινούνται ελεύθερα διαµέσου της µεµβράνης προς την κατεύθυνσητης χαµηλότερης συγκέντρωσής τους.

• ∆ιευκολυνόµενη διάχυση ή παθητική µεταφορά: Μόρια µε υψηλήπολικότητα (π.χ. ιόντα νατρίου) διέρχονται διαµέσου ειδικών διαύλων(µε εξειδίκευση) οι οποίοι δοµούνται από µεµβρανικές πρωτείνες.

• Ενεργός µεταφορά: Μετακίνηση ενός µορίου ενάντια στησυγκέντρωσή του από πρωτεινικούς µεταφορείς που είναιεγκατεστηµένοι στη µεµβράνη και χρησιµοποιούν µια πηγή ενέργειαςγια τη µεταφορά.

Μια οικογένεια µεµβρανικών πρωτεινών χρησιµοποιεί τηνυδρόλυση της ATP για την άντληση ιόντων διαµέσου µεµβρανών

• Αντλία Να+ - Κ+ ή ATPάση Να+ - Κ+: ενεργός µεταφορά Να+ έξω απότο κύτταρο και Κ+ πρός το εσωτερικό του κυττάρου µε υδρόλυσηATP. Περισσότερο από το 1/3 της ATP που καταναλώνεται από 1 οργανισµό σε ηρεµία χρησιµοποιείται για την άντληση των 2 ιόντων.

• Υπάρχει µια µεγάλη οικογένεια εξελικτικώς συγγενών αντλιώνιόντων που είναι εξειδικευµένες για µια σειρά ιόντων: ATPάσεςτύπου P διότι σχηµατίζουν κατά τη δράση τους 1 ενδιάµεσοφωσφορυλιωµένο προιόν µια φωσφορική οµάδα συνδέεται στηπλευρική αλυσίδα ενός ασπαραγινικού της ATPάσης

• Γαστρική ATPάση Η+ - Κ+ , ΑTPάση Ca2+ σαρκοπλασµατικούδικτύου µυικών κυττάρων

Η δοµή της ATPάσης Ca+2 του σαρκοπλασµατικού δικτύου

∆ιαµεµβρανική δοµικήπεριοχή 10 α-ελίκων

Ενεργοποιητήςτης περιοχής Ν

Κυτταροπλασµατικήκεφαλή αποτελούµενηαπό 3 διάκριτες δοµικέςπεριοχές

∆έσµευση της ATP

Αποδέκτης φωσφορικής οµάδας

Μηχανισµός δράσης της ATPάσης τύπου P

εκστροφή

Ε2P

Αναστολείς της αντλίας Να+ - Κ+ : καρδιοτονωτικά στεροειδή

Η δακτυλίδα, ένα µείγµα καρδιοτονωτικών στεροειδών προερχόµενο από τα αποξηραµέναφύλλα της πορφυράς δακτυλίδας αναστέλλει την αντλία παρεµποδίζοντας την αποφωσφορυλίωσητης και οδηγεί σε υψηλότερα επίπεδα Να στο εσωτερικό του κυττάρου. Ακολουθεί επιβράδυνσητης εξαγωγής ιόντων Ca µέσω του ανταλλάκτη νατρίου-ασβεστίου, αύξηση των επιπέδων ασβεστίουκαι αύξηση της συσπαστικότητας του καρδιακού µυός.

Περιστροφάσες

Ορισµένα µέλη της οικογένειας ATPασώντύπου P συµβάλλουν στη συντήρηση τηςµεµβρανικής ασσυµετρίας µεταφέροντας(περιστρέφοντας) φωσφολιπίδια από τηνεξωτερική στην εσωτερική στιβάδα τηςµεµβράνης

Η πολυφαρµακευτική αντίσταση συνδέεται µε 1 οικογένεια µεµβρανικών πρωτεινώνµε δοµικές περιοχές κασέτας δέσµευσης της ATP. Η ανθεκτικότητα των καρκινικών και τωνβλαστικών κυττάρων σε φάρµακα οφείλεται συχνά στην έκφραση και τη δραστικότητα 1 µεµβρανικήςπρωτείνης που ονοµάζεται πρωτείνη της πολυφαρµακευτικής αντίστασης (MDR) ή P-γλυκοπρωτείνη. Η πρωτείνη αυτή δρα ως 1 ATP-εξαρτώµενη αντλία που αντλεί φάρµακα και µικρά µόρια έξω από τακύτταρα. Οι συγκεκριµένες πρωτείνες είναι µέλη της υπεροικογένειας των NTPασών µε θηλιές P, καισυνίστανται από 4 δοµικές περιοχές: 2 περιοχές δέσµευσης στη µεµβράνη και 2 περιοχές δέσµευσηςτης ATP (κασέτες δέσµευσης της ATP).

∆ιαπεράση της ιστιδίνης της S. typhimurium. Οι διαµεµβρανικές δοµικές περιοχές καιοι δοµικές περιοχές µε κασέτα δέσµευσης της ATP βρίσκονται σε διαφορετικές πολυπεπτιδικέςαλυσίδες. Η υδρόλυση της ATP ωθεί τη µεταφορά της ιστιδίνης στο εσωτερικό του κυττάρουόπου δεσµεύεται από 1 διαλυτή πρωτείνη δέσµευσης.

∆οµικές περιοχές NTPάσης µε θηλιές P υπάρχουνσε µια σειρά σηµαντικών πρωτεινών. Συνθάση του ATP, µοριακοί κινητήρες,πρωτείνες µεταγωγήςσήµατος, πρωτείνες απαραίτητες για τη µετάφρασηκαι ελικάσες. Οι δοµικές αυτές περιοχές υφίστανταιουσιαστικές αλλαγές στερεοδιάταξης µε την πρόσδεση του NTPκαι την υδρόλυση.

Αλλαγές στη στερεοδιάταξη της αδενυλικής κυκλάσης

Οι δευτερογενείς µεταφορείς χρησιµοποιούν µια βαθµίδωσησυγκέντρωσης για να ενεργοποιήσουν τον σχηµατισµό µιας

άλλης

• Πολλές διεργασίες ενεργού µεταφοράς δεν ωθούνται άµεσα από τηνυδρόλυση της ATP. Αντ’ αυτού, η θερµοδυναµικά ανοδική ροή 1 ιόντος ή µορίου είναι συζευγµένη µε την καθοδική ροή 1 διαφορετικούµορίου ή ιόντος.

• Ο ανταλλάκτης Na – Ca (αντιµεταφορέας) έχει χαµηλότερη συγγένειαγια το Ca από ότι η αντλία ATPάση Ca αλλά η ικανότητά του να εξωθείτα ιόντα Ca έξω από το κύτταρο (2000 ιόντα / sec) είναι µεγαλύτερηαπό εκείνη της αντλίας Ca (30 ιόντα / sec)

∆ευτερογενείς µεταφορείς

Ιόντα νατρίου

ATPάση Να-Κ

Ιόντα ασβεστίου

Ανταλλάκτης Na-Ca

Ιόντα νατρίου Γλυκόζη

Αντιµεταφορέας

Συµµεταφορέας

ADP + Pi

Εξωκυττάριος χώρος

Κυτταρόπλασµα

ATP

Μετ

Μεταγωγή ενέργειας από µεµβρανικές πρωτείνες: ∆ηµιουργία βαθµίδωσης συγκέντρωσηςιόντων νατρίου από την αντλία Na-K που στη συνέχεια µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την άντληση

µορίων στο εσωτερικό του κυττάρου µε τη δράση δευτερογενών µεταφορέων όπως οσυµµεταφορέας Να-γλυκόζης

∆ιαπεράση της λακτόζης της E. coli: συµµεταφορέας λακτόζης-πρωτονίων

Εξειδικευµένοι δίαυλοι µπορούν να µεταφέρουν ταχέως ιόνταδιαµέσου µεµβρανών: ιοντικοί δίαυλοι

• Οι δίαυλοι δεν είναι απλοί σωλήνες που διαπερνούν τη µεµβράνηαλλά εξαιρετικά πολύπλοκες µοριακές µηχανές

• Οι ιοντικοί δίαυλοι εµφανίζουν υψηλή επιλεκτικότητα γιασυγκεκριµένα ιόντα

• Οι ιοντικοί δίαυλοι υπάρχουν σε ανοιχτή και κλειστή κατάσταση

• Οι µεταπτώσεις µεταξύ της ανοιχτής και κλειστής κατάστασηςελέγχονται: 2 τάξεις *ελεγχόµενοι από πρόσδεµα (απόκριση προς τη

δέσµευση ιόντος) *τασεοελεγχόµενοι (απόκριση προς τοηλεκτρικό δυναµικό)

• Οι ανοιχτές µορφές των διαύλων συχνά µεταπίπτουν αυθόρµητα σεανενεργές µορφές

• ∆ίαυλοι που είναι σηµαντικοί γιατη διάδοση των νευρικών ώσεων

• ∆ίαυλος του υποδοχέα τηςακετυλοχολίνης: ελεγχόµενος απόπρόσδεµα

• ∆ίαυλοι Να+ και Κ+: τασεοελεγχόµενοι

Οι νευρικές ώσεις µεταδίδονται διαµέσου των περισσοτέρων συνάψεων απόµικρά διάχυτα µόρια που ονοµάζονται νευροδιαβιβαστές

Σχηµατική αναπαράσταση της σύναψης

Περιέχει περίπου104 µόρια ακετυλοχολίνης. Το περιεχόµενο 300 περίπουσυναπτικών κυστιδίωναπελευθερώνεται µετά από 1νευρική ώση

Εκπόλωση µεµβράνης: Η ακετυλοχολίνη εκπολώνει τη µετασυναπτική µεµβράνηαυξάνοντας την αγωγιµότητα των ιόντων νατρίου και καλίου

Ο υποδοχέας της ακετυλοχολίνης (268 kd) είναι 1 πενταµερές 4 ειδώνδιαµεµβρανικών υποµονάδων (α2, β, γ και δ) διατεταγµένων σε σχήµα δακτυλιδιού

Οι υποµονάδες έχουν παρόµοιεςαλληλουχίες και φαίνεται ότι ταγονίδια προήλθαν µε διπλασιασµόκαι απόκλιση 1 κοινού καιπρογονικού γονιδίου

Το εσωτερικό του διαµεµβρανικού πόρουεπενδύεται από ράβδους που δοµούνταιαπό α-έλικες. Οι έλικες δοµούνται απόεναλλαγές µικρών πολικών ή ουδέτερων ΑΑκαι µεγάλων µη πολικών ΑΑ

Το άνοιγµα του πόρου του διαύλου του υποδοχέα της ακετυλοχολίνης

Τα µεγάλα κατάλοιπα αποµακρύνονταιαπό τον πόρο και αντικαθίστανται απόάλλα µικρότερα

Μεγάλες υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδεςαποφράσσουν τελείως τον πόρο

Οι δίαυλοι νατρίου είναι ένα παράδειγµα τασεοελεγχόµενου διαύλου

Ο δίαυλος του νατρίου αποµονώθηκεµε βάση την ικανότητά του να δεσµεύειµια ειδική νευροτοξίνη όπωςη τετροδοτοξίνη

Ο δίαυλος νατρίου

Αποτελείται από 1 πολυπεπτιδική αλυσίδα µε 4 επαναλαµβανόµενες µονάδες: Ι έως IV

Κάθε επανάληψη σχηµατίζει πιθανώς 6 διαµεµβρανικές έλικες: S1 έως S6

Τα τµήµατα S1, S2, S3, S5, S6 είναι υδρόφοβα ενώ τα S4 είναι πολύ θετικά φορτισµένα,περιέχουν arg ή lys σχεδόν κάθε τρίτο AA και δρουν ως αισθητήρες δυναµικού του διαύλου

Οι θηλιές µεταξύ των ελίκων 5 και 6 κάθε επανάληψης δοµούν τον πόρο του διαύλου

Σύγκριση της αλληλουχίας ιοντικών διαύλων

Η δοµή του διαύλου καλίου

Αποτελείται από 1 τετραµερές πανοµοιότυπων υποµονάδων κάθε µια από τις οποίες περιλαµβάνει2 διαµεµβρανικές α-έλικες (αντιστοιχούν στα S5 και S6 του διαύλου Να). Σχηµατισµός 1 πόρουκωνικού σχήµατος που διατρέχει το κέντρο της δοµής του διαύλου.Η διάµετρος του πόρου µεταβάλλεται, ξεκινά από 10 Α στο εσωτερικό, µειώνεται στα 8 Α και στα2/3 της διαδροµής γίνεται 3 Α.

Εξωτερική πλευρά του κυττάρου

Η διαδροµή διαµέσου ενός διαύλου

1 κατιόν Κ που εισέρχεται στον δίαυλο διανύει µια απόσταση 22 Α µέσα στη µεµβράνηενώ παραµένει ενυδατωµένο.Στη συνέχεια η διάµετρος του πόρου στενεύει στα 3 Α και το Κ πρέπει να αποβάλει το νερόκαι να αλληλεπιδράσει µε καρβονυλικές οµάδες ενός τµήµατος 5 συγκεκριµένων καταλοίπωναµινοξέων που λειτουργεί ως φίλτρο επιλογής

Το φίλτρο επιλογής του διαύλου καλίου : Τhr, Val, Gly, Tyr, Gly

Ενας δίαυλος µπορεί να απενεργοποιηθεί µε απόφραξη του πόρου του: το µοντέλοτης σφαίρας και της αλυσίδας. Σύµφωνα µε το µοντέλο αυτό, τα πρώτα 20 αµινοξέα τουδιαύλου καλίου σχηµατίζουν µια κυτταροπλασµατική µονάδα (σφαίρα, κόκκινο) η οποία συνδέεταιµε 1 εύκαµπτο τµήµα του πολυπεπτιδίου (αλυσίδα, πράσινο). Στην κλειστή κατάσταση, η σφαίραβρίσκεται στο κυτταρόπλασµα. Η εκπόλωση της µεµβράνης ανοίγει τον δίαυλο και δηµιουργεί 1 αρνητικά φορτισµένη θέση δέσµευσης για τη θετικά φορτισµένη σφαίρα κοντά στο άνοιγµα τουδιαύλου. Η µετακίνηση της σφαίρας σε αυτή τη θέση αποφράσσει τον δίαυλο και τον απενεργοποιεί.

Οι Χασµατοσυνδέσεις, ή διακυτταρικοί δίαυλοι, εντοπίζονται σε διάκριτες περιοχές της κυτταρικήςµεµβράνης, διασχίζουν τον ενδιάµεσο χώρο µεταξύ των εφαπτόµενων κυττάρων και λειτουργούν ωςδίοδοι µικρών υδρόφιλων µορίων και ιόντων µεταξύ του εσωτερικού εφαπτόµενων κυττάρων. Οιδίαυλοι αυτοί έχουν µια κεντρική οπή, αυλός, διαµέτρου 20 Α και διασχίζουν τον ενδιάµεσο χώρο (τοχάσµα) µεταξύ των εφαπτόµενων κυττάρων. Το πλάτος του χάσµατος είναι περίπου 35 Α. Οιχασµατοσυνδέσεις είναι σηµαντικές για τη διακυτταρική επικοινωνία: γρήγορη και συγχρονισµένηαπόκριση σε ερεθίσµατα και θρέψη κυττάρων που απέχουν από αιµοφόρα αγγεία.

Σχηµατική παρουσίαση µιας χασµατοσύνδεσης. Ενας διακυτταρικός δίαυλος αποτελείταιαπό 12 µόρια συνδετίνης (διαµεµβρανική πρωτείνη, 30-42 kd). 6 µόρια συνδετίνης διατάσσονταισε 1 εξαγωνικό σχηµατισµό για τη δηµιουργία του µισού του διαύλου, που ονοµάζεται συνδετόνιοή ηµιδίαυλος. Τα άκρα 2 συνδετονίων ενώνονται στον µεσοκυτταρικό χώρο και σχηµατίζουν1 λειτουργικό δίαυλο µεταξύ των επικοινωνούντων κυττάρων. Οι διακυτταρικοί διαφέρουν απόάλλους µεµβρανικούς διαύλους ως προς 3 σηµεία: α) διαπερνούν 2 µεµβράνες αντί για 1, β) συνδέουνκυτταρόπλασµα µε κυτταρόπλασµα αντί κυτταρόπλασµα µε τον εξωκυττάριο χώρο ή τον αυλό 1 οργανιδίου και γ) τα συνδετόνια που σχηµατίζουν 1 δίαυλο συντίθενται από διαφορετικά κύτταρα.