Τόμος 9 (1991) – Τεύχος 3 – Άρθρο 1 – Επιθεώρηση Κλινικής Φαρμακολογίας και Φαρμακοκινητικής-Ελληνική Έκδοση – Volume 9 (1991) – Issue 3 – Article 1 – Epitheorese Klinikes Farmakologias και Farmakokinetikes-Greek Edition

 

Τίτλος – Title
Κυτταρικές μεμβράνες και ο ρόλος τους στη δίοδο διαμέσου τους βιολογικών ου­σιών και φαρμάκων. Σύγχρονη θεώρηση
Cellular membranes and their role in the transportation of biological sub­stances and drugs
Συγγραφέας – Author Σ.T. ΠΛΕΣΣΑΣ και Χ.T. ΠΛΕΣΣΑΣ
S.T. PLESSAS and C.T. PLESSAS
Παραπομπή – Citation ΦΑΡΜΑΚΟΝ-Τύπος: Επιθεώρηση Κλιν. Φαρμακολ. Φαρμακοκινητ.

9: 133-166 (1991)

PHARMAKON-Press: Epitheorese Klin. Farmakol. Farmakokinet.

9: 133-166 (1991)

Ημερομηνία Δημοσιευσης – Publication Date Ιούλιος 1991 – July 1991
Γλώσσα Πλήρους Κειμένου –
Full Text Language
Ελληνικά – Greek
Παραγγελία – Αγορά –
Order – Buy
Ηλεκτρονική Μορφή: pdf (15 €) –
Digital Type: pdf (15 €)
pharmakonpress[at]pharmakonpress[.]gr
Λέξεις κλειδιά – Keywords Κυτταρικές μεμβράνες, λιποειδής διπλοστοιβάδα, κυτταρικές πρωτεΐνες, δίοδος βιοενεργών ουσιών, παθητική διάχυση, βοηθητική διάχυση, ενεργή μεταφορά, πρωτεΐνες-μεταφορείς, ιοντοφόρα, μεμβρaνικά δυναμικά, Νa++-ΑTΡάση, ενδοκυττά-ρωση μέσω υποδοχέων, Εξωκυττάρωση

Cell membranes, lipid bilayer, cellular proteins, passage of substances, passive diffusion, facilitated diffusion, active transport, carrier-proteins, ionophores, membrane potential, and Na+-K+ ATPase, receptor-mediated endocytosis, exocytosis

Λοιποί Όροι – Other Terms Άρθρο
Article
Περίληψη – Summary Οι κυτταρικές μεμβράνες είναι δομές υψηλού ιξώδους ακόμη και πλαστικές, που περιβάλλουν όλα τα ζώντα κύτταρα. Βασικά αποτελούνται από λιποειδή διπλοστοιβάδα, μια φυλλοειδή δομή από δύο στοιβάδες μορίων λιπιδίων, ειδικότερα από φωσφολιπίδια (φωσφα­τιδυλ-γλυκερόλες φωσφατιδυλχολίνη, φωσφστι­δυλαιθανολαμίνη, φωσφατιδυλσερίνη και φω­σφατιδυλινοσιτόλη), σφιγγολιπίδια και χοληστε­ρόλη. Τα μόρια των λιπιδίων είναι διατεταγμένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι πολικές τους κεφαλές – το γλυκερυλφωσφορικό τμήμα που είναι ενωμένο με αιθανολαμίνη, χολίνη, σερίνη ή ινοσιτόλη (περίπτωση φωσφολιπιδίων), το σφιγγοσινοφω­σφορικό τμήμα, συνδεδεμένο με χολίνη (περί­πτωση σφιγγολιπιδίων) ή το υδροξύλιο της χοληστερόλης – να προσανατολίζονται προς τα υδατικά μέσα τα παρακείμενα προς τις δύο επιφάνειες της μεμβράνης, ενώ τα υδρόφοβα τμήματά του – οι ανθρακαλυσίδες των φωσφο­λιπιδίων και των σφιγγολιπιδίων ή το κύριο μόριο της χοληστερόλης – καταλαμβάνουν το εσωτερικό κέντρο της μεμβράνης. Μόρια ενσωματωμένων πρωτεϊνών διαπερνούν όλο το πάχος της μεμ­βράνης (διαμπερείς πρωτεΐνες). Αυτές είναι ε­γκλεισμένες στη διπλοστοιβάδα μέσω αντιδρά­σεων ενός ή περισσότερων τμημάτων τους με τις σκυλαλυσίδες των λιπαρών οξέων του υδρόφο­βου κέντρου της διπλοστοιβάδας. Εξάλλου, περιφερειακές πρωτεΐνες της μεμβράνης είναι συν­δεδεμένες είτε με ενσωματωμένες πρωτεΐνες ατην εσωτερική πλευρά της μέσω ειδικών αντιδράσεων τύπου πρωτεΐνης-πρωτεΐνης και είναι κατά κύριο λόγο υδρόφιλες (όπως οι κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες) είτε με υδρόφιλο άκρο λιπιδίων στις δύο πλευρές της μεμβράνης μέσω αντιδράσεων πρωτεΐνης-λιπιδίου. Οι διαμπερείς πρωτεϊνες συ­χνά είναι πρωτεΐνες-μεταφορείς που αντιδρούν εκλεκτικά με μόρια τα οποία μεταφέρουν στον ενδοκυττάριο χώρο, άλλες σχηματίζουν διαύλους (πρωτεΐνες-δίαυλοι) που διευκολύνουν τη μετα­φορά ιόντων (Να+ , Κ+ , Ca2+) στο εσωτερικό του κυττάρου και άλλες αποτελούν συστατικό μέρος αντλιών, όπως είναι η ενεργοποιημένη Να+, Κ+-­ΑΤΡάση η οποία είναι η βάση της αντλίας νατρίου-χαλίου. Ορισμένες άλλες κυτταρικές πρωτεΐνες εντοπίζονται είτε στην κυτταρική μεμ­βράνη είτε ενδοκυττάρια και χρησιμεύουν σαν υποδοχείς φαρμάκων, νευροδιαβιβαστών, ορμο­νών και άλλων βιοενεργών μορίων. Στην εξω­τερική επιφάνεια της μεμβράνης σχηματίζονται γλυκολιπίδια ή γλυκοπρωτεΐνες στα οποία συμμε­τέχουν αλυσίδες μονοσακχαριτών (γαλακτόζη, μανόζη, φουκόζη), παράγωγα αμινοσακχάρων (Ν-ακετυλγλυκοζαμίνη, Ν-ακετυλγαλακτοζαμίνη), ή προϊόντα σύνδεσής τους με πυρουβικό οξύ όπως τα σιαλικά οξέα (π.χ. το – Ν-ακετυλνευρα­μινικό οξύ). ‘Ολα αυτά τα συστατικά της μεμ­βράνης μπορεί να εκδηλώσουν κινητικότητα για μια περίοδο λεπτών μέχρι ημερών κατά μια διεύθυνση πλευρική ή διαμπερή, στην οποία οφείλεται και η ονομασία της θεωρίας του ρευστού μωσαΐκού για τις βιολογικές μεμβρά­νες. Η ρευστότητα, και κατά συνέπεια οι μετα­βολές φάσεων των μεμβρανών, εξαρτάται σε υψηλό βαθμό, από τη σύστασή τους σε λιπίδια, ενώ η χοληστερόλη, που δρα και σαν μετρια­στής, ευθύνεται νια τις ενδιάμεσες καταστάσεις της ρευστότητας. Τα ανόργανα συστατικά των κυτταρικών μεμβρανών αποτελούνται (α) από μόρια νερού συνδεδεμένα με τη μεμβράνη, την οποία και επικαλύπτουν με πολικές ιονισμένες ομάδες εμποδίζοντας έτσι την ικανότητα πρωτεϊ­νών να την διαπεράσουν και (β) από ιόντα (κυρίως Ca2+) τα οποία μπορεί να διαχωρίσουν τις αρνητικά φορτισμένες κεφαλές των λιπιδίων και να μεταβάλλουν την κατανομή των φορτίων στη μεμβράνη. Στις κύριες λειτουργίες των κυτταρι­κών μεμβρανών περιλαμβάνονται (a) η δίοδος βιολογικών ουσιών ή άλλων μικρών μορίων μέσα ή έξω από τα κύτταρα, (β) η μεταγωγή σημάτων από ορμόνες ή φάρμακα, που δρουν σε θέσεις υποδοχέων επί της εξωτερικής επιφανείας της μεμβράνης προς συστήματα εντοπιζόμενα στο εσωτερικό του κυττάρου, (γ) η σύνδεση κυτταρο­σκελετικών στοιχείων και συστατικών του εξωκυττάριου χυμού και (δ) η ενζυμική κατάλυση μεταβολικών αντιδράσεων. Η κυτταρική μεμβρά­νη δεν είναι μόνο ασύμμετρη μορφολογικά, αλλά και ηλεκτρικά, με αποτέλεσμα να λαβαίνουν χώρα διεγέρσεις ή αναστολές σαν συνέπεια μεταβολών στην κατανομή των ιόντων εντός και εκτός του κυττάρου. Η πλασματική μεμβράνη, λόγω της δομής της εμφανίζει εκλεκτική διαπερατότητα στη δίοδο ουσιών και δρα σαν φραγμός διατη­ρώντας έτσι διαφορές στη σύνθεση του ενδοκυτ­τάριου και του εξωκυττάριου χώρου. Οι εκλεκτι­κές διαπερατότητες οφείλονται σε διαύλους και αντλίες για ιόντα και υποστρώματα και ειδικούς υποδοχείς για σήματα. Η μεταφορά ουσιών διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης γίνεται (α) με διάχυση, είτε μέσω πόρων που καταλαμβάνο­νται από μόρια νερού (υπερδιήθηση) και παρα­κυττάριων χώρων ή άμεσα μέσω της λιποπρω­τεϊνικής δομής της (παθητική διάχυση), με μια ταχύτητα καθοριζόμενη από τις διαφορές των συγκεντρώσεων της ουσίας εντός και εκτός του κυττάρου και από την πτώση του ηλεκτροχημι­κού δυναμικού και (β) με διεργασίες, στις οποίες συμμετέχουν μεταφορείς-πρωτεΐνες, διακρινόμε­νες σε βοηθητική διάχυση και σε ενεργή μετα­φορά. Τα συστήματα μεταφοράς είναι είτε μονο­μεταφορικά (μεταφορά ενός τύπου μορίων και προς τις δύο κατευθύνσεις) είτε συμμεταφορικά, στα τελευταία η μεταφορά ουσίας εξαρτάται από τη στοιχειομετρική μεταφορά (ταυτόχρονη ή μεταγενέστερη) μιας άλλης ουσίας κατά την ίδια κατεύθυνση (μονόδρομη συμμεταφορά) ή προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η βοηθητική διάχυση χωρεί ταχύτερα από την απλή διάχυση, λόγω της παρέμβασης του μεταφορέα που μπορεί να κορεστεί άλλά όχι αντίθετα προς την πτώση συγκέντρωσης ή ηλεκτροχημικού δυναμικού. Οι ενεργές μεταφορές χωρούν αντίθετα προς την πτώση συγκέντρωσης ηλεκτροχημικού δυναμι­κού, υδροστατικής ή οσμωτικής πίεσης, δη­μιουργώντας μια επιλεκτική συγκέντρωση ορισμέ­νης ουσίας στη μια πλευρά βιολογικής μεμβρά­νης. Οι κινήσεις αυτές απαιτούν παροχή ενερ­γείας και επιπρόσθετα συχνά την ύπαρξη μετα­φορέα, π.χ. ενεργοποιημένη Να++,Mg2+-ΑΤΡάση. Τα μόρια-μεταφορείς είναι συνήθως διαμεμβρα­νικές πρωτεΐνες οι οποίες υπάρχουν σε 2 κύριες διαμορφωτικές καταστάσεις. Στη μια κατάσταση το μόριο του μεταφορέα είναι εκτεθειμένο στις υψηλές συγκεντρώσεις της προς μεταφορά ου­σίας και/ή έχει μια ή περισσότερες ειδικές θέσεις σύνδεσης υψηλής συγγενείας για την ουσία. Η μεταφορά λαβαίνει χώρα όταν μετά από διαμορ­φωτική μεταβολή του μεταφορέα αυτός εκτίθεται σε χαμηλότερη συγκέντρωση και/ή στη δεύτερη αυτή διαμόρφωση η συγγένεια της ουσίας για τις θέσεις σύνδεσης του μεταφορέα είναι μικρότερη από ό, τι στην αλλη διαμόρφωσή του. H διαμορ­φωτική μεταβολή μπορεί να οφείλεται είτε στο σχηματισμό του συμπλόκου μεταφορέα-ουσίας (βοηθητική διάχυση) είτε σε υδρόλυση ΑΤΡ (ενεργή μεταφορά) ή πτώση συγκέντρωσης ιό­ντος. Μερικά αντιβιοτικά διευκολύνουν τη δίοδο ειδικών ιόντων διαμέσου μεμβρανών (ιοντοφόρα). Τα μόρια των ιοντοφόρων περιέχουν υδρόφιλα κέντρα τα οποία συνδέονται με ιόντα και περι­βάλλονται από περιφερειακές υδρόφοβες περιο­χές, σχηματίζοντας έτσι ένα τρισδιάστατο κλωβό που επιτρέπει να διαλυτοποιηθούν τα μόρια της ουσίας στη μεμβράνη και να διαχυθούν αε αυτή. Μακρομόρια, όπως ορισμένες πεπτιδικές ορμό­νες διάφοροι αυξητικοί παράγοντες, αντισώ­ματα και άλλες ουσίες, μπορούν να διαπεράσουν την κυτταρική μεμβράνη με υγρής-φάσης πινο­κυττάρωση και με ενδοκυττάρωση μέσω υποδο­χέα. Η τελευταία διεργασία είναι εκλεκτική και χωρεί σε κοιλότητες της μεμβράνης επικαλυμμέ­νες με μόρια κλαθρίνης (περιφερειακή πρωτεΐνη της μεμβράνης). Στις κοιλότητες αυτές η προς μεταφορά ουσία συνδέεται με υποδοχείς της. Οι επικαλυμμένες κοιλότητες σχηματίζουν επικαλυμμένα κυστίδια, τα οποία αποκόπτονται από τη μεμβράνη και εισέρχονται στο κυτταρόπλασμα, σε αυτό χάνουν την κλαθρίνη και τήκονται με άλλα ενδοκυτταρικά κυστίδια σχηματίζοντας τα ενδο­σώματα. Τα σύμπλοκα υποδοχέα-ουσίας ακολου­θούν μια από τις 4 πορείες: (α) ο υποδοχέας ανακυκλώνεται και η ουσία αποικοδομείται, (β) υποδοχέας και ουσία ανακυκλώνονται, (γ) υποδο­χέας και ουσία αποικοδομούνται και (δ) υπο­δοχέας και ουσία μεταφέρονται σε άλλη κυττα­ρική επιφάνεια. Ορισμένα κύτταρα απελευθερώ­νουν μακρομόρια προς τον εξωκυττάριο χώρο με τη διεργασία της εξωκυττάρωσης.

Cell membranes are highly viscous yet plastic structures surrounding all living cells. Their basic structure is the lipid bilayer, a sheetlike structure consisting of two layers of lipid molecules, i.e. phospholipids (phosphatidylglycerol, phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine and phosphatidylinositol), sphingolipids and cholesterol, the lipid molecules are aligned so that their polar heads — glycerly phosphate attached to ethanolamine, choline, serine or inositol in the case of phospholipids, sphin­gosine phosphate attached to chοline in the case of sphingolipids or the terminal hydroxyl group of cholesterol — face the adjacent aqueous milieu, while the hydrophobic portions — hydrocarbon chains of phospholipids and sphingolipids or the main bulk of the chole­sterol molecule — occupy the internal core of the membrane.

Integral (or intrinsic) protein molecules span the full width of the membrane (transmem- brαne proteins); they are embedded in the bilayer by interaction of one or more of their regions with fatty acyl chains in the hydro­phobic core. Peripheral membrane proteins are attached either to integral proteins at the inner side of the membrane by specific protein-protein interactions and are predominantly hydrophilic (like cytoplasmic proteins) or to the hydώphilic ends of lipids at either surface by specific lipid-protein interactions. Transmem­brane proteins are often carrier-proteins which interact selectively with solutes and transfer them into the intracellular space; in some occasions they form channels (channel pro­teins) which facilitate the transport of ions (Na+, Κ+, Ca2+) into the cell. A transmembrane protein is also the Na++ activated ATPase, which consists the physical basis of sodium-potas­sium pump. A number of cellular proteins, localized either on plasma membrane or intra­cellularly, serve as receptors for drugs, neuro­transmitters hormones and other bioactive molecules.

Glycolipids or glycoproteins are formed on the outer surface of the membrane by the attachment of different polymeric arrangement of monosaccharides (galactose, manose, fucose i.e. 6-desoxygalactose), amino-sugar derivatives (N-acetylglucosamine, N-acetyl galactosamine), or one of these condensed with pyruvate: the sialic acids (e.g. N-acetyl neuraminic acid). All these constituents can manifest mobility over periods of minutes to days in a lateral or, in a transverse (flip-flop across the membrane) direction — the fluid mosaic model of biologic membranes. The fluidity, and thus the phase changes of cell membranes, is highly depen­dent upon their lipid composition, while chole­sterol also acts as a moderator molecule producing intermediated states of membrane fluidity.

The inorganic components of cell membra­nes include (a) membrane-bound water which coats polar ionized groups and thus tends to restrict the transverse mobility of proteins; (b) ions (particularly Ca+) which can separate negatively charged heads of phospholipids and thus alter the charge distribution within the membrane.

The main functions of cell membranes include (a) transportation of biologic substances or other small molecules into or out of cells; (b) transduction of signals from hormones or drugs acting at receptor sites on the outer side of the membrane to systems in the interior of the cell; (c) anchoring of cytoskeletal elements and components of the extracellular matrix; and (d) enzymic catalysis of metabolic re­actions.

Cell membrane is not only asymmetric morphologically, but also electrically so that excitation or inhibition can occur by an appro­priate alteration of the ionic disposition inside or outside. The plasma membrane, due tο its structure, has selective permeabilities and acts as a barrier, thereby maintaining differences in composition between the inside and the out­side of the cell. The selective permeabilities are provided by channels and pumps for ions and substrates and by specific receptor for signals.

Transport across the plasma membrane can occur (a) by diffusion, either through water-filled pores (ultrafiltration), paracellular spaces or directly via the lipoprotein structure (passive diffusion); the diffusion rate is determined by the differences in substance concentration (outside and inside the cell) and electroche­mical gradient; (b) by protein-carrier-mediated processes which can be either. facilitated diffusion or active transport.

Transport systems can be classified as uniport systems that. move one type of mole­cules bidirectionally and as cotransport sy­stems, in which the transfer of one solute depends upon the stoichiometric transfer (si­multaneous or sequential) of another solute in the same direction (symport systems) or in opposite directions (antiport systems). Facili­tated diffusion proceeds more rapidly than simple diffusion due to the intervention of a specific, saturable carrier system, but cannot occur against a gradient. Active movements can proceed against concentration, electrical, hydrostatic or osmotic gradients producing a selective concentration of a particular sub­stance at one side of a biological membrane; these movements require an energy supply and, often in addition, a carrier substance, e.g. Na+, K+, Mg-activated ATPase. Carrier-mole­cules are often transmembrane proteins which exist in 2 main conformational states. In the one state the carrier molecule is exposed to high concentrations of solute and/or has one or more specific binding sites of high affinity for the solute. Transport occurs when a conformational change exposes the carrier molecule to a lower concentration of solute and/or in this second conformational state the affinity of the solute for the binding sites is lesser than in the other state. Conformations change may be due either to the formation of the carrier-solute complex (facilitated diffusion) or to the ATP hydrolysis or to an ion gradient.

Some antibiotics act by facilitating the passage of specific ions across membrane (ionophores); these molecules contain hydro­philic centers that bind the ions and are surrounded by peripheral hydrophobic regions, thereby forming a three-dimensional        cage which allows the molecules to dissolve in the membrane and diffuse therein.

Macromolecules, such as some peptide hormones, growth factors, antιbοdies and other substances, can traverse the cell membrane by fluid-phase pinocytosis, and by receptor-media­ted endocytosis. The latter process is selective and occurs in coated pits lined with the protein clathrin, a peripheral membrane protein. These coated pits become pinched off from the cell surface to form coated vesicles. After inter­nalization, the vesicles shed their clathrin coats and then fuse with one another to form endosomes. The receptor-ligand complexes fol­low one of these four pathways: (a) the receptor is recycled and the ligant degra­ded; (b) both the receptor and the ligand are recycled; (c) both the receptor and the ligand are degraded; and (d) both the receptor and the ligand are transported to another cell surface. Most cells also release macromolecules to the exterior by exocytosis.

Αναφορές – References
  1. J.B. Finean, R. Coleman, R.Η. Mitchell (eds): Membranes and their Cellular Functions, Blackwell Scientific Pu­blications, Oxford, 1984.
  2. Darnell, J., Lodish, H., Baltimore, D.: The plasma membrane. in: Molecular Cell Biology, ch. 14, Scienti­fic American Books, New York, 1986
  3. Singer, S.J., Nicolson, G.L.: The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 175: 720 (1972)
  4. deDuve, C.: Une visite guidée de la cellule vivante. p. 437, De Boeck-Wesmael, S.A., Bruxelles, 1987
  5. Pagano, R.E., Sleight, R.G.: Emerging problems in the cell biology of lipids. Trends Biochem. Sci. 10: 421 ( 1985)

Online ISSN 1011-6575

Άρθρα Δημοσιευμένα σε αυτό το Περιοδικό Καταχωρούνται στα:

Chemical Abstracts

Elsevier’s Bibliographic Databases: Scopus, EMBASE, EMBiology, Elsevier BIOBASE
SCImago Journal and Country Rank Factor

Articles published in this Journal are Indexed or Abstracted in:
• Chemical Abstracts
• Elsevier’s Bibliographic Databases: Scopus, EMBASE, EMBiology, Elsevier BIOBASE
SCImago Journal and Country Rank Factor

Τι είναι η Επιθεώρηση Κλινικής Φαρμακολογίας και Φαρμακοκινητικής-Ελληνική Έκδοση-Οδηγίες προς τους Συγγραφείς 
What is Epitheorese Klinikes Farmakologias και Farmakokinetikes-Greek Edition-Instrunctions to Authors

Άρθρα Δημοσιευμένα στην Επιθεώρηση Κλινικής Φαρμακολογίας και Φαρμακοκινητικής-Ελληνική Έκδοση
Articles Published in Epitheorese Klinikes Farmakologias και Farmakokinetikes-Greek Edition

Συντακτικη Επιτροπή-Editorial Board

ΕΤΗΣΙΑ ΣΥΝΔΡΟΜΗ 1991 – ANNUAL SUBSCRIPTION 1991
Γλώσσα Πλήρους Κειμένου – 
Full Text Language
Ελληνικά – Greek
Παραγγελία – Αγορά –
Order – Buy
Ηλεκτρονική Μορφή: pdf (70 €) –
Digital Type: pdf (70 €)pharmakonpress[at]pharmakonpress[.]gr
Έντυπη Μορφή (70 € + έξοδα αποστολής)
Printed Type (70 € + shipping)pharmakonpress[at]pharmakonpress[.]gr

 

 

Προσθέστε στους σελιδοδείκτες το μόνιμο σύνδεσμο.

Τα σχόλια είναι απενεργοποιημένα.