Co zaciekawi (bio)fizyka w komórce?

Transkrypt

1 Co zaciekawi (bio)fizyka w komórce?

2 Przykłady komórek Komórki eukariotyczne posiadają jądro komórkowe oraz cytoplazmę, w której znajdują się składniki komórkowe plazmatyczne: błona komórkowa, cytoplazma podstawowa, jądro komórkowe, siateczka śródplazmatyczna, aparat Golgiego, lizosomy, peroksysomy, mitochondria i plastydy; nieplazmatyczne: wakuola i ściana komórkowa.

3 Składniki komórki 1) cytoplazma Cytoplazma jest częścią każdej żywej komórki, leżącą poza jądrem komórkowym. W komórkach eukariotycznych składa się z organelli komórkowych oraz cytoplazmy podstawowej Cytoplazma podstawowa jest koloidem w którego skład wchodzą: przede wszystkim woda (60-90%), A ze związków chemicznych: białka (ok. 20%), cukry lipidy różnorodne sole mineralne.

4 Cytoplazma cd. W niektórych typach cytoplazmy (np. u pierwotniaków) można zaobserwować wyraźnie rozróżnienie na dwa obszary: przylegającą do błony komórkowej (ektoplazmę) "bardziej wewnętrzną" (endoplazmę). Co się dzieje w cytoplazmie? biosynteza białek (translacja) początkowy etap oddychania degradacja białek

5 Cytoplazma się rusza Filmik: Ruch cytoplazmy poprzez kurczliwe mikrofilamenty aktynowe. (odpowiedzialne również za tworzenie i ruch nibynóżek, skurcz mięśni oraz zmiany kształtu niektórych komórek) W zależności od wielkości oraz ilości wakuol w komórce, a także układu włókien aktynowych ruch cytoplazmy wygląda odmiennie. Wyróżniamy ruch rotacyjny, cytoplazma porusza się w jednym kierunku, wokół centralnie położonej wakuoli; cyrkulacyjny, cytoplazma porusza się w wielu kierunkach po mostkach cytoplazmatycznych pomiędzy licznymi, drobnymi wakuolami; pulsacyjny, cytoplazma płynie raz w jednym, raz w drugim kierunku, wokół centralnie położonej wakuoli.

6 Cytoszkielet sieć trudno rozpuszczalnych białek ulegająca ciągłej przebudowie z monomerów w filamenty i odwrotnie bierze udział w ruchu komórki, w transporcie wewnątrzkomórkowym, a także przemieszczaniu się organelli. pełni funkcje ochronną przed urazami mechanicznymi stanowi rusztowanie dla organelli komórkowych odpowiada za sprężystość cytoplazmy Ponadto wpływa na uporządkowane rozmieszczenie enzymów wewnątrzkomórkowych i utrzymanie różnic w lokalnych stężeniach ATP i ADP POST. MIKROBIOL., 2011, 50, 2,

7 Wirusy a cytoszkielet wykorzystywany przez wirusy na różnych etapach cyklu replikacyjnego cząstki wirusowe mogą być transportowane wzdłuż mikrotubul zarówno z obrzeży komórki do jądra komórkowego po połączeniu z dyneiną jak i w kierunku przeciwnym z wykorzystaniem kinezyny-1 komórkach zakażonych niektórymi wirusami mikrotubule wykazują większą stabilność niż w niezakażonych, a wydłużanie dominuje nad skracaniem POST. MIKROBIOL., 2011, 50, 2,

8 Wirusy a cytoszkielet Przykład 1: zakażenie wirusem krowianki:, Wirus powoduje zniszczenie aktynowych włókien naprężeniowych i indukuje tworzenie ogonów aktyny w cytoplazmie zakażonej komórki. Struktury te umożliwiają poruszanie się wirusa wewnątrz cytoplazmy z prędkością 2,8 μm/min oraz ułatwiają przedostawanie się do sąsiednich komórek

9 Wirusy a cytoszkielet Przykład 2: Zakażenie ludzkim herpeswirusem typu 1 Po wniknięciu do komórki, wiriony transportowane są w kierunku jadra komórkowego wzdłuż mikrotubul przy udziale kompleksu białek transportowych Ten efekt dotyczy zarówno komórek nabłonkowych jak i nerwowych Do przemieszczania wirionów w kierunku jadra komórkowego konieczna jest nienaruszona struktura mikrotubul.

10 Rybosom Rybosomy to organella zbudowane z białka i rrna, na których zachodzi synteza białka (translacja) Rybosomy komórek prokariotycznych (i występujące w mitochondriach, plastydach) są mniejsze niż rybosomy eukariotyczne W komórkach, w których zachodzi intensywna translacja rybosomy tworzą skupienia, a poszczególne rybosomy połączone są wspólną nicią mrna

11 Rybosom Liczba rybosomów w komórce eukariotycznej wynosi przeciętnie parę milionów i w dużej mierze zależy od aktywności metabolicznej komórki. Zbudowane są z dwóch podjednostek białkowych: a) mniejszej, do której przyłącza się nić mrna stanowiąca matryce dla syntezy białka; b) większej, do której przyłączają się cząsteczki trna niosące aminokwasy do syntezy łańcucha peptydowego. Małe przypomnienie: Pojawienie się cząsteczki mrna (matrycowy) powoduje aktywację rybosomu. Dopiero wtedy podjednostki łączą się ze sobą. Cząsteczka mrna przesuwa się wzdłuż małej podjednostki, a cząsteczki trna (transportującego RNA) przy udziale enzymów doprowadzają kolejne aminokwasy do rosnącego łańcucha polipeptydowego

12 Mitochondrium Liczebność: mała liczba (kilkaset) mitochondriów charakteryzuje komórki roślinne, niezróżnicowane komórki zwierzęce takie jak komórki nowotworowe, limfocyty, komórki naskórka. Szczególnie dużo ( ) mitochondriów występuje w komórkach wątrobowych, kanalików nerkowych, komórkach mięśnia sercowego.

13 Budowa Błona zewnętrzna to sito molekularne ; jest przenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych, które przepuszcza poprzez specjalne kanały. W błonie tej zlokalizowane jest charakterystyczne dla niej białko transbłonowe poryna. Cząsteczki tego białka tworzą kanały tzw. pory wodne, przez które dyfundują cząsteczki o niskiej masie Błona zewnętrzna zawiera również receptory rozpoznające białka cytoplazmatyczne transportowane do mitochondrium. Błona wewnętrzna jest nieprzenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych a jej przepuszczalność jest kontrolowana przez specyficzne nośniki i pompy. Przez błonę tą przenikają swobodnie jedynie tlen, dwutlenek węgla, woda, amoniak, i substancje hydrofobowe. Transport substancji takich jak jony sodu, wapnia, potasu i wodoru odbywa się za pośrednictwem przenośników wbudowanych w błonę wewnętrzną (translokazy, permeazy)

14 Struktura vs. oddychanie wyróżnia się 2 skrajne stany (formy) metaboliczne (spośród 6): skondensowaną charakteryzującą się znacznym zagęszczeniem matriks poprzez jej skurczenie, wywołane energią pochodzącą bezpośrednio z wolnego łańcucha transportu elektronów. Przestrzenie wewnątrzgrzebieniowe (międzybłonowe) takich mitochondriów są poszerzone, przestrzeń wewnętrzna (matriks) jest obkurczona. Takie mitochondria zawierają mało ATP i występują w komórkach o wysokim poziomie oddychania. ortodoksyjna charakteryzująca się zwężoną przestrzenią wewnątrzgrzebieniową. W stanie tym dochodzi do silnej energizacji błon przez silny przepływ elektronów Mitochondria takie będą występowały w komórkach o zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię i małym zużyciu tlenu.

15 GLIKOLIZA: zachodzi w cytozolu; na tym etapie sześciowęglowa cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie trójwęglowe cząsteczki pirogronianu; zostają też utworzone ATP i NADH; TWORZENIE ACETYLO-CoA: pirogronian jest utleniany do dwuwęglowej cząsteczki octanu, i łączy się z koenzymem A tworząc acetylo-coa; zostaje uwolniony dwutlenek węgla oraz NADH. System transportu elektronów i chemioosmoza: atomy wodoru uwolnione z glukozy są przenoszone na łańcuch akceptorów elektronów; wraz z transportem elektronów z jednego akceptora na drugi, protony są przepompowywane przez błonę (białowo-lipidową) wewnętrzna mitochondrium tworząc gradient stężenia protonów. W procesie chemiosmozy gradient stężenia protonów stanowi źródło energii dla tworzenia ATP. CYKL KWASU CYTRYNOWEGO: octan z acetylo-coa łączy się z czterowęglową cząsteczką szczawiooctanu tworząc sześciowęglową cząsteczkę cytrynianu; z cytrynianu odtwarzany jest szczawiooctan w wyniku czego tworzą się: dwutlenek węgla, ATP oraz NADH i FADH2

16 Rola mitochondrium w śmierci komórki Białka aktywujące apoptozę przemieszczają się z cytoplazmy lub jądra w kierunku błon mitochondriów, gdzie oddziałują z odpowiednimi receptorami Skutkiem tego odziaływania jest spadek potencjału zewnętrznej błony mitochondrialnej, Redukcja potencjału błonowego prowadzi do ucieczki Ca2+ do cytozolu. Wzrost stężenia wolnego wapnia w cytoplazmie powoduje transport tego jonu do wnętrza mitochondriów. ucieczka Ca2+ przez otwarte pory oraz konieczność transportowania go ponownie do organelli powoduje wyczerpanie komórkowego ATP

17 Pochodzenie hipoteza endosymbiozy Duża komórka prokariotyczna mogła "wchłonąć" bakterie tlenowe, które dostarczały jej energii, a z biegiem ewolucji przekształciły się w mitochondria (a nawet chloroplasty). Zgodnie z tą hipotezą błona zewnętrzna mitochondriów jest ewolucyjnie błoną fagosomu (pochodną) błony komórkowej, zaś błona wewnętrzna reprezentuje błonę bakterii. Jakieś dowody? Z pewnym pierwotniakiem (Cyanophora paradoxa) żyją w symbiozie sinice, które pełnią funkcje chloroplastów tego pierwotniaka Organella komórkowe (mitochondria, chloroplasty) są zbliżone wielkością do komórek prokariotycznych Chloroplasty i mitochondria mają własny DNA oraz własne rybosomy, które przypominają rybosomy prokariotyczne Chloroplasty i mitochondria rozmnażają się jak organizmy prokariotyczne, tj. przez przewężenie i podział

18 Lizosomy Pęcherzykowate (0,05-0,5 μm) organella otoczone pojedynczą błoną, odpowiedzialne za trawienie wewnątrzkomórkowe i usuwanie obumarłych części cytoplazmy. Zawierają enzymy (około 40 tzw. hydrolaz) uczestniczące w rozkładzie związków organicznych (cukrów złożonych, białek, tłuszczowców i kwasów nukleinowych) Śmierć komórki: Przy niskim stężeniu tlenu w środowisku enzymy lizosomalne przechodzą przez błonę lizosomu do cytoplazmy, powodując samotrawienie komórki.

19 Aparat Goldiego to organellum występujące we wszystkich komórkach eukariotycznych, zbudowane z obiektów, z których każdy składa się z otoczonych pojedynczą błoną pęcherzyków i cystern ułożonych obok siebie w formie stosu. W jego obrębie wyróżnia się dwa bieguny: tworzenia (strefa wejściowa sąsiaduje z siateczką śródplazmatyczną) dojrzewania (strefa wyjściowa-położona od strony błony komórkowej)

20 Działanie aparatu Goldiego modyfikacja białek utworzonych na rybosomach siateczki śródplazmatycznej, modyfikacje reszt cukrowych synteza polisacharydów: Odgrywa rolę w transporcie wewnątrzkomórkowym funkcje wydzielnicze - stanowi ogniwo przepływu substancji między: siateczką śródplazmatyczną a innymi organellami komórkowymi lub powierzchnią komórki.

21 Siateczka śródplazmatyczna Tworzy ona system błon w postaci kanalików, pęcherzyków i spłaszczonych woreczków. Dwa typy: siateczka szorstka, z licznymi rybosomami na błonie oraz siateczka gładka. W cysternach siateczki śródplazmatycznej znajdują się liczne białka m.in. opiekuńcze uczestniczące w procesie dojrzewania innych białek, wiążące wapń, bo siateczka śródplazmatyczna jest głównym magazynem tego kationu w komórkach

22 W błonie siateczki śródplazmatycznej znajdują się kanały dla jonów wapnia sprzężone z receptorami wrażliwymi na czynniki aktywujące sygnał wapniowy. cd.. Ponadto występuje tam specyficzna pompa wapniowa umożliwiająca akumulację Ca2+ wbrew gradientowi stężenia (kosztem energii uwalnianej w czasie hydrolizy ATP).

23 Kłopoty z wapniem neurony zespół Illya Bezprozvanny`ego (2011) Choroba Huntingtona (HD): Kofeina wywołuje w organizmie różne skutki, a jednym z nich jest otwarcie receptora ryanodine. Stymulacja kofeiną pozwala dodatkowemu wapniowi wejść do komórki. U myszy chorych na HD uwalniane jest zbyt dużo wapnia. A receptor ryanodine może być źródłem tego dodatkowego wapnia. istnieje wiele leków, które zmniejszają przepływ wapnia przez receptor ryanodine. Jeden z nich jest nazywany dantrolene dopuszczony do stosowania lek, który blokuje receptor ryanodine, używany jako rozluźniający mięśnie.

24 Jądro komórkowe Zwykle jest kuliste lub owalne, o wielkości około 3,5 20 μm. U zwierząt jest to największa organella. U ssaków średni rozmiar jądra wynosi około 6 μm i stanowi około 10% objętości ich komórki. Wnętrze jądra zawiera lepki płyn zwany nukleoplazmą, podobny w składzie do cytoplazmy Zawiera większość materiału genetycznego komórki (99%), zorganizowanego w postaci wielu pojedynczych, długich nici DNA związanych z dużą ilością białek, które razem tworzą chromosomy

25 Otoczenie jądra Otoczka jądrowa składa się z dwóch błon, zewnętrznej i wewnętrznej, oddzielonych od siebie zwykle o nm Zewnętrzna warstwa otoczki łączy się z błoną siateczki śródplazmatycznej szorstkiej i jest podobnie jak ona pokryta rybosomami. Przestrzeń pomiędzy błonami łączy się z kanałem szorstkiej siateczki śródplazmatycznej

26 Chromatyna i chromosom Przez większość cyklu komórkowego cząsteczki DNA są w kompleksie z białkami = chromatyna Chromatyna może występować w dwóch postaciach. Euchromatyna to mniej skondensowana forma DNA, zawierająca geny, które są częściej transkrybowane przez komórkę Heterochromatyna to postać skondensowana, zawierająca geny transkrybowane rzadziej. Podczas podziału komórki chromatyna zagęszcza się i formuje dobrze widoczne chromosomy,

27 Komórka układ fizyczny, złożony Układ izolowany, ale otwarty: błony (i ściany) zapewniają utrzymanie granicy faz (przez co również nieciągły) Wyspecjalizowany pod względem budowy oraz procesów życiowych (metabolizm) Rozmnażanie i rozwój kosztem otoczenia Obecność procesów sprzężonych Układ niejednorodny i wieloskładnikowy Układ fluktuujący

28 Komunikacja między komórkami

29 Komórki w mózgu Gen odkryty u muszek owocówek w latach 70 - zmutowany powodował u owadów problemy z chodzeniem i lataniem zidentyfikowano go także u ssaków, jednak do 2012 roku naukowcy nie wiedzieli dokładnie za co jest on odpowiedzialny Brytyjczycy (Stephen Royle) ustalili, że kodowane przez ten gen białko o nazwie stonina 2 warunkuje sprawną komunikację pomiędzy komórkami nerwowymi zablokowanie aktywności stoniny 2 w komórkach zwierzęcych (odpowiedzialnych za uczenie się i pamięć) uniemożliwiało transport pęcherzykowy i neurony nie były w stanie przekazywać sobie substancji chemicznych

30 Bi-Fi Uniwersytet Stanforda (Monica Ortiz i dr Drew Endy) przekazywanie poleceń do komórek za pomocą łagodnego wirusa o nazwie M13 i dokonywanych przez niego infekcji. Odpowiednio spreparowany wirus dzięki informacjom zapisanym w transportowanym DNA może szybko infekować komórki i przekazywać im w ten sposób instrukcje, np. nakazujące wzrost, zbliżenie się lub rozproszenie albo produkcję określonej substancji. wczesnym etapie badań wirus może transportować informację zapisaną w 40 tys. par zasad. Bi-Fi umożliwia szybkie przekazywanie informacji między pojedynczymi komórkami i szybkie dostarczanie skomplikowanych instrukcji, pozwalających na kontrolowanie całych populacji komórek

31 Ciekawostka- Quorum sensing Pierwsza publikacja K.H. Nelsona w Journal of Bacteriology (1970 r.) dotyczyła zjawiska fluorescencji u bakterii Vibrio fischeri i Vibrio harveyi. Bakterie świeciły wyłącznie wewnątrz organizmów morskich (m.in. kałamarnicy Eupryma scopoles ), nigdy zaś jako organizmy wolnożyjące w wodach morskich. Podczas hodowli bakterii okazało się, że mogą je emitować światło przy dużym zagęszczeniu komórek. stężenie sygnałów chemicznych zależało od liczebności danych populacji. populacja w ten sposób informuje o konieczności ograniczenia namnażania

32 Wyczucie większości Co jest skutkiem takiej komunikacji międzykomórkowej? Osłabienie/intensyfiakcja metabolizmu, hamowanie funkcji życiowych, produkcja substancji zewnątrzkomórkowych. Uwaga! Ten sygnaling może też ulec wyciszeniu (quorum quenching) przez produkcję analogów cząstek sygnałowych, blokowanie ich syntezy, degradację enzymatyczną lub działanie czynników fizycznych i chemicznych, takich jak temperatura i ph. Czy grzyby plotkują? Signaling i quorum sensing zjawiska warunkujące komunikację drobnoustrojów Mikologia Lekarska 2008, 15 (3):

33 Oszuści w społeczności Zaobserwowano, że w populacji mogą pojawiać się osobniki z mutacją w genie czynnika (transkrypcyjnego) łączącego się normalnie z cząsteczką sygnałową. Pojawiają się zatem osobniki głuche na polecenia, niepodejmujące np. syntezy koniecznych do przeżycia społeczności związków, ale z nich korzystające i rozwijające się szybciej w wyniku mniejszego wydatkowania energii. Gdy zjawisko to zaczyna się rozszerzać i populacja oszustów staje się zbyt liczna- społeczności grozi zakłada, wtedy kolejna cząsteczka sygnałowa QSM indukuje procesy naprawcze i mutacje kompensacyjne w DNA

34 Komunikacja jak działa? Postępy mikrobiologii, 2005, 44, 2,

35 Przykład autoinduktora cząsteczki AHL (bakterie gram-ujemne) mogą swobodnie dyfundować przez ścianę komórkową bakterii i akumulować się w otaczającym środowisku. Cząsteczki AHL mogą być także przenoszone z udziałem pompy protonowej Sposób migracji cząsteczek AHL na zewnątrz komórki zależy od liczby atomów węgla w łańcuchu tłuszczowym. mające krótki łańcuch kwasu tłuszczowego (4-6 atomów węgla) swobodnie dyfundują do wnętrza i na zewnątrz błony komórkowej o dłuższych łańcuchach kwasu tłuszczowego (powyżej 6 atomów węgla), są przenoszone z udziałem pompy protonowej Postepy Hig Med Dosw. (online), 2010; 64:

36 Co prowadzi do zmiany ekspresji genów? Gdy stężenie cząsteczek sygnalizacyjnych w otaczającym komórki bakteryjne środowisku osiągnie odpowiedni poziom, AHL wiążą się i uaktywniają rodzinę białkowych regulatorów transkrypcyjnych LuxR. Przykład: W komórkach Vibrio fischeri LuxR łącząc się z autoinduktorem, oddziałuje z fragmentem DNA, co prowadzi do modulacji procesu transkrypcji genów Białko LuxR jest cząsteczką złożoną z 250 aminokwasów. Fragment C-końcowy łańcucha polipeptydowego jest odpowiedzialny za bezpośrednie oddziaływanie z DNA. Fragment N-końcowy łańcucha jest odpowiedzialny za rozpoznawanie i wiązanie cząsteczek AHL. W obecności cząsteczki AHL, to białko LuxR zmienia konformację i ulega aktywacji - rozpoczyna transkrypcję genów.

37 Bakterie Gram ujemne i dodatnie Ten podział wynika ze struktury ściany komórkowej

38 Gram ujemne przestrzeń periplazmatyczna z białkami związanymi z opornością na antybiotyki pojedyncza warstwa peptydoglikanu, zbudowanego podobnie jak u bakterii Gram-dodatnich. błona zewnętrzna zbudowana z dwóch warstw lipidów oraz białek. Wewnętrzna warstwa lipidowa to fosfolipidy, zewnętrzna warstwa zaś cząsteczki lipopolisacharydu (LPS). LPS złożony jest z położonego w obrębie błony lipidu A i polisacharydu rdzeniowego z sięgającym na zewnątrz łańcuchem O-swoistym. Białka błony zewnętrznej to różne enzymy, białka związane z aktywnym transportem różnych substancji oraz poryny tworzące kanały w błonie, przez które mogą przechodzić cząsteczki, które nie mogą bezpośrednio przeniknąć przez błonę zewnętrzną.

39 Śmierć komórki

40 Śmierć vs. umieranie komórki W procesie umierania komórki można wyodrębnić trzy kolejne etapy: sygnalizacyjny - odebranie i przekształcenie docierających sygnałów wewnętrznych i zewnętrznych; egzekutorowy - maszyneria biochemiczna prowadzi komórkę do śmierci oczyszczający - usunięcie pozostałości komórki z organizmu w trakcie lub po jej śmierci Pierwszy jest we wszystkich przypadkach konieczny, dwa pozostałe już nie są natychmiastowe i konieczne. Czyli mamy komórkę umierającą, lecz żywą i komórkę martwą. POCHODZENIE I EWOLUCJA ŚMIERCI KOMÓRKI, POSTĘPY BIOLOGII KOMÓRKI TOM NR 4 ( )

41 Typy śmierci komórki czynniki zewnętrzne Nekroza - katastrofa bioenergetyczna wynikająca z wyczerpania zasobów ATP (i, prawdopodobnie NAD+), której przejawami morfologicznymi są: pęcznienie komórki i jej organelli, przerwanie ciągłości błony komórkowej oraz zmiany w organizacji jądra i chromatyny Zaktywowane endonukleazy tną DNA na przypadkowe fragmenty o zróżnicowanej wielkości. W ostatnim etapie martwicy dochodzi do rozpuszczenia komórki pod wpływem uwolnionych enzymów lizosomalnych.

42 Apoptoza aktywna śmierć Wymaga dostarczenia ATP. Przejawy morfologiczne: obkurczenie komórki, kondensacja i chromatyny, fragmentacja DNA, utrzymywanie integralności błony komórkowej do późnych faz procesu Oraz formowanie ciałek apoptotycznych, wchłanianych przez komórki sąsiednie lub wyspecjalizowane komórki żerne uznaje się, że apoptotyczna śmierć komórki nie ma miejsca u organizmów, których komórki otoczone są ścianą komórkową (rośliny, grzyby)

43

44 Autofagia intensywne nagromadzenie autofagosomów dalej wakuolizacja cytoplazmy Może prowadzić do eliminacji całych skupisk komórkowych. początkowo zaobserwowano drożdży, a następnie u roślin kwiatowych. Uwagi: autofagia jest procesem umożliwiającym: Przetrwanie komórek w okresach niedoboru składników pokarmowych Rozkład składników komórki przed śmiercią

45 Podsumowując