Organelle komórkowe. Retikulum endoplazmatyczne. Rybosomy. Translacja. Aparat Golgiego. Lizosomy. Transport wakuolarny. Mechanizmy sekrecji

Transkrypt

1 Organelle komórkowe. Retikulum endoplazmatyczne. Rybosomy. Translacja. Aparat Golgiego. Lizosomy. Transport wakuolarny. Mechanizmy sekrecji komórkowej. Autofagia i heterofagia. Proteasomy, peroksysomy, mitochondria.

2 Gładka siateczka śródplazmatyczna (SER) FUNKCJE: metabolizm tłuszczów (miejsce syntezy lipidów: fosfolipidów, cholesterolu i jego pochodnych: hormonów steroidowych i in.) gromadzenie Ca 2+ w dużym stężeniu - białko kalsekwestryna detoksykacja szkodliwych metabolitów, leków i ksenobiotyków (szczególnie w wątrobie)

3 Szorstka siateczka śródplazmatyczna (RER) Zachodzi tu synteza białek kierowanych do błony komórkowej, błon organelli, enzymów lizosomalnych oraz białek wydzielniczych W cysternach RER białka uzyskują trzecio rzędową strukturę i są glikozylowane (proces enzymatycznego dołączenia reszty cukrowcowej do innej cząsteczki (np. białka) W ciągu kilku minut od syntezy właściwie sfałdowane białka transportowane są w drobnych pęcherzykach do AG Molecular Biology of the Cell, 4th ed.

4 Budowa rybosomu: rrna i białka rrna to główny składnik rybosomów (2/3 masy) Pełni rolę strukturalną i katalityczną Katalizuje reakcję tworzenia wiązań peptydowych

5 nie jest zjawiskiem stałym Związek rybosomów z siateczką rybosomy przyłączają się tylko wtedy, gdy syntetyzują białka, które powinny zostać odseparowane błoną od składników cytoplazmy, bądź też zostać wbudowane w błonę po przemieszczeniu się peptydów przez błonę lub po ich wbudowaniu w błonę, rybosomy wchodzące w skład polisomu odpadają od błony siateczki przyłączanie się dużych podjednostek rybosomów do siateczki następuje w tych samych miejscach translacja białek wydzielniczych rozpoczyna się od syntezy sekwencji aminokwasów zwanej peptydem sygnałowym

6 Cząsteczka mrna ulega translacji w 3 etapach: ETAP 1 - cząsteczka aminoacylo-trna wiąże się z pustym miejscem A na rybosomie; ETAP 1 rosnący łańcuch polipeptydowy wprowadzony aminoacylo-trna ETAP 2 - powstaje nowe wiązanie peptydowe; ETAP 3 - cząsteczka mrna przesuwa się względem małej podjednostki rybosomu o trzy nukleotydy, co prowadzi do usunięcia wykorzystanej cząsteczki trna i pozwala ponownie przyłączyć kolejną cząsteczkę aminoacylo-trna. ETAP 2 ETAP 3 Cząsteczka mrna ulega translacji w kierunku od końca 5 do końca 3, wskutek czego najpierw powstaje koniec aminowy białka (N), a każdy cykl dodaje jeden aminokwas do końca karboksylowego (C) łańcucha polipeptydowego. ETAP 1 Miejsce, w którym rosnący łańcuch polipeptydowy jest przyłączony do trna, nie ulega zmianie podczas wszystkich cykli wydłużania - jest on zawsze związany z trna obecnym w miejscu P dużej podjednostki. ETAP 2 źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki E

7 Wolne rybosomy (niezwiązane z błonami) syntetyzują białka pozostające w komórce, natomiast w RER powstają białka wydzielane przez komórkę, enzymy lizosomalne i białka integralne błon komórkowych Molecular Biology of the Cell, 4th ed.

8 Rybosomy prowadzące translację białek cytozolowych, pozostają wolne w cytozolu. mrna kodujący białko cytozolowe pozostaje wolny w cytozolu wolne polirybosomy w cytozolu Do każdej cząsteczki mrnajest przyłączonych wiele rybosomów tworzących polirybosom Rybosom, który rozpoczął syntezę białka przeznaczonego do ER jest kierowany do błony ER przez sekwencję sygnałową na łańcuchu polipeptydowym. wspólna pula podjednostek rybosomowych w cytozolu sekwencja sygnałowa kierująca do ER Pod koniec cyklu podjednostki rybosomowe zostają uwolnione i włączone do wspólnej ich puli w cytozolu. mrna kodujący białko kierowane do ER pozostaje związany z błoną błona ER polirybosom przyłączony do błony ER przez liczne rosnące łańcuchy polipeptydowe Ta sama pula rybosomów jest używana do syntezy zarówno białek pozostających w cytozolu, jak i białek transportowanych do organelli błonowych, łącznie z ER

9 Sekwencja sygnałowa kierująca do ER i SRP doprowadzają rybosom do błony ER uwolniona SRP wraca do ponownego użycia mrna rybosom cząstka rozpoznająca sygnał (SRP) cytozol sekwencja sygnałowa kierująca do ER na rosnącym łańcuchu polipeptydowym receptor SRP w błonie ER kanał translokacyjny światło ER SPR wiąże się z eksponowaną sekwencją sygnałową kierującą do ER i z rybosomem, przyhamowując przez to syntezę białka na rybosomie. Następnie kompleks SRP-rybosom wiąże się z receptorem SRP występującym w błonie ER. SRP zostaje uwolniona, przekazując rybosom do kanału translokacyjnego w błonie ER. Łańcuch polipeptydowy wnika do białkowego kanału translokacyjnego w błonie ER i rozpoczyna się jego przemieszczanie przez dwuwarstwę lipidową. źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

10 Aparat Golgiego Aparat Golgiego zbudowany jest ze spłaszczonych woreczków błonowych - cystern (zwykle 6-30) oraz połączonych z nimi licznych rurek i pęcherzyków. Modyfikacje białek w AG: Glikozylacje Sulfatacje Acetylacje Fosforylacje Metylacje Układ taki, nazywany diktiosomem, posiada powierzchnię cis, czyli syntezy, i powierzchnię trans, czyli dojrzewania. Strefa cis sąsiaduje z RER, natomiast strefa trans jest zorientowana ku błonie komórkowej. Funkcje: chemiczne modyfikacje białek i cukrowców, sortowanie błon, formowanie lizosomów pierwotnych, synteza oligosacharydów segregacja makrocząsteczek

11 Lizosomy Pęcherzyki, otoczone błoną lipidowo-białkową o średnicy do 1 μm Zawierają enzymy hydrolityczne: proteazy, lipazy, fosfolipazy, glikozydazy, nukleazy, fosfatazy, sulfatazy optimum aktywności enzymatycznej ph ~ W błonie występuje H + -ATP-aza (pompa protonowa) obniżająca ph w ich wnętrzu do 5, przy ph cytoplazmy ok. 7,2 ponad 100-krotna różnica stężeń Niskie ph aktywuje enzymy o charakterze kwaśnych hydrolaz, które pochodzą z pęcherzyków powstających w AG. Działają jako wewnątrzkomórkowy system trawienny przetwarzając albo substancje pobrane przez komórkę, albo jej zużyte składniki. Lizosomalne choroby spichrzeniowe: zaburzenia funkcji lizosomów z powodu braku aktywności określonych enzymów lizosomalnych, białek transportowych lub receptorowych błony lizosomalnej. Gromadzenie substratów lub produktów reakcji. Doprowadzają do zgonu w okresie dzieciństwa lub dojrzewania.

12 Czynny (wtórny) lizosom powstaje przez fuzję pęcherzyków hydrolazowych z endosomami zawierającymi właściwe białka błonowe, co prowadzi do wytworzenia endolizosomu. Endolizosomy mogą się łączyć z innymi endosomami powstającymi w wyniku fagocytozy, wytwarzając fagolizosomy. W ten sposób trawione są większe cząstki pochłonięte przez komórkę. Osteoklasty i neutrofile - uwalniają enzymy lizosomalne na zewnątrz komórki trawienie macierzy pozakomórkowej i bakterii. ENZYMY: Kwaśne hydrolazy lizosomów kwaśna fosfataza, marker lizosomów kwaśna fosfodiesteraza Nukleazy kwaśna rybonukleaza, kwaśna deoksyrybonukleaza Polisacharydazy i mukopolisacharydazy β-galaktozydaza, α glikozydaza, α mannozydaza, β glikuronidaza, hialuronidaza, arylosulfataza Proteinazy katepsyny, kolagenazy, peptydazy Enzymy hydrolizujące lipidy esterazy, fosfolipazy

13 TRANSPORT PĘCHERZYKOWY CZĄSTEK I CZĄSTECZEK PRZEZ BŁONĘ 1. odmiany ENDOCYTOZY POTOCYTOZA = Endocytoza receptorowa = e. specyficzna: Transport do komórki małych cząsteczek, które wiążą się z receptorami błony. W powstałych pęcherzykach zmniejsza się ph, co powoduje ich dysocjację od receptorów, a następnie przenikanie do cytosolu. FAGOCYTOZA do komórki są transportowane duże cząstki np.: bakterie. Sfagocytowane cząstki są transportowane w głąb cytoplazmy jako pęcherzyki heterofagosomy. Zużyte struktury komórkowe otaczane błoną to autofagosomy. Hetrofagosomy i autofagosomy fuzują z endosomami późnymi lub lizosomami tworząc heterofagolizosomy lub autofagolizosomy. Ich zawartość zostaje strawiona. PINOCYTOZA sposób przypadkowego transportu cząsteczek przez błonę komórki, bez udziału receptorów ( picie komórkowe )

14 2. odmiana EGZOCYTOZY zachodząca w organellach komórkowych PĄCZKOWANIE z endosomów, aparatu Golgiego, siateczki śródplazmatycznej mogą powstawać pęcherzyki zawierające transportowany materiał. W ten sposób powstają pęcherzyki transportujące i wydzielnicze. Powstawanie pęcherzyków przez pączkowanie odbywa się za pomocą białkowych kompleksów koatomerów układają się na powierzchni błony i powodują jej wybrzuszanie, aż do powstania pęcherzyka. Koatomery - białka COP (ang. coated protein, białko okrywające) 3. ENDOCYTOZA + EGZOCYTOZA = TRANSCYTOZA TRANSCYTOZA transport makrocząsteczek przez cytoplazmę, z jednej powierzchni komórki na inną. Endocytoza odbywa się w obrębie tratw i kaweoli błony, a endocytowany materiał po otoczeniu błoną jest transportowany z jednej na inną powierzchnię komórki w stanie nienaruszonym, za pośrednictwem pęcherzyków transportujących.

15 Egzocytoza Szlak egzocytozy konstytutywnej (szlak podstawowy) - działa w sposób stały - transport białek z udziałem tego szlaku nie wymaga sekwencji sygnałowej - dostarcza lipidy i białka do błony komórkowej, co zapewnia odnowę błony komórkowej - przenosi białka, które mają być uwolnione na zewnątrz komórki (sekrecja), np.: białka macierzy pozakomórkowej, białka odżywcze dla innych komórek, białka powierzchniowe błony komórkowej

16 Szlak egzocytozy regulowanej funkcjonuje w komórkach wyspecjalizowanych w sekrecji z udziałem tego szlaku transportowane są hormony i enzymy trawienne wybrane białka przechodzą z sieci trans Golgiego (TNG) do pęcherzyków sekrecyjnych, gdzie są zagęszczane i magazynowane do czasu otrzymania sygnału uruchamiającego ich wydzielenie 3 ścieżki wydzielania w procesie egzocytozy: 2 1 (1) ziarnistości sekrecyjne, (2) pęcherzyki nieopłaszczone klatryną (dostarczają białka integralne błony komórkowej), (3) lizosomy 3

17 Fuzja błon pęcherzyków wydzielniczych i błon docelowych z udziałem białek SNARE v-snare (ang. vesicle) występują na pęcherzykach t-snare (ang. target) występują na organellach docelowych SNARE - soluble N-ethylmalemide sensitive factor attachment protein receptor, SNAP receptors

18 Transport wewnatrzkomórkowy - białka opłaszczające Białka opłaszczające biorą udział w przenoszeniu cząsteczek zawartych w pęcherzykach pomiędzy błoną komórkową, ER i AG, AG i ER oraz między poszczególnymi strefami AG) COP I (AG ER) COP II (ER AG). Klatryna Retromer (endosom TGN) Kaweolina (kaweole w mm. gładkich transport Ca 2+, w endoteliocytach - transcytoza)

19 ENDOCYTOZA transport często wykorzystywany przez drobnoustroje np.: wirusy HIV, prątki gruźlicy oraz toksyny bakteryjne np.: toksyna cholery przez konwencjonalną błonę powstają pęcherzyki cytoplazmatyczne (z udziałem białka KLATRYNY), które zawierają transportowane makrocząsteczki pęcherzyki te kierowane są przez endosomy wczesne do endosomów późnych lub fuzują z lizosomami przez błonę kaweoli i tratew powstają pęcherzyki cytoplazmatyczne z udziałem białek KAWEOLIN zawierające transportowane makrocząsteczki pęcherzyki te są kierowane do aparatu Golgiego, siateczki śródplazmatycznej, lub in. powierzchni komórki (z pominięciem endosomów późnych i lizosomów) trawienie transportowanych makrocząsteczek przez enzymy lizosomów transportowane cząsteczki pozostają nietknięte

20 transcytoza błona komórkowa Docelowo trawienie materiału endocytowanego tratwa Docelowo brak trawienia kaweole KLATRYNA endosom wczesny aparat Golgiego lizosom siateczka śródplazmatyczna endosom późny jądro Endocytoza z udziałem konwencjonalnej błony komórkowej Endocytoza z udziałem tratew i kaweoli błony źródło: J. Kawiak i in. Podstawy cytofizjologii. 1997

21 System kwaśnych pęcherzyków Relacje między trawiącymi organellami systemu kwaśnych pęcherzyków Endosomy powstają z błony komórkowej i łączą się z pęcherzykami zawierającymi hydrolazy, pochodzącymi z AG, tworząc endolizosomy. Błona aparatu Golgiego, tworząca pęcherzyki hydrolazowe, powraca do tego aparatu. aparat Golgiego pęcherzyki hydrolazowe aparatu Golgiego fagocytoza endolizosom autofagia spadek ph endosom fuzja z pęcherzykami hydrolazowymi fagolizosom lizosom autofagolizosom możliwa jest dalsza fuzja z pęcherzykami hydrolazowymi ciało resztkowe pęcherzyki hydrolazowe źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

22 ENDOCYTOZA receptorowa selektywne pobieranie substancji przez komórki, w którym makrocząsteczka po związaniu się z receptorem białkowym na powierzchni błony wnika do wnętrza komórki w pęcherzykach opłaszczonych klatryną. Klatryna zawiera: 3 duże + 3 małe łańcuchy polipeptydowe - tworzą one specyficzną strukturę - triskelion - trójszkieletu 36 triskelionów tworzy wielościenne struktury - klatki - otaczające pęcherzyki endocytarne źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 200

23 Pęcherzyki opłaszczone klatryną transportują wyselekcjonowane cząsteczki płaszcz klatrynowy pęcherzyk opłaszczony ZDJĘCIE PŁASZCZA receptor ładunku adaptyna FORMOWANIE PĘCHERZYKA dynamina CYTOZOL adaptyna pęcherzyk transportujący pozbawiony płaszcza cząsteczki ładunku Wokół szyjki pączkującego pęcherzyka układają się cząsteczki dynaminy; po utworzeniu kompleksu hydrolizują one związany z nimi GTP, co powodujeą oderwanie pęcherzyka od błony.

24 Budowa cząsteczki LDL (lipoproteiny o niskiej gęstości) Cholesterol jest trudno rozpuszczalny i jest transportowany w krwiobiegu w postaci związanej z białkiem jako lipoproteiny. LDL przyłącza się do receptorów umieszczonych na powierzchni komórki, po czym kompleksy receptor-ldl są wchłaniane na drodze endocytozy kierowanej receptorami i dostarczane do endosomów. U 1/500 ludzi mutacja genu receptora LDL wywołuje rodzinną hipercholesterolemię (otyłość i zawał serca ok. 40 r.ż.)

25 FAGOCYTOZA błona komórkowa EGZOCYTOZA bakteria wydzielanie bezpośrednie magazynowane pęcherzyki wydzielnicze heterofagosom heterofagolizosom autofagolizosom autofagosom lizosom trans cis szorstka siateczka śródplazmatyczna aparat Golgiego endosom późny jądro źródło: J. Kawiak i in. Podstawy cytofizjologii. 1997

26 Fagocytoza a endocytoza receptorowa Endocytoza receptorowa pobieranie (internalizacja) substancji przez komórkę Endocytoza zależna od receptorów specyficzna Dotyczy wszystkich komórek Pęcherzyki endocytarne są co najmniej 10x mniejsze od fagocytarnych μm średnicy Fagocytoza zjadanie dużych struktur przez komórkę Charakterystyczna tylko dla niektórych typów komórek makrofagów tkankowych i wolnych (monocyty krwi) mikrofagów krwi (neutrofile i eozynofile) limfocyty nigdy nie fagocytują Zwykle zaangażowane są specyficzne receptory Fagocytozie ulegają duże struktury: bakterie, grzyby, kk. nowotworowe, kompleksy antygen-przeciwciało Złożony mechanizm fagocytozy: kontakt, objęcie, wchłonięcie, strawienie

27 Autofagia = autofagocytoza Segregacja organelli lub innych składników komórki do pęcherzyków z ER i tworzenie autofagalnych wakuoli Fuzja z lizosomem Następnie trawienie w autofagolizosomach Funkcja: Usuwanie starych lub uszkodzonych organelli Regulacja wewnątrzkomórkowego obrotu białek Heterofagocytoza Fagocytoza cząstek spoza komórki

28 Proteasomy Kompleksy białkowe o długości ok. 45 nm, zbudowane z 30 podjednostek białkowych ułożonych w kształcie cylindra, białka cylindra wykazują aktywność proteaz. Występują: w cytozolu na powierzchni błon ER w jądrze komórkowym wiąże się z filamentami cytoszkieletu Uczestniczą w degradacji : - białek o nieprawidłowej konformacji, uszkodzonych, - białek regulatorowych, - białek antygenowych, - białek - aktywatorów transkrypcji, - białek w czasie głodzenia. Nature Reviews Cancer 4, (2004) Zaburzenia funkcji proteasomów prowadzą do chorób zwanych chorobami konformacyjnymi.

29 Proteasomy Proteasomy 20S degradują jedynie krótkie peptydy oraz nieliczne niesfałdowane białka. Występują w dwóch postaciach: rdzeniowych proteasomów 20S i proteasomów 26S powstałych w wyniku związania się proteasomów 20S z aktywatorem PA700 (zwanym też czapeczką 19S) Degradacja sfałdowanych białek wyznakowanych poliubikwityną wymaga proteasomów 26S. Podjednostki aktywatora PA700 umożliwiają związanie białka znakowanego łańcuchem poliubikwityny, jego rozfałdowanie, otworzenie kanału prowadzącego do rdzenia proteasomu, wprowadzenie łańcucha polipeptydowego do środka kanału, odłączenie poliubikwityny i jej podział na monomery ubikwityny. Procesy te wymagają dostarczenia energii hydroliza ATP dokonywana jest przez podjednostki PA700 mające właściwości ATP-azy.

30 Peroksysomy = mikrociałka (microbodies) Okrągłe, otoczone błoną, śr μm Zawierają ok. 50 enzymów odpowiedzialnych za utlenianie lipidów i niektórych ksenobiotyków U szczura, ale nie u człowieka, mają krystaliczny rdzeń nukleoid zawierający białko oksydazę moczanową Największa ilość w hepatocytach = miąższowych komórkach wątroby Tworzące je białka syntetyzowane są na wolnych rybosomach Powstają przez pączkowanie z siateczki śródplazmatycznej gładkiej U ludzi nagromadzenie peroksysomów występuje w wątrobie; uczestniczą one między innymi w detoksykacji etanolu oraz syntezie niektórych lipidów.

31 Peroksysomy zawierają m.in.: OKSYDAZĘ D-aminokwasów: ENZYM MARKEROWY Oksydazę moczanową RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 Katalazę - enzym ten wykorzystuje H 2 O 2 do utleniania innych substratów (fenol, kwas mrówkowy, formaldehyd, alkohole) w reakcji peroksydacji H 2 O 2 + RH 2 R + 2H 2 O Katalazę: rozkłada nadtlenek wodoru 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Enzymy rozkładające długołańcuchowe kwasy tłuszczowe do actetylokoenzymu A, który transportowany jest do cytoplazmy Udział w procesach utleniania komórkowego - detoksykacja metabolitów i ksenobiotyków przez ich utlenianie. β-oksydacja kwasów tłuszczowych - wytwarzanie z kwasów tłuszczowych dwuwęglowych fragmentów, które następnie przekształcane są w acetylokoenzym A i transportowane do cytozolu, gdzie wykorzystywane są jako źródło energii w cyklu kwasu cytrynowego. Biosynteza plazmalogenów (eterolipidów) - składniki mieliny oraz błon komórek mięśniowych i płytek krwi Synteza cholesterolu (zachodzi głównie w SER) i kwasów żółciowych (w wątrobie)

32 Zespół Zellwegera wrodzona choroba metaboliczna, spowodowana zaburzeniem funkcji peroksysomów należy do grupy leukodystrofii: w wyniku braku peroksysomów w mózgu gromadzone są wielonienasycone kwasy tłuszczowe o długości łańcucha C26-C38, defekt w mielinizacji aksonów w mózgu Przyczyna: mutacja genu PRX1 receptora enzymów metabolizmu lipidów i utleniania Redukcja liczby lub brak peroksysomów w komórkach wątroby, nerek i mózgu Główne objawy: - hepatomegalia; zaburzenia mielinizacji nerwów obwodowych; - torbielowatość nerek; wrodzone wady serca; - zaćma; deformacje czaszki. - dużo Fe i Cu w surowicy krwi Śmierć następuje w okresie niemowlęcym.

33 BŁONA ZEWNĘTRZNA jest gładka, przypomina sito zawiera duże kanały utworzone przez białko (tzw. porynę) przepuszczalna dla cząsteczek o masie do 5000 Da Struktura mitochondriów PRZESTRZEŃ MIĘDZYBŁONOWA zawiera kilka enzymów, które wykorzystują pochodzący z matriks ATP do fosforylowania innych nukleotydów składem przypomina cytoplazmę BŁONA WEWNĘTRZNA pofałdowana w liczne grzebienie = wzrost powierzchni miejsce transportu elektronów i pompowania protonów, na jej powierzchni zachodzi synteza ATP bogata w białka (75%), nieprzepuszczalna dla jonów i większości małych cząsteczek = jest selektywna dużo białek nośnikowych i kanałów, które umożliwiają przechodzenie metabolitów do matriks i z matriks obecność specyficznego fosfolipidu: KARDIOLIPINY zawiera bardzo mało cholesterolu (3%) jest bardzo płynna MATRIX =macierz - zawiera: mtdna, rybosomy, trna, enzymy, elektronowo gęste ziarnistości bogate w kationy.

34 Typy fałdów mt błony wewnętrznej Różnią się strukturą: mt w mięśniach, sercu, nerkach, organach o wysokim tempie metabolizmu mają więcej grzebieni (w sercu 3x więcej niż w wątrobie). W komórkach produkujących sterydy występują grzebienie tubularne zamiast płaskich. Liczba grzebieni mitochondrialnych (i liczba mitochondriów) zwiększa się pod wpływem hormonów tarczycy tyroksyny i trijodotyroniny. a. Komórka wątroby owalne mitochondria z licznymi grzebieniami; b. Mięsień szkieletowy bardzo liczne mitochondria tworzące rzędy; c. Nerka wydłużone mitochondria pomiędzy wpukleniami błony komórkowej; d. Komórka wydzielająca sterydy mitochondria z cewkowatymi grzebieniami

35 Mitochondrialne DNA mtdna Zlokalizowane w matrix Kilka kopii DNA (4-10) podobnie jak u bakterii jest kolisty Replikuje się niezależnie od jądrowego DNA Zawiera pz koduje: 13 białek Składniki łańcucha oddechowego, podjednostki syntazy ATP 24 cząsteczki RNA (trna, rrna) Tak jak ich bakteryjni przodkowie - mt replikują swoje DNA i dzielą się przez podział tworząc 2 siostrzane mitochondria Replikacja mitochondriów: interfaza przed replikacją DNA zawsze kiedy jest zapotrzebowanie na energię może być oznaką choroby Mitochondria zużywają się stosunkowo szybko. Przeciętny czas ich półtrwania wynosi ok. 10 dni.

36 Transport białek do mitochondrium

37 Translokator błony zewnętrznej (Białka TOM transport across the outer membrane) Translokator błony wewnętrznej (Białka TIM transport across the inner membrane ) Molecular Biology of the Cell, 4th Edition Transport białek do wnętrza mt: Rozpoznanie białka dzięki sekwencji sygnałowej TOM Przejście przez obie błony mt (TOM/TIM) Wejście do matrix mt Odcięcie sekwencji sygnałowej przez peptydazę sygnałową

38 Import białek posiadających sekwencję MTS do mitochondriów z udziałem kanału TIM/TOM Białka mitochondrialne syntetyzowane są w cytozolu jako białka prekursorowe, posiadające mitochondrialną sekwencję sygnałową (MTS). Utrzymywane są one w stanie niesfałdowanym przez oddziaływanie z białkami opiekuńczymi, w tym ze specjalnym czynnikiem stymulującym import do mitochondriów MSF, który rozpoznaje MTS. MTS (ang. mitochondrial targeting sequence) MSF (ang. mitochondrial import stimulating factor) TOM (ang. transport across the outer membrane) TIM (ang. transport across the inner membrane) J. Kawiak, M. Zabel, Seminaria z cytofizjologii dla studentów medycyny, weterynarii i biologii, wydanie II, 2014

39 Import białek posiadających sekwencję MTS do mitochondriów z udziałem kanału TIM/TOM Importowane białko wiąże się z białkami opiekuńczymi MSF lub hsp70, które przekazują je do kompleksu TOM na zewnętrznej błonie mitochondrialnej. Następnie dochodzi do zbliżenia kompleksów TOM i TIM i utworzenia wspólnego kanału, poprzez który importowany polipeptyd dostaje się do macierzy mitochondrialnej. W macierzy peptydaza sygnałowa odcina MTS, natomiast białka opiekuńcze mhsp 70 pomagają uzyskać właściwą konformację przestrzenną zaimportowanego polipeptydu. J. Kawiak, M. Zabel, Seminaria z cytofizjologii dla studentów medycyny, weterynarii i biologii, wydanie II, 2014

40 Transport białek do mitochondrium Molecular Biology of the Cell, 4th Edition Co sprzyja wchodzeniu białka do mitochondrium? Ładunek ujemny matrix mt Sekwencja sygnałowa ma ładunek dodatni Rola białek HSP w transporcie białek mt E

41 Białka opiekuńcze Białka opiekuńcze (ang. chaperones) są ATP-azami posiadającymi wysokie powinowactwo do hydrofobowych odcinków łańcuchów polipeptydowych. Występują w cytozolu, jądrze komórkowym oraz w świetle organelli błoniastych tj. siateczka śródplazmatyczna, mitochondria. Należą do dwóch głównych rodzin określanych jako hsp60 i hsp70. Nazwa hsp oznacza białko szoku cieplnego (ang. heat shock protein). Białka opiekuńcze ulegają wzmożonej ekspresji pod wpływem: wysokiej temperatury, nadmiernie obniżonej temperatury, obecności jonów metali ciężkich, zmiany osmolalności, promieniowania jonizującego, ekspresji nieprawidłowych lub wirusowych białek. Wykazują wyjątkową odporność na działanie czynników denaturujących.

42 Rola białek opiekuńczych potrafią rozpoznawać inne cząsteczki białka o nieprawidłowej konformacji i naprawiać je, przywracając im prawidłową konformację potrafią wybierać te białka, które nadają się tylko do zniszczenia biorą także udział w transporcie białek przez błony biologiczne: - po jednej stronie błony jedno białko opiekuńcze nadaje cząsteczce białka odpowiedni kształt, - białko przechodzi przez błonę - a po drugiej stronie jest odbierane przez inne białko opiekuńcze, które pomaga mu uzyskać prawidłową konformację przestrzenną

43 Mutacje mtdna W komórce występują setki kopii mtdna (poliplazmia), które w prawidłowych warunkach są identyczne (homoplazmia). Większość mutacji dotyczy tylko części populacji mtdna, co powoduje koegzystencję dzikiego i zmutowanego typu mtdna (heteroplazmia). MtDNA wykazuje znacznie wyższe tempo mutacji ze względu na: - brak systemów naprawy DNA, brak histonów i dużą ilość wolnych rodników. Mutacje mt DNA objawiają się: - nieprawidłowym funkcjonowaniem; - zaburzeniami struktury; - ujawniają się w tkankach o wysokim zapotrzebowaniu na ATP: mięśnie szkieletowe, mózg, serce, siatkówka; - wskutek stopniowego nagromadzania zmutowanych cząsteczek DNA objawy choroby mogą pojawiać się dopiero u dorosłych, - choroby mitochondrialne występują także u dzieci, co związane jest z zapotrzebowaniem poszczególnych tkanek na sprawnie działającą fosforylację oksydacyjną

44 Choroby mitochondrialne mutacje mtdna Mt są dziedziczne po linii matczynej częściej dotykają potomków płci męskiej niż żeńskiej Neuropatia wzrokowa Leber a (LHON) nagła utrata wzroku w 2 lub 3 dekadzie życia dziedziczy się po matce, objawia się utratą wzroku, a zapadają na nią przeważnie młodzi mężczyźni. Na dnie oka stwierdza się zmiany naczyniowe o typie teleangiektazji, do których w późniejszym okresie dołącza się zanik nerwu wzrokowego. Zespół szpikowo-trzustkowy Pearson a spowodowany pojedynczą delecją w mtdna, anemia i miopatia w dzieciństwie Bezpłodność męska brak źródła energii dla plemników

45 Funkcje mitochondriów Produkcja energii - ATP - Mitochondria dostarczają energii chemicznej niezbędnej dla biosyntezy (reakcji anabolicznych) i aktywności motorycznej komórki - Uczestniczą w oddychaniu tlenowym - ATP jest produkowane na żądanie, czyli nie jest magazynowane Główne źródło RFT (reaktywnych form tlenu) w komórce (ang. reactive oxygen species,= wolne rodniki) Centralna rola w apoptozie (programowanej śmierci komórki) związana z uwalnianiem do cytoplazmy cytochromu c. Buforują wewnątrzkomórkowe stężenie Ca++

46 Mitochondria wykorzystują do przekształcania energii pirogronian i kwasy tłuszczowe zewnętrzna błona mitochondrialna wewnętrzna błona mitochondrialna syntaza ATP dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy O 2 O 2 H + 2H 2 O H + H + H + łańcuch transportu e - elektronów NAD + NADH ADP H + +P i ATP generuje w poprzek wew. błony gradient protonowy, który syntaza ATP wykorzystuje do produkcji ATP ADP ATP +P i cykl kwasu cytrynowego CO 2 CO 2 acetylo-coa pirogronian kwasy tłuszczowe CZĄSTECZKI POKARMOWE pirogronian kwasy tłuszczowe Z CYTOZOLU (glukoza, tłuszcz) źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

47 PRZESTRZEŃ MIĘDZYBŁONOWA H + H + cytochrom c H + wewnętrzna błona mitochondrialna MATRIKS 2e- NADH H + ubichinon H + H + 2H + + 1/2 O 2 H 2 O NAD + kompleks dehydrogenazy NADH kompleks cytochromów b-c 1 kompleks oksydazy cytochromowej Elektrony są transportowane przez trzy enzymatyczne kompleksy oddechowe umiejscowione w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Podczas transportu elektronów z NADH do tlenu protony są przenoszone do przestrzeni miedzybłonowej przez każdy z enzymatycznych kompleksów oddechowych. źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 2007

48 Syntaza ATP może działać w obie strony, produkując ATP lub je zużywając SYNTEZA ATP źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki HYDROLIZA ATP wirnik P i + ADP ATP stojan ATP P i + MATRIKS ATP ATP ADP Syntaza ATP jest działającym odwracalnie urządzeniem sprzęgającym, które może zamieniać energię elektrochemicznego gradientu protonowego w energię wiązań chemicznych lub odwrotnie. Syntaza ATP może syntetyzować ATP wykorzystując gradient H +, może także pompować protony wbrew ich elektrochemicznemu gradientowi dzięki hydrolizie ATP. Kierunek działania w danym momencie zależy od zmiany energii swobodnej netto sprzężonych procesów translokacji H + w poprzek błony i syntezy ATP z ADP i P i.

49 Cytoszkielet filamenty aktynowe (średnica 6 nm) - w każdej komórce filamenty miozynowe (śr. 15 nm) - w większości komórek filamenty pośrednie (śr nm) - włókniste białka, bardzo odporne mechanicznie i chemicznie mikrotubule, MT (śr. 24 nm) - 13 protofilamentów na obwodzie pustej rurki, każdy jest polimerem heterodimerów i tubuliny, stąd zmienna długość MT obecne w migawkach, centriolach, wrzecionie podziałowym, cytoplazmie E

50 filamenty pośrednie Są podobnymi do lin włókienkami o średnicy ok. 10 nm. Utworzone z białek filamentów pośrednich, które stanowią dużą heterogenną rodzinę. Jeden typ filamentów pośrednich tworzy sieć zwaną blaszką jądrową pod wewnętrzną stroną błony jądrowej. Inne typy rozciągają się poprzez całą cytoplazmę, nadając komórce mechaniczną wytrzymałość i przenosząc mechaniczne stresy w tkance nabłonkowej poprzez przechodzenie przez cytoplazmę od jednego połączenia międzykomórkowego do drugiego. mikrotubule Są długimi, wydrążonymi w środku cylindrami utworzonymi przez białko TUBULINĘ. Średnica zewnętrzna 25nm; bardziej sztywne niż filamenty aktynowe czy filamenty pośrednie. Są długie i proste, typowo jeden ich koniec jest przyczepiony do pojedynczego centrum organizacji mikrotubul CENTROSOMU filamenty aktynowe (mikrofilamenty) Są to helikalne polimery białka AKTYNY Występują jako elastyczne struktury o średnicy ok. 7 nm, które są zorganizowane w różnego typu liniowe pęczki, dwuwymiarowe sieci i trójwymiarowe żele; Filamenty aktynowe są rozproszone w obrębie całej komórki, jednak najbardziej skoncentrowane są w warstwie korowej, pod błoną komórkową.

51 A. Monomer aktyny = G-aktyna zawiera miejsce wiążące ATP (lub ADP w filamencie). B. Filament aktyny = F-aktyna to 2 protofilamenty owinięte wokół siebie jako 2 równoległe alfa helisy o skoku 37 nm. C. Zdjęcie ME negatywowo wybarwionego filamentu aktyny

52 BIAŁKA WIĄŻĄCE AKTYNĘ umożliwiają różny układ filamentów aktyny. fimbryna wiąże równolegle 2 włókna aktyny bardzo blisko -aktynina wiąże 2 aktyny 2 razy szerzej tworząc układ luźniejszy spektryna utrzymuje 2 aktyny daleko od siebie filamina wiąże 2 aktyny leżące pod kątem, co umożliwia powstawanie sieci

53 FILAMENTY POŚREDNIE CYTOPLAZMATYCZNE JĄDROWE keratynowe neurofilamenty w nabłonkach wimentynowe i wimentynopodobne w tkance łącznej, komórkach mięśniowych i neurogleju w komórkach nerwowych laminy jądrowe we wszystkich komórkach Filamenty pośrednie 8-10 nm średnicy: grubość średnica pośrednia pomiędzy mikrotubulami i mikrofilamentami (aktynowymi) Bardzo odporne na działanie czynników fizycznych i chemicznych

54 Rodzaje filamentów pośrednich i ich występowanie (Cyto) Keratyny (ok. 20 podtypów) - tonofilamenty w nabłonkach oraz keratyny włosów, paznokci, rogów Wimentynopodobne: wimentyna w kk. powstających z mezenchymy, np. fibroblastach, kk. śródbłonka desmina w komórkach mięśniowych GFAP kwaśne włókniste białko gleju Neurofilamenty (lekkie, średnie, ciężkie) w neuronach Plektyna - w aksonach neuronów Peryferyna - w kk. obwodowego układu nerwowego Laminy jądrowe - budują blaszkę włóknistą (jądrową) miejsce przyczepu nici chromosomów interfazalnych

55 globularna głowa na końcu aminowym domena środkowa A B C region w monomerze o postaci helisy α dimer w postaci superhelisy globularny ogon na końcu karboksylowym dachówkowato ułożony tetramer dwóch dimerów A monomer białka filamentu pośredniego składa się z centralnej pałeczkowatej domeny z globularnymi regionami na każdym końcu B pary monomerów łączą się tworząc dimer C dwa dimery zestawiają się tworząc dachówkowato ułożony tetramer D tetramery mogą upakowywać się razem końcem do końca E tworzą układ helikalny, który tworzy ostateczny linopodobny filament pośredni D dwa tetramery zestawione razem końcem do końca E osiem tetramerów skręconych na kształt liny POWSTAWANIE FILAMENTÓW POŚREDNICH

56 Mikrotubule to rurki, których ściany tworzy 13 protofilamentów zbudowanych z alfa i beta tubuliny heterodimer tubuliny (= podjednostka mikrotubuli) protofilament światło koniec plus (β) Protofilamenty są utworzone przez podjednostki cząsteczki TUBULINY, z których każda jest DIMEREM złożonym z dwóch białek globularnych tubuliny α (koniec minus) i tubuliny β (koniec plus) powiązanych razem wiązaniami niekowalencyjnymi. koniec Minus (α) mikrotubula źródło: B. Alberts i in. Podstawy biologii komórki. 200

57 ROSNĄCA MIKROTUBULA cząsteczka tubuliny ze związanym GTP cząsteczki tubuliny związane z GTP są dodawane do końca mikrotubuli dodawanie zachodzi szybciej niż hydroliza GTP czapeczka GTP protofilamenty zawierające tubulinę ze związanymi GDP są niestabilne i odrywają się od ściany mikrotubuli tubulina ze związanym GDP zostaje uwolniona do cytozolu cząsteczki ze związanym GDP SKRACAJĄCA SIĘ MIKROTUBULA Zjawisko dynamicznej niestabilności decyduje o stałej lub zmiennej długości mikrotubul Hydroliza GTP kontroluje wzrost mikrotubul Dimery tubuliny zawierające GTP wiążą się ze sobą silniej (mają tendencję do kontynuowania wzrostu) niż dimery tubuliny zawierające GDP. Jeśli wzrost mikrotubuli jest powolny, podjednostki czapeczki GTP będą hydrolizowały swój GTP do GDP, zanim nowa podjednostka z GTP zostanie przyłączona Następuje utrata czapeczki GTP; podjednostki zawierające GDP są słabiej związane z polimerem, są uwalniane z jego wolnego końca; mikrotubula zaczyna się skracać

58 Funkcje mikrotubul Mikrotubule tworzą sieć, która umożliwia transport w obrębie komórki, za pośrednictwem białek wiążących: dyneiny poruszającej się w dół mikrotubuli, w kierunku centrum komórki kinezyny poruszającej się w górę mikrotubuli, w stronę obwodu komórki Łączą się z błoną pęcherzyków i organelli ułatwiając ich ruchy wokół komórki. Proces ten ma znaczenie dla transportu organelli w stronę dalszego końca długich wypustek komórek nerwowych. Mikrotubule tworzą sieć (cytoszkielet) dla przedziałów błoniastych (np. utrzymują rozciągnięty układ rurek siateczki śródplazmatycznej). W trakcie podziału komórki chromosomy podlegają uporządkowaniu w stosunku do mikrotubuli tworzących wrzeciono. Wyspecjalizowane elementy ruchowe komórki - migawki - zbudowane są z mikrotubuli połączonych razem za pomocą innych białek.

59 W centrosomie MT powstają z ośrodka nukleacji zawierającego ok. 50 pierścieni zbudowanych z -tubuliny i towarzyszących jej białek miejsca nukleacji (pierścienie tubuliny γ) A para centrioli B mikrotubule wyrastające z pierścieniowych kompleksów tubuliny γ centrosomu Tubulina polimeryzuje z ośrodka nukleacji na centrosomie A - centrosom to amorficzna macierz białkowa zawierająca pierścienie tubuliny γ, które stanowią ośrodki wzrostu mikrotubul. Centrosom zawiera parę centrioli, z których każda jest zbudowana z cylindrycznego układu krótkich mikrotubul. B centrosom z wyrastającymi mikrotubulami. Koniec minus każdej mikrotubuli jest zatopionyw centrosomie; wyrasta z pierścieniowego miejsca nukleacji, koniec plus pozostaje swobodny w cytoplazmie.

60 Centrosom to region komórki, który zawiera parę centrioli i związane z nimi białka tworzące MTOC (ang. Microtubule-Organizing Center), czyli ośrodek organizacji mikrotubul (tzw. centrum nukleacji mikrotubul, gdzie rozpoczyna się polimeryzacja mikrotubul). Centrosom może pełnić funkcję ośrodka nukleacji dla około 250 mikrotubul. Dwie centriole w centrosomie usytuowane są w ten sposób, że ich długie osie ułożone są względem siebie pod kątem prostym. Centriola zbudowana jest z 9 tripletów mikrotubul i białek pomiędzy tripletami. Centriole organizują sieć mikrotubul w komórkach dzielących się i niedzielących się.

61 Budowa części osiowej rzęski: 9 par mikrotubul (dubletów) na obwodzie przesuwa się względem siebie dzięki hydrolizie GTP (ATP) przez dyneinę; każda para ma 3 wspólne protofilamenty; 1 para MT (singletowych) leży w środku wewnętrzne ramię dyneiny zewnętrzne ramię dyneiny Plazmalemma NEKSYNA Mostek łączący parę centralną MT = TEKTYNA Centralna para MT singletowych Dimery - i -tubuliny budują protofilamenty o zmiennej długości MT A MT B Dublet mikrotubul otoczka wewnętrzna

62 cargo ogon głowa KINEZYNY KONIEC MINUS KONIEC PLUS mikrotubula głowa ogon cargo DYNEINY Różne białka motoryczne transportują cargo wzdłuż mikrotubul. Kinezyny poruszają się w kierunku końca plus mikrotubuli, natomiast dyneiny poruszają się w kierunku końca minus. Oba typy białek motorycznych istnieją w wielu formach. Każda forma transportuje inny rodzaj cargo. Ogon białka motorycznego określa rodzaj transportowego cargo.

63 Leki stabilizujące MT i blokujące ich powstawanie działają przeciwnowotworowo hamując podziały komórek LEKI SPECYFICZNE WOBEC AKTYNY Cytochalazyna tworzy czapeczkę na końcu (+) Falloidyna (trucizna muchomora) przyłącza i stabilizuje filamenty Latrunkulina przyłącza się do podjednostek i blokuje ich polimeryzację LEKI SPECYFICZNE WOBEC MIKROTUBUL Kolchicyna, kolcemid alkaloid, przyłącza się do podjednostek tubuliny i blokuje ich polimeryzację Winblastyna, winkrystyna jw. Nokodazol ` jw. Taksol przyłącza się do MT i stabilizuje je E