WITAMY NA KURSIE HISTOLOGII

Transkrypt

1 WITAMY NA KURSIE HISTOLOGII W XIX wieku... Histologia to nauka o mikroskopowej budowie komórek, tkanek i narządów W XXI wieku... Kurs histologii: teoria... Histologia to nauka o powiązaniach struktury mikroskopowej, submikroskopowej i molekularnej komórek, tkanek i narządów z ich funkcją Poprzez badanie funkcji komórek i tkanek, histologia jest częściowo zintegrowana z: fizjologią immunologią biochemią biologią molekularną Podstawowe narzędzie badawcze: mikroskop...i praktyka???! Źródła wiedzy... regulamin kursu prezentacje wykładowe materiały uzupełniające ogłoszenia wyniki kolokwiów i egzaminu repetytorium praktyczne (obrazy preparatów) 1

2 Jak się uczyć histologii? KOMÓRKA cz. 1 systematycznie ze zrozumieniem całościowo łączyć ze sobą problemy z różnych partii materiału zdawać sobie sprawę z konsekwencji regulaminu studiów i regulaminu kursu Strukturalne składniki komórki Błona biologiczna jest zbudowana z lipidów i białek Błona komórkowa Jądro Organelle: siateczka śródplazmatyczna aparat Golgiego mitochondria endosomy lizosomy peroksysomy rybosomy centriole Inne struktury: cytoszkielet pęcherzyki transportujące pęcherzyki wydzielnicze materiały zapasowe wtręty Lipidy: fosfolipidy glikolipidy cholesterol część hydrofilna część hydrofobowa błona komórkowa błona komórkowa przestrzeń międzykomórkowa Większość struktur komórkowych zbudowana jest z błon biologicznych Dwuwarstwa lipidowa decyduje o integralności błony biologicznej Lipidy błonowe: fosfolipidy Lipidy błonowe (c.d.) Glikolipidy zawierają reszty cukrowcowe występują w zewnętrznej warstwie dwuwarstwy uczestniczą w tworzeniu glikokaliksu obraz w ME fosfolipidy cholinowe: - fosfatydylocholina = lecytyna - sfingomielina fosfolipidy aminowe: - fosfatydyloetanolamina - fosfatydyloseryna fosfatydyloinozytol (istotny dla sygnalizacji międzykomórkowej, substrat do produkcji wielu substancji biologicznie czynnych) Cholesterol występuje w obu warstwach pomiędzy ogonkami fosfolipidów zwiększa sztywność błony 2

3 Białka swobodnie pływają w dwuwarstwie lipidowej Klasyfikacja czynnościowa białek błonowych Klasyfikacja białek błonowych A. Biochemiczna (siła związania z dwuwarstwą): obwodowe integralne białka transportowe strukturalne receptorowe enzymatyczne ligand B. Strukturalna (topograficzna): białka powierzchniowe obwodowe (powierzchniowe) transbłonowe (jednokrotnego lub wielokrotnego przebicia) białka transbłonowe Białko błonowe może równocześnie pełnić kilka funkcji, np.: receptorową i enzymatyczną receptorową i transportową transportową i enzymatyczną strukturalną i receptorową Błony biologiczne stanowią barierę oddzielającą różne środowiska - stąd ich najważniejszą funkcją jest regulacja transportu substancji Kanały odpowiadają za transport bierny (dyfuzję) jonów transportowane cząsteczki ZAMKNIĘTY OTWARTY kanał przenośnik pompa gradient stężeń dyfuzja dyfuzja dyfuzja bierna ułatwiona transport aktywny gazy i cząsteczki hydrofobowe (np. kwasy tłuszczowe, steroidy) swobodnie dyfundują przez dwuwarstwę lipidową jony i niskocząsteczkowe substancje hydrofilne są przenoszone przez błonę przy udziale białek transportowych Kierunek: zgodnie z gradientem stężeń Bez nakładu energii Przykłady: kanały sodowe kanały wapniowe kanały chlorkowe kanały potasowe Istnieją różne mechanizmy otwierania kanałów kanały otwierane kanały otwierane kanały otwierane zmianą potencjału ligandem mechanicznie ZAMKNIĘTE OTWARTE komórki nerwowe błona postsynaptyczna, komórki mięśniowe, komórki reagujące na komórki zmysłowe hormony i neuroprzekaźniki ucha wewnętrznego Niektóre kanały są stale otwarte regulacja transportu przez te kanały odbywa się poprzez ich wycofywanie z błony do cytoplazmy lub wbudowywanie z cytoplazmy do błony Przykłady: potasowe kanały przecieku (niezbędne do utrzymywania potencjału spoczynkowego błony komórkowej) kanały wodne akwaporyny (np. w kanalikach nerkowych, odpowiadają za ostateczne zagęszczenie moczu) 3

4 Przenośniki transportują inne substancje niskocząsteczkowe (cukry, aminokwasy, nukleotydy) Pompy odpowiadają za transport aktywny jonów i innych substancji niskocząsteczkowych stan A stan B gradient stężeń Pompy cyklicznie zmieniają konformację (tak jak przenośniki), ale rozkładają ATP i użytkują energię na transport substancji wbrew gradientowi stężeń Kierunek zgodnie z gradientem stężeń Bez nakładu energii Inna kinetyka (dufuzja ułatwiona) Przenośnik cyklicznie zmienia swoją konformację (kształt przestrzenny) Przykłady: pompa sodowo-potasowa (Na +,K + -ATPaza) pompa wapniowa pompa protonowa energia gradient stężeń Przenośniki i pompy mogą transportować jedną (uniport) lub równocześnie dwie substancje (kotransport) Szczególne transportery błonowe dla substancji wysokocząsteczkowych uniport symport antyport Translokony umożliwiają przechodzenie białek przez błony biologiczne - jednak przechodzące białko musi mieć formę rozwiniętego łańcucha polipeptydowego rybosom Translokony służą do wbudowywania białek do: siateczki śródplazmatycznej mitochondriów peroksysomów translokon ER Przykłady: Na + -K + -ATPaza (antyporter) H + -K + -ATPaza (antyporter) transporter Na + -glukoza (symporter) Transportery ABC umożliwiają transport przez błonę niektórych substancji wysokocząsteczkowych (leków, peptydów) Transport substancji wysokocząsteczkowych i dużych struktur wymaga aktywnego udziału błony: tworzenia pęcherzyków, ich transportu i fuzji z inną błoną; jest to transport pęcherzykowy Transport pęcherzykowy przenosi: transportowaną substancję (kargo) fragment błony Zarówno kargo jak i fragment błony mogą być modyfikowane chemicznie podczas transportu siateczka śródplazmatyczna lizosom endosom endosom pęcherzyki wydzielnicze W komórce są różne szlaki transportu pęcherzykowego - łącznie nazywa się je przepływem błon aparat Golgiego szlak wydzielniczy : siateczka Golgi błona komórkowa szlak endocytarny : bł. komórkowa endosomy lizosomy 4

5 Błona komórkowa (plazmalema) jest szczególnym rodzajem błony biologicznej błona komórkowa glikokaliks gruba (7.5 nm) trójwarstwowy obraz w mikroskopie elektronowym asymetryczne rozmieszczenie fosfolipidów w dwuwarstwie warstwa cukrowców na powierzchni (glikokaliks) specyficzne glikoproteidy odpowiedzialne za kontakt z innymi komórkami i z substancją międzykomórkową (cząsteczki adhezyjne) liczne białka transportowe i receptory nierównomierne rozmieszczenie ładunków elektrycznych po obu stronach błony (potencjał spoczynkowy) obszary wyspecjalizowane: tratwy lipidowe, kaweole, dołeczki okryte wzmocniona przez szkielet błonowy (podbłonowe białka spektryna) Glikokaliks Cząsteczki adhezyjne Ca 2+ kadheryny Warstwa cukrowcowa na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej zbudowana z łańcuchów cukrowcowych połączonych z cząsteczkami białek (glikoproteidów) i lipidów (glikolipidów) kadheryny - wiązanie komórka-komórka (tego samego typu) selektyny - wiązanie komórka-komórka białka z nadrodziny immunoglobulin - wiązanie komórka-komórka integryny - wiązanie komórka-substancja międzykomórkowa, rzadziej komórka-komórka Funkcje: ochrona komórki przed czynnikami mechanicznymi i chemicznymi udział w regulacji pobierania substancji przez komórkę (endocytozy) udział w kontaktowym rozpoznawaniu się komórek integryna elementy substancji międzykomórkowej Specjalne obszary błony komórkowej Tratwy lipidowe: bogate w glikolipidy i cholesterol sztywne, pływają w płaszczyźnie dwuwarstwy lipidowej przenoszą związane z nimi zespoły białek, które muszą być blisko siebie, nie pozwalają na ich rozproszenie białko transbłonowe białko łączące Szkielet błonowy Kaweole powstają z tratw przez przyłączenie białka kaweoliny i wpuklenie skupiają białka receptorowe, enzymatyczne i transportowe (transport Ca 2+ ) kaweolina Dołeczki okryte: wewnętrzna powierzchnia błony przyłącza białko klatrynę skupiają białka receptorowe i uczestniczą w endocytozie receptorowej białko szkieletu (np. spektryna) błona komórkowa Białkowa sieć pod wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej, połączona z białkami transbłonowymi i niekiedy z cytoszkieletem 5

6 Jądro komórkowe Biogeneza błon biologicznych Błony biologiczne nie mogą się tworzyć od nowa (de novo), mogą się jedynie powiększać przez wbudowywanie nowych składników (białek i lipidów) do istniejących błon. białka wbudowywane są do błon siateczki śródplazmatycznej w trakcie translacji, a do błon mitochondriów i peroksysomów po zakończeniu translacji lipidy są wbudowywane do błon siateczki podczas ich syntezy, a do innych błon przez specjalne białka przenoszące błony aparatu Golgiego, endosomów i lizosomów są stale odnawiane w procesie przepływu błon błony mitochondriów i peroksysomów nie uczestniczą w przepływie błon Główne składniki: chromatyna jąderko otoczka jądrowa Chemiczne składniki chromatyny: DNA białka - histony (H1, H2A, H2B, H3, H4) - białka niehistonowe (enzymatyczne, regulatorowe, strukturalne) Typy chromatyny: euchromatyna (jasna, rozproszona, aktywna transkrypcyjnie) heterochromatyna (ciemna, zagęszczona, nieaktywna transkrypcyjnie) - konstytutywna (stała dla wszystkich komórek, DNA niekodujący) - fakultatywna (zależna od typu komórki, wynik wyłączania genów w trakcie różnicowania) Budowa chromatyny Podjednostka: nukleosom rdzeń - oktamer histonów (2 X H2A, H2B, H3, H4) nawinięty fragment DNA (147 par zasad) Odcinek DNA łączący nukleosomy: 80 par zasad + histon H1 histon H1 Budowa chromatyny c.d. DNA euchromatyna nukleofilament włókno chromatynowe nukleosom tworzenie bocznych pętli heterochromatyna superspirala podział chromosom 6

7 Jąderko produkuje podjednostki rybosomów Otoczka jądrowa kontroluje wymianę substancji pomiędzy jądrem a cytoplazmą przez znajdujące się w niej pory 1 2 Obszary jąderka: 1 - jasne centra włókienkowe - nieaktywny rdna 2 - gęste obszary włókienkowe - pre-rrna 3 - obszary ziarniste - podjednostki rybosomów Etapy produkcji podjednostek rybosomów: transkrypcja rdna pre-rrna cięcie pre-rrna na mniejsze fragmenty rrna przyłączanie białek importowanych z cytoplazmy podjednostki rybosomów Organizatory jąderek (NOR) obszary rdna na chromosomach 13,14,15,21,22 3 Zbudowana z dwóch błon: błona wewnętrzna z blaszką jądrową (laminy A,B) błona zewnętrzna - kontynuacja błon siateczki śródplazmatycznej Pomiędzy błonami przestrzeń okołojądrowa (do 100 nm) Otoczka jądrowa uważana jest za szczególny obszar siateczki śródplazmatycznej Kompleks poru jądrowego Białka kompleksu: nukleoporyny Rybosomy - aparat biosyntezy białek cytoplazma włókienko pierścień cytoplazmatyczny kolumna pierścień cytoplazmatyczny kolumny pierścień jądrowy obszar centralny jądro Jak działa kompleks poru: pierścień jądrowy koszyczek Transport jądrowo-cytoplazmatyczny: z jądra do cytoplazmy: mrna, trna, podjednostki rybosomów z cytoplazmy do jądra: wszystkie białka jądrowe małe cząsteczki przechodzą swobodnie duże cząsteczki są rozpoznawane i wiązane przez receptory (cytoplazmatyczne importyny dla białek, jądrowe eksportyny dla rybonukleoproteidów) tylko kompleksy cząsteczka-receptor są przenoszone przez łańcuchy nukleoporyn w obszarze centralnym 49 białek 33 białka Podjednostki rybosomów łączą się w cytoplazmie dopiero po przyłączeniu mrna Polirybosomy (polisomy): rybosomy połączone nicią mrna (w trakcie biosyntezy białka - translacji) rybosom odcinek sygnałowy Białka mają odmienne odcinki sygnałowe umożliwiające wbudowanie ich do: siateczki śródplazmatycznej jądra mitochondriów peroksysomów Odcinki sygnałowe są rozpoznawane przez odpowiednie receptory znajdujące się w docelowych organellach. Po związaniu odcinka sygnałowego z receptorem, białko zostaje wbudowane do organelli: - rybosomy związane z błonami siateczki szorstkiej produkują: białka błon biologicznych, białka wydzielnicze, białka lizosomowe - rybosomy wolne (cytoplazmatyczne) produkują: białka jądrowe, mitochondriów, peroksysomów, cytoszkieletu, cytoplazmy Docelowa lokalizacja białka zależy od tzw. odcinka sygnałowego: krótkiego fragmentu łańcucha polipeptydowego zlokalizowanego zazwyczaj na jednym z końców cząsteczki białkowej do jądra - przechodzi przez por w otoczce jądrowej do siateczki, mitochondriów i peroksysomów - przechodzi przez translokony, obecne w ich błonach Białko może mieć także odcinek stop - zazwyczaj wewnątrz cząsteczki - powoduje on zatrzymanie białka w błonie (w ten sposób wbudowywane są białka błon). Do siateczki białka wbudowywane są podczas translacji, do innych organelli po zakończeniu translacji 7

8 Biosynteza białka na wolnych (cytoplazmatycznych) rybosomach Biosynteza białka na rybosomach siateczki śródplazmatycznej łańcuch polipeptydowy odcinek sygnałowy SRP 1. Przyłączenie mrna do małej podjednostki rybosomu. 2. Przyłączenie dużej podjednostki do małej - tworzy się kompletny rybosom. 3. Rozpoczęcie translacji. 4. Zakończenie translacji rybosom rozpada się na oddzielne podjednostki i odłącza od mrna. 4 receptor i translokon 1. Przyłączenie mrna do małej podjednostki rybosomu. 2. Przyłączenie dużej podjednostki do małej - tworzy się kompletny rybosom. 3. Rozpoczęcie translacji - jako pierwszy powstaje odcinek sygnałowy 4. Przyłączenie cząsteczki rozpoznającej sygnał (SRP) do odcinka sygnałowego 5. Przyłączenie kompleksu SRP-odcinek sygnałowy do receptora SRP w błonie siateczki śródplazmatycznej 9 11 Siateczka śródplazmatyczna 6 7,8 6. Skierowanie odcinka sygnałowego do translokonu w błonie siateczki - białko zaczyna przechodzić przez błonę. 7. Przyłączenie dużej podjednostki rybosomu do błony siateczki przy udziale białek mocujących (ryboforyn) obecnych w błonie. 8. Dalsze przechodzenie białka przez błonę, odcięcie odcinka sygnałowego. 9. Jeżeli białko nie ma odcinka stop, przechodzi w całości przez błonę i wewnątrz siateczki ulega sfałdowaniu (przyjmuje strukturę trzeciorzędową). 10. Jeżeli białko ma odcinek stop, zostaje wbudowane w błonę siateczki i tam się fałduje. 11. Po ukończeniu translacji rybosom rozpada się na oddzielne podjednostki. szorstka gładka spłaszczone cysterny kanaliki rybosomy brak rybosomów receptory dla SRP, translokony, ryboforyny główne funkcje: główne funkcje: - produkcja lipidów - synteza białek - neutralizacja leków i trucizn - wstępna glikozylacja białek - gromadzenie jonów Ca 2+ - fałdowanie białek (Hsp) (kalciosomy) Aparat Golgiego Bieguny diktiosomu CIS - wypukły - błona (5 nm) podobna do błon siateczki TRANS - wklęsły - błona (7,5 nm) podobna do błony komórkowej - wewnętrzna powierzchnia błony bogata w cukry Diktiosom - podjednostka aparatu Golgiego Przez diktiosom przepływają (transport pęcherzykowy) fragmenty błony i białka z siateczki śródplazmatycznej. W trakcie przepływu od bieguna cis do trans składniki błony i transportowane białka ulegają modyfikacji chemicznej (głównie glikozylacja, także fosforylacja i sulfatacja). Błona stopniowo zmienia charakter na podobny do błony komórkowej. 8

9 sieć trans Jak działa diktiosom? sieć cis ER sieć cis biegun cis biegun cis biegun trans biegun trans sieć trans Sieć cis: przedział ratunkowy Sieć trans: rozdzielnia Pęcherzyki wychodzące z sieci trans: pęcherzyki transportujące (małe) odnowa błony komórkowej i egzocytoza konstytutywna wakuole zagęszczające (ziarna wydzielnicze, duże, gęsta zawartość, egzocytoza regulowana) pęcherzyki hydrolazowe Funkcje aparatu Golgiego: przebudowa błon i odnowa błony komórkowej modyfikacja chemiczna przepływających białek (głównie glikozylacja) wytwarzanie glikokaliksu (glikozylacja białek i lipidów błonowych) sortowanie (segregacja) białek i kierowanie do różnych pęcherzyków tworzenie pęcherzyków i ziarn wydzielniczych - udział w procesie wydzielania tworzenie pęcherzyków hydrolazowych 9