Co zaciekawi fizyka w komórce?
advertisement
Co zaciekawi (bio)fizyka w komórce? 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. 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. 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 Cytoplazma się rusza… Filmik: http://www.youtube.com/watch?v=YA8gz7u_4kw http://www.youtube.com/watch?v=7jw-N82tHjc 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. 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, 121–130 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, 121–130 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 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. 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 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 Mitochondrium • Liczebność: mała liczba (kilkaset) mitochondriów charakteryzuje komórki roślinne, niezróżnicowane komórki zwierzęce takie jak komórki nowotworowe, limfocyty, komórki naskórka. Szczególnie dużo (1000-2000) mitochondriów występuje w komórkach wątrobowych, kanalików nerkowych, komórkach mięśnia sercowego. 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) 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. 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 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 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 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. 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) 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. 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 • W błonie siateczki śródplazmatycznej cd.. znajdują się kanały dla jonów wapnia sprzężone z receptorami wrażliwymi na czynniki aktywujące sygnał wapniowy. • Ponadto występuje tam specyficzna pompa wapniowa umożliwiająca akumulację Ca2+ wbrew gradientowi stężenia (kosztem energii uwalnianej w czasie hydrolizy ATP). 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. 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 Otoczenie jądra • Otoczka jądrowa składa się z dwóch błon, zewnętrznej i wewnętrznej, oddzielonych od siebie zwykle o 20 – 40 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 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, 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 Komunikacja między komórkami 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 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 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 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): 164-171 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 Komunikacja jak działa? Postępy mikrobiologii, 2005, 44, 2, 99-111 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 http://www.youtube.com/watch?v=YJWKWYQfSi0 Postepy Hig Med Dosw. (online), 2010; 64: 582-589 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. Bakterie Gram ujemne i dodatnie Ten podział wynika ze struktury ściany komórkowej http://www.pzwl.pl/PDF/571_85.pdf 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. Śmierć komórki 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 34 2007 NR 4 (651-667) 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. 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) http://www.cmdik.pan.pl/zespoly/znp/zdjecia2.html 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 http://www.nadzieja-glejak.pun.pl/viewprintable.php?id=242 Podsumowując http://www.phmd.pl/fulltxthtml.php?ICID=1021109
