Komórka cz. 1
advertisement
W XIX wieku... WITAMY NA KURSIE HISTOLOGII „Histologia to nauka o mikroskopowej budowie komórek, tkanek i narządów” Kurs histologii: teoria... W XXI wieku... „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... ???! www.histologia.cm-uj.krakow.pl • regulamin kursu • prezentacje wykładowe • materiały uzupełniające • ogłoszenia • wyniki kolokwiów i egzaminu • repetytorium praktyczne (obrazy preparatów) 1 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 komórkowa Jądro Organelle: • siateczka śródplazmatyczna • aparat Golgiego • mitochondria • endosomy • lizosomy • peroksysomy • rybosomy • centriole Inne struktury: • cytoszkielet • pęcherzyki transportujące • pęcherzyki wydzielnicze • materiały zapasowe • wtręty Większość struktur komórkowych zbudowana jest z błon biologicznych Lipidy błonowe: fosfolipidy Błona biologiczna jest zbudowana z lipidów i białek Lipidy: • fosfolipidy • glikolipidy • cholesterol błona komórkowa przestrzeń międzykomórkowa błona komórkowa część hydrofilna część hydrofobowa Dwuwarstwa lipidowa decyduje o integralności błony biologicznej 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 Białka swobodnie „pływają” w dwuwarstwie lipidowej Klasyfikacja czynnościowa białek błonowych białka transportowe strukturalne Klasyfikacja białek błonowych receptorowe enzymatyczne ligand A. Biochemiczna (siła związania z dwuwarstwą): • • obwodowe integralne B. Strukturalna (topograficzna): • • białka powierzchniowe białka transbłonowe obwodowe (powierzchniowe) transbłonowe (jednokrotnego lub wielokrotnego przebicia) Błony biologiczne stanowią barierę oddzielającą różne środowiska - stąd ich najważniejszą funkcją jest regulacja transportu substancji transportowane cząsteczki kanał Białko błonowe może równocześnie pełnić kilka funkcji, np.: • receptorową i enzymatyczną • receptorową i transportową • transportową i enzymatyczną • strukturalną i receptorową Kanały odpowiadają za transport bierny (dyfuzję) jonów ZAMKNIĘTY przenośnik OTWARTY pompa gradient stężeń dyfuzja dyfuzja bierna dyfuzja ułatwiona Kierunek: zgodnie z gradientem stężeń Bez nakładu energii 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 Przykłady: • kanały sodowe • kanały wapniowe • kanały chlorkowe • kanały potasowe Istnieją różne mechanizmy otwierania kanałów kanały otwierane zmianą potencjału kanały otwierane ligandem kanały otwierane mechanicznie ZAMKNIĘTE 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 OTWARTE komórki nerwowe błona postsynaptyczna, komórki reagujące na hormony i neuroprzekaźniki komórki mięśniowe, komórki zmysłowe ucha wewnętrznego Przykłady: • potasowe kanały „przecieku” (niezbędne do utrzymywania potencjału spoczynkowego błony komórkowej) • kanały wodne – akwaporyny (np. w kanalikach nerkowych, odpowiadają za ostateczne zagęszczenie moczu) 3 Przenośniki transportują inne substancje niskocząsteczkowe (cukry, aminokwasy, nukleotydy) Pompy odpowiadają za transport aktywny jonów i innych substancji niskocząsteczkowych stan B stan A gradient stężeń Pompy cyklicznie zmieniają konformację (tak jak przenośniki), ale rozkładają ATP i użytkują energię na transport substancji wbrew gradientowi stężeń gradient 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 Przenośniki i pompy mogą transportować jedną (uniport) lub równocześnie dwie substancje (kotransport) Szczególne transportery błonowe dla substancji wysokocząsteczkowych uniport symport antyport energia Translokony umożliwiają przechodzenie białek przez błony biologiczne - jednak przechodzące białko musi mieć formę rozwiniętego łańcucha polipeptydowego translokon Translokony służą do wbudowywania białek do: • siateczki śródplazmatycznej • mitochondriów • peroksysomów Przykłady: • Na+-K+-ATPaza (antyporter) • H+-K+-ATPaza (antyporter) • transporter Na+-glukoza (symporter) Transport substancji wysokocząsteczkowych i dużych struktur wymaga aktywnego udziału błony: tworzenia pęcherzyków, ich transportu i fuzji z inną błoną; jest to transport pęcherzykowy rybosom ER Transportery ABC umożliwiają transport przez błonę niektórych substancji wysokocząsteczkowych (leków, peptydów) lizosom endosom siateczka śródplazmatyczna Transport pęcherzykowy przenosi: • transportowaną substancję (kargo) • fragment błony Zarówno kargo jak i fragment błony mogą być modyfikowane chemicznie podczas transportu endosom pęcherzyki wydzielnicze aparat Golgiego W komórce są różne szlaki transportu pęcherzykowego łącznie nazywa się je przepływem błon • szlak „wydzielniczy”: siateczka → Golgi → błona komórkowa ↓↑ ↓↑ ↑ • szlak „endocytarny”: bł. komórkowa → endosomy → lizosomy 4 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 Ca2+ 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 Szkielet błonowy białko transbłonowe 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 Kaweole • powstają z tratw przez przyłączenie białka kaweoliny i wpuklenie • skupiają białka receptorowe, enzymatyczne i transportowe (transport Ca2+) kaweolina Dołeczki okryte: • wewnętrzna powierzchnia błony przyłącza białko klatrynę • skupiają białka receptorowe i uczestniczą w endocytozie receptorowej białko łączące błona komórkowa białko szkieletu (np. spektryna) Białkowa sieć pod wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej, połączona z białkami transbłonowymi i niekiedy z cytoszkieletem 5 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 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 c.d. Główne składniki: • chromatyna • jąderko • otoczka jądrowa Budowa chromatyny Podjednostka: nukleosom • rdzeń - oktamer histonów (2 X H2A, H2B, H3, H4) • nawinięty fragment DNA (147 par zasad) histon H1 Odcinek DNA łączący nukleosomy: 80 par zasad + histon H1 DNA nukleosom nukleofilament euchromatyna włókno chromatynowe tworzenie bocznych pętli --------------------------------------------------------heterochromatyna superspirala --------------------------------------------------------podział chromosom 6 Otoczka jądrowa kontroluje wymianę substancji pomiędzy jądrem a cytoplazmą przez znajdujące się w niej pory Jąderko produkuje podjednostki rybosomów 1 2 Obszary jąderka: 1 - jasne centra włókienkowe - nieaktywny rDNA 2 - gęste obszary włókienkowe - pre-rRNA 3 - obszary ziarniste - podjednostki rybosomów 3 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 Kompleks poru jądrowego włókienko cytoplazma pierścień cytoplazmatyczny 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 Białka kompleksu: nukleoporyny Rybosomy - aparat biosyntezy białek • pierścień cytoplazmatyczny • kolumny • pierścień jądrowy • obszar centralny kolumna jądro pierścień jądrowy koszyczek Jak działa kompleks poru: 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 rybosom odcinek sygnałowy Polirybosomy (polisomy): rybosomy połączone nicią mRNA (w trakcie biosyntezy białka - translacji) 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 Biosynteza białka na wolnych (cytoplazmatycznych) rybosomach Biosynteza białka na rybosomach siateczki śródplazmatycznej 2 1 3 łańcuch polipeptydowy 3 4 5 odcinek sygnałowy SRP receptor i translokon 4 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. 9 6 Siateczka śródplazmatyczna 11 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. Aparat Golgiego 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 szorstka Bieguny diktiosomu CIS - wypukły - błona (5 nm) podobna do błon siateczki Diktiosom - podjednostka aparatu Golgiego 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 Ca2+ - fałdowanie białek (Hsp) (kalciosomy) TRANS - wklęsły - błona (7,5 nm) podobna do błony komórkowej - wewnętrzna powierzchnia błony bogata w cukry 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 Jak działa diktiosom? sieć trans 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
