KOMÓRKA Cz. II

KOMÓRKA
Egzocytoza
Cz. II
• transport pęcherzyków zawierających substancje do wydzielenia
• fuzja pęcherzyków z błoną komórkową - wydzielenie substancji
Fuzja błon
Dwa rodzaje egzocytozy:
konstytutywna:
• ciągła
• wolna
• wydzielina niezagęszczona
• małe pęcherzyki
regulowana:
sygnał
Warunki połączenia się (fuzji) dwóch błon biologicznych:
• błony muszą być podobne
• w obu błonach muszą być specyficzne białka (SNARE),
które rozpoznając się i wiążąc ze sobą wymuszają fuzję błon
Fagocytoza
• na sygnał (np. nerwowy
lub hormonalny)
• szybka
• wydzielina zagęszczona
• duże ziarna wydzielnicze
Pinocytoza
Endocytoza:
• fagocytoza
• pinocytoza
- niezależna od klatryny
- zależna od klatryny
(endocytoza receptorowa)
• pobierane duże cząstki stałe
lub struktury
• błona komórkowa „wspina
się” otaczając cząstkę
• udział cytoszkieletu
• potrzebna energia
• powstają duże pęcherzyki
(fagosomy)
• pobierany płyn
• błona komórkowa wpukla się
• bez udziału cytoszkieletu
• bez udziału energii
• powstają małe pęcherzyki
(pinosomy)
1
Endocytoza receptorowa:
• selektywna
• pobierane substancje związane z receptorami
• błona komórkowa zachowuje się jak w pinocytozie
błona pęcherzyka
klatryna
adaptyna
Transport pęcherzykowy substancji związanych z receptorami
wymaga udziału tzw. białek okrywających (klatryna, białka COP)
- tworzą się „pęcherzyki okryte”
Endocytoza
receptorowa:
etapy procesu
Endocytoza
receptorowa:
etapy procesu c.d.
wczesny endosom
1. Przyłączenie ligandów do receptorów na powierzchni
błony komórkowej
2. Podbłonowa agregacja klatryny, skupienie receptorów
i utworzenie dołeczka okrytego
3. Endocytoza - utworzenie pęcherzyka okrytego
4. Oddzielenie klatryny od pęcherzyka
5. Połączenie pęcherzyka z wczesnym endosomem
6. We wczesnym endosomie: niskie pH (pompa protonowa),
oddzielenie ligandów od receptorów, powrót receptorów
transportem pęcherzykowym do błony komórkowej
(recyrkulacja receptorów).
wczesny endosom
późny endosom
7. Przemieszczenie endosomu w głąb komórki - staje się późnym endosomem
8. W późnym endosomie: przyłączenie pęcherzyków hydrolazowych
zawierających enzymy trawienne - późny endosom przekształca się
w lizosom
9. Trawienie ligandów w lizosomie
Znaczenie endocytozy receptorowej:
• wybiórcze pobieranie niektórych substancji
(cholesterol – LDL, żelazo – transferyna)
• pobieranie i ew. inaktywacja niektórych
substancji sygnałowych (hormonów,
czynników wzrostu)
• patologia: wnikanie wirusów i toksyn
do komórek
2
Lizosomy
pęcherzyki, w których zachodzi trawienie wewnątrzkomórkowe;
zawierają enzymy trawienne (hydrolazy) i trawione substancje
Powstawanie pęcherzyków
hydrolazowych
1. Synteza enzymów trawiennych
(hydrolaz) i ich glikozylacja
w siateczce szorstkiej
2. Transport pęcherzykowy
enzymów do diktiosomu
3. W diktiosomie reszty mannozy
enzymów ulegają fosforylacji
- powstają grupy
mannozo-6-fosforanu (znacznik)
4. Znacznik rozpoznawany jest
i wiązany przez receptory w TGN
5. Od TGN odrywa się pęcherzyk
okryty (klatryną) zawierający
hydrolazy związane z receptorami.
Lizosomy powstają przez połączenie (fuzję) pęcherzyków hydrolazowych
zawierających enzymy trawienne z pęcherzykami zawierającymi substancje,
które mają zostać strawione
Hydrolazy lizosomowe (esterazy, glikozydazy, peptydazy) – działają w kwaśnym
pH, mogą trawić wszystkie rodzaje substancji wysokocząsteczkowych.
Hydrolazy w pęcherzykach hydrolazowych są nieaktywne.
błony siateczki
środplazmatycznej
LIZOSOM
fagocytoza
pinocytoza,
endocytoza receptorowa
LIZOSOM
Pęcherzyki hydrolazowe mogą się łączyć:
(1) z pęcherzykami powstałymi
w wyniku endocytozy:
•
z fagosomami
•
z pinosomami
•
z późnymi endosomami
- powstają heterolizosomy
(2) z pęcherzykami tworzonymi
w komórce, zawierającymi
jej własne struktury
(autofagosomami)
- powstają autolizosomy
(3) z błoną komórkową (rzadko)
- enzymy są wydzielane
do procesów trawienia
zewnątrzkomórkowego
Proteasomy
Białka cytozolu są trawione poza lizosomami, przez znajdujące się
w cytoplazmie kompleksy enzymatyczne - proteasomy
20S
26S
• Wewnątrz lizosomów panuje niskie pH, w wyniku czego hydrolazy
oddzielają się od receptorów, stają się aktywne i trawią zawarte
w lizosomach substancje.
• Produkty trawienia (substancje niskocząsteczkowe) przechodzą przez
błonę lizosomu do cytoplazmy, gdzie mogą służyć do syntezy nowych
substancji użytecznych dla komórki, lub do produkcji energii.
• Receptory dla mannozo-6-fosforanu powracają transportem
pęcherzykowym do diktiosomu.
Rozpoznawane i trawione przez proteasomy są tylko te białka, które
zostały „oznakowane” przez przyłączenie do nich innego białka ubikwityny
3
lizosomy
Błona
komórkowa
endosomy
Mitochondria nie uczestniczą w przepływie błon, a zatem
(1) namnażają się przez podział i nie mogą powstać de novo, (2) ich
błony mają unikatowy charakter i (3) ich białka są syntetyzowane na
wolnych rybosomach i posttranslacyjnie wbudowywane do organelli
peroksysomy
MITOCHONDRIA
fagosomy,
pinosomy,
pęcherzyki
okryte
pęcherzyki
hydrolazowe
pęcherzyki wydzielnicze
siateczka
śródplazmatyczna
aparat Golgiego
przepływ błon w komórce
Przedziały
mitochondrialne
Błona zewnętrzna:
• białka/lipidy 1:1
• poryny - nieselektywna przepuszczalność < 5 kDa
• translokony dla importu białek (TOM)
• błona zewnętrzna
• błona wewnętrzna (tworzy wpuklenia: grzebienie lamelarne
lub tubularne)
• przestrzeń międzybłonowa
• macierz
Przestrzeń międzybłonowa:
• kinazy nukleotydów (np. synteza ADP)
• miejsca kontaktowe (styk obu błon i translokonów)
Główna funkcja mitochondriów, produkcja ATP wymaga
współdziałania enzymów cyklu Krebsa, łańcucha przenośników
elektronów i syntazy ATP
Błona wewnętrzna:
• białka/lipidy 4:1
• specyficzny lipid (kardiolipina)
• liczne białka transportowe (w pełni kontrolowany transport)
• translokony dla importu białek (TIM)
• łańcuch przenośników elektronów
• „grzybki mitochondrialne” - kompleksy syntazy ATP
cykl
Krebsa
Macierz:
• aparat genetyczny (mtDNA, mtRNA, mt-rybosomy)
• enzymy cyklu Krebsa
• enzymy β-oksydacji kwasów tłuszczowych
• ciałka gęste (złogi fosforanów wapnia)
substraty
4
Trzy składniki łańcucha oddechowego „pompują” protony
z macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Powstały gradient
protonowy służy jako źródło energii dla syntezy ATP w „grzybkach”
(a także dla aktywnego transportu przez błonę wewnętrzna oraz dla
importu białek)
transporter protonowy
F0
cytochrom c
przestrzeń
międzybłonowa
Grzybek mitochondrialny (kompleks syntazy ATP, F0 -F1 ATPaza)
składa się z „nóżki” (F 0) zawierającej transporter protonowy
i „główki” (F1) - syntazy ATP. Grzybek działa jak „turbina molekularna”
błona
wewnętrzna
macierz
ubichinon
dehydrogenaza
NADH
cytochromy
b – c1
oksydaza
cytochromowa
syntaza ATP
Mitchell, Nagroda Nobla 1978
2000 obr/min
Boyer & Walker, Nagroda Nobla 1997
Inne funkcje mitochondriów:
• β-oksydacja kwasów tłuszczowych
• ostatnie etapy syntezy hormonów steroidowych
• udział w regulacji poziomu Ca2+ w komórce
• produkcja ciepła
• udział w procesie apoptozy
Mitochondria zawierają własny aparat genetyczny:
• pętlowy, bezhistonowy mtDNA
• wszystkie rodzaje mtRNA
• rybosomy
• enzymy niezbędne do procesów replikacji,
transkrypcji i translacji
... Jednak jest on zbyt ubogi, aby zapewnić organelli pełną autonomię
podjednostki
syntazy ATP
podjednostki oksydazy
cytochromowej
podjednostki
dehydrogenazy NADH
podjednostki
dehydrogenazy NADH
długość genomu: 16 569 par zasad
16S RNA
12S RNA
start
cytochrom b
mtDNA koduje:
• 12S i 16S rRNA do rybosomów mitochondrialnych
• 22 cząsteczki tRNA
• 13 białek błony wewnętrznej
Pozostałe białka mitochondrialne są kodowane w DNA jądrowym,
syntetyzowane w cytoplazmie na wolnych rybosomach
i po translacji wbudowywane do mitochondriów
5
Mitochondria mają zatem
„mozaikowy” (semiautonomiczny) charakter
Mitochondria ewolucyjnie wywodzą się z prymitywnych bakterii, które
posiadały zdolność do produkcji ATP (teoria endosymbiotyczna)
pierwotna
bakteria
Jądro
DNA
pierwotna komórka
eukariotyczna
FAGOCYTOZA (?)
synteza
białka
mitochondrium
DNA
białko
importowane
SYMBIOZA, TRANSFER GENÓW
białko
syntetyzowane
mitochondrium
blona
siateczki
błona
mitochondrium
Biogeneza mitochondriów
jądro
Peroksysomy
pęcherzyki (0,1-1 µm) zawierające specyficzny zestaw enzymów
Lipidy są wbudowywane w błony mitochondrialne
przez specjalne białka przenoszące
Enzymy peroksysomowe:
• oksydazy peroksysomowe (produktem ubocznym ich
działania jest nadtlenek wodoru)
• katalaza (rozkłada nadtlenek wodoru)
• enzymy ß-oksydacji kwasów tłuszczowych
• enzymy biosyntezy lipidów
• aminotransferazy.
Import białek z cytoplazmy do mitochondriów wymaga odpowiednich
odcinków sygnałowych w białkach, a także skoordynowanego
działania translokonów błony zewnętrznej i wewnętrznej.
RER
Białka błonowe
i enzymatyczne
produkowane na
wolnych rybosomach
Pęcherzyk
preperoksysomowy
Główne funkcje peroksysomów:
• utlenianie różnych substratów, w tym detoksyfikacja
• rozkład nadtlenku wodoru
• ß-oksydacja długołańcuchowych kw. tłuszczowych
• synteza cholesterolu, kwasów żółciowych i plazmalogenów
• degradacja puryn
Biogeneza peroksysomów
Peroksysom
1. Z szorstkiej siateczki wypączkowują małe pęcherzyki zawierające
niektóre błonowe białka peroksysomu (pęcherzyki preperoksysomowe)
2. Do pęcherzyków preperoksysomowych wbudowywane są
posttranslacyjnie pozostałe białka błonowe i enzymy peroksysomowe
(posiadające odpowiedni odcinek sygnałowy)
3. Powstaje peroksysom, który może się dzielić lub ulegać fuzji
z innymi peroksysomami
6
Mikrotubule
Cytoszkielet
tubulina
protofilament
rureczki
zbudowane z tubuliny
Typ włókien
Średnica
Białko
Funkcja
mikrotubule
25 nm
tubulina
ruch,
podporowa
mikrofilamenty
6 nm
aktyna
ruch,
podporowa
10 nm
różne
białka
podporowa
filamenty
pośrednie
+
Dynamiczne (wydłużają się
i skracają)
koniec „+” – wydłużanie lub
skracanie
koniec „-” stabilny, zazwyczaj
zakotwiczony w pobliżu centrioli
Centriola
Mikrotubule nietrwałe (cytoplazmatyczne, w tym włókna wrzeciona
podziałowego)
Mikrotubule trwałe (po zakończeniu wzrostu nie rozpadają się):
• neurotubule w wypustkach komórek nerwowych
• mikrotubule budujące złożone struktury: rzęski, witki i centriole
W strukturach mikrotubule łączą się
w dublety lub triplety
9 tripletów mikrotubul
para centrioli = centrosom
Aksonema rzęsek i witek:
9 obwodowych dubletów
i 2 mikrotubule centralne
Centriole i otaczający je materiał
zawierający tubulinę G
indukują i regulują wzrost mikrotubul
cytoplazmatycznych
(centrum organizacji mikrotubul)
Za zjawiska ruchu komórkowego odpowiedzialne
są tzw. mechanoenzymy (białka motoryczne),
które wykorzystując energię z ATP „kroczą”
po powierzchni mikrotubul i mikrofilamentów
Do mechanoenzymów mogą się przyczepiać
różne struktury, które są w ten sposób
transportowane wzdłuż mikrotubul, „jak po szynach”
Mikrofilamenty (filamenty aktynowe)
zbudowane z aktyny
E
_
+
• nietrwałe
• trwałe:
w połączeniach międzykomórkowych,
w niektórych komórkach nabłonkowych – mikrokosmki, sieć krańcowa,
w komórkach mięśniowych – cienkie miofilamenty
E
7
dyneina
kinezyna
+
-
Po powierzchni mikrotubul mogą
„kroczyć” dwa mechanoenzymy:
• dyneina - w kierunku końca „-”
• kinezyna - w kierunku końca „+”
Po powierzchni filamentów aktynowych może kroczyć tylko jeden
rodzaj mechanoenzymu: miozyna, wyłącznie w kierunku końca „+”.
Filamenty aktynowe zakotwiczają się tym końcem w błonie
komórkowej, a układ ten odpowiada za zjawiska ruchowe, w których
uczestniczy błona:
tworzenie wpukleń i fałdów
błony, wysuwanie i wciąganie
wypustek (fagocytoza,
ruch pełzakowaty) – miozyna II,
doraźnie agreguje w filamenty
mikrotubula
mikrotubula
W ten sposób
transportowane są:
• pęcherzyki
• organelle (ruch organelli)
• duże białka
(ruch wewnątrzkomórkowy)
skurcz komórki: (np. komórki
mięśniowe) - miozyna II,
tworzy trwałe filamenty
Miozyna I, wystepująca w formie pojedynczych cząsteczek
uczestniczy w transporcie pęcherzyków wzdłuż mikrofilamentów
Filamenty pośrednie
Nazwa
• zbudowane z łańcuchów białkowych
skręconych w formę liny (wytrzymałe
elastyczne)
• nie współpracują z mechanoenzymami,
pełnią wyłącznie funkcje podporowe
(wewnątrz komórki i w połączeniach
międzykomórkowych)
• są zbudowane z różnych białek,
zależnie od miejsca występowania
Białka budujące
Występowanie
laminy jądrowe
laminy A i B
jądra wszystkich komórek
filamenty keratynowe
(tonofilamenty)
cytokeratyny
komórki nabłonkowe
*filamenty wimentynowe
wimentyna
komórki tk. łącznej
*filamenty desminowe
desmina
komórki mięśniowe
*filamenty glejowe
GFAP (kwaśne
włókienkowe
białko glejowe)
komórki neurogleju
neurofilamenty
białka
neurofilamentów
komórki nerwowe
*rodzina filamentów wimentynowych
Materiały zapasowe i wtręty cytoplazmatyczne
nekroza
apoptoza
Śmierć komórki:
• martwica (nekroza)
• apoptoza (zaprogramowana śmierć)
glikogen
krople lipidowe
wtręty krystaliczne
i parakrystaliczne
ziarna barwników
• melanina
• lipofuscyna
Martwica:
- przerwanie błony komórkowej
- zahamowanie procesów życiowych
- rozpad komórki
- odczyn zapalny
Apoptoza:
- aktywacja kolejnych genów (program)
- produkcja i aktywacja szczególnych białek
Czynniki wywołujące apoptozę:
• uszkodzenie DNA
• określone cząsteczki sygnałowe
działające na tzw. „receptory śmierci”
• brak składników odżywczych lub
czynników wzrostowych
8
Faza indukcji:
• aktywacja „receptorów śmierci” lub produkcja
specyficznych białek indukujących apoptozę
• uwalnianie cytochromu c z mitochondriów
fragmentacja DNA
„pączkowanie” błony
tworzenie ciałek apoptotycznych
Faza egzekucji:
• aktywacja kaspaz (enzymów proteolitycznych)
• trawienie białek wewnątrzkomórkowych
• zaburzenie procesów metabolicznych
• śmierć komórki
Morfologiczne cechy apoptozy:
• fragmentacja DNA
• rozpad jądra na kilka fragmentów
• zagęszczenie cytoplazmy
• rozpad komórki na małe fragmenty (ciałka
apoptotyczne) otoczone błoną
Zostaje zachowana ciągłość błony komórkowej,
nie dochodzi do odczynu zapalnego
autofagosom
Autofagia – kolejny
(choć rzadki)
mechanizm śmierci komórki
pęcherzyk
hydrolazowy
autolizosom
Autofagia jest z reguły mechanizmem umożliwiającym przeżycie komórki
w warunkach przejściowego niedoboru substancji odżywczych, ale może
się też odbywać w warunkach fizjologicznych.
Nasilona autofagia prowadzi do śmierci komórki i jest (obok apoptozy)
odpowiedzialna za zanik odcinków wydzielniczych gruczołu mlekowego
po zakończeniu laktacji, za zanik ciałka żółtego w jajniku (luteolizę) oraz
za obumieranie komórek nowotworowych pod wpływem chemioterapii.
9