Interakce mezi buňkami a okolím

Transkript

1 Interakce mezi buňkami a okolím Struktury mezibuněčného prostoru: buněčný plášť ( glycocalyx ) mimobuněčná matrix ( extracellular matrix )

2 Buněčný plášť ( glycocalyx ) Struktura: uhlovodíkové řetězce složek plazmatické membrány, které směřují mimo buňku materiál vyprodukovaný buňkou a vyloučený ven z buňky Funkce: zajištění mezibuněčných interakcí a interakcí buňka - substrát mechanická ochrana buňky

3 Mimobuněčná matrix Struktura: síťovina buňkou vyloučených proteinů a polysacharidů, která se vyskytuje mimo bezprostřední okolí buňky spojení proteinů a polysacharidů může být velmi volné a nezřetelné (volná konektivní tkáň) nebo přesně vymezené (matrix chondrocytů) Funkce: mechanická ochrana buňky určuje tvar a aktivitu buněk

4 Experiment: 1. enzymatické rozložení mimobuněčné matrix kolem chrupavkových buněk nebo epiteliálních buněk mléčné žlázy pěstovaných v kultuře: snížení syntetických a sekrečních aktivit buňky 2. Přidání mimobuněčné matrix zpět: obnovení schopnosti buněk tvořit a vylučovat své běžné produkty

5 Experimentální určení tloušťky mimobuněčné matrix

6 Typy matrix: reflektují funkci, kterou musí plnit: pevnost šlachy filtrace ledviny pevnost a pružnost - hladké svalstvo obklopující cévy různé vlastnosti plynou z kombinací jejich základních strukturních složek vláknitého proteinu kolagenu, kyseliny hyaluronové a proteoglykanů (=komplexů polysacharidů s proteiny) vlastnosti matrix spoluurčují rovněž různé další proteiny, které se na matrix napojují svými receptory

7 Různé tkáně obsahují různé typy matrix - epiteliální nebo svalové buňky jsou prostřednictvím povrchových receptorů ukotveny do tenké matrix zvané bazální lamina (hlavní složkou je kolagen uspořádaný do síťoviny) - jiným typem matrix je volná konektivní tkáň vytváří prostředí pro malé žlázy a krevní kapiláry (hlavní složkou jsou vláknité kolageny a pružné elastiny), obsahuje mnoho buněk (fibroblasty, lymfocyty), zajišťuje difúzi O 2 a živin do buněk epitelií a žlaz - pevná konektivní tkáň hlavní složka orgánů zajišťujících pevnost a pružnost - kosti, chrupavky, šlachy. Skládá se výhradně z vláknitých složek (hustě uspořádané vláknité kolageny, proteoglykany, elastiny), obsahuje velmi málo buněk

8 Bazální lamina vrstva o tloušťce nm obklopující svalové a tukové buňky a poskytující podklad epiteliálním tkáním (kůže, výstelka trávicího a dýchacího ústrojí a krevních vlásečnic) Funkce: určení polarity buněk a jejich pohybu oddělování sousedních tkání (kompartmentalizace) překážka průchodu makromolekul (krevní systém, ledviny) překážka průchodu rakovinných buněk

9

10 Matrix konektivních tkání: chrupavka, kost, šlacha, rohovka buňky produkující matrix tvoří jen malou část tkáně matrix a nikoliv produkční buňky udílejí tkáni specifické vlastnosti

11 Kolageny rodina nerozpustných vláknitých glykoproteinů (dosud popsáno 15 typů, specifická lokalizace každého z nich) nejhojnější protein v živočišných tkáních (více než 25% všech lidských proteinů) hlavní strukturní protein mimobuněčné matrix produkován fibroblasty a epiteliálními buňkami tkáním poskytuje odolnost proti natažení

12 Struktura kolagenu trojšroubovice tvořená třemi řetězci α, které mohou (ale nemusí vždy) být identické na jednu otáčku trojšroubovice připadají 3 aminokyseliny každou třetí aminokyselinou je glycin kolageny jsou bohaté na zbytku prolinu a hydroxyprolinu vodíkové vazby mezi skupinami NH glycinů a karbonylovými skupinami CO sousedních polypeptidů trojšroubovici stabilizují

13 Trojšroubovice kolagenu typu I

14 Šroubovice kolagenu se skládají do struktur vyššího řádu

15 Kovalentní vazby mezi N-koncem jedné molekuly a C-koncem druhé molekuly stabilizují strukturu vláken kolagenu Křížové vazby mezi molekulami vlákna kolagenu zpevňují a způsobují nerozpustnost purifikovaného kolagenu ve vodě.

16 Tvorba kolagenové šroubovice 1. tvorba delších prekurzorů prokolagenů prokolagen typu I tvoří trojšroubovici, která obsahuje 150 přídatných AA na N-konci a 250 na C-konci (tzv. propeptid) u zralého kolagenu I nejsou disulfidické můstky, ale u koncových propeptidů ano tvorba disulfidických můstků u C-koncových propeptidů napomáhá správnému sestavení řetězců během jejich tvorby a následnému rychlému uzavření trojšroubovice 2. proces sestavování vlákem kolagenu začíná v ER, pokračuje v Golgiho aparátu a je dokončen vně buňky

17 Modifikace před dokončením tvorby trojšroubovice kolagenu - odštěpení signálních sekvencí - hydroxylace zbytků prolinu a lysinu - prokolagen I se dostává mimo buňku exocytózou - během exocytózy dochází k proteolytickému štěpení, kterým se odstraňují N- a C- koncové propeptidy. Molekuly kolagenu polymerují a tvoří vlákna až v mimobuněčném prostředí.

18

19

20 Poruchy struktury kolagenu Hydroxylace kolagenu zajišťují prolyl-hydroxylázy a lysyl-hydroxylázy Kofaktorem hydroxyláz je kyselina askorbová (vitamin C) Nedostatek vitaminu C: nedostatečná hydroxylace kolagenu křehkost krevních vlásečnic, šlach, kůže (kurděje)

21 Elastin -hlavní složkou extracelulární matrix u tkání, které vyžadují pevnost i pružnost -vysoce hydrofobní protein, 830 AA zbytků -velmi bohatý na prolin a glycin, na rozdíl od kolagenu málo hydoxyprolinu a žádný hydroxylysin -molekly elastinu se sekretují do mimobuněčného prostředí tvorba vzájemně propojených filament a struktur vyššího řádu vznik hustých sítí -molekuly elastinu oscilují mezi mnoha náhodnými konformačními variantami -proměnlivost konformace elastinu a přítomnost mezimolekulárních spojek odolnost vůči natažení a stlačení -vlákna kolagenu pronikají do elastinové sítě omezení možnosti -natažení ochrana tkáně před roztržením

22

23 Kyselina hyaluronová hlavní složka extracelulární matrix, která obklopuje migrující a aktivně proliferující buňky zvláště embryonálních tkání poskytuje měkkost a mazlavost konektivním tkáním, např. kloubům jedna molekula HA se skládá až z opakování disacharidu kyseliny glukoronové a β(1-3) N-acetylglukosaminu častý výskyt intrařetězcových vodíkových můstků a hydrofilních zbytků HA váže mnoho molekul vody i při nízkých koncentracích tvoří viskózní hydratovaný gel snaha zaujmout velký objem odtlačuje buňky od sebe vytváření turgoru, který konektivním tkáním přináší schopnost odolávat vnějšímu tlaku

24 Kyselina hyaluronová se váže na povrch migrujících buněk, usnadňuje jejich pohyb a proliferaci (zastavení buněk koreluje se snížením obsahu povrchových molekul vážoucích HA a se zvýšením obsahu hyaluronidázy - enzymu, který HA degraduje)

25 Kyselina hyaluronová se uplatňuje při diferenciaci svalových buněk - obaluje myoblasty a brání jejich předčasné fúzi - degradace kyseliny hyaluronové je signálem pro zahájení fúze myoblastů a tvorbu zralých mnohojaderných svalových buněk

26 Proteoglykany - výskyt v různých typech matrix - složené z proteinového jádra s kovalentně připojenými polysacharidy (glukosaminoglykany = lineární polymery specifických disacharidů) - častý výskyt negativních nábojů, přitahování H 2 O - pozoruhodná rozmanitost: daná matrix může obsahovat několik typů proteinových jader, na každé z nich mohu být navázány různé oligosacharidové řetězce různých délek a různého složení - nacházejí se na povrchu mnoha buněčných typů podíl na uchycení buněk do matrix - chrupavkový proteoglykan jedna z největších známých makromolekul (4 µm více než celá bakteriální buňka) zajišťuje pevnost chrupavek

27 Struktura proteoglykanů matrix chrupavky

28 Kolageny a proteoglykany poskytují chrupavkovým a dalším tkáním sílu a odolnost k deformacím tvoří základ mimobuněčné matrix kostí, která je navíc posílena solemi fosforečnanu vápenatého

29 Rodina proteoglykanů obsahujících heparan sulfát strukturní složka mimobuněčné matrix a zároveň funkce na buněčném povrchu proteinové jádro proniká plazmatickou membránou glukozaminoglykany jsou připojeny k mimobuněčné doméně proteinu cytoplazmatická doména proteinu interaguje s buněčným cytoskeletonem mimobuněčná doména proteinu interaguje s řadou proteinů mimobuněčné matrix - ukotvení buňky, vazba enzymů, růstových faktorů

30 Schema struktury syndekanu - proteoglykanu obsahujícího heparan sulfát

31 Další složky mimobuněčné matrix: laminin fibronektin vážou se na kolageny a proteoglykany vážou se na specifické buněčné receptory regulují: - ukotvení buněk do matrix - pohyb buněk - tvar buněk

32 Laminin - hlavní složka bazální laminy - glykoprotein, jehož základ tvoří tři polypeptidy uspořádané do tvaru kříže - obsahuje vazebná místa s vysokou afinitou pro složky bazální laminy a zároveň místa pro vazbu povrchových receptorů účast na ukotvení buněk do matrix -účast na vývoji nervových buněk

33 Struktura lamininu

34 Fibronektin - matrixový glykoprotein zajišťující dotyk buněk k různým typům extracelulární matrix - účast na určení tvaru buněk a organizaci cytoskeletonu - podílí se na regulaci migrace a diferenciace buněk během embryogeneze - myši postrádající funkční gen kódující fibronektin nepřežívají ranou embryogenezi - účast na procesech hojení (usnadňuje migraci makrofágů a dalších buněk imunitního systému do oblasti poranění, podíl na iniciaci srážení krve)

35 Struktura a funkce fibronektinu - dimer dvou podobných peptidů - popsáno alespoň 20 různých řetězců fibronektinu, tvorba alternativním sestřihem transkriptu jediného genu - obsahuje vazebná místa pro buněčné povrchové receptory, kolagen, fibrin, proteoglykany - prostřednictvím spojovacích proteinů (vinkulin, talin) spojen s nitrobuněčným cytoskeletonem umožňuje adherenci buněk pěstovaných in vitro na dno kultivačních misek

36 Fibronektin: spojení matrix s cytoskeletonem

37 - zprostředkovávají: Mezibuněčné interakce stálou vzájemnou adhezi buněk téhož typu přechodnou adhezi např. mezi leukocyty a endoteliálními buňkami krevních kapilár - zajištěny čtyřmi typy transmembránových proteinů: selektiny integriny ICAM = mezibuněčné adhezivní molekuly typu imunoglobulinů kadheriny Selektiny, integriny a kadheriny vyžadují přítomnost iontů Ca 2+ nebo Mg 2+.

38 Selektiny Struktura: membránové glykoproteiny rozeznávají a vážou určité uhlovodíkové řetězce, které vyčnívají z povrchu jiných buněk tvořeny malou cytoplazmatickou doménou, transmembránovou doménou a rozsáhlou mimobuněčnou oblastí, kterou tvoří několik domén

39 Selektiny Funkce: zajišťují přechodné interakce mezi leukocyty a stěnami krevních kapilár v místech zánětu a srážení krve vazba selektinů k uhlovodíkovým řetězcům je závislá na iontech vápníku

40 Integriny - povrchové receptory zodpovídající vazbu buněk na extracelulární matrix - transmembránové proteiny tvořené podjednotkami α a β - je známo asi 20 různých integrinů (kombinace 14 podjednotek α a 8 podjednotek β - vážou se na krátké sekvence AA, které nesou různé složky extracelulární matrix (kolagen, fibronektin, laminin) - fixují cytoskeleton buňky přímé napojení na extracelulární matrix

41 Schema struktury integrinů

42 Selektiny, integriny a proteiny typu imunoglobulinů zajišťují přechodnou adhezi buněk Např. interakce mezi leukocyty a endoteliálními buňkami během migrace leukocytů z krevního řečiště do místa poranění: selektiny rozeznají určité uhlovodíky na povrchu endoteliálních buněk a zajistí prvotní kontakt tvoří se stabilnější dotyk, zajištěný vazbou povrchových integrinů s mezibuněčnými adhezivními molekulami ICAM, které jsou vystaveny na povrchu endoteliálních buněk pevně připojené leukocyty mohou proniknout stěnou krevní kapiláry

43 Interakce selektinů a integrinů s mimobuněčnými proteiny při průniku leukocytů z krevní vlásečnice

44 Neural cell adhesion molecule (N-CAM) - vyýskyt na povrchu nervových a gliových buněk -zajišťuje jejich vzájemnou afinitu - podstatou vazby buněk je spojení dvou molekul N-CAM na povrchu interagujících buněk (homotypická interakce) -zajišťuje mezibuněčné interakce, které jsou důležité především pro vývoj centrálního nervového systému - podíl na vývoji i jiných než nervových tkání -různé formy N-CAM se tvoří alternativním sestřihem transkriptu jediného genu - struktura vykazuje určitou homologii s imunoglobuliny

45 Schéma molekul NCAM

46 NCAM patří do rodiny molekul typu imunoglobulinů obdobná doménová struktura jako u Ig zprostředkování mezibuněčných interakcí nezávisle na přítomnosti iontech vápníku nalezeny u bezobratlých, kde není klasický imunitní systém - funkce v mezibuněčné adhezi byla u těchto proteinů původní, později efektory v systému imunitním

47 Kadheriny: - glykoproteiny tvořící součást plazmatické membrány - zajišťují mezibuněčné interakce důležité pro strukturu a diferenciaci tkání - rozdělují se do 3 podskupin kadheriny E, P a N - každý typ má tkáňově specifickou distribuci - během diferencice se množství a typ kadherinů mění vliv na adhezi a migraci buněk

48 Schéma mezibuněčného kontaktu zajištěného kadheriny

49 Vzájemné vazby buněk v tkáních adherentní vazby ( adherens junction ) mezerové vazby ( gap junctions ) těsné vazby ( tight junctions ) desmosomy

50 Typy mezibuněčných interakcí

51 Adherentní vazby - velmi běžné v epiteliálních tkáních - zajišťují vzájemné vazby sousedních buněk - mezibuněčný prostor přemosťují kadheriny svými extracelulárními doménami - napojení kadherinů na buněčný cytoskeleton zajišťují kateniny

52 Adherentní vazby

53 Desmosomy časté u buněk vystavených mechanickému tlaku (epitel, kůže) prostor mezi buňkami je v oblasti desmosomu vyplněn viskózní látkou ( lepidlem ), kterým pronikají kadheriny cytoplazmatické strana membrány v oblasti desmosomu slouží pro ukotvení intermediárních filament, které pronikají cytoplazmou napříč celou buňkou.

54 Desmosom

55 Těsné vazby ( tight junctions ) - spojení membrán sousedních buněk prostřednictvím integrálních membránových proteinů - integrální membránový protein occludin byl nedávno purifikován - řada membránových proteinů těsných vazeb obklopuje buňku po celém obvodu - omezení pohybu molekul mezi spojenými buňkami - těsnost spojení se zvyšuje s počtem řetězců zapojených do tvorby těsných vazeb - buňky imunitního systému dokážou proniknout těsnými vazbami do místa poranění prostřednictvím specifických signálů - malé ionty a molekuly vody určitými typy těsných vazeb neprojdou

56 Těsné vazby

57 Těsné vazby

58 Mezerové vazby ( gap junctions ) - spojení mezi buňkami specializované na mezibuněčnou signalizaci - zajišťují propojení cytoplazem sousedních buněk prostřednictvím společných transmembránových kanálků - strukturní základ mezerových vazeb tvoří membránový protein konexin - konexiny se v membráně seskupují do mnohopodjednotkové struktury zvané konexon, která prochází napříč membránou - spojení buněk mezerovými vazbami umožňuje přechod nízkomolekulárních látek např. fluoresceinu z jedné buňky do druhé - důležitá úloha při přenosu excitačních signálů mezi svalovými buňkami

59 Mezerové vazby

60 Typy stabilních spojení mezi buněčným cytoskeletonem a mimobuněčnou matrix adhezivní plaky ( focal adhesions ) hemidesmosomy oba typy vazeb jsou zprostředkovány integriny odlišnost obou typů spočívá v typu cytoskeletonových vláken, která jsou na integriny napojena: vlákna aktinu u adhezivních plaků intermediární filamenta u hemidesmosomů

61