Mitochondrie Buněčné transporty Cytoskelet

Transkript

1 Přípravný kurz z biologie Mitochondrie Buněčné transporty Cytoskelet Mgr. Kateřina Caltová

2 Mitochondrie

3 Mitochondrie semiautonomní organely vlastní mtdna, vlastní proteosyntetický aparát a ribozomy endosymbiotická teorie vzniku variabilní počet v různých typech buněk zralý erytrocyt 0, jaterní buňka < 800 lidský oocyt < buňky lidské sítnice 1

4 Mitochondrie drobná zrníčka, někdy také tyčinkovité až vláknité útvary ohraničené dvěma membránami vznikají dělením existujících mitochondrií průměrná délka života - 7 dní 2 samostatné kompartmenty: vnější = intermembránový prostor velká propustnost vnitřní = lumen (obsah se označuje jako matrix) nepropustná pro ionty výběžky kristy (až 5x povrch membrány)

5 Mitochondrie

6 Funkce mitochondrií syntéza ATP v procesu buněčného dýchání buněčné elektrárny ATP palivo pro další procesy v buňce probíhá tu Krebsův cyklus, dýchací řetězec, β- oxidace mastných kyselin navíc se podílí na diferenciaci a smrti buněk, kontrole buněčného cyklu a růstu poškození funkce řada onemocnění

7 K čemu buňka potřebuje energii? chemická práce syntéza makromolekul (glukóza glykogen, aminokyseliny bílkoviny, ), obnova, růst, regenerace buněk mechanická p. pohyb buňky a jejich struktur osmotická p. přenos látek aktivním transportem elektrická p.- vznik a šíření vzruchů v nervových a svalových buňkách

8 ATP energie získaná štěpením živin není využita buňkou přímo, ale ukládá se do makroergních vazeb makroergních sloučenin štěpením vazeb se uvolňuje množství energie adenosintrifosfát ATP (obr.) adenosidifosfát ADP guanosintrifosfát GTP

9 Chemiosmotická teorie syntézy ATP substrátu odebírán vodík ve formě protonů H + a elektronů e - vysokoenergetické e - se předávají enzymům dýchacího řetězce jejich energie je využita k čerpání H + z matrix do intermediárního prostoru vzniká tak protonový gradient jako přenašeče protonů slouží koenzymy NADH, FADH 2 při návratu H + do matrix je energie využita k syntéze ATP S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993

10 Syntéza ATP je poháněná gradientem ph obsahuje kanál, kterým po spádu ph a napětí proudí H + část enzymu ATP-syntázy se otáčí (rotor) vůči části, která je zanořena v membráně (stator) mechanická energie je převedena na chemickou vazbu ADP + P i ATP

11 ATP syntáza transmembránový přenašeč H + MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána

12 Mitochondrie - souhrn organely energetického metabolismu metabolizují pyruvát a mastné kyseliny, oxidují acetyl CoA (citrátový cyklus) produkují ATP procesem chemiosmotického spřažení

13 Oxidativní fosforylace vysokoenergetické elektrony (e - ) jsou odebírány substrátu a předávány na přenašeče e - (koenzymy NADH, FADH 2 ) přenašeče předávají e - dále do elektronového transportního řetězce, který syntetizuje ATP pomocí enzymu ATP-syntázy konečný příjemce elektronů je kyslík

14 vnitřní mitochondriální membrána vnější mitochondriální membrána ATP syntáza elektron transportní řetězec citrátový cyklus pyruvát mastné kyseliny pyruvát mastné kyseliny MOLEKULY POTRAVY Z CYTOPLAZMY

15 Respirační řetězec vnitřní mitochondriální membrány mezimembránový prostor cytochrom c vnitřní mitochondriální membrána matrix ubichinon komplex NADH dehydrogenázy komplex cytochromu b c 1 komplex cytochrom oxidázy

16 Respirační řetězec vnitřní mitochondriální membrány 1. NADH dehydrogenáza (komplex I): převezme elektrony z NADH a předá je ubichinonu 2. komplex cytochromů b-c 1 : převezme elektrony z ubichinonu a předá je cytochromu c 3. komplex cytochromoxidázy : převezme elektrony z cytochromu c a přenese je na kyslík za vzniku vody při přesunu elektronů každý komplex zároveň přesune protony H + z matrix do mezimembránového prostoru

17 Elektrochemický protonový gradient MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána pohyb protonů po spádu membránového potenciálu MATRIX MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána pohyb protonů po spádu ph gradientu MATRIX

18 Energetická bilance tvorby ATP ČISTÝ VÝTĚŽEK OXIDACE 1 MOLEKULY GLUKÓZY V cytosolu (glykolýza) 1 glukóza 2 pyruváty + 2 NADH + 2 ATP V mitochondrii (pyruvát dehydrogenáza a citrátový cyklus) 2 pyruváty 2 acetyl CoA + 2 NADH 2 acetyl CoA 6 NADH + 2 FADH + 2 GTP Čistý výsledek v mitochondrii 2 pyruváty 8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP

19 Kolik vznikne z 1 molekuly glukózy ATP? Dráha Redukované koenzymy Zisk ATP Glykolýza Substrátová fosforylace Redukce NAD + : Pyruvát AcetCoA (x2) Redukce NAD + : Krebsův cyklus (x2) Substrátová fosforylace Redukce NAD + : 2 NADH 2 NADH 6 NADH Redukce FAD: 2 FADH 2 Elektrontransportní řetězec Oxidace 10 NADH x 2,5 ATP/NADH 25 ATP 2 ATP 2 ATP Oxidace 2 FADH 2 x 1,5 ATP/FADH 2 3 ATP 32 ATP Energie zkonzumovaná na aktivní transport NADH do mitochondrií - 2,5 ATP Celkově 30 ATP

20 Transport látek přes membránu Osmóza

21 Transport látek přes membránu membránový transport - překonávání biomembrány membrána je selektivně propustná (semipermeabilní) typy transportu: pasivní transport - prostá difuze usnadněná difuze aktivní transport - přenašečový endocytóza exocytóza

22 Transport látek přes membrány HYDROFÓBNÍ MOLEKULY MALÉ NENABITÉ POLÁRNÍ MOLEKULY VELKÉ NENABITÉ POLÁRNÍ MOLEKULY IONTY velikost molekuly přítomnost náboje gradient koncentrace membránové transportní proteiny : přenašeče a kanály Umělá lipidová dvojvrstva

23 Transport vody přes membrány proteiny specializované na transport vody přes membránu vodní kanály aquaporiny propouští jen vodu, ne ionty

24 Pasívní a aktivní transport Přenášená molekula Proteinový kanál Přenašeč Lipidová dvojvrstva Gradient koncentrace Prostá difúze Přenos přes kanál Přenos přes přenašeč PASÍVNÍ TRANSPORT AKTIVNÍ TRANSPORT

25 Funkce přenašeče při pasívním transportu změny tvaru (konformace) molekuly přenašeče přenašeč přechází mezi stavy A a B transport látky po koncentračním spádu

26 Aktivní transport proti koncentračnímu spádu nutné dodat energii: spřažením hydrolýzou ATP světelnou

27 Transport glukózy ve střevě vnitřek střeva Spřažení transportu Na+ a glukózy Vysoká koncentrace glukózy Epiteliální buňka Nízká koncentrace glukózy Pasívní přenos glukózy přes přenašeč Mezibuněčná tekutina Vysoká koncentrace glukózy Aktivní transport pomocí specifických přenašečů glukóza se rychle vstřebává do krve i proti koncentračnímu gradientu ve sliznici tenkého střeva (symport, tzn. paralelní transport se sodíkovými ionty, které se vstřebávají ve směru koncentračního gradientu a tím usnadňují transport glukózy proti koncentračnímu gradientu).

28 Sodno-draselná pumpa navázání 3 iontů Na + (1) fosforylace (2) konformační změna (2) přesun Na + přes membránu ven navázání 2 iontů K + (2) defosforylace (3) návrat k původnímu tvaru uvolnění K + do buňky (4) 3 Na + ven a 2 K + dovnitř buňky Na + extracelulární ionty K + intracelulární ionty

29 Osmotické děje I osmóza = přesun vody přes semipermeabilní membránu po koncentračním spádu semipermeabilní membrána propustí vodu, nepropustí rozpuštěné částice

30 Osmotické děje II osmolarita roztoku koncentrace osmoticky aktivních částic roztoky izotonické hypotonické / hypertonické Buňka obsahuje mnoho osmoticky aktivních částic, musí tedy regulovat svoji osmolaritu.

31 Kontrola osmolarity živočišné a bakteriální buňky Aktivně pumpují ven ionty, např. Na + Ježatá normální nabobtnalá praská Červená krvinka Extracelulární prostor hypertonický izotonický hypotonický silně hypotonický

32 Kontrola osmolarity rostlinné buňky pevná buněčná stěna turgor vnitřní tlak vakuola aktivní regulace

33 Kontrola osmolarity - prvoci Kontraktilní vakuola aktivní vypuzování přebytečné vody z buňky

34 Volná difuze Přes lipidovou dvojnou vrstvu Fyzikální jev, není selektivní Rychlost je závislá na koncentraci, teplotě a velikosti molekuly

35 Usnadněná difuze = pasivní přenašečový transport (AK, cukry, fosfátové anionty) rychlost závisí na: koncentračním spádu afinitě přenašeče k substrátu, hustotě přenašečů v membráně rychlosti konformační změny přenašeče možnost regulace př. transport glukózy do buněk ovlivňuje inzulín

36 Aktivní transport vyžaduje transportní proteiny - mohou pumpovat látky i proti koncentračnímu gradientu transport je selektivní - přenašečem je obvykle enzym (tzv. membránové ATP-ázy) vyžaduje energii (přímou hydrolýzou ATP) k uvolnění substrátu nebo k regeneraci konformace přenašeče živá buňka aktivně udržuje určité gradienty

37 Vezikulární transport I transport makromolekul uzavřených ve váčcích (vezikulech) aktivní proces, regulace (ovlivněno fluiditou membrány, cytoskeletem) exocytóza - vezikul putuje z GA k plasmatické membráně a splývá s ní - obsah vezikulu se vylije do mezibuněčného prostoru (krevní bílkoviny, protilátky, hormony, neurotransmitery) pučení - forma exocytózy (některé viry takto opouštějí buňku) Exo - transport ven z buňky

38 Vezikulární transport II endocytóza - plasmatická membrána se vchlipuje do vnitřního prostoru buňky a vytvoří váček (vezikul) fagocytóza ( cellular eating (a)) - buňka pomocí panožek obklopí částici fagozom potravní vakuola (bb imunitního systému (granulocyty, makrofágy), bb v tkáňové kultuře) pinocytóza ( cellular drinking (b)) - buňka pohlcuje část extracelulární tekutiny do malých váčků (probíhá nepřetržitě u všech eukaryontních buněk) Endo transport dovnitř buňky

39 Cytoskelet

40 Cytoskelet kostra buňky vláknité (fibrilární) struktury v buňce nitrobuněčné opěrné a pohybové struktury mikrotubuly mikrofilamenta střední filamenta gia/diplomky/biologia_bunky/cytoskele t.htm

41 Funkce cytoskeletu přeměna energie chemické v energii mechanickou (aktivní pohyb - lokomoční i intracelulární) určuje tvaru buňky, kotví mnohé organely i některé enzymy informační (při uchování a přenosu genetické informace)

42 mikrotubuly Složky cytoskeletu mikrofilamenta intermediární filamenta Espero Publishing, s.r.o.

43 Funkce mikrotubulů (MT) Espero Publishing, s.r.o. mechanická kostra buňky (kortikální MT rostlin, marginální svazky trombocytů a erytrocytů, stresová vlákna bb) výběžky buněk (nervové buňky) určují polaritu buněk (hlavně bb sekrečních) transport uvnitř buňky (vezikulární, neurotransmitery) jsou základem dělicího vřeténka základem řasinek a bičíků

44 Asociované proteiny MT - molekulové motory dyneiny - lokomoce, nitrobuněčný transport (od + k -) kinesiny - nitrobuněčný transport (od - k +) pohání klouzání jednoho mikrotubulu po druhém molekulové motory se mohou vázat k organele a kráčet s ní podél mikrotubulu (např. vezikuly s neurotransmitery se tak dostávají na konec axonů

45 (Mikro)tubulární toxiny kolchicin, kolcemid - brání polymerizaci tubulinu (blokuje dělení buněčného jádra (mitózu) v metafázi polyploidní buňky) vinblastin, vinkristin - vznikají agregáty z nepolymerizovaného tubulinu (cytostatika) taxol - stabilizuje mikrotubuly, brání jejich dynamické přestavbě (cytostatikum)

46 Mikrofilamenta (MF) základní složka - aktin (globulární protein, < 15 % proteinů v eukaryotní buňce) monomer G-aktin polymeruje v F-aktin (řetízek) 2 vzájemně obtočená aktinová vlákna (tloušťka 7 nm) tvoří trojrozměrnou síť pod plazmatickou membránou buňky rozlišuje se + a konec (tady polymerace rychlejší)

47 Asociované proteiny MF fimbrin, filamin, -aktinin - stabilizují svazky mikrofilament (např. stereocilie) gelsolin - fragmentuje mikrofilamenta tropomyosin - stabilizuje aktinomyosinový komplex ve svalových buňkách myosin-molekulový motor jeho aktivace aktinem se projeví posunem myosinu vůči aktinu (10 nm) obr. 22.3; J.Darnell a kol.: Molecular Cell Biology, Scientific Americal Books, Inc., 1990

48 Funkce mikrofilament strukturní - výběžky buněk mikroklky epitelových a vazivových buněk tyčinky sítnice, stereocilie vláskových buněk součást desmosomů kinetická - pohyb bb a organel kontraktilní prstenec (cytokineza) svalový pohyb améboidní pohyb (pseudopodia, lamellipodia, stresová vlákna) cyklóza (proudění cytoplazmy a pohyb organel) účast na endocytóze a exocytóze

49 Mikrofilamenta Espero Publishing, s.r.o. A) mikroklky, B) stresová vlákna, C) améboidní pohyb a pseudopodia D) kontraktilní prstenec

50 Mikrofilamentární toxiny cytochalasin zabraňuje polymeraci aktinu blokuje cytokinezi živočišných bb buňky vícejaderné faloidin stabilizuje mikrofilamenta, brání jejich přestavbě původ: muchomůrka zelená

51 Střední filamenta I vláknité (fibrilární) proteiny (průměr 10 nm) u všech živočišných, rostlinných bb a hub stálá struktura (za fyziologických podmínek je méně dynamická) určují tvar buňky ( buněčná kostra ) určují pozici organel v buňce mechanicky zpevňují tkáň (výběžky nervových bb, mezibuněčná spojení typu desmosomů) Espero Publishing, s.r.o.

52 Střední filamenta II žádný univerzální protein, ale konkrétní pro každý typ diferencovaných bb: cytokeratiny (epitelové bb) neurofilamin (nervové bb) vimentin (ve fibroblastech = bb vazivové tkáně ) vimentin + desmin (ve svalových bb) asociované proteiny - filagrin, synemin, plectin nejsou známé žádné toxiny - střední filamenta se ruší až po částečné proteolýze Poznámka: složky cytoskeletu = kostra asociované proteiny = funkce

53 Děkuji za pozornost