Plazmatická membrána, buněčná stěna, kompartmentalizace. Termíny přednášek

Transkript

1 Plazmatická membrána, buněčná stěna, kompartmentalizace doc. Mgr. Jiří Drábek, PhD. Laboratoř experimentální medicíny při Dětské klinice LF UP a FN Olomouc jiri_drabek@seznam.cz Termíny přednášek Transport Energie Signalizace Cytoskelet Jádro Transkripce, translace Buněčný cyklus Chromosomy, mitóza, meióza Stárnutí buněk Adaptace, závěr 1

2 Alberts Johnson Lewis Raff Roberts Walter Molecular Biology of the Cell Fifth Edition Chapter 12 Intracellular Compartments and Protein Sorting Další zdroje Knihy: Základy buněčné biologie Alberts et al. Biochemie Voet &Voetová Molecular Cell Biology Lodish Přednáška: MUDr.Petr Džubák, PhD. Copyright Garland Science

3 Dnešní přednáška Biomembrány Kompartmentalizace buněk Peroxisomy Endoplazmatické retikulum (ER) Biomembrány Strukturální základ většiny buněčných organel Podílí se na buněčných funkcích: Ohraničení Kompartmentalizace Kontakt Transport látek do buňky a zbuňky Mají tloušťku kolem 7,5 nm, jsou tvořeny dvojvrstvou fosfolipidů 5 6

4 Model biologické membrány Chemické komponenty membrán Lipidy Fosfolipidy Glycerofosfatidy (glycerol, cholin, etanolamin, serin, inositol) Sfingofosfatidy (sfingosin) Steroly Cholesterol Ergosterol Bílkoviny Přenašeče Spojníky Receptory Enzymy Cukry Glykoproteiny (proteiny s navázanými sacharidy) Proteoglykany (sacharidy jsou tvořeny glykosaminoglykany) 8

5 Fosfolipid Fyzikální vlastnosti membrán Polarita molekul hydrofilní konce (PO 4, COOH, OH, NH 3 ) hydrofobní konce (řetězce mastných kyselin) Autoorganizace Liposomy Myelinové struktury Asymetrické uspořádání Tekutý charakter, bod přechodu laterální migrace flip-flop pohyb Stabilita dvojvrstvy hydrofobní interakce mezi řetězci mastných kyselin 9 10

6 Micely vs. liposomy Liposomy Amfifilní molekuly (z části hydrofilní, představované polární skupinou, a z části hydrofobní) Micela - jednovrstevná Liposom (vezikl) - dvouvrstevná

7 Mobilita membránových složek Fluidita membrány Pohyb molekul: Rotační Laterální Flip-flop (flipasa, flopasa, skramblasa) Tekutost dvouvrstvy dána: Pohyblivostí molekul Teplotou Podílem nasycených a nenasycených mastných kyselin Podílem cholesterolu v lipidové dvojvrstvě cholesterol 13

8 Relativní propustnost lipidové dvojvrstvy Funkce proteinů plazmatické membrány Na + pumpa Integrin Receptor pro PDGF Adenylát cyklasa 16

9 Bílkoviny biomembrán Uspořádání proteinů ve fosfolipidové dvouvrstvě: Transmembránové domény proteinů jsou tvořeny hydrofobními aminokyselinami: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Tyr, Trp a Phe Asymetrické rozdělení mb proteinů, polarizace. 17

10 Glykokalyx Glykolipidové molekuly Oligosacharidový ochranný plášť buňky NANA N-acetylneuraminic acid 20

11 Krevní skupiny ABO systému Mezibuněčné spoje

12 Těsné spoje (tight junctions) Komplexy proteinů těsného spoje okludin klaudin-1 E-kadherin katenin aktin Funkce neprodyšnost epithelů polarita epitheliálních buněk. Mechanické spoje - kadheriny

13 Adhezní pásy pásové desmosomy Desmosomy-bodové spoje pevnost v tahu, exponovaná místa schopnost měnit tvar, embryonální vývoj

14 Hemidesmosom Integriny Někdy ani hemidesmosomy nestačí! Funkce vazba buněk na extracelulární matrix signalizace migrace buněk

15 Mezerové spoje Plasmodesmata Mezerový spoj u rostlin. Úzké průchody pro malé molekuly umožňují přímý přestup z cytoplasmy jedné buňky do druhé elektrické a metabolické propojení buněk.

16 Pojivová tkáň Proteoglykanový agregát v chrupavce

17 Kyselina hyaluronová Kolagen tuhá trojřetězcová helikální struktura superhelix pevnost v tahu

18 Uspořádání kolagenových fibril Elastin

19 Hlavní intracelulární kompartmenty živočišné buňky Jaterní buňka v elektronovém mikroskopu Figure 12-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Kompartmenty organely (enzymy, specializované mlk, distribuční systém) Proteiny strukturální a funkční vlastnosti, druhů, 10na10 mlk Biochemické procesy na mb (lipidovvý metabolismus, oxidativní fosforylace, fotosyntéza Přes lipidovou dvouvrstvu neprojdou hydrofilní Cytoplazma cytosol + organely Lokalizace ER a Golgi závisí na neporušených mikrotubulích 37 38

20 Na topologické vztahy membránových organel můžeme pohlížet z evolučního hlediska Vývoj thylakoidu Figure 12-3a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-3b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Eukaryotická buňka a podíl povrch/objem (1000 krát větší než E.coli) Specializace mb funkce Vnitřní mb mt a plastidů odpovídá původní plazmatické mb bct Proplastidy se dědí spolu s cytoplazmou rostlinného vajíčka Brambora, tuková semínka, okvětní lístek Invaginace, thylakoidy rostou a dělí se autonomně 39 40

21 Evoluce jádra a endoplazmatického retikula (ER) Evoluce mitochondrií (mt) a plastidů Figure 12-4a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-4b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Připojení, invaginace, obálka, komunikační kanály nuclear pore complex Jaderný kompartment je ekvivalentní cytosolu 4 intracelulární kompartmenty: - jádro a cytosol - Sekretorní a endocytické (ER, Golgi, lyzo) -Mt - plastidy Pohlcení bct, autonomie 41 42

22 Jaderná membrána (schránka, obálka) Póry v jaderné membráně Figure 12-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Jaderná mb (obálka) 2 koncentrické mb penetrované póry Vnitřní mb vazba k chromatinu Vnější propojená s ER Perinukleární prostor mezi nimi (propojený s lumenem ER) Histony, polymerázy, gene regulační proteiny, proteiny RNA sestřihu - do jádra z cytosolu trna a mrna ven Ribozomální proteiny z cytosolu do jádra a zpět Jaderné pórové komplexy (125 mil Da, 50 různých proteinů nukleoporinů, oktagonální symetrie) Průměr 4000 pórů na jaderné mb, při aktivní transkripci více Každý pór přenese 100 histonů a 6 ribozomálních podjednotek za minutu Annular - prstencový 43 44

23 Jaderná lamina oocytu Xenopus Jaderná mb za mitózy Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Jaderná lamina je tvořena proteinovými podjednotkami, intermediárními filamenty, které dávají jaderné mb tvar a interagují s chromatinem Depolymerizace pomocí fosforylace cyklindependentními kinázami Prolomení bariéry mezi cytosolem a jádrem Anafáze jaderná obálka se znovu vytváří na povrchu chromozomů, ER mb zabalí část, fúzuje s další částí, jaderné póry začínají přenášet dovnitř specifické proteiny Jaderné lokalizační signály nejsou odštěpeny protože jsou potřebné při každém dělení buňky 45 46

24 Sub-kompartmenty mt a ct Page 713 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Dvojitá mb Většina proteinů je jaderných Mt matrix a mezimb prostor, vnitřní mb tvoříkristy Ct navíc mají thylakoidní prostor jako další kompartment (není spojený s vnitřní mb) 47 48

25 Tři peroxisomy v krysím hepatocytu Page 721 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Peroxisomy mají jen 1 mb, nemají DNA ani ribosomy Obsahují katalázu a urát oxidázu (inkluze) Využití kyslíku Evoluční příchod mt snížil důležitost některých fcí peroxisomů, protože mt dělají totéž a ještě produkují E 49 50

26 Reakce v peroxisomech Peroxisom v mezofylu tabákového listu RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 (oxidativní reakce) H 2 O 2 + R H 2 R + 2H 2 O(katalasa, peroxidativní reakce, játra a ledviny) 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 (katalasa při nadbytku peroxidu) Beta oxidace tuků Tvorba plasmalogenů (v myelinových pochvách neuronů, izolují axony) Fotorespirace v rostlinách Glyoxalátový cyklus v semíncích rostlin Figure 12-32a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Peroxidativní reakce: např. 25% ethanolu na acetaldehyd Beta oxidace zkracování alkylových řetězců až na acetylcoa (ten do cytosolu, kde použit) Adaptace peroxisomů za změněných podmínek Fotorespirace fixace CO2 na polysacharid (spotřeba O2) Glyoxalátový cyklus přeměna tuků na cukry 3 ak na C konci peroxizomový signál Asociace s chloroplastem Peroxiny za účasti ATP se podílejí na transportu foldovaných (poskládaných do konečné konformace) proteinů do peroxisomu Dědičný Zellwegerův syndrom defekt importu do peroxisomů (prázdné peroxisomy) smrt po narození 51 52

27 Peroxisom v kotyledonové buňce čtyřdenního rajčatového semínka Vznik nových peroxisomů Figure 12-32b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Peroxisom glyoxysom glukoneogeneze Růst a dělení, peroxisom z peroxisomu 53 54

28 Endoplasmatické retikulum (ER) v savčí a rostlinné buňce Page 723 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-34b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-34a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Zabarvení pomocí protilátky 55 56

29 Transport Drsné ER Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-36a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Rozdíl mezi kotranslační a posttranslační translokací U ER je posttranslační transport výjimečný Pankreatická exokrinní buňka 57 58

30 Hladké ER v Leydigových buňkách testes Hladké a drsné ER v jaterní buňce Figure 12-36b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-36c Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Hladké ER je ve specializovaných buňkách, zvláště lipidového metabolismu Např.: -Leydigovy bb (sekrece testosteronu) -Hepatocyty (tvorba lipoproteinů, detoxifikace převodem na vodu rozpustnou formu pomocí enzymového systému cytochromu P450, ER indukováno podle potřeby a pak autofagocytováno) -Sarkoplastické retikulum ER ve svalech, kde pomocí Ca2+ zabezpečuje signalizaci relaxace a kontrakce; sekvestrace Ca2+ je důležitou fcí ER 3D rekonstrukce 59 60

31 Signální hypotéza Směrování ribozomů do ER pomocí signální sekvence a SRP Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Vedoucí sekvence proteinu (sled prvních ak proteinu) nese signál pro ER SRP a jeho receptor jsou synchronizováni: SRP se váže k ER signální sekvenci a k ribosomu a tím zastaví translaci Pak se váže SRP receptor a směruje protein k translokátoru Spotřeba GTP 61 62

32 Cyklus volného a vázaného ribosomu Polyribosom v mikroskopu Figure 12-41a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-41b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Robozomální podjednotky v cytosolu slouží pro vázaný i volný ribosom 63 64

33 Šev a zátka Strukturálně podobné translokátory Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Protein se nedostane do styku s cytosolem uzavření švem a zátkou Uzavření nutné, aby neunikal Ca2+ do cytosolu A) kotranslační, Sec61, není potřeba E, jediná cesta pro rostoucí řetězec je skrz mb B) posttranslační, Sec61 a další, E ATP, BiP binding protein vazba a uvolnění (podobnost s hsp70 u mt) C) posttranslační, SecA, ATP, jako pístem po 20 ak (podobnost s thylakoidem ct) 65 66

34 Přenos rozpustného proteinu přes mb ER Inzerce rhodopsinu do ER Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ribosomy nejsou zobrazeny pro zjednodušení ER signální sekvence znamená začni transport Po vazbě ER signální sekvence se otevře pór translokátoru, přenos Po přenosu uzavření póru, signální sekvence difunduje do mb a degraduje se Proteiny, které zůstávají v mb (jednoprůchodové single pass, dvouprůchodové double pass nebo multipass) využívají navíc k ER signální sekvenci také stop transfer sekvence Příklad multipass proteinu Rhodopsin je světločivný protein v fotoreceptorových čípcích v savčí sítnici Vlevo diagram hydrofobicity, který rozpozná 7 hydrofobních úseků Modře vyznačeny oligosacharidy Šipky zobrazují části, vcházející do translokátoru 67 68

35 Proteinová glykosylace v drsném ER Připojení prekurzorového oligosacharidu na asparagin proteinu vdrsném ER Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Většina proteinů v drsném ER je glykosylována připojením prekurzorového N- linked oligosacharidu Prekurzorový oligosacharid je - za pomoci enzymu oligosacharyltransferázy připojován vcelku; sestává z Nacetylglukosaminu, manózy a glukózy - vytvářen připojováním cukr po cukru a zaparkován v tukové mlk dolicholu (polyisoprenoid) a přenesen na cílový asparagin Jakmile polypeptid vstoupí do lumenu ER je gylkosylován na cílových Asn Ribosomy nejsou zobrazeny pro zjednodušení 69 70

36 Role glykosylace ve skládání proteinů v ER Export a degradace špatně složených proteinů v ER Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Glykosylace je značkou pro nesložený protein Kalnexin se váže k nesprávně složenému proteinu, označenému terminální glukózou a N-linked oligosacharidem Pokud glukosyltransferáza odstraní koncovou glukózu, tak se kalnexin uvolní Návrat špatně složeného proteinu do cytosolu - retrotranslokace, dyslokace Až 80% proteinů je špatně složených Využití Sec61 Deglykosylace, ubikvinace, degradace v proteasomu 71 72

37 Připojení glykosylfosfatidylinositolové (GPI) kotvy k proteinu v ER Děkuji vám za pozornost! Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Některé mb proteiny kovalentně připojují glykosylfosfatidylinositolovou kotvu, která upevňuje protein v mb a může být rychle uvolněna v odpovědi na stimul (Trypanosoma změní kabát při rerakci s imunitním systémem) 73