Univerzita Karlova v Praze - 1. lékařská fakulta Buňka. Stavba a funkce buněčné membrány. Transmembránový transport. Membránové organely, buněčné kompartmenty. Ústav pro histologii a embryologii Doc. MUDr. Marie Jirkovská, CSc. Předmět: Obecná histologie a obecná embryologie, B02241 Datum: 30.9., 1.10. 2013
Buňka Základní stavební a funkční jednotka mnohobuněčných organismů; různé typy buněk používají stejné mechanismy proteosyntézy, buněčného transportu, transformace energie, duplikace genetického materiálu. Pro specifické funkce je vybavena specifickými strukturami, což se odrazí na tvaru buňky, tvaru jádra, barvitelnosti cytoplazmy, atd. Obsahuje dva základní kompartmenty, jádro a cytoplazmu. Cytoplazma obsahuje organela (membránová a nemembránová), cytoskelet a inkluze.
Buňka podle:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
Buněčná (cytoplazmatická) membrána zachovává strukturální integritu buňky je selektivně propustná (kontroluje pohyb látek z buňky a do buňky) reguluje interakce (vzájemné působení) mezi buňkami pomocí receptorů rozpoznává antigeny, cizí a změněné buňky působí jako prostředník mezi cytoplazmou a zevním prostředím buňky vytváří transportní systémy pro specifické molekuly převádí extracelulární fyzikální nebo chemické signály do intracelulárního prostředí
Stavba biologické membrány V elektronovém mikroskopu jako trojvrstevná struktura o tloušťce cca 7,5 nm Složení: fosfolipidová dvojvrstva (asymetrické složení zevního a vnitřního listu) a integrální a periferní membránové proteiny, glykoproteiny a glykolipidy. A. Stevens, J.S. Lowe: Histology, 1993 Převzato z B. Young, J.W. Heath: Functional Histology, 4th edition, 2000
Stavba biologické membrány - fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol Fosfolipidová dvojvrstva: Polární (hydrofilní)část: glycerol, fosfát, dusíkatý alkohol Nepolární (hydrofobní) část: dva řetězce mastných kyselin (nasycených nebo nenasycených) M.H.Ross, Podle M.H.Ross, W. Pawlina: W. Histology, Pawlina: Histology, 2011 6th edition, 2011 B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998 Membrána jako fluidní mozaika - poměr nenasycených řetězců mastných kyselin a cholesterolu určuje její rigiditu resp. fluiditu. V tekuté vrstvě fosfolipidů se nacházejí integrální a periferní proteiny. Vytvářejí rafty - komplexy cholesterolu, nasycených fosfolipidů a proteinů - význam pro rychlý přenos signálů.
Membránové fosfolipidy Pollard et al.: Cell Biology, 2008
Membránové fosfolipidy- sfingolipidy Pollard et al.: Cell Biology, 2008 Asymetrické uložení (fosfatidylcholin a sfingomyelin převažují v zevním, fosfatidylserin, fosfatidylinositol a fosfatidyletanolamin převažují ve vnitřním listu membránových fosfolipidů) 8
Membránové proteiny 1) Integrální- transmembránové nebo připojené k fosfolipidové dvojvrstvě 2) Periferní integrální B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998 periferní Vztahy membránových proteinů a fosfolipidové dvojvrstvy
Membránové proteiny buněčná membrána Funkce integrálních proteinů: pumpy, kanály, receptory, spojovací proteiny, enzymy, strukturální proteiny Podle M.H.Ross, W. Pawlina: Histology, 6th edition, 2011
Glykokalyx Sacharidové molekuly navázané na zevní straně na membránové proteiny a lipidy tvoří glykokalyx (obsahuje mnoho záporně nabitých skupin; důležitý pro adhezi buněk, rozpoznávání buněk a jako recepční místo např. pro hormony). Glykokalyx -oligosacharidové řetězce navázané na membránové proteiny a lipidy; struktura glykolipidu -na povrchu membrány, znázorněný rutheniovoučervení přenos signálu do buňky
Transmembránový transport Pasivní a aktivní transport a) Prostá difuze (lipofilní molekuly a malé molekuly bez náboje) b) Kanálové proteiny (transport iontů a malých hydrofilních molekul) Regulace: 1) membránovým potenciálem (např. neurony) 2) neurotransmitery (např.acetylcholinové receptory svalového vlákna) 3) mechanicky (buňky vnitřního ucha) c) Přenašečové proteiny (vysoce selektivní, přenos malých molekul) pasivní transport (nevyžaduje energii, např. transport glukózy) aktivní transport (přenos proti koncentračnímu spádu, vyžaduje energii, např. iontové pumpy) B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998 Účinnost transportu iontů (tloušťka zelené šipky) je ovlivněna rozdílem koncentrací a membránovým potenciálem.!
Transmembránový transport a) Prostá difuze (lipofilní molekuly a malé molekuly bez náboje) b) Kanálové proteiny (transport iontů a malých hydrofilních molekul) Regulace: 1) membránovým potenciálem (např. neurony) 2) neurotransmitery (např.acetylcholinové receptory svalového vlákna) 3) mechanicky (buňky vnitřního ucha) c) Přenašečové proteiny (vysoce selektivní, přenos malých molekul) pasivní transport (nevyžaduje energii,např. transport glukózy) aktivní transport (přenos proti koncentračnímu spádu, vyžaduje energii, (např. iontové pumpy) Tři typy transportu přenašečovými proteiny Na +,K + - ATPáza (udržuje membránový potenciál) KOTRANSPORTERY B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998
Buněčné kompartmenty Membránové organely: mitochondrie endoplazmatické retikulum Golgiho komplex lysosomy peroxisomy melanosomy podle:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
Mitochondrie Pravděpodobně se vyvinula z primitivního prokaryontního organismu, který žil symbioticky v primitivní eukaryontní buňce obsahuje vlastní cirkulární DNA, která kóduje 13 enzymů oxidativní fosforylace, 2 ribosomální a 22 transferových RNA (pro translaci mitochondriální mrna), vlastní ribosomy; ostatní mitochondriální proteiny se syntetizují na základě mrna z jádra na volných polyribosomech v cytoplazmě, a jsou importovány do zevní a vnitřní mitochondriální membrány. Množí se dělením, které není synchronizované s buněčným cyklem. Kromě erytrocytů a povrchových keratinocytů se nacházejí ve všech buňkách. Mohou měnit tvar a polohu v buňce, aby byly co nejblíže místu spotřeby ATP. Délka až 10 µm, tloušťka 0,5 1 µm. Mitochondrie protáhlého tvaru (M) mezi myofibrilami buňky srdečního svalu
Mitochondrie Zevní mitochondriální membrána obsahuje aniontové kanály (poriny) závislé na napětí, kterými prostupují ionty a metabolity do intermembránového prostoru, receptory proteinů přenášených do intermembránového prostoru, a některé enzymy. Vnitřní mitochondriální membrána tvoří kristy nebo tubuly ( velký povrch), je bohatá na fosfolipid kardiolipin, který ji činí nepropustnou pro ionty. Obsahuje enzymy dýchacího řetězce a další látky pro přenos elektronů (cytochromy, dehydrogenázy, flavoproteiny) a ATP-syntázu (elementární partikule). Převzato z B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998 Matrix obsahuje enzymy Krebsova cyklu a β-oxidace, granula, která skladují kationty, mitochondriální DNA, ribosomy a transferové RNA. Podle M.H.Ross, W. Pawlina: Histology, 6th edition, 2011 Převzato z B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998
Tvorba ATP v mitochondriích podle chemiosmotické teorie
Endoplazmatické retikulum Systém tubulů a váčků ohraničených membránou (cisterny). Existují dvě formy ER, hladké a granulární, mohou v sebe vzájemně přecházet. Na povrchu a uvnitř cisteren probíhají metabolické procesy (syntéza a posttranslační úpravy proteinů, syntéza lipidů a steroidů, odbourávání toxických látek, tvorba všech membrán buňky). Hladké endoplazmatické retikulum má podobu anastomozujících tubulů ohraničených membránou. Funkce: syntéza steroidů a fosfolipidů, odbourávání glykogenu, skladování a izolace iontů (příčně pruhovaná svalovina), detoxikace (v hepatocytech - indukce enzymu).
Hladké endoplazmatické retikulum v kosterní a srdeční svalovině vytváří sarkoplazmatické retikulum (skladuje a izoluje Ca +2 ionty); hladké endoplazmatické retikulum v buňce srdeční svaloviny
Granulární endoplazmatické retikulum- soustava propojených plochých váčků (cisteren) ohraničených membránou; na zevní stranu nasedají ribosomy; má proteosyntetickou funkci Převzato z B. Alberts et al., Essential Cell Biology, 1998 perinukleární cisterna
Proteosyntéza v cytosolu (proteiny pro vlastní potřebu buňky - hemoglobin, mitochondriální proteiny, aktin a myosin) Převzato z:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
Proteosyntéza v GER (neurony, žlázové buňky, fibroblasty, ) dokovací protein a riboforin I a II posttranslační úpravy (glykosylace, sulfatace, hydroxylace, fosforylace) Převzato z:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
polarizovaná soustava cisteren a váčků; funkce: postranslační úpravy, třídění a balení proteinů v trans oblasti, směrování do místa určení Golgiho komplex
Golgiho komplex vztah ke granulárnímu endoplazmatickému retikulu Převzato z:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
Golgiho komplex- funkce Převzato z:l.p. Gartner, J.L. Hiatt: Color Textbook of Histology. 2nd edition, 2001
Lysosomy membránové váčky (ø = 0,05-0,5µm), obsahují cca 40 kyselých hydroláz, hojně obsažené v buňkách s endocytotickou a fagocytární aktivitou (b.proximálního tubulu v ledvinách, hepatocyty, makrofágy, neutrofilní leukocyty) Junqueira and Carneiro, Basic Histology, 2005 Nestrávený materiál buď odstraněn exocytózou nebo skladován jako reziduální tělíska, lipofuscinová granula, prašnéčástice, siderosomy
Peroxisomy membránové váčky (ø = 0,5-1,2 µm), obsahují oxidativní enzymy (peroxidáza, kataláza); podílejí se na oxidaci mastných kyselin; jejich enzym kataláza rozkládá peroxid vodíku na vodu a kyslík a hraje důležitou roli při detoxikaci alkoholu v játrech a ledvinách Junqueira and Carneiro, Basic Histology, 2005
Melanosomy organela (ø = 0,2-1,0 µm), která obsahují pigment melanin (v melanocytech a pigmentových buňkách), jeho úkolem je ochrana před slunečním zářením