Přípravný kurz z biologie Mitochondrie Buněčné transporty Cytoskelet 5. 11. 2011 Mgr. Kateřina Caltová
Mitochondrie
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 < 100 000 buňky lidské sítnice 1
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)
Mitochondrie http://mail.gvm.cz/vyuka/bio_pojmy/hesla/mitochondrie.html
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
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
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
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
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
ATP syntáza transmembránový přenašeč H + MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána
Mitochondrie - souhrn organely energetického metabolismu metabolizují pyruvát a mastné kyseliny, oxidují acetyl CoA (citrátový cyklus) produkují ATP procesem chemiosmotického spřažení
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 http://www.youtube.com/watch?v=e7vhte6w-50
vnitřní mitochondriální membrána vnější mitochondriální membrána ATP syntáza elektron transportní řetězec citrátový cyklus pyruvát mastné kyseliny pyruvát mastné kyseliny MOLEKULY POTRAVY Z CYTOPLAZMY
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
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
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
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
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
Transport látek přes membránu Osmóza
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
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
Transport vody přes membrány proteiny specializované na transport vody přes membránu vodní kanály aquaporiny propouští jen vodu, ne ionty
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
Funkce přenašeče při pasívním transportu změny tvaru (konformace) molekuly přenašeče přenašeč přechází mezi stavy A a B transport látky po koncentračním spádu
Aktivní transport proti koncentračnímu spádu nutné dodat energii: spřažením hydrolýzou ATP světelnou
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).
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
Osmotické děje I osmóza = přesun vody přes semipermeabilní membránu po koncentračním spádu semipermeabilní membrána propustí vodu, nepropustí rozpuštěné částice
Osmotické děje II osmolarita roztoku koncentrace osmoticky aktivních částic roztoky izotonické hypotonické / hypertonické Buňka obsahuje mnoho osmoticky aktivních částic, musí tedy regulovat svoji osmolaritu.
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
Kontrola osmolarity rostlinné buňky pevná buněčná stěna turgor vnitřní tlak vakuola aktivní regulace
Kontrola osmolarity - prvoci Kontraktilní vakuola aktivní vypuzování přebytečné vody z buňky
Volná difuze Přes lipidovou dvojnou vrstvu Fyzikální jev, není selektivní Rychlost je závislá na koncentraci, teplotě a velikosti molekuly http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-en.svg
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
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
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
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
Cytoskelet
Cytoskelet kostra buňky vláknité (fibrilární) struktury v buňce nitrobuněčné opěrné a pohybové struktury mikrotubuly mikrofilamenta střední filamenta http://www.infovek.sk/predmety/biolo gia/diplomky/biologia_bunky/cytoskele t.htm
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) http://cs.wikipedia.org/wiki/kostra
mikrotubuly Složky cytoskeletu mikrofilamenta intermediární filamenta Espero Publishing, s.r.o.
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
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
(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)
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)
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
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
Mikrofilamenta Espero Publishing, s.r.o. A) mikroklky, B) stresová vlákna, C) améboidní pohyb a pseudopodia D) kontraktilní prstenec
Mikrofilamentární toxiny cytochalasin zabraňuje polymeraci aktinu blokuje cytokinezi živočišných bb buňky vícejaderné faloidin stabilizuje mikrofilamenta, brání jejich přestavbě původ: muchomůrka zelená
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.
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
Děkuji za pozornost