Biologie I 5. přednáška Buňka membránové organely
Buňka ribosomy, centrioly jádro živočišná buňka membránový systém endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lysosomy semiautonomní organely mitochondrie, chloroplasty mikrokompartmenty peroxisomy, glyoxysomy rostlinná buňka Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 5/2
Buňka - v rostlinách typicky chybí: lysosomy, centrioly, bičíky - v živočišných buňkách chybí: centrální vakuola/tonoplast, buněčná stěna, plastidy Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 5/3
Nemembránové buněčné útvary centriol délky cca 250 nm centrioly v centrosomu dva na sebe kolmé buňka řasinkového epitelu zmnožení (200 300 kopií) jako základ bazálního tělíska řasinek (tvoří i bazální tělísko bičíku spermií) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. 5/4
Nemembránové buněčné útvary syntéza proteinů prokaryota 20 nm 70S 65 % proteiny 35 % rrna 50S (23S + 5,8S + 5S rrna) 30S (16S rrna) velká malá velikost složení podjednotky velká malá ribosomy eukaryota 25-30 nm 80S 50 % proteiny 50% rrna 50S (25-28S + 5,8S + 5S rrna) 50S (17-18S rrna) ribosomy mitochondrií a chloroplastů (prokaryotního typu) The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN 978-0-8153-4432-2) 5/5
Nemembránové buněčné útvary ribosomy Volné zejména pro syntézu proteinů cytosolu Vázané na membráně (endoplasmatického retikula, jádra) - syntéza proteinů určených k začlenění do membrán - syntéza proteinů určených pro export (exocytozou) - syntéza proteinů pro funkce v lumen některých organel (např. endosomů) lokalizaci mohou měnit polyribosomy prokaryota i eukaryota Biochemistry, 2ed (Metzler DE, Metzler CM, Sauke DJ, Academic Press, 2001, ISBN 0-12-492543-X) 5/6
obvykle kulovité - 5 μm v průměru jádro obvykle jedno, ale: - bezjadené: savčí erytrocyty, sítkovice floému rostlin - vícejaderné: soubuní příčně pruh. svaloviny, Caulerpa jaderný obal (karyotéka) - dvojitá membrána (mezera 20-40 nm) - prostoupeny póry (průměr ~100 nm), pórový komplex (proteinů) reguluje vstup makromolekul jaderný skelet (lamina) - střední filamenta, 2D síť jadérko - obvykle jedno, není ohraničeno membránou - zřetelné (elektronový mikroskop) jako zrnitá hmota s vlákny - místo syntézy rrna a jejich asociace s ribosomálními proteiny vznik velké a malé podjednotky přechod podjednotek do cytoplasmy přes jaderné póry...a dále obsahuje: chromosomy/chromatin proteiny/enzymy-replikace proteiny/enzymy-transkripce 5/7
Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0- 321-77565-8) Membránové organely jádro 5/8
jádro The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN 978-0-8153-4432-2) 5/9
Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0- 321-77565-8) Membránové organely endomembránový systém přímý fyzický kontakt organel nebo jejich propojení systémem transportních váčků červené šipky ukazují některé cesty migrace membrán (membránových váčků) = vztah mezi organelami endomembránového systému 5/10
endomembránový systém endoplazmatické retikulum retikulum (lat.) = malá síť - síť fyzicky propojených membránových vaků a cisteren - až polovina všech endomembrán (vymezují cisternální prostor) - kontakt s jadernou membránou (propojení prostoru mezi membr. jádra s cisternálním prostorem) dva typy: drsné ER (ribosomy na povrchu) směrem od jádra přechází v hladké ER (bez ribosomů) Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 5/11
endomembránový systém endoplazmatické retikulum Významné funkce Drsné ER - ribosomy syntetizují protein přes pór přímo do cisternálního prostoru - syntéza sekrečních proteinů / peptidů (např. hormon insulín) - primární úprava sekrečních proteinů (většinou glykoproteiny) - tvorba buněčných membrán (syntéza fosfolipidů, integrace transmembránových proteinů, cílení k organele) Hladké ER - syntéza lipidů (tuky, steroidní látky, fosfolipidy) - detoxikace (např. hydroxylace barbiturátů pro vyšší rozpustnost a snadnější vyloučení z organismu) - vnitrobuněčná zásobárna Ca 2+ (sarkoplazmatické retikulum) - utilizace glukosa-6-fosfátu vzniklého z glykogenu v játrech 5/12
endomembránový systém Golgiho aparát strukturní a funkční polarita: cis strana v blízkosti ER přijímá transportní váčky trans strana odškrcování transportních váčků pro směrování k povrchu /organelám obsahují specifickou rodinu proteinů zodpovědnou za tvar a organizaci GA, interakce s GTPasami Významné funkce dokončení, modifikace a následné skladování a třídění produktů ER (např.glykoproteinů) syntéza nových látek (mukopolysacharidy, pektin) Color Atlas of Cytology, Histology, and Microscopic Anatomy 4ed (Kuehnel W, Thieme, 2003, ISBN 1-58890-175-0) Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 5/13
endomembránový systém sekreční váčky = granula obsahují sekretované produkty ve vysokých koncentracích až 200x více než v ER odvozené od GA nebo ER transport k plazmatické membráně, uvolnění obsahu mimo buňku velké rozdíly ve velikosti podle transportovaného obsahu neurotransmitery, hormony, enzymy (často ve formě neaktivních zymogenů) významné ve slinivce, štítné žláze, hypofýze, slinných žlázách a dalších vodný neviskózní obsah mukózní, viskózní obsah (například epitel žaludku, ) Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 5/14
endomembránový systém lysosomy kulovité membránové organely obsahující hydrolasy počet v buňce a velikost regulovány pomocí transportních váčků, závisí na druhu tkáně fúze s endosomy regulovaná Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) kromě odpadkového koše buňky další role: homeostasa cholesterolu opravy plasmatické membrány tvorba kostí obrana před patogeny buněčná smrt a signalizace zvýšení množství lysosomů v patologických stavech, za přítomnosti některých inhibitorů enzymů, antibiotik nebo nefyziologických substrátů mohou obsahovat zbytky nekompletně rozloženého materiálu lysosomální onemocnění geneticky podmíněné, deficience lysosomálních enzymů 5/15
endomembránový systém lysosomy autofagie lysosomální degradace cytosolického materiálu aktivováno v průběhu stresu (například nedostatek aminokyselin nebo virová a některé bakteriální infekce) degradace neesenciálního obsahu pro uvolnění dostatky živin housekeeping role v kontrole složek cytoplasmy může přispívat rozvoji rakoviny Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 5/16
endomembránový systém lysosomy externí lysosomy degradace proteinů v mezibuněčném prostoru - sekrece lysosomálních enzymů neutrofily a makrofágy obrana před bakteriemi - degradace kostní hmoty osteoklasty 5/17
endomembránový systém vakuoly - potravní vakuoly - fagocytoza příjem potravy - stažitelné (kontraktilní) vakuoly osmoregulace v hypotonickém prostředí Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 5/18
endomembránový systém vakuoly - rostlinná vakuola - vzniká z ER a GA - ohraničena tonoplastem (membrána) Významné funkce - udržování stálosti cytoplazmy (např. ph) - zásobní - odpadní (zplodiny buněčného metabolismu) Obsahuje - anorganické ionty (K +,Na +, Ca 2+, Cl -, NO 3- ) - rezervní látky (proteiny) - (mezi)produkty metabolismu (organické kyseliny, sacharidy/sacharosa, aminokyseliny, pektinové látky) - polární pigmenty (antoxantiny, antokyany, flavony) - květy atrakce opylovačů - alkaloidy, třísloviny - ochrana před herbivory Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 5/19
endomembránový systém vakuoly - rostlinná vakuola Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) malé vakuoly (a málo) v buňkách apikálních meristémů (dělivé pletivo = mladé buňky) růst, zmožení vakuol během ontogeneze/dozrávání buňky splynutí v centrální vakuolu (až 90% objemu buňky) 5/20
endomembránový systém mikrokompartmenty peroxisomy glyoxisomy hydrogenosomy glykosomy předpoklad společného původu malé sférické nebo elipsoidy, průměr 0,1 1,5 mm ohraničené jedinou vrstvou membrány neobsahují nukleové kyseliny funkce - obvykle pro oxidace výskyt: u obratlovců v játrech a ledvinách u rostlin v listech a semenech v protozoích, kvasinkách i dalších houbách 5/21
endomembránový systém peroxisomy nejlépe prostudované mikročástice nejsou tvořeny z ER ani GA rostou zabudováním fosfolipidů a proteinů do membrány, po dosažení kritické velikosti rozdělení interakce s ostatními organelami ER, mitochondrie počet, velikost a zastoupení proteinů je regulováno vnějšími podmínkami proteiny syntetizované na volných ribosomech v cytosolu a přímo transportované do peroxisomů 5/22
The Biogenesis of Cellular Organelles, edited by Chris Mullins. 2005 Eurekah.com and Kluwer Academic/Plenum Publishers. Membránové organely endomembránový systém peroxisomy obsahují více než 40 různých enzymů, hlavně katalasu, oxidasu D-aminokyselin a urikasu (ne u člověka) podílejí se na několika anabolických i katabolických drahách, společná funkce ve většině organismů - metabolismus peroxidu vodíku a lipidů v živočišných buňkách začátek syntézy plasmalogenu, degradace velmi dlouhých řetězců mastných kyselin, metabolismu cholesterolu oxidativní enzymy vznik peroxidu vodíku RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 detoxikace peroxidu vodíku katalasa H 2 O 2 + R H 2 R + 2 H 2 O 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 M- mitochondrie P- peroxizomy SER hladké ER šipkou označené krystaly enzymů R = mastná kys., aminokyselina R = ethanol, fenolické látky takto je degradováno 50 % ethanolu 5/23
Atlas of Plant Cell Structure (Noguchi T, Kawano S, Tsukaya H, Matsunaga S, Sakai A, Karahara I, Hayashi Y, Springer, 2014, ISBN 978-4-431-54940-6) The Biogenesis of Cellular Organelles, edited by Chris Mullins. 2005 Eurekah.com and Kluwer Academic/Plenum Publishers. Membránové organely semiautonomní organely mitochondrie a plastidy - množí se dělením - vlastní cirkulární DNA (geny jen pro některé proteiny, zbylé v jaderné DNA a transport z cytoplasmy, velikost mitochondriálního genomu závislá na typu organismu) savčí mitochondrie kvasinková mitochondrie rostlinná mitochondrie 16,5 kbp 40 60 kbp 200 2400 kbp - vlastní ribosomy bakteriálního typu lidská mitochodrie: 12S rrna a 16S rrna rostlinná mitochondrie: 18S rrna a 23S + 4,5S + 5S rrna rostlinný chloroplast: 16S rrna a 23S + 4,5S + 5S rrna 5/24
Mitochondria 2ed (Schffler IE, Wiley-Liss, 2008, ISBN 978-0-470-04073-7) Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) Membránové organely semiautonomní organely - mitochondrie 0,5 x 1 až 10 µm obvykle stovky až ~ 25 tis. v jedné buňce Systém dvou membrán - vnější membrána - hladká - 55% proteiny - intermembránový prostor - vnitřní membrána - velký povrch - zvrásněná a záhyby (kristy) - 72% proteiny - mitochondriální matrix (DNA, RNA, proteiny/enzymy, ribosomy) 5/25
Mitochondria 2ed (Schffler IE, Wiley-Liss, 2008, ISBN 978-0-470-04073-7) Membránové organely semiautonomní organely - mitochondrie lokalizace v buňce není náhodná ani stálá, přesun na místa vyžadující velké množství ATP, přesun pomocí cytoskeletárních motorů ovlivňováno lokálními koncentracemi ATP/ADP schopnost fúzovat - v některých buňkách velké propojené komplexy mitochondriální plasmidy kromě vyšších živočichů, není příliš známá jejich funkce, jejich ztráta neovlivňuje životaschopnost organismu, lineární i kruhové, vlastní schopnost replikace molekulární parazité Interakce s jadernou DNA mitochondrie uspořádané v bičíku spermie mitochondrie pravidelně uspořádané v srdečním svalu dělení mitochondrií mitochondrie mezi jednotlivými sarkomerami v kosterním svalu 5/26
semiautonomní organely - mitochondrie Transport do mitochondrie hotové proteiny RNA (hlavně t-rna) některé metabolity ven z mitochondrie ATP některé metabolity Význam energetický metabolismus produkce ATP z lipidů a degradačních produktů sacharidového metabolismu citrátový cyklus, Lynenova spirála, oxidativní fosforylace regenerace cytoplasmatického NADH močovinový cyklus detoxikace amoniaku biosyntéza hemu syntéza kardiolipinů zásobárna Ca 2+ iontů syntéza Fe-S proteinů 5/27
semiautonomní organely kinetoplasty odvozené od mitochondrií v protozoích (například Trypanozomy, Leishmanie, ), odlišná morfologie a lokalizace obsahují asi 7% buněčné DNA kolokalizace s bazálními tělísky bičíků DNA tvořena 40 50 velkými kruhy (20 35 kb) a 5 10 tisíci malými kruhy (350 2500 bp), tvoří síťovitou strukturu velké kruhy - shodné geny i jejich pořadí mezi jednotlivými druhy, liší se počtem kopií jednoho variabilního regionu malé kruhy velká heterogenita, různý počet kopií v jedné buňce, jedna konzervovaná oblast Mitochondria 2ed (Schffler IE, Wiley-Liss, 2008, ISBN 978-0-470-04073-7) 5/28
Degenerate mitochondria. van der Giezen M, Tovar J. EMBO Rep. 2005 Jun;6(6):525-30. Membránové organely semiautonomní organely hydrogenosomy, mitosomy odvozené od mitochondrií hydrogenosomy obvykle chybí genetická informace v anaerobních organismech, chybí většina citrátového cyklu a cytochromy, produkce ATP mitosomy chybí genetická informace v anaerobních a mikroaerofilních organismech, které nemají mitochondrie směrování proteinů je shodné jako u mitochondrií role ve skládání Fe-S klastrů, nemají schopnost respirace a syntézy hemu hydrogenosomy anaerobní houba a parazit skotu mitosomy střevní parazit a giardie 5/29
semiautonomní organely plastidy plastidy obecné pojmenování chloroplasty lipofilní pigmenty (karoteny, xanthofyly) etioplast za nedostatku světla, ztráta chlorofylu leukoplasty bez pigmentů, hlavně zásobní funkce amyloplasty syntéza a ukládání škrobu proteinoplasty ukládání krystaloidů proteinů elaioplasty tukové kapénky (např. liliovité) vznikají z protoplastidu amyloplast z nezralého banánu, barveno jodem oleoplasty z avokáda etioplast z kotyledonů Arabidopsis thaliana chlotoplast z mezofylu kukuřice 5/30
semiautonomní organely plastidy protoplastidy typ plastidu funkce charakteristické vlastnosti muroplast fotosyntéza chloroplast obklopený stěnou podobnou prokaryotám, v některých řasách rhodoplast fotosyntéza červený chloroplast schopný fotosyntézy až do 250 m hloubky germinální zdroj dalších plasmidů v meristémech a zárodečných buňkách nodulární asimilace dusíku lokalizace cyklu fixace dusíku v hlízkách etioplast přechodný stav vzniká při růstu za tmy, syntéza giberelinů, na světle přeměna na chloroplast amyloplast syntéza a skladování škrobu také napomáhá vnímání gravitace v kořenovém systému leukoplasty elaioplast syntéza a skladování tuků zásobárna lipidů a olejů, při zrání pylových zrn proteinoplast ukládání proteinů nemusí být funkční kategorie, většina proteinů skladována v ER a z něj odvozených váčcích chromoplast barevnost květů a plodů bohaté na karotenoidy, pro přilákání opylovačů a semena roznášejících zvířat gerontoplast katabolismus bezpečná degradace fotosyntetického aparátu při stárnutí kleptoplast fotosyntéza pochází z řas, pohlcená některými mořskými bezobratlovci (např. mořská okurka), funkční po dobu života živočicha (maximálně 9 měsíců) apikoplast neznámá nalezen v parazitech způsobujících malárii, po inhibici je snížena infektivita v řasách fotosyntéza a další obdobně jako u cévnatých rostlin C3 rostliny fotosyntéza a další také pro syntézu mastných kyselin, lipidů, aminokyselin a proteinů, asimilace síry a dusíku chloroplasty C4 rostliny fotosyntéza a další dimorfní chloroplasty, zajišťují zvýšenou koncentraci CO 2 a sníženou koncentraci O 2 pro zvýšení efektivity RUBISCa světlo/stín adaptace fotosyntéza a další dimorfní, pro optimizaci fotosyntéza za různých světelných podmínek ochranné buňky funkce průduchů detekuje světlo a CO 2, signalizace pro otvírání a zavírání průduchů v listech 5/31
semiautonomní organely plastidy muroplast elaioplast rhodoplast chromoplast protoplastid gerontoplasty etioplast přeměna etioplastu na chloroplast chloroplast C3 rostliny amyloplast chloroplast C4 rostliny Robert R. Wise and J. Kenneth Hoober (eds), The Structure and Function of Plastids, 3 26. 2006 Springer. 5/32
semiautonomní organely chloroplasty obvykle 2 x 5 µm (čočkovitý tvar); 1 až 200 v buňce od cytoplasmy oddělen dvojitou membránou uvnitř další membránový systém - thylakoidy (systém zploštělých váčků) vně thylakoidů stroma (DNA, RNA, proteiny/enzymy, ribosomy) - naskládáním tylakoidů vznikají vzájemně propojená grana (jedn. č. granum) Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 5/33
semiautonomní organely chloroplasty Funkce fotosyntéza syntéza chlorofylu biosyntéza karotenoidů syntéza lipidů syntéza aminokyselin metabolismus síry zapojení do metabolismu Ca 2+ 5/34
semiautonomní organely chloroplasty - fotosyntéza světlá fáze uložení energie ze světla do chemických sloučenin spektra rostlinných barviv chlorofyl lokalizace fotosystémů na membráně anténní systémy 5/35
semiautonomní organely chloroplasty - fotosyntéza temná fáze fixace uhlíku do cukerných molekul Calvinův cyklus RUBISCO zvýšení koncentrace CO 2 pro zvýšení účinnosti Rubisca C4 a CAM rostliny aktivní transport CO 2 do buňky a chloroplastu zakoncentrování do zásobní formy (karboxysomy u prokaryot, pochva cévního svazku u vyšších rostlin, pyrenoid u řas) rychlé uvolnění CO 2 zabránění úniku CO 2 od RUBISCa karbonát hydrolyasa rozpad HCO 3 - na CO 2 a vodu RUBISCO 5/36
semiautonomní organely chloroplasty - fotosyntéza pyrenoid u řas a některých mechorostů speciální útvar v chloroplastech slouží ke zvyšování lokální koncentrace CO 2 proteinový útvar s vysokou koncentrací RUBISCa mohou být obklopené škrobovitými pláty zůstává i při dělení, vznik de novo interakcemi mezi jednotlivými molekulami RUBISCa 5/37