Biologie I 4. přednáška Buňka struktura, nemembránové útvary
Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) Morfologie buňky cytologie - struktura a funkce buněk (z řec. kytos buňka) jednobuněčné organismy prokaryota eukaryota mnohobuněčné organismy eukaryota specializované buňky 4/2
Morfologie buňky základní charakteristiky velikost prokaryota (bakterie, sinice) desetiny až jednotky mm eukaryota nejčastěji 10 100 mm výjimky až desítky cm sklerenchymatické buňky nervové buňky jednobuněčná řasa Caulerpa ptačí vejce tvar membránový váček kulovitý buňky obvykle jiný než kulovitý tvar ovlivnění tvaru: buněčná stěna vnitřní prostředí (cytoskelet, spektrin) okolními buňkami v tkáních a pletivech funkčními adaptacemi 4/3
Morfologie buňky základní charakteristiky bakterie živočišná buňka rostlinná buňka Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 4/4
Morfologie buňky základní charakteristiky neuron (Purkyňova b.) prvok Paramecium řez stonkem rostliny bakterie Bdelovibrio bacteriovorus neutrofil a erythrocyt 4/5
Evoluce eukaryotní buňky Organismy lze rozdělit do 3 domén Kořen leží mezi doménou Bacteria a doménami Eukarya / Archaea Eukarya a Archaea tvoří monofyletickou skupinu 4/6
Evoluce eukaryotní buňky Horizontální přenos genů společně s evolucí spletitá síť řada genů energetického metabolismu v říši Eukarya má bakteriální původ - hypotézy chiméry 4/7
Evoluce eukaryotní buňky Endosymbiotický původ mitochondrií a chloroplastů 4/8
Evoluce eukaryotní buňky Endosymbiotický původ mitochondrií a chloroplastů 4/9
Evoluce eukaryotní buňky 4/10
Evoluce eukaryotní buňky Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - syntrofická hypotéza - vodíková hypotéza Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006 4/11
Evoluce eukaryotní buňky Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - syntrofická hypotéza v konzorciu došlo k pohlcení archebakteriální buňky buňkou (buňkami) bakteriální(mi) archebakterie nebyla strávena, ale její DNA byla využity pro vznik jádra vysvětluje dvojvrstevnou jadernou membránu do jisté míry významnou podobnost archeí a eukaryot na molekulární úrovni Akumulace kyslíku v prostředí si žádala u patrně anaerobní dávné eukaryoty syntrofii s aerobem, a jeho pohlcením vzniká mitochondrie Složité životní cykly a sociální chování d-proteobakterií mohlo být předpokladem vzniku mnohobuněčných eukaryot. Myxococcus xanthus Zusman a kol., Nat. Rev. Microbiol. 5:862-872, 2007 4/12
Evoluce eukaryotní buňky Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - vodíková hypotéza archaea s předchůdcem mitochondrie v konzorciu došlo k pohlcení bakteriální buňky (a-proteobakterie produkující H 2 ) buňkou archebakterie (H 2 utilizující) bakterie nebyla strávena, ale stala se předchůdcem: mitochondrií (respirace, + 36 ATP / glukosa) vlastní DNA hydrogenosomů (?, + 2 ATP / glukosa) některé vlastní DNA mitosomů (?, + 2 ATP / glukosa, -2 NADPH) bez DNA jádro a současně (?) i endoplasmatické retikulum vznikalo invaginací cytoplasmatické membrány hydrogenosom endosymbiotický methanogen (archaea) Boxma a kol., Nature, 434:74-79, 2005 4/13
Evoluce eukaryotní buňky Jak se z archey stala eukaryota (PhAT hypotéza) J. Martijn and T.J.G. Ettema, Biochem. Soc. Trans. 41: 451 457, 2013 1. archeabakteriální předchůdce schopný syntetizovat všechny proteiny charakteristické pro eukaryotu 2. ztráta buněčné stěny vývoj cytoskeletárního systému pro zachování tvaru buňky 3. primitivní fagocytosa vývoj cytoskeletu umožnil fagocytózu, tím možnost horizontálního přenosu genů vznik mozaikového genomu, rychlá evoluce 4. vznik primitivního jádra vznik ochranné membrány kolem genetické informace na zachování integrity, snižování rychlosti evoluce, některé fagocytované a-protobakterie nemusely být stráveny, ale mohly symbioticky fungovat a poskytovat hostiteli výhodu 5. zvětšování jádra, symbióza s předchůdci mitochondrií symbiotická protobakterie se redukuje do závislé organely, přenos některých genů do hostitelova genomu, zvětšování genomu i buňky, rekombinace a duplikace genů, vznik nových proteinových struktur 4/14
Evoluce eukaryotní buňky vznik plastidů autotrofní eukaryota 4/15
Buňka asymetrie struktur asymetrie membrán ve složení lipidů - orientací proteinových složek - v povrchových modifikacích asymetrie buňky omezení volného pohybu membránových proteinů - funkční polarizace buňky Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 4/16
Buňka asymetrie struktur asymetrie buňky omezení volného pohybu membránových proteinů - funkční polarizace buňky střevní epitel - protein A: import živin z lumen protein B: export látek do tkání a krve 4/17
Buňka asymetrie struktur asymetrie buňky omezení volného pohybu membránových proteinů samovolné složení do větších agregátů (bakteriorhodopsin z Halobacterium salinatum) připojení k buněčnému kortexu uvnitř buňky připojení na extracelulární matrix interakce s povrchovými proteiny sousední buňky 4/18
spoje živočišných buněk 4/19
spoje živočišných buněk http://www.slideshare.net/aljeirou/cell-junctions 4/20
těsné spoje spoje živočišných buněk 4/21
adhezní spoje spoje živočišných buněk 4/22
desmosom spoje živočišných buněk 4/23
mezerový spoj spoje živočišných buněk 4/24
hemidesmosom spoje živočišných buněk vazba na extracelulární matrix http://xtal.cicancer.org/research.html 4/25
Mezibuněčná hmota živočišných buněk základem jsou kolageny a glykosaminoglykany (GAG, volné nebo jako proteoglykany) kolagenové fibrily: pevnost v tahu GAG: gelovitá výplň odolnost vůči tlaku Pojiva masivní matrix nese hlavní mechanickou zátěž Epithely hlavní mechanickou zátěž nese cytoskelet a mezibuněčné spoje, matrix v menší míře - tvoří podložku epitelu, tzv. bazální laminu 4/26
Mezibuněčná hmota živočišných buněk Fibroblasty v pojivové tkáni Fibroblasty obklopený kolagenovými fibrilami Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) 4/27
Mezibuněčná hmota živočišných buněk bazální lamina 4/28
Buněčná stěna rostlin vrstvy celulosových fibril (ve vrstvě paralelně, vrstvy oproti sobě posunuty o určitý úhel) vrstvy jsou spojeny hemicelulosami a prostoupeny pektiny pektiny tvoří střední lamelu mezi 2 sousedními buňkami stěna buněk na povrchu těla rostliny prostoupena kutinem (vosk, brání odparu vody) 4/29
Buněčná stěna rostlin růst buněčné stěny apozice = přikládání nových vrstev celulosových fibril ke stávajícím dostředivě - většina buněk v pletivu odstředivě - buňky volné (pyl, výtrusy) - buňky částečně volné (pokožkové, trichomy) intususcepce = integrace nových bloků vrstvených celulosových fibril do stávající stěny při zvětšování plochy stěny (rostoucí buňky) impregnace stěny: druhotné ukládání dalších organických látek (hemicelulosy, pektiny, kutin, suberin, lignin, chitin, pigmenty, třísloviny) jež mají ochrannou a zpevňující roli inkrustace stěny: ukládání anorganických látek (např. hydratovaný SiO 2 ) 4/30
Buněčná stěna rostlin růst buněčné stěny Celulosa synthasa -hexamer (syntéza 6 celulos) tvořící větší komplexy (rozety) -membránový protein a interakce s mikrotubuly určuje orientaci celulosových vláken ve vrstvě 4/31
Buněčná stěna rostlin plasmodesmata obdoba mezerových spojů v živočišných buňkách složitější musí procházet ještě buněčnou stěnou komunikace mezi buňkami, průchod malých iontů a molekul často součástí i tubulární útvar desmotubulus vzniká z hladkého endoplazmatického retikula 4/32
vnitřní prostředí buňky rosolovitý materiál, základní složkou je voda cytoplasma cytosol hlavní složka, bezbarvý koloidní roztok 90% voda a ve vodě rozpustné malé molekuly (cukry, aminokyseliny, nukleotidy, rozpuštěné plyny, ) velké molekuly (proteiny, nukleové kyseliny) cytoskelet organely membránové struktury se specializovanými funkcemi (mitochondrie, lysosomy, chloroplasty, ) inkluze zásobní látky, sekundární produkty, pigmenty, nemusí být vždy například glykogenové granule v játrech, lipidové kapénky v buňkách tukové tkáně, pigmentové granule ve vlasových buňkách, 4/33
Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8) Nemembránové buněčné útvary cytoskelet pouze eukaryota napomáhá podpírat velký objem cytoplasmy zodpovědný za pohyb (pohyb buněk, změny tvaru buněk) organizuje pohyb objektů uvnitř buněk 4/34
cytoskelet mikrotubuly mikrofilamenta střední filamenta struktura duté trubice dvě propletená aktinová vlákna fibrilární proteiny stočené do provazců průměr 25 nm (15 nm dutina) 7 nm 8 12 nm proteiny tubulin (dimer, a- a b- tubulin) aktin keratiny a další hlavní funkce mikrofotografie s fluorescenčně značeným cytoskeletem udržení tvaru buňky (proti tlaku), buněčný pohyb, pohyb chromosomů při buněčném dělení. pohyb organel udržení tvaru buňky (v tahu), změny tvaru buňky, svalové stahy, pohyb po podkladu, dělení živočišných buněk, fagocytosa udržení tvaru buňky (v tahu), zakotvení jádra a některých dalších organel, tvorba jaderné laminy 4/35
cytoskelet střední filamenta nejpevnější z cytoskeletárních vláken důležitá mechanická opora buněk (bodové namáhání rozkládají do prostoru) Cytoplazmatická tvoří cytoplazmatickou síť obklopující jádro a zasahující až k periferiím buňky, kde jsou často zakotvena na membránových proteinech (spojnících) Jaderná vytváří dvojrozměrnou síť zpevňující jadernou membránu Stavba základní monomerní podjednotky: centrální část fibrilární velmi podobná u všech typů (dvě tvoří helix helixů) globulární hlavičky a konce - liší se velikostí a aminokyselinovým složením jsou specifické pro určitou tkáň (4 typy, specifické pro epitely, pojiva a svaly, neurony, jádra) 4/36
cytoskelet střední filamenta monomer helix helixů (dimer) dimery se k sobě přikládají tetramery tvoří oktamery a vytváří se vlákno středního filamenta 4/37
Nemembránové buněčné útvary cytoskelet střední filamenta hlavní typy proteinů ve středních filamentech v buňkách obratlovců polypeptidy lokalizace jaderné laminy A, B, C jaderná lamina (vnitřní část jaderného obalu) vimentin buňky mezenchymatického původu vimentinu podobné desmin svaly gliální fibrilární kyselý protein gliové buňky (astrocyty a některé Schwannovy buňky) periferin některé neurony epiteliální keratiny typu I (kyselé) keratiny typu II (neutrální a bazické) buňky epitelu a útvary od nich odvozené (vlasy, nehty) v axonech neurofilamentové proteiny neurony keratinová filamenta v epitelových buňkách puchýře vznikající v pokožce s mutantním keratinem neurofilamenta v axonu plektin prokřižující různé části cytoskeletu 4/38
cytoskelet mikrotubuly zásadní organizující funkce - určují pozice membránových buněčných organel - řídí transport uvnitř buňky v mitóze vytváří dělící vřeténko mohou vytvářet struktury umožňující pohyb buňky - řasinky - bičíky jsou polarizovanou strukturou vyrůstají z organizačního centra centrosomu lokalizovaného poblíž jádra směrem k periferii buňky 4/39
duté trubice z tubulinu cytoskelet mikrotubuly tubulin = heterodimer 2 globulárních proteinů, a-tubulinu a b-tubulinu dva konce - minus konec zakotvený na centrosomu - plus konec na kterém dochází k růstu nebo zkracování mikrotubulu stabilita je ovlivněna řadou přídatných proteinů vážících se především na plus konec 4/40
cytoskelet mikrotubuly centrosom obsahuje dvě centrioly (9 trojic krátkých mikrotubulů) asi 100 různých proteinů na povrchu nukleační místa tvořená kruhy g-tubulinu odtud vychází mikrotubuly 4/41
růst a zkracování mikrotubulů cytoskelet mikrotubuly rychlý růst i zkracování (regulovaný děj) schopnost prodlužovat pouze tubulin s navázaným GTP po hydrolýze GTP na GDP má tubulin tendenci z konce mikrotubulu odpadat rostoucí mikrotubulus polymerace GTP-tubulinu rychlejší než hydrolýza GTP zkracující se mikrotubulus hydrolýza GTP rychlejší než přísun nových GTP-tubulinů Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN 3-13-100372-3) 4/42
selektivně řízená stabilizace cytoskelet mikrotubuly pomocí přídatných (čapkovacích) proteinů vážících se na + konec umožňuje buňku polarizovat význam: např. intracelulárni transport 4/43
molekulové motory - transport cytoskelet mikrotubuly Dynein směrem k minus konci (k centriole poblíž jádra) Kinesin směrem k plus konci (k periferii buňky) Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace motoru a tím k jeho posunu po vláknu mikrotubulu Motory - vazebné místo pro mikrotubulus - specifické vazebné místo pro protein značkující transportovaný objekt (transmembránový protein v membránovém váčku) 4/44
Kinesiny cytoskelet mikrotubuly Dyneiny 4/45
Co všechno se může pohybovat? membránové váčky cytoskelet mikrotubuly celé organely např.: specifické receptory v membráně ER interagují s kinesiny rozprostření ER od povrchu jádra až k periferii receptory v membráně Golgiho útvaru interagují s dyneinem lokalizace organely směrem k centromeře celé buňky - bičíky spermie, prvoci - řasinky výstelka vejcovodu pohyb vajíčka 4/46
Pohyb řasinek a bičíků cytoskelet mikrotubuly mikrotubulu pevně spojeny spojníkovými proteiny pohyb dyneinu indukuje pnutí a následný ohyb bičíku uvolnění vrací bičík zpět 4/47
cytoskelet mikrofilamenta Nesvalová: důležitá pro buněčný pohyb - pohyb po podkladu - pohlcování částic fagocytozou - dělení živočišné buňky - pohyb cytoplasmy - kontrola růstu buňky pylová láčka a kořenové vlásky - pohyb chloroplastů v buňce ochrana před poškozením nadměrným zářením mohou vytvářet stabilní struktury - mikrovilli v mikroklcích = stabilizace tvaru Svalová: sarkomery myofibrily kosterní svalová buňka 4/48
cytoskelet mikrofilamenta tvořena monomery globulárního aktinu podobně jako u mikrotubulů plus a minus konec interagují s celou řadou aktin-vazebných proteinů, které regulují stabilitu a vzájemné uspořádání mikrofilament mikrofilamenta jsou zakoncentrována poblíž cytoplazmatické membrány ve vrstvě tzv. buněčného kortexu (výztuha plazmatické membrány) mohou zasahovat do cytoplasmy a tvořit 3D síť (vždy propojeny aktin-vazebnými proteiny) monomer aktinu aktinové mikrofilamentum 4/49
Růst a zkracování filament na obou koncích (na plus konci je rychlejší polymerace) prodlužování pouze aktin s navázaným ATP, po hydrolýze má tendenci odpadat cytoskelet mikrofilamenta nukleace polymerizace z monomerů in vitro polymerizace z monomerů in vitro s přidanými filamenty treadmilling 4/50
pohyb na základě mikrofilament cytoskelet mikrofilamenta svaly pohyb cytoplasmy v buňce améboidní pohyb buněk 4/51
proteiny interagující s mikrofilamenty cytoskelet mikrofilamenta - ovlivňují rychlost polymerace (+ profilin, - thymosin) - chrání konce (Arp komplex) - nukleace růstu filament (formin) - zpevňují vlákna, prokřižují je (filamin, fimbrin, a-aktinin, tropomyosin, spektrin) - destabilizace vláken (cofilin) - molekulové motory (myosin) 4/52
mikrofilamenta v živočišné buňce cytoskelet mikrofilamenta lamelipodia a filopodia se tvoří orientovanou polymerací aktinu průzkum a pohyb buňky po podložce polarita aktinového mikrofilamenta a orientované prodlužování jsou určeny organizačním centrem, kterým jsou aktin-vazebné proteiny interagující s plus koncem filamenta minus konce jsou zakotvené na kortex 4/53
cytoskelet mikrofilamenta Buněčný kortex tvořený spektrinem zakotveným prostřednictvím spojníků na transmembránové proteiny je dále zesílen mikrofilamenty 4/54
pohyb živočišné buňky po podložce cytoskelet mikrofilamenta Extracelulární matrix / Povrch jiné buňky transmembránové proteiny integriny zprostředkují pevné spojení s nosičem 4/55
myosiny - aktin-vazebné proteiny cytoskelet mikrofilamenta Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace myosinu a tím k jeho posunu po vláknu Myosiny I - globulární aktin-vazebná doména (také váže a hydrolyzuje ATP) - fibrilární část vážící se ke specifickým proteinům plazmatické membrány nebo membránových váčků Myosiny II - vytváří dimery z monomerů podobných myosinům I (dimerizace prostřednictvím helixu helixů fibrilární části) - nejhojněji zastoupeny ve svalových buňkách 4/56
aktin-myosinový komplex cytoskelet mikrofilamenta 4/57
aktin-myosinový komplex princip: cytoskelet mikrofilamenta navázání ATP uvolnění ATP-myosinu z vazby na mikrofilamentum hydrolýza ATP změna konformace myosinu = změna polohy oproti vláknu navázání ADP-myosinu na následující aktinovou molekulu uvolnění ADP návrat do původní konformace vyvolává tah = pohyb 4/58
cytoskelet mikrofilamenta aktin-myosinový komplex vnitrobuněčný pohyb jiné myosiny než myosin II 4/59
cytoskelet prokaryota FtsZ prokaryotní cytoskeletální protein Vysoce konzervovaný, nalezen v bakteriích, plastidech a mitochondriích Nezbytný pro dělení bakterií, plastidů i mitochondrií Podobnost s tubulinem Štěpí GTP, schopnost samouspořádávání se do prstencových útvarů FtsZ endosymbiotických organel kódován genomem eukaryotické buňky 4/60
proteasomy proteinové komplexy, velikost podobná malé podjednotce ribosomu funkce degradace nefunkčních polypeptidů a nežádoucích proteinů typické pro eukaryoty a archaebakterie, v prokaryotech pouze aktinomycety podílí se na buněčném cyklu, regulaci růstu u rostlin, apoptóze, odpovědi na buněčný stres, imunitní odpovědi organismu, degradované proteiny značené ubikvitinem (eukaryota), SAMP (small archaeal modifier protein, archaea) nebo Pup (proakryotic ubiquitinlike protein, aktinomycety) Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8) 4/61
u některých prokaryot, částice podobné virionům prokaryotní mikrokompartmenty mikrokompartmenty ohraničené proteinovým obalem enkapsulujícím enzymy shodné obalové proteiny, kódované v operonu společně s enzymy daného mikrokompartmentu, obal selektivně propustný různé metabolické funkce: karboxyzomy fixace CO 2, v cyanobakteriích a chemoautotrofních bakteriích, obsahují enzym RUBISCO Pdu mikrokompartment utilizace propandiolu, komplex enzymů, zabránění pronikání toxického propionaldehydu do cytosolu, u mnoha lidských patogenů (Salmonella, Listeria, ) Eut mikrokompartment v enterobakteriích, utilizace ethanolaminu, vznik indukován přítomností ethanolaminu v prostředí, ochrana před acetaldehydem Yeates TO, Crowley CS, Tanaka S. Bacterial Microcompartment Organelles: Protein Shell Structure and Evolution. Annual Review of Biophysics. 2010;39:185-205. doi:10.1146/annurev.biophys.093008.131418. 4/62
prokaryotní mikrokompartmenty proteasomy stejně jako v eukaryotních buňkách, pouze v aktinomycetách a archaebakteriích fykobilisomy nadmolekulové proteinové komplexy v cyanobakteriích a červených řasách, navázané na fotosyntetickou lamelu, slouží jako ekvivalent anténního systému, hlavní složnou fykocyanin a fykoerythrin chlorosomy anténní systémy v zelených fotosyntetizujících bakteriích elipsovité, obklopené jednovrstevnou membránou, navázané na vnitřní stranu plasmatické membrány u fotosyntetických center, 200 250 kopií v buňce plynové váčky (plynové vakuoly) u vodních prokaryot a halofilních archaeí, válcovité, stlačitelné, obklopené velmi tenkou membránou magnetosomy hlavně Gram-negativní vodní bakterie, orientace podle magnetického pole, obsahují krystaly magnetitu intracytoplasmické membrány metanotrofy, fotosyntetizující bakterie, cyanobakterie, nitrifikující bakterie a další, různá morfologie, na periferii i u středu buňky, vzniklé invaginací plasmatické membrány, zajišťují dostatečný povrch membrány pro metabolické procesy planktomycety říše v doméně Bacteriae, mnoho znaků podobných eukaryotám stavba buněčné stěny, způsob dělení, jednoduchá membrána kolem chromosomu, Yeates TO, Crowley CS, Tanaka S. Bacterial Microcompartment Organelles: Protein Shell Structure and Evolution. Annual Review of Biophysics. 2010;39:185-205. doi:10.1146/annurev.biophys.093008.131418. 4/63