Molekulární biologie pro
informatiky - 7
Molekulární struktura
eukaryotické buňky
Eukaryotická buňka
Buněčné kompartmenty
• oddělení a organizace chemických reakcí
• soustředění enzymů pro sled reakcí do jednoho kompartmentu
• metabolických děje odděleny od zbytku buňky
• výhody - protichůdné chemické procesy, mikroprostředí chemické reakce
- oddělení nebezpečných rozkladných dějů, dělba práce mezi organelami
• nevýhody - koordinace procesů, biosyntéza organel, třídění proteinů
Struktura buňky
• povrch buňky (CM, BS)
• základní cytoplazma
• jádro
• semiautonomní organely
• endomembránový systém (GA, ER)
• cytoskelet
https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/5
Jádro
• funkce genetická, metabolická, regulační
• různý tvar, výjimečně chybí (např. erytrocyty)
• hmota uvnitř jádra = chromatin
• jaderná membrána
- dvě biomembrány (šířka 7-8nm)
- perinukleární prostor (šířka 20-40 nm) navazuje na lumen ER
- vnější membrána navazuje na membránu ER
- jaderné póry skrz obě membrány
• jaderná lamina
- vyztužení vnitřní membrány, vazba chromatinu
- lamin A, B, C; proteiny asociované s membránou
• jadérko
Monocyt
Neutrofil
Eozinofil Bazofil
Lymfocyty
Chromatin
Jadérko
Jaderná
lamina
Vnější
membrána
Vnitřní
membrána
Jaderná
membrána
Perinukleární
prostor
Ribozomy
Jaderné
póry
Hrubé ER
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-18/CB18.html
http://xarquon.jcu.cz/edu/zbb/prednasky/07cytoskeleton/077nuclearskeleton/skelet_jaderny.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/White_blood_cell#/media/File:Blausen_0909_WhiteBloodCells.png
• dsDNA, histony a proteiny nehistonové povahy
• dvoušroubovice DNA - nukleozomový řetězec - 30-nm chrom.
vlákno - 600-nm chrom. vlákno - mitotický chromozom
• euchromatin, heterochromatin
Chromozom
• v interfázním jádře rozprostřen v chromozomovém teritoriu
• při mitóze ve formě mitotického chromozomu
• daný počet u každého druhu organizmů
• haploidní sada chromozomů v pohlavních buňkách
- jeden soubor chromozomů s kompletní genetickou informací
• diploidní sada chromozomů v somatických buňkách
- dvě kompletní sady chromozomů
Chromatin
Interfáze Mitotické chromozomy
Diploidní
Replikace 1. MEI
2. MEI
Haploidní
http://www.mechanobio.info/figure/1389942033388.jpg.html lookfordiagnosis.com http://facweb.bhc.edu/academics/science/robertsk/biol100/celldivision.htm
2-nm dsDNA
10-nm nukleozomové vlákno
30-nm chromatinové vlákno
60-nm chromatinové vlákno
Mitotický chromozom
Histony
Jaderný pór
• 3000 - 4000 póru v jádře savčích buněk, průměr 120 nm, výška 200 nm
• komplex cca 100 různých proteinů (nukleoporinů), osmičetná symetrie
• cytoplazmatická strana - kruh s vlákny
• nukleoplazmatická strana - kruh v jaderné lamině, struktura ve tvaru koše
• transport molekul mezi jádrem a cytoplazmou
• pasivní transport - volná difuze menších molekul rozpuštěných ve vodě
• aktivní transport - selektivní transport molekul s třídícími signály
- naložení přenášené molekuly na importiny/exportiny, vazba k jadernému póru, translokace
- jednostranný transport zajišťuje Ran: Ran-GTP v jádře, Ran-GDP v cytoplazmě
Transport přes jaderný pór
http://slideplayer.cz/slide/3008839/ http://www.pha.jhu.edu/~ghzheng/old/webct/note6_4.htm#
Transport přes jaderný pór
Transport do jádra (import)
• jaderná lokalizační sekvence (NLS)
• NLS rozeznána importinem - vazba k póru - import do jádra
• vazba Ran-GTP na importin - vytěsnění přenášeného proteinu
• export Ran-GTP/importin z jádra
• RanGAP stimuluje hydrolýzu GTP na GDP
• disociace Ran-GDP/importin
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-18/CB18.html http://www.pha.jhu.edu/~ghzheng/old/webct/note6_4.htm#
Transport z jádra (export)
• jaderná exportní sekvence (NEL)
• vazba Ran-GTP k exportinu - naložení exportovaného proteinu
• vazba k jadernému póru - export z jádra
• hydrolýza GTP na GDP - uvolnění přenášené molekuly
• mRNA exportována ve formě hnRNP
• spojení rRNA s importovanými ribozomálními proteiny, export
podjednotek ribozomů
NaloženíVyložení
Přenášený
protein
Importin
NLS
Ran
Syntéza molekul rRNA, sestavení ribozomálních podjednotek
Organizátor jadérka (NOR, Nucleolus Organizer Region)
• krátká raménka akrocentrických chromozomů 13, 14, 15, 21, 22
• tandemové repetice rDNA (13,7 kb; geny pro rRNA)
• přepis rDNA do 45S pre-rRNA (RNA Pol I)
• štěpení na 18S, 5.8S a 28S rRNA (snoRNP)
5S rRNA přepisována mimo jadérko (RNA Pol III)
Import ribozomálních proteinů - sestavení ribozomálních podjednotek - export podjednotek
Jadérko
chromozomy podílející se svojí
rDNA na tvorbě jadérka
jadérko
jaderná membrána
jadérko jaderná membrána
http://www.pha.jhu.edu/~ghzheng/old/webct/note6_4.html https://www.uni-mainz.de/FB/Medizin/Anatomie/workshop/EM/EMNucleolus.html
http://cryoem.berkeley.edu/~bgreber/website/pages/biogenesis.html
• 15 - 25 μm, 80S, bez membrány
• volně v cytoplazmě, vázané na ER
• složené ze dvou podjednotek
- vznik v jadérku, spojení v cytoplazmě
- 60S: 5S, 5.8S, 28S rRNA; 50 L proteinů
- 40S: 18S rRNA; 30 S proteinů
• syntéza proteinů na základě genetické informace uložené v mRNA
• polyribozom: řada ribozomů připojených na jedinou molekulu mRNA
Ribozomy
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26829/figure/A1090/?report=objectonly
http://www.pha.jhu.edu/~ghzheng/old/webct/note6_4.html http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch06/ribosome.html
Ribozomy ER
Volné ribozomy
Vázané ribozomy
Endoplazmatické retikulum
Cytoplazma
Velká podjednotka
(60S)
Malá podjednotka
(40S)
Polypeptidový
řetězec
mRNA
Iniciační
kodon
Stop
kodon
PolyA vazebný
protein
čepička
eIF-4G
eIF-4E
Semiautonomní organely
• energetická centra buňky
• vlastní genom a proteosyntetický aparát
• část proteinů řízena jadernými geny
• endosymbiotická teorie
Mitochondrie
• 0,1 - 10 μm, organely buněčného dýchání, zisk ATP
• dvě biomembrány - vnější hladká, vnitřní zvrásněna (kristy)
• dva kompartmenty - mezi membránami, matrix mitochondrie mezi kristami
• enzymy oxidativní fosforylace a dýchacího řetězce na vnitřní membráně
• v matrix umístěny enzymy Krebsova cyklu a katabolismu MK
Proto-eukaryotická
buňka
Jádro
ER
Aerobní
bakterie
Fotosyntetizující
bakterie
Mitochondrie
Moderní heterotrofní
eukaryotická buňka
Moderní fotosyntetizující
eukaryotická buňka
Vnější membrána
Vnitřní membrána
Krista
TEM
Matrix
Ribozomy
https://frombenchtobedside.wordpress.com/ http://archive.cnx.org/contents/420d9f1a-a15c-4ee5-b879-52dd4debf8d5@2/eukaryotic-origins
Michal Stoklasa, Mitochondrie anaerobních prvoků, Praha, 2015 http://www.biologyexams4u.com/2013/02/mitochondria-structure-and-function.html#.Vuar4Xqhlr8
• oxygenní fotosyntéza
i) světelná fáze (thylakoidy)
- přeměna světelné energie na chemickou, vznik ATP a NADPH, vedlejším produktem je O2
ii) temnostní fáze (stroma)
- uložení chemické energie fixací CO2 do sacharidů, tvorba glukózy a zásobních látek (škrob)
Semiautomní organely
Chloroplasty
• thylakoidy - systém plochých vaků vzniklých vychlípením a odškrcením od vnitřní membrány
- navrstveny do tzv. gran, fotosyntetické pigmenty (zelený chlorofyl)
• tři kompartmenty - prostor mezi dvojitou biomembránou obalu, lumen thylakoidů
- stroma (matrix): vnitřní základní hmota, obsahuje DNA, ribozomy a inkluze
http://clashtalk.kinja.com/take-a-minute-to-appreciate-photosynthesis-1742386609; http://www.biologydiscussion.com/chloroplasts/chemical-composition-of-chloroplasts-
600-words-biology/788; http://www.shmoop.com/photosynthesis/inputs-architecture.html
Stroma
Granum
Tylakoid
Vnitřní dvojvrstevná
membrána
Vnější dvojvrstevná
membrána
Cytoplazmatická membrána
Funkce
• soudržnost buňky, ochrana před vnějšími vlivy
• tvar buňky, ukotvení cytoskeletu
• regulovaný transport látek (semipermeabilita)
• podíl na adhezi buněk a buněčné signalizaci
Složení
i) lipidy
• amfifilní dvojvrstva
• fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol
ii) proteiny
• integrální, ukotvené s lipidy, periferní
• funkce: receptory, signalizace, transport látek, mezibuněčný kontakt, kontakt cytoskeletu
iii) sacharidy
• glykolipidy a glykoproteiny, glykokalyx na vnější straně buňky
• funkce: mechanická, informační, vazebná místa pro patogeny
Model tekuté mozaiky
• molekuly lipidů i proteinů v neustálém pohybu, pohyb proteinů v rámci fosfolipidové dvojvrstvy
http://dl1.cuni.cz/mod/page/view.php?id=195338&lang=de
Transport mezi vnitrobuněčnými oddíly
Sekreční a endocytické dráhy
• spolupráce buněčných organel, transport materiálů mezi organelami
• propojení některých organel funkčním sledem pochodů (dráha)
• sekreční (exocytická) dráha
- biosyntéza organel
- vylučování molekul do mezibuněčného
prostoru
• endocytická dráha
- příjem a zpracování signálů
a materiálu z vnějšího
prostředí
• vezikulární transport
- transport proteinů a lipidů
mezi organelami
- správné umístění molekul
uvnitř a vně buňky
Jaderná
membrána
Endoplazmatické
retikulum
Golgiho aparát
Lysozom
Pozdní endozom
Raný
endozom
CYTOPLAZMA
Sekreční váček
Cytoplazmatická
membrána
EXTRACELULÁRNÍ
prostor
http://www.histology.leeds.ac.uk/cell/endo-exo.php
Transport mezi vnitrobuněčnými oddíly
Chaperony
• podporují sbalování proteinů, brání agregaci proteinů
• vazba na hydrofobní aminokyseliny, konformace proteinu vytvořena až po syntéze celé molekuly
• proteinové rodiny - Hsp70, Hsp90, válcovité chaperoniny
Hsp70 a jejich regulátory
• vazba na nově vznikající proteiny na ribozomu, stabilizace částečně složených polypeptidů
• ve stresových podmínkách - vazba na chybně poskládané proteiny, sbalení proteinů po denaturaci
• působí při transportu proteinů
• DnaK: bakteriální Hsp70, podpůrné proteiny DnaJ a GrpE
DnaJ stimuluje hydrolýzu ATP
DnaK-ADP pevně váže nesložený protein
GrpE stimuluje uvolnění ADP
DnaK váže ATP
Uvolnění složeného proteinu
Vazba DnaJ k nesloženému peptidu
Vazba komplexu k DnaK-ATP
http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Folding4.html
Transport mezi vnitrobuněčnými oddíly
Hsp70 u savců
• Hsc73 (cytosol), BiP (ER), mHsp70 (mitochondrie), ctHsp70 (chloroplasty)
• Hsp40 - proteiny podobné DnaJ, vyhledávají specifické substráty
• ekvivalent GroE není třeba, Hsp70 si samy zajišťují výměnu ADP/ATP a uvolnění peptidu
Hsp90
• správné skládání a funkce receptorů pro steroidní hormony (kortizol, estrogen, progesteron, aj.)
• např. glukokortikoidový receptor (GR) - kortizol
• v klidovém stavu vazba s imunofilinem 51 a Hsp90,
které udržují GR ve správné konformaci pro vazbu
lignadu
• vazba kortizolu vyvolá konformační změnu, po které
se vymění imunofilin 51 za 52
• imunofilin 52 váže dynein (Dyn), který připojuje
komplex k cytoskeletu a zajišťuje jeho traslokaci
do jádra
• v jádře se pomocné proteiny uvolní, GR dimerizuje a
spouští expresi cílových genů
https://en.wikipedia.org/wiki/Hsp90#/media/File:Gr_hsp90_translocation.png
Transport mezi vnitrobuněčnými oddíly
Hsp60, chaperoniny
• válcovité částice s prostorem odděleným od cytoplazmy
• skládání nových i denaturovaných proteinů
• Hsp70 a Hsp60 se často uplatňují postupně
Chaperoniny GroEL a GroES u E. coli
• GroEL - 2 kruhy ze 7 podjednotek tvoří válec
• GroES - poklička válce
• vazba nesloženého proteinu na vnitřní stěnu kruhu
GroEL válce, který není blokován GroES
• vazba ATP k obsazenému kruhu
• hydrolýza ATP, uvolnění ADP a GroES
• vazba ATP a GroES k obsazenému kruhu
• skládání proteinu v ohraničeném prostoru
• hydrolýza ATP, uvolnění GroES a složeného proteinu
Obdobné struktury u eukaryot
• mitochondrie Hsp60 a Hsp10
• chloroplasty Cpn60 a Cpn10
• po translokaci proteinu do mitochondrií a chloroplastů s ním nejdříve asociují Hsp40 a Hsp70, které
zachovají jeho schopnost skládání a přenesou ho do chaperoninu, kde je skládání dokončeno
http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Folding4.html http://oregonstate.edu/instruction/bi314/summer09/Fig-08-23-0.jpg
Transport mezi vnitrobuněčnými oddíly
Třídění proteinů
• proteiny pro jádro, mitochondrie, chloroplasty a peroxizomy transportovány přímo z cytoplazmy
pro Golgiho aparát, lysozomy, endozomy, extracelulární prostor přichází z ER
Zadržení v lumen ER
Import do jádra
Import do peroxizomů
Import do mitochondrií
Import do ER
Funkce signálu Příklad adresové sekvence
Adresová sekvence
• sekvence v proteinu určující do jaké organely má jít, protein bez této sekvence zůstává v cytosolu
• pořadí 15 - 60 aminokyselin
• přesné sekvence pro jednotlivé organely se mohou lišit, vliv
hydrofobních, kladně nabitých a záporně nabitých aminokyselin
Tři mechanismy importu proteinů do membránových organel
1. transport jaderným pórem
2. proteinové translokátory (ER, mitochondrie, chloroplasty)
3. transportní váčky (sekreční dráha z ER)
http://oregonstate.edu/instruction/bi314/fall12/proteinsorting.html
Import proteinů pomocí proteinových translokátorů
• vstup do mitochondrií a chloroplastů
- proteinové translokátory v místech kontaktu obou membrán obalu organel
- adresová sekvence na N-konci transportovaného proteinu
- během přenosu je protein rozvinut a odstraněna adresová sekvence
- po transportu přes membrány je protein opětovně složen
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_12mitochondria.html
Import do mitochondrií
• do mezimembránového prostoru, do matrix
• průběh importu do matrix
- cytosolické Hsp70 rozvinou transportovaný protein
- receptor rozezná adresovou sekvenci
- směřování proteinu do póru translokátoru
- translokace proteinu vnější membránou (TOM)
vnitřní membránou (TIM)
- odštěpení adresové sekvence matrixovou proteázou
- mHsp70 dokončuje translokaci a sbalení proteinu
- translokace vnitřní membránou vyžaduje elektrochemický
gradientu
- průchod vnější i vnitřní membránou vyžaduje ATP
Import do mitochondrií
• translokace do mezimembránového prostoru
i) translokace do matrix, odstranění adresové sekvence, odhalení
sekvence, která protein směřuje zpět přes vnitřní membránu do
mezimembránového prostoru (komplex OXA)
ii) sekvence zastavující přenos přeruší translokaci vnitřní membránou
odštěpení proteinu do mezimembránového prostoru
iii) translokace vnější membránou, vazba faktorů, které protein zadrží v
mezimembránovém prostoru
Import do chloroplastů
• obdoba transportu do mitochondrií
• komplex TOC ve vnější, TIC ve vnitřní membráně
• adresová sekvence 30 - 100 aminokyselin
• netřeba elektrochemický gradient
• proteiny určené do lumen tylakoidu mají dvě
adresové sekvence postupně za sebou
• účast ctHsp70 a Cpn60/10 na správném sbalení
translokovaného proteinu
http://www.slideshare.net/aljeirou/protein-structure-targeting-and-sorting
Import proteinů pomocí proteinových translokátorů
Sekreční dráha
• cesta proteinu přes hrubé endoplazmatické retikulum - endoplazmatické retikulum - Golgiho aparát -
sekreční váčky - extracelulární prostor
• používána pro proteiny směřující do endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu, lysozomů,
plazmatické membrány a vně buňky
• sekreční váčky - dopravní prostředky obsahující proteiny z vnitřních organel
- proteiny vyloženy po splynutí membrány váčku s membránou cílové organely
• poprvé pozorována u buněk žlázového epitelu pomocí radioaktivně značených aminokyselin
3 minuty
(endoplazmatické
retikulum)
7 minut
(Golgiho aparát)
120 minut
(extracelulární
prostor)
Radioaktivní
protein
Sekreční
váčky
Golgiho
aparát
Hrubé ER
https://www.studyblue.com/notes/note/n/biology-101-chapter-4-6/deck/1098008 http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Sekreční dráha
Endoplazmatické retikulum (ER)
• systém plochých váčků a kanálků, návaznost na jaderný obal a perinukleární prostor
• dává vzniknout Golgiho aparátu, lysozomům, plazmatické membráně
• funkce: biosyntéza proteinů a lipidů, přeprava látek transportními váčky, reakce na podněty z vnějšího
prostředí (Ca2+ signalizace), skladovaní buněčných produktů
• drsné - s ribozomy, syntéza proteinů
• hladké - bez ribozomů, metabolismus lipidů a polysacharidů, detoxifikační reakce, zásobárna Ca2+
Import proteinů do ER
• adresová sekvence pro ER = signální sekvence
• odstranění signální s. z proteinu ER umístí protein do cytosolu
• začlenění signální s. do cytoplazmatického proteinu způsobí
jeho nasměrování do ER
Cytoplazmatický
protein
ER protein Signální
sekvence
Cytoplazmatický protein
se signální sekvencí
ER protein s odstraněnou
signální sekvencí
NORMÁLNÍ STAV ÚPRAVA SIGNÁLNÍ SEKVENCE
Drsné ER Hladké ER
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Proteiny lumen ER
• začátek syntézy proteinu na volných ribozomech
• vazba SRP k signální sekvenci, pozastavení translace
• SRP receptor přitahuje komplex ribozom/peptid/
/SRP
• vazba ribozomu k translokačnímu komplexu
• vazba GTP, začlenění signální sekvence do membránového
kanálku
• hydrolýza GTP, uvolnění SRP, spuštění translace
• rostoucí peptid prochází membránou ER
• odštěpení signální sekvence signální peptidázou
• uvolnění peptidu do lumen ER
Syntéza proteinů v drsném ER
• kromě vlastní syntézy proteinů v ER probíhá sbalování proteinů, tvorba disulfidických vazeb,
sestavování oligomerních proteinů, prvotní místo glykosylace
• ER je hlavní křižovatka v dopravě proteinů po buňce
i) volné proteiny jsou uvolněny do lumen ER - proteiny z lumen organel, sekretované ven z buňky
ii) membránové proteiny zůstávají zanořeny v membráně ER - proteiny vyskytující se v membránách
organel, plazmatické membráně
Sekreční dráha
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Začlenění proteinu do membrány ER
• různé orientace proteinu a počet jeho průchodů přes membránu
• sekvence zastavující přenos, vnitřní signální sekvence
- α-šroubovice, 20 - 25 aminokyselin, interakce s fosfolipidy
- vnitřní s.s. rozeznána pomocí SRP, neštěpena signální peptidázou
- jejich orientace určují orientaci proteinu v membráně
Sekreční dráha
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
• různé orientace proteinu
• protein procházející membránou několikrát - střídání vnitřních s.s. a sekvencí zastavujících přenos
Sekreční dráha
Sbalování a úprava proteinů v ER
• sbalování - chaperony rodin Hsp70 (BiP) a Hsp90 (Grp94)
• štěpení - odstranění některých AK po translaci
- vždy odstranění iniciačního Met a signální sekvence, u některých proteinů i jiné sekvence
- např. inzulín: syntetizován jako preproinzulín, do lumen ER uvolňuje proinzulín
vyštěpení a degradace interní sekvence
spojení 2 výsledných polypeptidů disulfidickou vazbou → inzulín
• tvorba disulfidických vazeb - disulfid izomeráza, stabilizace proteinu
• glykosylace - připojení oligosacharidů
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Spojující
peptid
Signální
sekvence
Štěpení signální sekvence
Tvorba disulfidických vazeb
Vyštěpení spojujícího
peptidu
Chybná disulfidická vazba
Správná disulfidická vazba
Sekreční dráha
Hladké endoplazmatické retikulum
• syntéza membránových lipidů (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol)
• syntéza na cytosolické straně membrány ER
• syntéza fosfolipidů
- vznik kyseliny fosfatidové z glycerol-3-fosfátu a mastných kyselin nesených CoA
- začlenění kyseliny fosfatidové do membrány a její další konverze
- translokace fosfolipidů přes membránu, flipázy
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Membrána ER
Syntéza fosfolipidů
Nové lipidy připojeny
jen na cytosolickou
polovinu dvojvrstvy
Růst obou stran
fosfolipidové
dvojvrstvy
Flipáza
Sekreční dráha
Vezikulární transport z ER
• směřuje do Golgiho aparátu, lysozomů, plazmatické membrány, extracelulárního prostoru
• proteiny a lipidy po cestě upravovány (glykosylace, tvorba disulfidických vazeb)
• náklad váčků je specifický, daný receptory v membráně váčku
• proteiny určené pro lumen ER mají na C-konci adresovou sekvenci Lys-Asp-Glu-Leu (KDEL)
Golgiho aparát (GA)
• systém plochých nádrží (cisteren) a kanálků
• funkce: zpracování, třízení a modifikace proteinů z ER (glykosylace proteinů), syntéza glykolipidů
• cis strana - vznik nových cisteren fúzí váčku z ER
• trans strana - pučení váčků, které směřují zpět do ER, zpět do GA, ven z buňky; vznik lysozómů
cis
strana
cis
cisterna
střední
cisterna
trans
cisterna
trans
strana
transportní
váček
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-12/12_08.jpg http://slideplayer.com/slide/2759214/
Sekreční dráha
Transportní váčky
• různé typy váčků pro transport specifického nákladu
• kyvadlová dopravu mezi organelami
• opláštěné váčky - proteinový obal na cytosolické straně váčků napomáhá
tvarovat membránu do podoby váčku a podílí se na zachycení
specifických molekul
- po odškrcení váčku plášť odstraněn a váček fúzuje s cílovou mem.
Typ váčku Proteiny pláště Výchozí organela Cílová organela
Klathrinový klathrin + adaptin 1 GA lysozom
Klathrinový klathrin + adaptin 2 plazmalema endozom
COP proteiny Coat ER GA
cisterna GA cisterna GA
GA ER
Klathrinové váčky
• nakládaná molekula - receptor - adaptin - klathrin
• zesíťování molekul klathrinu, který narušuje membránu,
postupně vzniká jamka a váček s klathrinovým pláštěm
• dynamin se váže kolem ústí váčku a za hydrolýzy GTP se
stáhne a odškrtí váček od membrány
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Sekreční dráha
Klathrinové váčky
• proteiny určené pro transport z GA do lysozomů
označeny přítomností manóza-6-fosfát
• receptor pro manóza-6-fosfát v membráně na
trans straně GA
• přes cytosolické adaptiny se k receptoru váží
klatriny, které spojí svoje řetězce v sít a zahajují
pučení váčku
COP váčky
• přeprava molekul mezi ER a GA, v rámci GA
• plášťový protein Coat, pomocný protein ARF (GTPáza)
• ARF-GTP se spojuje s membránou GA, je nutný pro vazbu Coat
proteinů a podílí se na tvorbě váčků
• po vytvoření a odškrcení váčku hydrolýza ARF-GTP na ARF-GDP
• rozložení COP, fúze váčku s cílovou membránou
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html www.uni-tuebingen.de
fúze
váčku
hydrolýza GTP
odškrcení váčku
výměna GDP/GTP
aktivace ARF
vazba Coat
Klathrin
Lysozomální
protein
Manóza-6-
fosfát
Receptor
pro manóza-
6-fosfát
Adaptin
Volný
klathrin
Klathrinový
váček
Odškrcení
Cytosolická
strana
Lumen GA
Trans
strana GA
Manóza-6-
fosfát
Lysozomální
proteiny
Receptor pro
manóza-6-fosfát
Sekreční dráha
Doručení váčků
• navádění váčků k cíli závisí na proteinech SNARE
• v-SNARE na povrchu váčků, t-SNARE na povrchu cílových membrán
• unikátní SNARE pro každou organelu a typ transportních váčků
• interakce proteinů NSF a SNAP zodpovídá za fúzi váčku s cílovou
membránou
Sekrece molekul z buňky
i) řízená sekrece molekul po přijetí signálu
• transportní váčky splývají a tvoří větší váček
• po přijetí signálu jeho exocytóza
• sekrece specifických molekul u žlaznatých buněk
ii) konstitutivní
• sekrece průběžná, bez signálu
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html http://www.utm.utoronto.ca/~w3bio315/pdf/OLD-PDF/2009%20Fall/lecture16.pdf
Lysozomy
• funkce: nitrobuněčné trávení, rozklad materiálu z nitra i vnějšku buňky
• uzavřené váčky s cca 50 typy kyselých hydroláz na rozklad všech organických složek buňky
• hydrolázy fungují při pH ~ 5, kyselé pH udržují ATP dependentní H+ pumpy
• proteiny v membráně lysozomu chráněny glykosylací
• primární lysozom vniká odškrcením od GA - po splynutí s endozomem vzniká sekundární (aktivní)
lysozom - terciální lysozom s nestravitelnými zbytky odstraňovanými exocytózou
• přes 30 genetických chorob člověka s mutantními geny pro lysozomální enzymy
- např. Gaucherova nemoc: glukocerebrosidáza na rozklad glykolipidů, léčba aplikací enzymu
Sekreční dráha
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-12/12_08.jpg http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_11protsorting.html
Endocytická dráha
Endocytóza
• příjem částic, molekul a kapaliny z vnějšího prostředí
• malé molekuly přijímány u všech buněk, velké částice přijímány fagocytujícími buňkami
• pohlcovaný materiál obklopen plazmalemou - pučení dovnitř buňky - odškrcení endocytického váčku
- fúze s lysozomem
i) pinocytóza
• pohlcení kapaliny a malých molekul
• využití klathrinových jamek a váčků
• neutrální, nerozlišuje přijímaný materiál
ii) fagocytóza
• pohlcení velkých částic pomocí fagozomů
• vazba částice k povrchovým receptorům tvorba
pseudopodií obklopujících částici tvorba
fago-zomu - fúze s lysozomem -
fagolysozom
iii) autofagie
• rozklad vlastních struktur
• staré organely, hladovějící buňky
• uzavření organely v membráně z ER - tvorba
autofagozomomu - fúze s lysozomem
FAGOCYTÓZA
PINOCYTÓZA
AUTOFAGIE
GA
Primární
lysozom
Endocytický
váčekFagozom
Využití živin
během procesu
degradace
Plazmatická
membrána
Terciální
lysozom
ER
Exocytóza degradovaného materiálu
a kyselých hydroláz
Sekundární
lysozom
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-12/12_08.jpg
Endocytická dráha
Endocytóza přes povrchové receptory
• selektivní zvýšení koncentrace látek v buňce
• vazba molekul k příslušným receptorům - uzavření komplexu receptor/
ligand do klathrinových váčků - odstranění obalu váčku - fúze s lysozomem
- zpracování pohlceného materiálu, recyklace receptorů
• např. cholesterol
Cholesterol
• nezbytný pro tvorbu membrán
• v krvi vázán na proteinovém nosiči (lipoprotein)
• nízkodenzitní lipoprotein (LDL) vzniká v játrech
a dopravuje cholesterol k buňkám
• vazba LDL s cholesterolem na LDLR - klathrinová
endocytóza - fúze s lysozomem - uvolnění LDL od
LDLR v kyselém prostředí lysozomu - recyklace
receptorů - rozložení LDL - uvolnění cholesterolu do
cytoplazmy
• porucha LDLR receptoru: hromadění cholesterolu
v krvi, vývoj aterosklerózy, srdeční infarkty v raném
věku
Plazmatická membránaLDL receptoryLDL
CYTOPLAZMA
Endocytóza
Uvolnění pláště
Fúze s lysozomem
Endolysozom
Odškrcení
transportního váčku
Recyklace LDLR
Kyselé hydrolázy
Volný
cholesterol
Klathrinový
váček
Cytoskelet
Struktura Dutý válec, stěna z 13 protofilament Dva propletené řetězce F-aktinu 8 protofilament
Monomery α-tubulin
β-tubulin G-aktin Cytokeratin, vimentin, desmin,
neurofilamenta, nestin, laminy
Polarita (+) a (-) konce (+) a (-) konce ---
Funkce Organizace a udržení tvaru
a polarity buňky Kontrakce svalů Podpora buněčných struktur
Pohyb chromozomů Pohyb buněk, cytokineze Udržení tvaru buňky
Intracelulární transport Proudění cytoplazmy Tvorba jaderné laminy a lešení
Pohyb organel Udržení tvaru buňky Zesílení axonů nervových buněk
Pohyblivost buněk (axonema) Intracelulární transport Organizace svalových vláken
Mikrotubuly Mikrofilamenta Intermediální filamenta
αβ-tubulinové heterodimery Monomery G-aktinu Dimery intermediálních filament
Mikrotubuly
Mikrofilamenta
Intermediální filamenta
Spoje buněk
• struktury zajišťující trvalé spojení sousedních buněk a spojení buněk s extracelulární matrix (ECM)
• důležité pro morfologii a funkci epitelů s těsným uspořádáním buněk
• vyžadují napojení na cytoskelet
Bazální lamina
Aktin
Klky
Intermediální
filamenta
ECM
HEMIDESMOZOMY MEZEROVÉ SPOJE
DESMOZOMY
ADHERENTNÍ VAZBY
TĚSNÉ VAZBY
http://csls-text3.c.u-tokyo.ac.jp/active/11_06.html
Těsné vazby
• brání průniku molekul a tekutiny
Adherentní vazby
• propojují mikrofilamenta sousedních buněk
Desmozomy
• propojují intermediální filamenta sousedních buněk
Mezerové spoje
• spojují cytoplazmy sousedních buněk
Hemidesmozomy
• připojují intermediální filamenta k bazální lamině
Polarita epiteliálních buněk
• apikální povrch - mikroklky a řasinky
- pohyb hlenů v dýchací trubici, vajíčka ve vejcovodu, umístění receptorů
• laterální povrch - adherentní, mezerové a těsné vazby a desmozomy
- spojení buněk přes speciální ligandy a cytoskelet
• bazální povrch - hemidesmozomy a adhezivní plaky, ukotvení buněk v bazální lamině
Spoje buněk
Adherentní spoje, desmozomy a hemidesmozomy obsahují plaky
• destičky nahromaděných adaptorových proteinů na cytosolické straně plazmatické membrány
• ukotvení transmembránových spojovacích proteinů, které váží ECM či proteiny sousední buňky
• vazba cytoskeletu
Adherentní vazby
• kadheriny - spojovací proteiny, homofilní vazby v přítomnosti Ca2+
- svými extracelulárními doménami přemosťují mezibuněčný prostor
• adaptorové proteiny - kateniny (α, β, p120), vinkulin
• interakce s mikrofilamenty (F-aktin)
Plaky z adaptorových
proteinů
Plazmatická membrána
Vlákna cytoskeletu
Spojovací
proteiny
Mezibuněčný
prostor
http://yxsj.baiduyy.com/whole/image/chapter7/7.26.jpg https://en.wikipedia.org/wiki/Desmosome#/media/File:Desmosome_cell_junction_en.svg
Spoje buněk
Desmozomy
• silná adheze buněk (střevní epitel, kůže, srdce)
• spojovací proteiny - speciální kadheriny desmocolin a desmoglein
• adaptorové proteiny tvoří silné plaky - plakofilin, plakoglobin, desmoplakin
• Pemphigus vulgaris - autoimuitní onemocnění kůže, tvorba protilátek proti desmogleinu
- narušena adheze epitelu, mezi buňky proniká tělní tekutina, tvorba puchýřů
Hemidesmozomy
• propojení buněk s bazální laminou a tím ECM
• podobnost s desmozomy, avšak místo kadherinů používají jako spojovací proteiny integriny, které se
váží k laminům bazální membrány
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-17/CB17.html
http://dermaamin.com/site/histopathology-of-the-skin/68-p/2023-pemphigis-vulgaris-.html http://slideplayer.com/slide/4173835/
Pemphigus vulgaris (kůže)
Spoje buněk
Těsné vazby
• spojovací proteiny - claudin, ocludin, JAM (junction adhesion molecules)
- těsné uspořádání, homofilní interakce s proteiny sousední buňky
• podíl na polarizaci buněk, brání laterálními pohybu membránových molekul
• překážka pro průchod tekutin a molekul přes vrstvu buněk, oddělení tělních dutin
• rozhodují o průchodu molekul transbuněčnou či parabuněčnou drahou
• transport glukózy přes střevní epitel
- vstup do buňky na apikální straně přes Na+/glukóza synportní protein
- export glukózovým transportérem na bazolaterálním povrchu
Těsné vazby
Plazmatické membrány
sousedních buněk
Spojovací proteiny
Spojovací proteiny
Apikální povrch
Těsné vazby
Bazolaterální povrch
Paracelulární dráha:
přes těsné vazby
Transcelulární dráha:
přes membrány buněk
Transport glukózy ve střevech
http://clinicalgate.com/membrane-physiology/ http://bio100.class.uic.edu/f06pm/lect06.htm http://klinphys.charite.de/for721/f_summary_e.htm
http://www.phschool.com/science/biology_place/biocoach/biomembrane2/tight.html; http://www.bio.davidson.edu/bernd/Lab/EpithelialInfoWeb/Tight%20Junctions.html
Spoje buněk
Mezerové spoje
• 6 molekul membránového proteinu konexinu uspořádaných
do kruhu tvoří dutý válec konexon
• konexony dvou sousedních buněk tvoří hydrofilní kanál,
který propojuje cytoplazmy buněk
• přímá chemická a elektrochemická komunikace buněk
• tok malých molekul mezi buňkami (ionty, cukry, cAMP)
Spojení buněk s ECM
• fokální adheze a hemidesmozomy, integriny
• rozdíl v napojení na cytosklelet - fokální adheze váží mikrofilamenta
- hemidesmozomy váží intermediální filamenta
Plazmatické membrány
sousedních buněk
Cytosolická strana
membrány
Extracelulární strana
membrány
Konexiny uspořádané
do konexonů
Hydrofilní kanál
Buňka 1
Buňka 2
Extracelulární
prostor
Integrin
Cytosolická strana
membrány
Vazebné místo pro adaptorové proteiny
Plazmatická
membrána
Extracelulární
strana
membrány
Vazebné místo pro proteiny ECM
Cytoplazma
Fokální adheze
Plazmatická
membrána
ECM
Cytoplazma
Plazmatická
membrána
Intermediální
filamenta
Adaptorové proteiny
tvořící plak
Integrin
(α6β4)
Bazální lamina
Laminin
Kolagenové fibrily
Kolagenová
vlákna
ECM
Hemidesmozom
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-17/CB17.html https://quizlet.com/12976144/cell-bio-lecture-11-flash-cards/