© JN 2009 Kapitola 1 – Úvod do metabolismu buňky 1 1 Úvod do metabolismu buňky V následujících kapitolách tohoto textu se budeme setkávat s podrobnými popisy biochemických dějů, které se odehrávají na úrovni buňky. Tato úvodní kapitola by měla podat základní informace o buňce jako takové (podrobnější informace najdeme jistě v histologii), o funkci jejích organel a o dějích, které s funkcí organel souvisí. 1.1 Rozdíly mezi eukaryotní a prokaryotní buňkou Prokaryontní organismy jsou jednodušší než organismy eukaryontní – to je asi hlavní rozdíl, který je potřeba brát v potaz. Mezi prokaryontní organismy řadíme jednobuněčné organismy, jako bakterie a cyanobakterie. Velikost jejich buňky se pohybuje většinou v rozmezí 1 – 10 µm. Kolem buňky můžeme najít cytoplazmatickou membránu a na ní pevnější buněčnou stěnu. Jelikož je buňka ohraničena buněčnou stěnou, neobsahuje cytoskelet. Vnitřní obsah buňky není dále nikterak rozdělen, proto u prokaryont nehovoříme o kompartmentaci. Genetická informace prokaryont je uložena v kružnicové DNA. Transkripce i translace probíhají v cytoplazmě, translace konkrétně na ribozomech, které mají velikost 70S. Enzymy buněčného dýchání jsou uloženy na cytoplazmatické membráně. Mezi eukaryontní organismy řadíme ty, které se skládají z eukaryontních buněk – jedná se o mnohobuněčné organismy, jako houby, rostliny a živočichové. Eukaryontní buňky jsou větší než prokaryontní – průměrná velikost je 10 – 20 µm, některé však mohou dosahovat i velikost 150 µm. Na povrchu buňky se nachází buněčná membrána, tvar buňky udržuje cytoskelet. Podobné membrány, jako jsou ty na povrchu, najdeme i na buněčných organelách, které jsou tak odděleny od vnitřního prostředí buňky, které tvoří cytosol. Genetická informace je uložena v jádře ve formě vláknité molekuly DNA (spolu s bílkovinami jménem histony vytváří tělíska – chromozomy). Syntéza DNA probíhá v jádře, stejně jako transkripce. Translace se odehrává v cytosolu nebo na membráně hladkého endoplazmatického retikula, avšak v obou případech na ribozomech o velikosti 80S. Enzymy buněčného dýchání jsou uloženy na vnitřní membráně mitochondrií. Výše popsané shrnuje následující tabulka: Tabulka 1 - Rozdíly mezi prokaryontní a eukaryontní buňkou Charakteristika Prokaryontní buňka Eukaryontní buňka Organismy bakterie, cyanobakterie houby, rostliny, živočichové Velikost buňky 1 – 10 µm 10 – 20 µm Oddělené jádro Ne Ano Membránové organely Ne Ano Chromosomy kružnicová DNA lineární DNA Velikost ribozomů 70S 80S Cytoskelet Ne Ano Buněčné dělení příčné/podélné mitóza DNA obnažená spojená s proteiny Průběh syntézy proteinů v cytoplazmě v cytoplazmě a ER Respirační enzymy na cytoplazmatické membráně na vnitřní mitochondriální membráně © JN 2009 Kapitola 1 – Úvod do metabolismu buňky 2 1.2 Lokalizace metabolických procesů Nadále se zaměříme na buňku eukaryotní. Ty se vyskytují v organismu v mnoha typech – každý typ je určen k vykonávání jiné funkce, jsou v něm aktivní jiné enzymy apod. Buňky jednoho typu vytvářejí tkáně, které jsou rovněž specializovány k vykonávání určitých funkcí. V následující tabulce jsou uvedeny některé z metabolických procesů a buňky, ve kterých probíhají: Tabulka 2 - Lokalizace metabolických procesů na úrovni organismu Proces Kde probíhá syntéza glykogenu hepatocyty, svalové buňky oxygenace hemoglobinu plicní buňky syntéza adrenalinu buňky dřeně nadledvin syntéza močoviny hepatocyty ukládání lipidů adipocyty syntéza aktinu a myosinu svalové buňky syntéza inzulinu β-buňky Langerhansových ostrůvků konjugace toxických látek hepatocyty Kromě toho, že některé děje probíhají pouze v určité tkáni, probíhají některé děje dokonce jen v určitých oblastech v rámci jedné buňky. Tabulka 3 - Lokalizace metabolických procesů na úrovni buňky Kompartment Metabolický proces Cytoplazmatická membrána transport iontů a malých molekul; recepce hormonů Cytoplasma metabolismus glukosy; syntéza proteinů; tvorba ATP Mitochondrie syntéza RNA; buněčné dýchání; syntéza proteinů; tvorba ATP; oxidace lipidů; syntéza DNA Jádro syntéza RNA; syntéza proteinů; syntéza DNA; úprava RNA Hrubé ER syntéza proteinů Hladké ER syntéza steroidů; detoxikační reakce Golgiho aparát export proteinů; modifikace a třídění proteinů Lysozom buněčné trávení Proteasom degradace proteinů Peroxisom odbourávání peroxidu vodíku 1.3 Buněčné kompartmenty a organely Jádro V jádře je uchovávána genetická informace buňky. V případě eukaryotní buňky se jedná o vláknité molekuly DNA asociované s histony do podoby chromozomů. V jádře probíhá replikace DNA, syntéza RNA a její následné úpravy. Tyto úpravy v sobě zahrnují:  sestřih (splicing) RNA  vytvoření „čapky“, tzv. capping, na 5‘ konci  polyadenylace na 3‘ konci Vytvořená a upravená RNA je následně transportována ven z jádra skrze jaderné póry. Pro podrobnější informace o výše zmíněných procesech viz Kapitolu 11 – Nukleové kyseliny. © JN 2009 Kapitola 1 – Úvod do metabolismu buňky 3 Buněčná membrána O stavbě buněčné membrány podrobněji pojednává Kapitola 4 – Membrány a membránový transport. Stručně můžeme říci, že se jedná o strukturu tvořenou dvojvrstvou různých fosfolipidů, do které jsou zanořeny proteiny a cholesterol. Jednotlivé složky jsou mezi sebou spojeny pomocí hydrofobních a elektrostatických interakcí. Na povrchu buňky se může nacházet výraznější vrstvička glykoproteinů – sacharidy, které jsou na ně navázány slouží jako „antény“ pro signální molekuly vrstvu sacharidů na povrchu buňky označujeme jako glykokalyx). Cytoplasma Cytoplasma tvoří jednotné prostředí, ve kterém se nacházejí ostatní buněčné organely, nachází se mezi nimi a buněčnou stěnou. Jejím hlavním komponentem je voda, ve které se nachází řada dalších látek (od jednoduchých anorganických látek, až po složité enzymové komplexy). Důležitou roli pro metabolismus buňky má i rozmístění iontů. V cytoplazmě jsou hlavními kationty K+ , Mg2+ a Na+ , anionty pak fosfáty, sulfáty, anionty bílkovin (proteináty) a hydrogenkarbonáty. Mitochondrie Mitochondrie jsou semiautonomní organely, které obsahují vlastní DNA, vlastní proteosyntetický aparát a jsou obaleny dvojitou membránou. Vnější membrána je relativně hodně propustná, vnitřní membrána je téměř nepropustná a obsahuje proto řadu bílkovinných transportérů, které přenos potřebných látek umožňují. Kromě transportérů jsou na vnitřní mitochondriální membráně umístěny i enzymy dýchacího řetězce a enzym ATP-synthasa, na které probíhá tvorba ATP aerobní fosforylací. Hmota, vyplňující obsah mitochondrie se nazývá mitochondriální matrix. Probíhá v ní řada důležitých dějů, jako je Krebsův cyklus, syntéza močoviny, syntéza hemu, syntéza ketolátek, β-oxidace mastných kyselin… Endoplazmatické retikulum Endoplazmatické retikulum je tvořeno soustavou cisteren a váčků. Rozlišujeme ER hladké (tvořené především váčky, na povrchu nemá vázány ribozomy) a drsné (tvořeno především cisternami, na povrchu se nacházejí ribozomy). Ve svalových buňkách se ER nazývá sarkoplazmatické retikulum a obsahuje ve svých váčcích velké množství vápenatých iontů. Na ER probíhá desaturace mastných kyselin, či hydroxylace různých jiných látek (např. xenobiotik). Obou typů reakcí se účastní cytochrom P-450 (CYP). Golgiho aparát Golgiho aparát je tvořen cisternami a transportními váčky. Jedná se o polarizovanou organelu – můžeme rozlišit její trans-stranu (na které jsou přijímány látky – především proteiny – pro úpravu a roztřízení) a cis-stranu, na které jsou tyto látky vydávány dále. Peroxisomy © JN 2009 Kapitola 1 – Úvod do metabolismu buňky 4 Peroxisomy jsou váčky obalené membránou, které jsou určeny především k likvidaci peroxidu vodíku. Obsahují enzym katalasu, který je zodpovědný za dva druhy reakcí: a) odbourání peroxidu vodíku 2 H2O2 → 2 H2O + O2 b) využití peroxidu vodíku k oxidaci substrátu RH2 + H2O2 → R + 2 H2O Reakce typu b) je například využívána k odbourávání ethanolu v případě, že se jej v organismu nachází moc a enzym alkoholdehydrogenasa už nestíhá pracovat: H2O2 + ethanol → 2 H2O + acetaldehyd Lysozomy Lysozomy jsou organely buněčného trávení. Ve své membráně obsahují vodíkovou pumpu, která se podílí na udržování kyselého pH v jejich nitru. Rozlišujeme primární a sekundární lysozomy. Primární jsou takové, které se ještě neúčastnily procesu trávení, neobsahují tedy žádné zbytky organel, proteinů apod. a jejich enzymy ještě nebyly použity. Sekundární lysozomy jsou ty, které se již trávení účastnily. Většina enzymů, které se v lysozomech nachází, patří do skupiny hydrolas a jejich úkolem je štěpit různé vazby na různých molekulách. Tabulka 4 - Některé lysozomální enzymy a vazby, které štěpí Enzym Typ vazby α-glukosidasa štěpí α-glykosidovou vazbu mezi glukosami β-galaktosidasa štěpí β-glykosidovou vazbu mezi galaktosami hyaluronidasa štěpí vazbu mezi molekulami hyaluronové kyseliny arylsulfatasa štěpí sulfoesterovou vazbu lysozym štěpí glykosidovou vazbu kathepsin štěpí peptidovou vazbu (jedná se o proteázu) kolagenasa štěpí trojitou šroubovici řetězců kolagenu elastasa štěpí peptidovou vazbu (jedná se o proteázu) ribonukleasa štěpí diesterovou vazbu mezi ribonukleotidy lipasa štěpí esterovou vazbu mezi glycerolem a mastnou kyselinou fosfatasa štěpí esterovou vazbu (odštěpuje fosfát) ceramidasa štěpí esterovou vazbu mezi ceramidem a mastnou kyselinou Cytoskelet Cytoskelet je struktura, která se podílí na udržování tvaru buňky, na buněčném dělení a na pohybu uvnitř buňky. Je tvořen třemi hlavními typy vláken: a) mikrofibrily b) mikrofilamenta c) intermediální filamenta Mikrofibrily jsou využívány proteiny kinesinem a dyneinem, které slouží jako buněčné motory a mohou se po vláknech posunovat (umožňují tak intracelulární pohyb). Podrobněji k funkcím jednotlivým vláken viz Histologii a Biologii. © JN 2009 Kapitola 1 – Úvod do metabolismu buňky 5 1.4 Nevazebné interakce Soudržnost buňky a jejich kompertmentů, interakce mezi jednotlivými molekulami navzájem (např. interkace mezi molekulami a receptory, molekulami a enzymy apod.) a podobné interakce jsou založeny na existenci nevazebných interkací. Nejdůležitějšími nevazebnými interakcemi jsou:  vodíkové můstky  elektrostatické interakce  hydrofobní interakce Jejich hlavní uplatnění v různých situacích vystihuje následující tabulka: Tabulka 5 - Nevazebné interakce v buňce Struktura/systém Převažující typ nevazebné interakce Proteiny: sekundární struktura vodíkové můstky Proteiny: terciární struktura hydrofobní interakce, elektrostatické inetakce Proteiny: kvartérní struktura elektrostatické interakce DNA vodíkové můstky Fosfolipidová dvojvrstva hydrofobní interakce Vazba enzym-substrát elektrostatické interakce vazba protilátka-antigen elektrostatické interakce