J. Vondráček
Stavba živočišné buňky
Náplň předmětu
STAVBA ŽIVOČIŠNÉ BUŇKY (základní přehled
strukturních prvků živočišných buněk zejména s
ohledem na dynamiku tvorby a zanikání
specializovaných buněčných struktur a buněčné
kompartmentalizace; přehled specializovaných
buněčných organel živočišných buněk významných z
pohledu fyziologických regulací – lysozómy,
peroxizómy) – J. Vondráček
Architektura živočišné buňky
Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 5th ed., New
York, Garland Science, 2008
Množství buněk v těle
lidské tělo – cca 3,7 ± 0.8 × 1013 buněk (plus podobné
množství bakterií) – zahrnují cca 200 různých
buněčných typů;
liší se svojí velikostí i v rámci uniformní buněčné
populace;
Milo et al., Cell Biology by the Numbers, New York, Garland
Science, 2016
distribuce velikostí buněk L1210 (myší lymfoblastom)
Základní architektura – různé velikosti a tvary
(A) prvok Giardia lamblia, (B) rostlinná buňka, (C) pučící kvasinka, (D) červená
krvinka, (E) fibroblast, (F) nervová buňka (G), tyčinka (sítnice)
Milo et al., Cell Biology by the Numbers, New York, Garland
Science, 2016
Velikosti buněčných organel
Milo et al., Cell Biology by the Numbers, New York, Garland
Science, 2016
pro stanovení
velikosti organel
není důležitý jen
jejich objem, ale
také jejich povrch
Velikost, tvar a množství buněčných organel
se dynamicky mění během buněčného cyklu a dělení
Molecular Biology of the Cell. 4th
edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Velikost, tvar a množství buněčných organel
se dynamicky mění během buněčného cyklu a dělení
Milo et al., Cell Biology by the Numbers, New York, Garland
Science, 2016
dynamika změn endoplazmatického retikula v průběhu dělení
Velikost, tvar a množství buněčných organel
se dynamicky mění vlivem vnějšího prostředí (např. parciální tlak
O2, množství živin), onemocnění, ve speciálních typech buněk
apod. – např. kompaktní vs. retikulární (vláknité) mitochondrie:
Milo et al., Cell Biology by the Numbers,
New York, Garland Science, 2016
J. Comp. Neurology, 2005, 492:50 – 65
část dendritu nervové buňky potkana
Membrány oddělují buněčné kompartmenty s
různými funkcemi….
membrány uvnitř buňky mají dvojí význam – 1) jsou nezbytné pro aktivitu
řady proteinů, které jsou na ně navázané a díky své velké ploše umožňují
průběh řady biochemických reakcí, a 2) zároveň vytvářejí uzavřené
kompartmenty oddělené od cytosolu, ve kterých mohou být zachovány
specifické podmínky pro optimalizaci biochemických reakcí
(zakoncentrování proteinů, iontů a reaktantů);
jednotlivé organely obsahují transportní systémy pro import a export
metabolitů, i pro transport a inkorporaci proteinů unikátních pro danou
organelu;
za oddělené kompartmenty jsou považovány: jádro, cytosol,
endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, mitochondrie, lysozómy,
endozómy a peroxizómy
Molecular Biology of the Cell. 4th
edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
…ale buněčné organely vytvářejí funkční
celek!
protože membrány oddělují cytosol a organely (i vzájemně), existují
mechanismy umožňující transport proteinů přes membrány – vezikulární
transport (mezi topologicky ekvivalentními kompartmenty), translokace
proteinů (např. do mitochondrií a ER) a tzv. „gated“ transport (RNA,
proteinů přes jaderné póry)
Molecular Biology of the Cell. 4th
edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Endoplazmatické retikulum (ER)
je přítomné ve všech eukaryotických buňkách, kde vytváří síť vzájemně
propojených cisteren a válců; vnitřní prostor (kompartment) ER je zároveň
napojen na jadernou membránu (je tedy propojen s prostorem mezi vnitřní
a vnější jadernou membránou;
ER hraje zásadní roli zejména v syntéze lipidů a proteinů, a zároveň
slouží jako skladovací prostor pro ionty Ca2+ (využívané pro
vnitrobuněčnou signalizaci);
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
v ER vznikají všechny transmembránové
proteiny a lipidy pro většinu buň. organel – ER,
Golgiho aparát, lysozómy, endozómy, sekreční
vezikuly a plazmatickou membránu;
vzniká v něm také většina lipidů pro
mitochondrie a peroxizómy;
je do něj transportována většina
exkretovaných proteinů (+ ty, které jsou určeny
pro ER, Golgiho aparát a lysozómy;
Endoplazmatické retikulum (ER)
základní funkce ER jsou podobné ve většině buněk, avšak v
rámci ER rozlišujeme specializované oblasti plnící rozdílné
funkce:
- drsné ER s navázanými ribozómy – většinou ještě před
dokončením translace dochází k translokaci proteinu do ER (kotranslační
proces);
- oblasti ER bez ribozómů – hladké ER – jeho podíl závisí na typu
buněk;
- přechodné (transitional) ER – tvorba vezikulí transportujících
proteiny a lipidy do Golgiho aparátu
Drsné ER
cytosolové ribozómy vs. ribozómy navázané na ER
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
drsné ER v exokrinní buňce pankreatu a
polyribozómy připojené k ER
Hladké ER
je abundantní ve specializovaných buněčných typech – např. v
buňkách, kde probíhá intenzívní metabolismus lipidů (např.
syntéza steroidů), v hepatocytech – tvorba lipoproteinů,
detoxifikační reakce – na membráně ER jsou lokalizovány
biotransformační enzymy, jako cytochromy P450;
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Leydigova buňka ve varlatech tvořící testosteron ER v hepatocytu
ER a skladování Ca2+
rychlé uvolňování iontů Ca2+ z ER hraje významnou roli v rychlé odpovědi
buněk na extracelulární signály – vápníkové ionty jsou skladovány ve
specializovaných oblastech ER;
svalové buňky obsahují specializovaný typ ER – sarkoplazmatické
retikulum
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Golgiho aparát (GA)
systém cisteren a váčků zodpovědný za syntézu sacharidů (např.
glykosaminoglykany pro extracelulární matrix), sorting a transport proteinů
(včetně některých typů post-translačních modifikací, zejména glykosylace);
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
rekonstrukce GA – cis strana je část GA
nejbližší ER
Golgiho aparát (GA)
cisterny GA jsou uspořádané do funkčně odlišných vrstev (obvykle 4 – 6,
výjimkou jsou někteří prvoci – až 20) – ty jsou propojené kanálky (tubules);
v živočišné buňce je obvykle GA blízko buněčného jádra a centrozómu;
během průchodu GA prochází transportované molekuly (proteiny) sérií
kovalentních modifikací – vstupují přes cis Golgi síť a z trans Golgi sítě jsou
odesílány dále;
mezi důležité procesy patří především glykosylace proteinů, tvorba
proteoglykanů, apod.
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Golgiho aparát (GA)
GA hraje zásadní roli také v exocytóze –transportu materiálu ven z buňky;
konstitutivní (ve všech buňkách) vs. regulovaná sekreční dráha (hormony,
neurotransmitery, enzymy – ve specializovaných buňkách) – v ní jsou nejprve
produkované látky uloženy v sekrečních vezikulích, které jsou uvolněny na
základě signálu;
Molecular Biology of the
Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A,
Lewis J, et al.
New York: Garland
Science; 2002.
Lysozómy
trans Golgi síť – sorting proteinů – transport do konečné destinace; jednou
z významných destinací jsou lysozómy;
lysozómy představují buněčné organely ohraničené jednoduchou
membránou, obsahující rozpustné hydrolytické enzymy schopné
degradovat makromolekuly;
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
jsou to kyselé hydrolázy – buňky jsou proti
jejich působení chráněny jednak
membránou lysozómu, jednak tím, že i v
případě úniku nejsou tyto enzymy při
normálním pH aktivní;
složení lysozomální membrány je unikátní –
obsahuje vysoce glykosylované proteiny –
chráněny před působením proteáz, a
transportní proteiny přenášející finální
produkty (aminokyseliny, cukry a
nukelotidy) do cytosolu;
Lysozómy
lysozómy představují velmi heterogenní skupinu organel – liší se tvarem i
velikostí – identifikovány pomocí specifických protilátek či na základě
přítomnosti specifických enzymatických aktivit;
heterogenita je dána různými funkcemi, které plní (odbourávání debris,
destrukce fagocytovaných mikroorganismů, tvorba živin pro buňku) i
důsledkem jejich vzniku;
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
fúzováním s pozdními endozómy dochází ke
vzniku endolysozómu, z nějž po rozkladu většiny
pohlceného materiálu opět vzniká lysozóm –
proces maturace lysozómů (cyklus);
u některých typů buněk může probíhat i
lysozomální exkrece (např. melanocyty takto
uvolňují pigmenty z tzv. melanozómů); tvorba
exozómů?
Lysozómy
materiál pro degradaci je do lysozómů „dopravován“ několika způsoby:
- endocytóza (příjem extracelulárních makromolekul)
- fagocytóza (specializované buňky – neutrofily, makrofágy – velké částice,
mikroorganismy)
- makropinocytóza – nespecifický příjem tekutin, částí membrány či částic
spojených s membránou
- autofagie – degradace proteinů a organel přímo z cytoplazmy
Molecular Biology of the
Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis
J, et al.
New York: Garland Science;
2002.
Lysozómy
pro funkci lysozómů je klíčová doprava lysozomálních hydroláz z trans
Golgi sítě do lysozómů (prostřednictvím endozómů);
poruchy – lysozomální onemocnění (lysosomal storage disease – cca 70)
– skupina vzácných dědičných metabolických poruch – akumulace
nerozložených substrátů v lysozómech; nejzávažnější je I-cell disease – v
důsledku absence téměř všech hydrolytických enzymů;
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Propojení ER, GA a lysozómů
přímé – prostřednictvím vezikulárního
transportu i přímým propojením membrán;
zároveň ale jeden kompartment může být
zdrojem pro vznik dalších organel, nebo
napomáhat při jejich proliferaci – např. ER
může být zdrojem peroxizómů, nebo se
podílet na proliferaci dalších organel (např.
mitochondrií);
Mikrotělíska - peroxizómy
velmi malé organely ohraničené pouze jednou membránou;
neobsahují DNA ani ribozómy (na rozdíl od mitochondrií);
mají velmi různorodé složení enzymů – souvisí s plněním různých
funkcí v různých typech buněk
The Cell. Fawcett D.W.
Philadelphia: W. B. Saunders Company; 1981
nemají výrazné strukturní rysy,
ale (zejména v játrech
některých živočichů ) mohou
obsahovat tzv. nukleoid –
enzym urikázu (přeměna kys.
močové na alantoin)
Úloha peroxizómů v buněčném metabolismu
peroxizómy obsahují enzymy, které využívají kyslík k odebrání atomů
vodíku za současné tvorby H2O2;
RH2 + O2 → R + H2O2
díky tomu obsahují také velké množství katalázy – enzymu, který
umožňuje účinné odstraňování H2O2 – buď za spotřeby dvou molekul
peroxidu, nebo katalyzováním reakce s dalšími substráty – kys.
mravenčí, formaldehyd, etanol apod. (zejména v játrech a ledvinách);
2 H2O2 → 2 H2O + O2
H2O2 + H2R → 2H2O + R
hlavní funkce peroxizómů – katabolismus mastných kyselin – beta
oxidace mastných kyselin za tvorby acetyl CoA (u živočichů tato
reakce probíhá také v mitochondriích);
Úloha peroxizómů v buněčném metabolismu
vedle -oxidace probíhají v peroxizómech také další
důležité reakce:
- syntéza fosfolipidu plazmalogenu – zásadní pro tvorbu
myelinu a tedy pro izolaci neuronových vláken;
- anabolické funkce – syntéza žlučových kyselin, kys.
dokosahexaenová (DHA);
- tvorba a odbourávání kyslíkových radikálů – redoxní
metabolismus;
Úloha peroxizómů v buněčném metabolismu
Hlavní
metabolické
dráhy v
peroxizómech
The main enzymes involved in the peroxisomal fatty acid beta-oxidation pathway are indicated in light orange. The peroxisomal fatty acid betaoxidation
pathway can handle different substrates (indicatedby distinct colors), including very long chain fatty acids (sVLCFA, unVLCFA
(green)), dicarboxylic acids (DCA (blue)), the bile intermediates DHCA and THCA (dark red), and pristanic acid (magenta), which are imported
into peroxisomes by the different ABCD transporters as indicated. The peroxisomal enzymes involved in alpha-oxidation of phytanic acid
(purple) are indicated in yellow. The peroxisomal enzymes involved in plasmalogen synthesis (black) are indicated in purple. The peroxisomal
enzymes involved in bile acid synthesis (dark red) are indicated in bright and light orange. The peroxisomal enzyme involved in glyoxylate
detoxification (brown) is indicated in red and catalase required for H2O2 degradation in green. Abbreviations: ACAA1= 3-ketoacyl-CoA
thiolase, ACOX1=Acyl-CoA oxidase 1, ACOX2=acyl-CoA oxidase 2, ABCD1=ABC transporter D1, ABCD2=ABC transporter D2, ABCD3=ABC
transporter D3, AGPS=alkyl-dihydroxyacetonephosphate synthase, AGT = alanine-glyoxylate aminotransferase, AMACR = 2-methylacyl-CoA
racemace, BAAT = bile acid–CoA:amino acid N-acyltransferase, brAcyl= branched-acyl, CA= cholic acid, CAT = catalase, CDCA=
chenodeoxycholic acid, DBP = D-bifunctional protein, DCA = dicarboxylic acids, DHAP= dihydroxyacetone phosphate,
DHCA=dihydroxycholestanoic acid, FAR1=fatty acyl reductase 1, GNPAT=dihydroxyacetonephosphate acyltransferase, HACL1=2hydroxyphytanoyl-CoA
lyase, LBP=L-bifunctional protein, PHYH=phytanoyl-CoA 2-hydoxylase, PrDH=pristanal dehydrogenase, SCPx=SCPx,
sVLCFA=saturated very long chain fatty acids, THCA=trihydroxycholestanoic acid, unVLCFA = unsaturated very long chain fatty acids.
H.R.Waterham et al. BBA 2016, 1863: 922–933
Původ a tvorba peroxizómů
otázka původu a vzniku peroxizómů není dosud zodpovězena zcela
přesvědčivě;
vedle mitochondrií představují hlavní buněčné organely, kde je
spotřebováván kyslík – původně snižovaly vnitrobuněčnou
koncentraci kyslíku? – jejich funkci převzaly mitochondrie, ve kterých
je kyslík spotřebováván v souvislosti s tvorbou ATP oxidativní
fosforylací – peroxizómy tak vykonávají především metabolické
funkce, které neprobíhají v mitochondriích;
Tvorba peroxizómů
peroxizómy vznikají zejména růstem a dělením existujících
peroxizómů;
jinou možností je jejich tvorba de novo z prekurzorů peroxizómů
vznikajících ze specializovaných částí ER – ty se postupně vyvinou
ve zralé, metabolicky aktivní peroxizómy díky importu
peroxizomálních proteinů z cytoplasmy;
BBA 2016, 1863: 922–933
Transfer peroxizómů v průběhu buněčného dělení
v průběhu rozdělení buněk dochází také k dělení peroxizómů –
zprostředkováno jejich vazbou na cytoskelet – obě dceřinné
buňky získávají část původních peroxizómů a není tak nutná
jejich syntéza de novo;
Curr. Opin. Cell Biol. 2016, 41: 73–80
Peroxizómy v organismu živočichů
množství peroxizómů v jednotlivých typech buněk se liší – velké
množství se nachází zejména v buňkách, které jsou vysoce
metabolicky aktivní nebo se podílejí na odbourávání škodlivin –
např. hepatocyty;
u některých druhů živočichů se navíc množství peroxizómů
dynamicky mění s tím, jak potřebují využívat např. katabolismus
mastných kyselin: např. u některých hlodavců může dojít k rychlé
indukci proliferace peroxizómů působením ligandů receptorů pro
peroxizómové proliferátory (PPAR) – ty jsou aktivovány např.
nenasycenými mastnými kyselinami;
Am. J. Pathol., 2004, 164: 2305–232
játra kontrolní myši
játra myši po aplikaci ligandu PPAR –
Wy-14,643
Poruchy peroxizómů a vrozená onemocnění
peroxisomes hrají klíčovou roli v metabolismu ajosu nezbytné pro
normální fungování organismu;
defekty genů kódujících peroxizomální proteiny mají za následek
vrozené poruchy, rozdělované na poruchy peroxizomálních
enzymů a poruchy tvorby peroxizómů – značná část vrozených
metabolických poruch (kombinovaná incidence 1:5000);
X-vázaná adrenoleukodystrofie (porucha oxidace nevětvených
mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem (C25:0 a C26:0,
VLFCA) v důsledku nedostatečnosti peroxizomálního enzymu
lignoceroyl-CoA ligázy);
Zellwegerův syndrom – mutace v genech pro peroxiny (PEX1 –
12) - snížená funkce či úplný deficit peroxizomů v buňkách
mozku, játer a ledvin (postižení jedinci umírají do 1. roku);
Příští přednáška: Buněčné jádro
BUNĚČNÉ JÁDRO A JEHO DYNAMIKA
opakování - přehled struktury buněčného jádra a
chromatinu;
specializované struktury buněčného jádra;
komunikace mezi složkami buněčného jádra a
ostatními buněčnými organelami;
variabilita buněčného jádra v živočišných buňkách