doc. Mgr. Vítězslav Bryja, Ph.D. Cytoskelet 7A) CYTOSKELET A JEHO FUNKCE (specifické typy proteinů a dalších makromolekul významných pro cytoskelet - jejich struktura a funkce; vybrané fyziologické procesy závislé na správné cytoskeletární funkci)) 7B) POHYB BUNĚK A PŘISPĚNÍ BUNĚK K POHYBU ORGANISMU (mechanismy komunikace mezi ECM a buňkami; pohyb buněk vs. motilita a invazivita) 8) ZÁKLADNÍ PRINCIPY SIGNÁLNÍ TRANSDUKCE (přehled základních typů membránových receptorů; mechanismy řídící jejich tvorbu, lokalizaci a degradaci; signální dráhy významné pro regulaci embryonálního vývoje živočišného organismu; signální dráhy regulující buněčnou diferenciaci) 9) VÝZNAMNÉ SIGNÁLNÍ DRAHY (dokončení)+ BUNĚČNÁ BIOLOGIE V ČÍSLECH – hledání souvislostí Nejpočetnější proteiny v buňce? Reálná data Proteiny jako molekulární stroje, DNA jako návod na jejich výrobu a malé metabolity jako palivo Aktinová filamenta = mikrofilamenta zvaná také mikrofilamenta spirálovitá vlákna/polymery tvořené proteinem aktinem tvoří flexibilní struktury o průměru 8 nm, které mohou být  organizovány do lineárních svazků, dvou‐ či trojrozměrných  sítí jsou rozprostřena po celé buňce, ale koncentrována jsou  především přímo pod cytoplasmatickou membránou Aktinová filamenta = mikrofilamenta i) jednoduché aktinové  filamentum ii) microvilli iii) stresová vlákna  (červeně) končící ve  fokálních adhezích  (zeleně) iv) příčně pruhovaný sval Mikrotubuly dlouhé duté válce tvořené proteinem tubulinem (vnější  průměr 25 nm) tužší oproti aktinovým filamentům dlouhá rovná vlákna, často jedním koncem uchycená v  mikrotubuly‐organizujícím centru (MTOC) zvaném  centrozom Mikrotubuly i) jednoduché vlákno  mikrotubulu  ii) průřez na bázi 3 cillií zobrazující triplety  mikrotubulů iii) mikrotubuly  (zeleně) a organely  (červeně) v interfázi iv) prvok s ciliemi Intermediární filamenta vlákna strukturou připomínající lano s průměrem 10 nm tvořena heterogenní rodinou proteinů jeden typ intermediárních filament (IF) tvoří jadernou  laminu pod jadernou membránou další typy IF jsou rozprostřeny napříč cytoplasmou a zajišťují  mechanickou odolnost buňky v epiteliálních tkáních IF zajišťují spojení buněk mezi sebou Intermediární filamenta i) jednotlivá  intermediární filamenta ii) IF (modře) v  neuronech iii) epiteliální buňka iv) jaderná lamina Aktinová filamenta = mikrofilamenta Aktinová filamenta = mikrofilamenta Polymerizace a depolymerizace  lineární polymery proteinových molekul, kterými jsou  mikrofilamenta nebo mikrotubuly tvořeny, vznikají  připojováním podjednotek (monomerů) ke koncům  polymeru míra připojování/polymerizace těchto podjednotek je dána  konstantou kon (jednotka M‐1s‐1), míra depolymerizace je  dána konstantou koff (jednotka s‐1) Polymerizace a depolymerizace  dva konce mikrofilament anebo mikrotubulů polymerizují  různou rychlostí rychle rostoucí konec se nazývá „plus konec“, pomaleji  rostoucí konec označujeme jako „minus konec“ rozdíl v rychlosti polymerizace je dán rozdílnou potřebou  změny konformace podjednotky v momentu připojení k  polymeru Polymerizace a depolymerizace  Hydrolýza nukleotidů každá molekula aktinu nese pevně navázanou molekulu ATP,  která je hydrolyzována na molekulu ADP brzy po jejím  připojení k polymeru stejně tak molekula tubulinu nese pevně navázanou  molekulu GTP, která je po připojení k polymeru  hydrolyzována na GDP hydrolýza navázaného nukleotidu snižuje vazebnou afinitu  této podjednotky k polymeru a zvyšuje pravděpodobnost její  disociace z polymeru  proto je obvykle T forma připojena k polymeru a D forma z  polymeru disociuje Hydrolýza nukleotidů situace na „plus konci“: polymer bude růst, pokud C=Cc (kD on a kT off můžeme  zanedbat, protože jejich hodnoty jsou obvykle velmi malé),  takže polymer roste, když: Hydrolýza nukleotidů jedná se o stabilní stav, ale nikoli o skutečnou rovnováhu,  protože ATP či GTP, které jsou hydrolyzovány, musí být  doplněny reakcí, kdy podjednotka polymeru přechází z D  formy do T formy ATP a GTP čepičky rychlost připojování podjednotek k rostoucímu polymeru  mikrofilamenta či mikrotubulu může být větší než rychlost,   se kterou je nukleotid nové podjednotky hydrolyzován v tomto případě na konci polymeru rozeznáváme tzv. ATP či  GTP čepičku, která obsahuje nukleosid trifosfáty (ATP na  mikrofilamentu či GTP na mikrotubulu) Dynamická nestabilita mikrotubuly depolymerizují 100x rychleji od konce s GDP než  od konce s GTP GTP čepička podporuje polymerizaci, pokud je GTP čepička  ztracena, dochází k depolymerizaci u jednotlivých mikrotubulů se tak střídá stav pomalé  polymerizace a rychlé depolymerizace = dynamická  nestabilita Cytoskeletální toxiny Látka Účinek na cytoskelet Mechanismus Zdroj ACTIN Latrunculin depolymerizuje váže aktinové  podjednotky mořské houby Cytochalasin B depolymerizuje kryje plus konec  filament Nižší houby Phalloidin stabilizuje váže se podél  filament muchomůrka MIKROTUBULY Taxol® (Paclitaxel) stabilizuje váže se podél  filament keř tis Nocodazol depolymerizuje váže podjednotky  tubulinu syntetický Colchicin depolymerizuje kryje konce  filament šafrán brání polymerizaci či depolymerizaci Proteiny asociované s aktinem většina buněk obsahuje více než 100 různých proteinů  asociovaných s aktinem a je pravděpodobné, že řada dalších  takových proteinů nebyla ještě identifikována Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Aktinová filamenta = mikrofilamenta Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s aktinem Myosiny – molekulární motory pohánějící auta na  aktinové dálnici Aktinová filamenta = mikrofilamenta Myosiny – molekulární motory pohánějící auta na  aktinové dálnici Mikrotubuly Mikrotubuly Dynamická nestabilita mikrotubulů Centrosom Mikrotubuly – MTOC (microtubule‐organizing center) Mikrotubuly – MTOC (microtubule‐organizing center) Mikrotubuly – MTOC (microtubule‐organizing center) Mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly většina buněk obsahuje více než 100 různých proteinů  asociovaných s mikrotubuly a je pravděpodobné, že řada  dalších takových proteinů nebyla ještě identifikována Proteiny asociované s mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly Molekulární motory vozící vozidla po mikrotubulové  silnici: kinesiny a dyneiny Proteiny asociované s mikrotubuly Struktura dyneinu Funkce dyneinu v melanosomu Centrosom a jeho dynamika Cilium (řasinka) – pohyblivá nebo primární cilium  Pohyblivé řasinky Proteiny asociované s mikrotubuly Proteiny asociované s mikrotubuly Primární cilium – vznik bazálního tělíska a jeho ukotvení Primární cilim – obsahuje modifikovaný tubulin Primární cilim – obsahuje modifikovaný tubulin Intermediální filamenta Laminy (jaderná membrána) Vimentin – mesenchymální buňky Desmin – sval GFAP – gliální buňky Keratiny – epitheliální buňky Neurofilamentové proteiny (NF-L atd.) - neurony Keratin v epiteliálních buňkách „Spojovací“ proteiny Konec prvního dílu Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? na začátku cyklu je myosinová hlavička bez navázaného nukleotidu pevně semknuta s aktinovým filamentem (angl. rigor configuration → rigor mortis) v aktivně pracujícím svalu je tento stav velmi krátkodobý a je rychle ukončen navázáním molekuly ATP Jak funguje svalový stah? molekula ATP se váže do velkého záhybu na zadní straně hlavičky myosinu (na nejvzdálenější místo od aktin. filamenta) a způsobuje nepatrnou změnu konformace místa, kde se k myosinu váže aktin, čímž sníží afinitu hlavičky myosinu k aktinu a umožní pohyb podél filamenta Jak funguje svalový stah? záhyb na myosinu se jako mušle uzavírá okolo molekuly ATP, spouští se pohyb levého ramena myosinu, které posouvá hlavičku myosinu podél aktinového filamenta o vzdálenost přibližně 5 nm nastává hydrolýza ATP, ale ADP a anorg. fosfát stále zůstávají připojeny k myosinu Jak funguje svalový stah? slabá vazba myosinu k novému místu na aktinovém filamentu způsobí uvolnění anorg. fosfátu, čímž se zesílí vazba myosinu k aktinovému filamentu uvolnění anorg. fosfátu vede ke změně tvaru myosinu ‐ nabývá původní konformace, ztrácí ADP a svalový stah se vrací na začátek cyklu (ale nacházíme se o kus dál na aktinovém filamentu) Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah? Jak funguje svalový stah?