Biologia Komórki – materiały na egzamin
Wykład II: Błona komórkowa: funkcje, budowa i wplatanie białek oraz połączenia między komórkami (poprawiony schemat kotranslacji) 2
Wykład III: Transport przez błony 9
Wykład IV: Hormony - transdukcja sygnału i jego losy w komórce. 12
Wykład V: Budowa jądra komórkowego 19
Wykład VII: Losy białek w cytoplazmie 27
Wykład VIII: Losy komórek w organizmie 31
Wykład IX: Chloroplasty 35
Wykład X: Mitochondria 41
Program wykładów z biologii komórki:
Błona komórkowa
Błona komórkowa ma grubość około 5 nm, co odpowiada 50 atomom. Jej najważniejszą funkcją jest ochrona przed rozproszeniem się zawartości komórki lub mieszaniem się jej z otaczającym środowiskiem.
U organizmów eukariotycznych istnieje wiele błon wewnętrznych tworzących przedziały komórkowe o różnej zawartości białek, pH itp.
Hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy stanowi barierę dla większości cząstek hydrofilowych:
o małe cząsteczki niepolarne, np. tlen i dwutlenek węgla, dyfundują łatwo
o nie naładowane cząsteczki polarne dyfundują łątwo pod warunkiem, że są małe (woda, etanol), większe, np. glukoza, nie dyfundują prawie wcale
o błona jest wysoce nieprzepuszczalna dla jonów i cząstek naładowanych.
o otoczka jądrowa, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, endosomy i lizosomy - powstały przez wpuklenie błony komórkowej. Tworzą one system błon wewnętrznych. Wnętrze tych organelli komunikuje się z wnętrzem innych organelli i z otoczeniem komórki przy pomocy pęcherzyków (z wyjątkiem otoczki jądrowej).
o mitochondria i plastydy - powstały z wchłoniętych bakterii
Błony dobrze bada się na przykładzie erytrocytów - sa to komórki posiadające w środku w zasadzie tylko hemoglobinę; w hipotonicznym roztworze błona pęka i zawartość wylewa się (wtedy można odwirować samą błonę - "ducha" - która w środowisku wodnym sama zamknie się tworząc pęcherzyk). Błona zamyka się "normalnie", jeśli w środowisku znajdują się jony magnezu. Jeśli ich nie ma, zamyka się "na lewą stronę".
Błona to dwuwarstwa lipidowa, zbudowana z listka zewnętrznego i wewnętrznego.
Jej głównym składnikiem są fosfolipidy - cząsteczki mające hydrofilowe głowy i hydrofobowe ogony, dzięki czemu posiadają właściwości amfipatyczne. Powoduje to, że w wodzie tworzą dwuwarstwy, które eliminują otwarte krawędzie (są to pęcherzyki = liposomy lub płaskie dwuwarstwy rozdzielające przedziały wodne).
Takie pęcherzyki można stworzyć w laboratorium: błona pod wpływem detergentów lub ultradźwięków dezintegruje i tworzy małe pęcherzyki, a następnie rozpada się na fosfolipidy i białka. Po usunięciu białek błona przyjmuje kształt pęcherzyka.
Fosfolipidy to cząsteczki zbudowane z 2 kwasów tłuszczowych (długie, hydrofobowe łańcuchy, nasycone - proste lub nienasycone - mające sztywne "kolanka"), glicerolu (który wraz z kwasami z resztami kwasów tłuszczowych tworzy fosfatydyl) oraz różnych hydrofilowych cząsteczek. Wyróżniamy:
o fosfatydyloserynę
o fosfatydylocholinę
o fosfatydyloinozytol
o fosfatydyloetanoloaminę
W skład błony wchodzi także np. sfingozyna (z choliną), która łatwo łączy się z węglowodanami tworząc glikolipidy (grupy cukrowe uzyskuje wewnątrz aparatu Golgiego, a więc znajdują się one na powierzchni pozacytozolowej; po przeniesieniu do błony komórkowej trafiają na zewnątrz komórki tworząc glikokaliks, który chroni komórki i bierze udział w ich rozpoznawaniu). Glikolipidy są czynnikiem określającym grupy krwi! A i B różnią się ostatnim cukrowcem, 0 - brak ostatniego cukrowca.
Płynność błony zależy między innymi od stopnia nasycenia jej kwasów tłuszczowych. Im więcej jest nienasyconych, tym jest bardziej płynna, gdyż wiązanie podwójne jest sztywne - łańcuch zagina się i zajmuje więcej miejsca. U zwierząt występuje też cholesterol - krótkie, sztywne cząsteczki, które wypełniają wolne miejsca pomiędzy łańcuchami i usztywniają błony. Błona jest sztywniejsza w niskich temperaturach.
Błona ma strukturę płynnej mozaiki - jej elementy przemieszczają się swobodnie w obrębie jednej warstwy. Np. po fuzji dwóch komórek, których białka zostały wyznakowane znacznikami fluorescencyjnymi, na początku łatwo rozróżnić połówki, ale już p 30 minutach błona stanowi jednorodna mieszaninę.
Błony są asymetryczne - mają listek cytozolowy i pozacytozolowy, które zachowują orientację wobec cytoplazmy. Fosfolipidy bardzo rzadko samoistnie przeskakują z jednego listka na drugi (tzw. ruchy flip-flop). Istnieje jednak enzym flipaza, która "wsysa" fosfolipidy i wypuszcza je po drugiej stronie błony. Pomimo tego skład listków bardzo się różni - w pozacytozolowym przeważa sfingomielina i fosfatydylocholina, w cytozolowym fosfatydyloseryna i fosfatydyloetanoloamina
W błonie znajdują się kwasy tłuszczowe. Zaktywowany przez koenzym A kw. tłuszczowy (acylo-CoA) może połączyć się z 3-fosfoglicerolem (reakcję tę katalizuje acylotransferaza - CoA odpada, powstaje kwas fosfatydylowy, tkwiący łańcuchem w błonie). Reakcja powtarza się (do tego potrzebna druga cząsteczka zaktywowanego kwasu tłuszczowego).
Powstaje 1,2-diacylo-3-fosfoglicerol, enzym fosfataza odłącza fosforan. 1,2-diacyloglicerol reaguje z CDP-choliną (lub CDP-inozytolem itp.), powstaje fosfatydylocholina, odłącza się CMP.
W błonie komórkowej znajduje się wiele białek o różnych funkcjach. Mogą być one receptorami, enzymami, służyć do transportu substancji przez błony lub wiązać komórkę z innymi komórkami lub macierzą zewnątrzkomórkową (integryny).
Białka mogą przechodzić przez błonę pozostawiając po jednej lub obu jej stronach część cząsteczki (b. transbłonowe), lub być związane z nią poprzez oddziaływania z innymi białkami (np. kinaza białkowa C). Do błony mogą przyczepiać się także fragmentami niebiałkowymi (np. grupą mirystylową (CH2)12CH3 lub farnezylową - lipid z dużą ilością wiązań nienasyconych). Każde białko błonowe ma określoną orientację!!!
Białka integralne zakotwiczone są w błonie alfa-helisami, na zewnątrz których znajdują się hydrofobowe łańcuchy boczne, lub beta-harmonijkami (struktura przypominająca cylinder, tworzy duże, wypełnione woda pory, np. poryny w zewnętrznych błonach mitochondriów. Mogą przenikać przez błonę raz lub wiele razy.
W części zewnętrznokomórkowej często znajdują się fragmenty połączone z cukrowcami (ułatwiaja przyczepianie się do różnych substancji), część wewnętrzna służy do przekazywania informacji lub wiązania się z czymś. Do b. integralnych na zewnątrz przyczepione są białka okładzinowe.
Białka błonowe syntetyzowane są przez rybosomy przyczepione do szorstkiej siateczki endoplazmatycznej. Translacja rozpoczyna się, gdy połączą się obie podjednostki rybosomu oraz mRNA. Zwykle pierwsza powstaje sekwencja sygnałowa o długości 21 aminokwasów. Do niej dołącza się peptyd sygnałowy SRP (cząsteczka rozpoznająca sekwencję; po przyłączeniu hamuje translację). Potrzebne jest też 7s RNA.
W błonie znajduje się receptor SRP, który wiąże SRP i rybosom (wtedy otwiera się w nim kanał translokacyjny). Sekwencja sygnałowa dostaje się do kanału translokacyjnego, wznowienie translacji, SRP wraca do cytoplazmy.
Syntetyzowany polipeptyd dostaje się do środka tworząc pętlę (bo sekwencja sygnałowa pozostaje w kanale). W pewnym momencie peptydaza sygnałowa (ze światła ER) odcina sekwencję sygnałową (wypada ona wtedy do cytoplazmy i ulega degradacji). Białko zostaje w ten sposób w świetle ER.
Białko może być przeplecione przez błonę raz lub kilka razy: wtedy w pewnym momencie pojawia się sekwencja stop-transfer. Zostaje ona uwolniona z kanału poprzez jego boczne otwarcie i zakotwiczona w błonie (równocześnie odcinana jest sekwencja sygnałowa). Translokacja zostaje rozpoczęta ponownie przez sekwencję start-transfer itp. Po odcięciu peptydu sygnałowego białko pozostaje w błonie.
Gotowe białko chronione jest przez chaperony, które fałdują je i modyfikują (np. bip, który przyłącza do białka cukrowce); mogą też być chronione przez polisacharydy (glikozylacja prowadzona jest przez lipid dolichol - łączy się on z wielocukrami i przenosi je na asparaginę).
Białka (i lipidy) transportowane są do innych organelli błonowych z ER przy pomocy pęcherzyków. Wędrują one do aparatu Golgiego ("wchodzą" po stronie cis, "wychodzą" po stronie trans), a stamtąd do błony komórkowej lub poprzez endosomy do lizosomów.
Zachowana przy tym zostaje orientacja błony wobec cytoplazmy (wnętrz siateczki staje się np. warstwą zewnętrzną błony komórkowej).
o Jednokomórkowce kontaktują się bezpośrednio ze środowiskiem zewnętrznym. Np. bakterie dzięki swojej ścianie komórkowej są bardzo odporne na zmienne czynniki środowiska, mogą nawet żyć w powietrzu, choć komórka wymaga w zasadzie środowiska wodnego.
o Dla komórki roślinnej substancja zewnątrzkomórkową jest ściana komórkowa. Powstaje ona początkowo jako przegroda pierwotna, później odkładane są kolejne warstwy - może być także wzmacniana takimi substancjami jak lignina czy suberyna.
Kontakt z innymi komórkami zachodzi przez plazmodesmy - połączenia cytoplazmy komórek wysłane błoną. Może przez nie także przechodzić ER.
Ściana zbudowana jest z fibryli celulozowych (polimer glukozy) - cienkie mikrofibryle układają się w makrofibryle ułożone względem siebie w sposób uporządkowany. Na nich znajduje się hemiceluloza (glukoza, ksyloza, fukoza, galaktoza), która łączy się z falistymi cząsteczkami pektyn (kwas będący pochodna celulozy i ramnoza powodująca "falowanie" cząsteczki).
Monomery cukrowców transportowane są po mikrotubulach do kompleksów enzymatycznych, i przez nie transportowane na zewnątrz, a następnie wbudowywane do pęczka łańcuchów tworzących mikrofibrylę. Powstająca fibryla "wysuwa się" z kanalika, w którym odbywa się łączenie. Na początku układają się chaotycznie, kolejne tworzą pęczki (spowodowane jest to prawdopodobnie przesuwaniem się enzymów wzdłuż mikrotubul...)
o W organizmach zwierzęcych komórki otoczone są substancja (matriks) zewnątrzkomórkową i znajdują się na błonie podstawnej (we wszystkich tkankach, ale najbardziej widoczna w tkance nabłonkowej).
Skład substancji zewnątrzkomórkowej:
o glikozaminoglikany (GAG) - duże polimery dwucukrów. Dołączają się do rdzeni białkowych tworząc "szczoteczki". Są silnie hydrofilowe, tworzą żele, przestrzenie między komórkami. Proteoglikany! (kwaśne mukoplisacharydy?). Do nich przyczepione np. siarczan keratanu i siarczan chondroidyny. mają powinowactwo np. do czynników wzrostu.
o fibronektyny (glikoproteiny) - łączą kolagen lub proteoglikany z integrynami
o laminina (glikoproteina) - integryny + kolagen, entaktyny, proteoglikany
o entaktyna - mała cząsteczka, też łączy ze sobą inne
o perlakan - glikoproteina
o kolagen - tworzy długie, sztywne włókna. Syntetyzowany w formie łańcuchów, do których dołączane są grupy cukrowe. 3 takie łańcuchy owijają się wokół siebie tworząc prokolagen (z telopeptydami na końcu). W takiej formie transportowany na zewnątrz komórki, tam odcinane telopeptydy. "Gotowy" kolagen (tropokolagen) agreguje się we włókienka. Włókienka te ułożone są regularne - ich budowa (główka + ogon) sprawia, że widoczne jest to jako prążki.
o na powierzchni komórek np. jelita znajduje się glikokaliks - płaszcz cukrowcowy.
Istnieje około 20 typów kolagenu. Najważniejsze to:
§ I - w skórze, kościach, ścięgnach, dentynie zębów
§ II - chrząstka, tętnice, ciałko szkliste oka
§ III - skóra, macica, naczynia krwionośne
§ IV - w błonie podstawnej nabłonka
§ V - błona podstawna mięśni i innych komórek mezenchymy
Białka transbłonowe biorące udział w łączeniu komórek z macierzą zewnątrzkomórkową i innymi komórkami:
o selektyny - wiążą glikoproteiny i mucyny błonowe; tworzą przejściowe połączenia
o integryny - zbudowane z 2 podjednostek - alfa i beta. tworzą trwałe połączenia z macierzą lub błoną podstawną. Łączą się z kolagenem, lamininą, fibronektyną lub IgCAM, a po stronie cytoplazmatycznej z winkuliną, która ma powinowactwo do aktyny.
o kadheryny - tworzy homofilowe połączenia między komórkami (tzn. kadheryny jednej komórki łączą się z takimi samymi kadherynami innej komórki). Ich domeny cytoplazmatyczne łączą się z kateninami, a one z cytoszkieletem.
o immunoglobuliny IgCAM - tworzą połączenia homofilowe lub z integrynami.
integryna
Białka wewnątrzkomórkowe wchodzące w skład połączeń:
o z kadherynami łączą się: kateniny mające powinowactwo do filamentów aktynowych, mogą współpracować z kinazami tyrozynowymi i receptorem dla EGF (naskórkowego czynnika wzrostu); oraz plaktoglobina, desmoplakiny i plektyna łączące się z filamentami pośrednimi
o Z integrynami łączą się: winkulina, talina, tensyna, paksylina, dystrofina (w mięśniach), alfa-aktynina, FAK (kinaza płytek przylegania, bierze udział w przekazie informacji).
Połączenia komórek z macierzą zewnątrzkomórkową:
o hemidesmosomy - w błonie znajdują się integryny. Po zewnętrznej stronie komórki łączą się z lamininą, po wewnętrznej z dystroglikanami (w mięśniach), a dalej z filamentami pośrednimi.
o przyczep ogniskowy - integryny po zewnętrznej stronie łączą się z fibronektyną, po wewnętrznej z taliną, winkuliną, paksyliną, alfa-aktyniną i filamentami aktynowymi.
Połączenia między komórkami:
Umożliwiają istnienie tkanek, zwłaszcza nabłonkowej, w której komórki muszą być ściśle ze sobą połączone.
Wiele komórek, np. nabłonek jelita, jest spolaryzowana, mają część apikalną kontaktującą się ze środowiskiem i część bazalną (styka się z błona podstawną, stabilizuje komórkę.
o ścisłe (barierowe, styk zwarty) - w błonie znajdują się białka integralne przechodzące z jednej komórki do drugiej (okludyna i klaudyna). Jest to połączenie mechaniczne, stanowi barierę dla przemieszczania się np. białek błonowych i "mieszania się" środowisk znajdujących się po 2 stronach komórki.
o...
anna-baran829