1 Fyzikální principy tvorby nanovláken 11. Nanovlákna vytvářená buňkami D.Lukáš 2010

Nanovlákna v buňce, jejich funkce, stavba a syntéza Osnova: Obecné vlastnosti nanovláken v buňce Cytoskelet- Intermediální fialmenta - Mikrotubuly - Aktinová mikrofilamenta Extracelulární nanovlákna- Rostlinná buňka - Živočišná buňka Biologické membrány 2

Obecné vlastnosti nanovláken v buňce - Rozměry od 0,1 až do stovek nm v průměru - Dlouhá - složitá nadmolekulární struktura (vysoká pevnost) - Pevné, pružné, odolné - kostra buňky (cytoskelet) - zpevňují membrány a mimobuněčnou hmotu (ochrana buněk) - buněčný transport, pohyb buněk 3

Cytoskelet Složen ze tří typů nanovláken: Mikrotubuly, Intermediální filamenta a aktinová mikrofilamenta 4

Intermediální filamenta - sestavena z protáhlých proteinů tvořených  šroubovicí a C- a N- terminálními konci - 2 proteiny se přiloží k sobě a vytvoří dimer, po přiložení dvou dimerů k sobě vznikne tetramer - tetramery se skládají k sobě a za sebe až vznikne 8 tetramerů stočených do sebe o průměru 10 nm 5

Výstavbový princip intermediálních filament: 6

Vlastnosti intermediálních filament: - nejodolnější z cytoskeletálních nanovláken (odolnost vůči roztokům a solím) - vysoká pevnost v tahu, proto se nacházejí v místech mechanické námahy: - membrány - nervové (eurofilamenta), svalové a epitelové buňky - stavbou nevzniká polarita tudíž nezprostředkovávají buněčný transport 7

Mikrotubuly - sestaveny z proteinů tubulinu, jejich výstavba začíná z centrosomu (mikrotubuly organizačního centra) či z bazálních tělísek, odkud vyrůstají řasinky a bičíky - výstavba začíná na mínus konci monomerem  tubulinu, na něj ve směru plus konce nasedají heterodiméry tvořené  a  tubuliny, tak vznikne protofilamentum - 13 protofilament se spojí dohromady za vzniku dutého a spirálovitého nanovlákna 8

Vlastnosi mikrotubul: - GTPáza- dynamická struktura(neustále se přestavují), 50% se nachází v monomerním a 50% v polymerním stavu - pokud na heterodiméru navázáno GTP pak je tendence polymerovat, v polymerovaném řetězci dochází k hydrolýze GTP na GDP+P a poté až na GDP, což je signál pro katastrofiny aby mikrotubuly naštěpily a tím je odbouraly - stavba mikrotubul (duté spirály) umožňuje deformovat mikrotubuly aniž by praskly, využíváno pro buněčný pohyb (bičíky, řasinky) 9

Funkce mikrotubul: - výstavbou získávají polaritu (plus a mínus konec) což umožňuje buněčný transport různých komponentů z centrosomu po celé buňce (molekulární proteinové motory Kyneisn a Dynein) - řasinky a bičíky vyrůstají z bazálního tělíska, jsou tvořeny devíti dvojicemi mikrotubulů a uprostřed jsou další 2 mikrotubuly, vše je propojeno proteinem dyneinem, který dodává energii k ohybu 10

- dělící vřeténko- vzniká při dělení buňky rozdělením centrosomu na dva útvary - centrosom je tvořen dvěma barelovitými strukturami mikrotubulů nazývajících se centrioly, ty se od sebe při buněčném dělení rozestoupí na opačné póly buňky a dosyntetizují si chybějící centriolu, tím vznikne dělící vřeténko - vyrůstají odsud 3 druhy mikrotubulů, které slouží pro přesný rozchod chromosomů k opačným pólům buňky 11

Aktinová mikrofilamenta - sestavena z proteinů aktinu, na mínus konci je stabilizující proteinový komplex Arp2/3 na který se napojují monomery aktinu dorůstají ve směru plus konce - jsou to dvě vlákna obmotaná kolem sebe a tudíž velice pružná 12

Vlastnosti aktinových mikrofilament: - ATPáza- funguje na stejném principu jako mikrotubuly, nejdynamičtější ze cytoskeletálních nanovláken  buněčný pohyb pomocí buněčných výběžků - výstavbovým principem vzniká polarita  transport (molekulární proetinový motor Myosin) 13

Extracelulární nanovlákna Rostlinná buňka Pletiva – mikrotubuly v plasmatické membráně určují směr ukládání celulózových nanovláken (kolmo na směr růstu buněk) a tím i směr růstu buněk Syntéza celulózy: - probíhá vně buňky, syntetizují membránové proteiny celulázasyntázy, až 500 jednotek D-glukózy - volný konec celulózových mikrofibril je ukotvován do buněčné stěny a celulázasyntáza je tedy neustále tlačena před vláknem 14

Syntéza celulózy: 15

Živočišná buňka - Pojivová tkáň- udává tvar těla buňky, převážně z extracelulární matrix produkované fibroblasty, důležité proteiny jsou hlavně elastin a kolagen - Syntéza kolagenu: - ve fibroblastech: ribozom s pro-  -řetězcem je dopraven do ER a zde jsou spojeny tři tyto řetězce dohromady pomocí disulfidických můstků, glycinu, hydroxylaci prolinu a lysinu, tak vznikne prokolagen- tripl-helix; v ER a GA dochází ke stabilizaci (Hsp47); po sekreci z fibroblastu je tripl- helix zbaven N- a C-konců a dochází k asociaci s dalšími tripl- helixy a ke vzniku kolagenních nanovláken 16

Syntéza kolagenu: 17

- Epitelová tkáň- krycí funkce, minimum EM proto jsou zde důležité mezibuněčné spoje na kterých se podílí cytoskeletální nanovlákan: mechanický spoj, desmosomy a hemidesmosomy - fungují za pomoci aktinových a intermediálních filament, která se napojují na proteiny dvou sousedních buněk či buňky a bazální laminy 18

- Nervová tkáň- neurotubuly pro výživu a neurofilamenta na zpevnění dlouhých axonů - Svalová tkáň- svalové myofibrily z jednotlivých sarkomer uvnitř nichž jsou aktinová mikrofilamenta s myosinovými nanovlákny, která se do sebe zasunují při stahu svalu 19

Membrány Stavba- dvojná vrstva fosfolipidů, hydrofilní hlavička fosfilipidů vně membrány a hydrofobním koncem jsou směrovány do vnitřku membrány, uvnitř transmembránové a membránové proteiny, cholesterol, glykolipidy - téměř nulová pevnost, nutná přítomnost cytoskeletálních nanovláken 20

Požadavky -pevnost, odolnost (ochrana buněk) je zajištěna intermediálními filamenty uvnitř membrány a buněčnou kortex, kterou z cytosolové strany zajišťují aktinová mikrofilamenta napojena na membránu skrze proteiny (spektrin a transmembránové proteiny) - mechanické namáhání, pružnost- aktinová mikrofilamenta 21