Biologické membrány, kompartmentalizace metabolických drah Bruno Sopko

Obsah Úvod Plazmatická membrána Buněčné jádro Mitochondrie Lipidové rafty Buněčné jádro Mitochondrie Endoplazmatické retikulum Golgiho aparát Lysosomy Peroxisomy Cytoplasma a cytoskelet

Úvod - Výhody kompartmentace Udržování vysoké lokální koncentrace komponent v kompartmentu, které by jinak difundovaly pryč – koncentrovanější substráty mohou reagovat rychleji a účinněji Kontrola transportu intermediátů mezi kompartmenty je další účinný regulační systém metabolických drah, které se odehrávají ve více kompartmentech Ochrana před působením nepříznivých sil okolního prostředí Ochrana prostředí buňky před „agresivním“ obsahem kompartmentu

Úvod – subcelulární kompartmenty Jádro (nukleus) Jadérko (nukleolus) Golgiho aparát Mitochondrie Lysosomy Peroxisomy Cytoskeleton Cytosol Centrioly Plasmatická membrána Endoplasmatické retikulum

Úvod – transport látek přes membránu Difuse Usnadněná difuse Aktivní transport

Plazmatická membrána Plasmatická membrána (nazývaná také buněčná membrána nebo plasmalemma) je biologická membrána oddělující vnitřek buňky od okolního prostředí. Buněčná membrána je povrchem všech buněk a je selektivně-permeabilní. Takto je řízen pohyb substancí jak do buňky, tak ven z ní. Je složena primárně z lipidů (fosfolipidů, glykolipidů a cholesterol esterů) a bílkovin, které se zúčastní celé řady buněčných procesů jako je např. adheze buněk, transport iontovými kanály a buněčná signalizace. Vnitřní strana buněčné membrány obsahuje specifická místa, na které je uchyceny komponenty intracelulárního cytoskeletonu. Obsahuje subkompartmenty – mikrodomény, rafty

Plazmatická membrána - tvorba

Lipidové Rafty Lipidové rafty jsou malé (10-200nm), heterogenní, vysoce dynamické, domény s vysokou koncentrací sterolů a sfingolipidů, které oddělují buněčné procesy. Brown D A , and London E J. Biol. Chem. 2000;275:17221-17224

Lipidové Rafty Mikrodomény se zvýšenou koncentrací cholesterolu a sfingolipidů Dojnásobná koncentrace cholesterolu Koncentrace sfingomyelinu zvýšena o 50% Koncentrují a segregují proteiny v membráně Jsou uspořádanější a pevnější než okolní dvojvrstva Volně „plovou“ v okolní membráně

Typy lipidových raftů Kaveoly: malé, miskovité prohlubně plazmatické membrány bohaté na kaveolin Planární lipidové rafty: Nacházejí se především v membráně neuronů a jsou bohaté na flotillin Kaveolin a flotillin přitahují signální proteiny Odpověď na signál může být zvýšena nebo snížena

Proteiny Lipidových Raftů “Pravé rezidentní proteiny” GPI-kotvené proteiny-prionové proteiny (PrPc) Kaveolin Flotillin Signální proteiny G-protein, non-receptorové tyrosin kinázy Cytoskeletální/Adhezní proteiny aktin, myosin, vinkulin, kofilin, kadherin, ezrin, ankyrin

GPI-kotvené proteiny

Formování Lipidových Raftů

Lipidové Rafty a Viry HIV virus Chřipkový virus Pučení přednostně začíná v oblasti lipidových raftů Chřipkový virus Glykoproteiny z raftů se nacházejí v obalu viru

Buněčné jádro Replikace DNA Transkripce, syntéza mRNA, tRNA, rRNA, tvorba ribosomů Ohraničeno dvojitou membránou spojenou s ER Transport látek z cytosolu (aktivní i pasivní) pouze průduchy Specializované subkompartmenty (jadérko – tvorba ribosomů, replikaci DNA lokalizována atd.)

Buněčné jádro

Buněčné jádro – transport látek přes jadernou membránu

Buněčné jádro – přenos proteinů Přenos proteinů do jádra Přenos proteinů z jádra

Buněčné jádro – export RNA

Mitochondrie Dvě membrány – vnitřní (inner) a vnější (outer) se velmi liší funkcí i enzymovou aktivitou Matrix mitochondrie (mitosol) také vykazuje odlišné biochemické funkce Většina mitochondriálních proteinů je kódována jadernou DNA (a syntetizována na volných ribosomech v cytosolu), ale 13 mitochondriálních proteinů a některé RNA jsou kódovány kruhovou mitochondriální DNA (mtDNA)

Mitochondrie Syntéza více než 90% ATP – oxidativní fosforylace (vnitřní membrána) Produkce tepla (rozpojení oxidace a fosforylace) Apoptoza (programovaná smrt) – vnitřní mitochondriální dráha Oxidativní dekarboxylace pyruvátu (pyruvate dehydrogenase complex) ß-oxidace mastných kyselin (kratší než 24-C) Cyklus kyseliny citronové (Krebsův cykl) - mitosol Cytochrom P450 - vnitřní membrána

Mitochondrie – import proteinů

Mitochondrie –import elektronů z cytosolického NADH Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu

Mitochondrie –export ATP do cytosolu

Mitochondrie – import mastných kyselin pro -oxidaci

Mitochondrie – export acetyl-CoA pro syntézu lipidů a cholesterolu Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu

Mitochondrie – močovinový cyklus Pouze enzym ornithin transkarbamoylasa je v mitosolu Karbamoylfosfát je syntetizován v mitochondriích z bikarbonátu a amoniaku při spotřebě 2 ATP Citrulin je exportován antiportem s ornithinem

Endoplazmatické retikulum Proteosyntéza (drsné ER = RER) Počáteční stadium synthesy polysacharidového řetězce N-vázaných glykoproteinů (RER) Syntéza (hladké ER = SER) - fosfolipidy , triglyceridy Některé kroky syntézy cholesterolu a steroidů(SER) (enzymy vázány na ER membránu) Hydroxylace endogenních a exogenních sloučenin cytochromy P450 (SER) Skladování vápníkových iontů (SER , sarkoplasmatické retikulum) Propojené s jadernou membránou

Golgiho aparát Spolupracuje s endoplasmatickým retikulem Enzymatické postranslační modifikace bílkovin (glykosylace, sulfatace) Syntéza nové plazmatické membrány a participace na tvorbě primárních lysosomů a peroxisomů

Lysosomy Zodpovídají za intracelulární digesce jak intracelulárních, tak extracelulárních látek Lysozomální enzymy jsou hydrolázy s maximální aktivitou při pH 5 (vnitřek lysozomů) Hydrolýza: intracelulární materiál – proteiny, nukleové kyseliny, lipidy stejně jako organely – autofagie Extracelulární materiál je hydrolyzován po transportu do buňky endocytosou (pinocytosa and fagocytosa) - heterofagie

Lysosomy Substance je/jsou v membránou uzavřeném vesikulu Fuzí vesikulu s primárním lysosomem vzniká sekundární lysosom (trávící vakuola) Lysosomální hydrolasy štěpí obsah sekundárních lysosomů Nízkomolekulární složky hydrolysátu přecházejí do cytosolu pro opětovné využití Nerozštěpitelný materiál se akumuluje v residuálních tělíscích (residual body) a je odstraněn z buňky exocytosou Zbylé (nonexocytované) residualní tělíska obsahují lipofuscin („age pigment“)

Peroxisomy Produkují nebo využívají peroxid vodíku Liší se funkcí i počtem v jednotlivých typech buněk Známo více jak 50 enzymů katalyzujících oxidační a biosynthetické reakce oxidace velmi dlouhých řetězců mastných kyselin (a- i b-oxidace) syntéza glycerolipidů, glycerol ether lipidů (plasmalogeny) a isoprenoidy enzymy pro oxidaci of D-aminokyselin, 2-hydroxy kyselin a močové kyseliny (urikáza absentuje u vyšších primátů) katalasa Známo více jak 25 poruch biogenese peroxisomů (Zellwegerův syndrom = absence peroxisomů, úmrtí do 6 měsíců věku) Některá xenobiotika indukují proliferaci peroxisomů

Peroxisomy - -oxidace mastných kyselin s velkým počtem uhlíků

Peroxisomy – syntéza plasmalogenů

Cytoplasma/cytoskelet Udržuje fenotyp (morfologii) buněk a podílí se na intracelulárním transportu, buněčné motilitě a buněčném dělení Obsahuje mikrotubuly, intermediární filamenta a aktinová filamenta (mikrofilamenta)

Cytoplasma/cytoskelet - mikrotubuly průměr 25 nm a délka od 200 nm do 25 mm polymery α- and β- tubulinových dimerů, které polymerizují kones ku konci do protofilament. Protofilamenta se pak splétají do dutých válcovitých útvarů - mikrotubulů

Cytoplasma/cytoskelet - intermediární filamenty Typický průměr intemediárních (středních) filament (IF) je 10 nm Doménová struktura IF molekul je konservovaná. Každý protein má non-a-helix doménu na N a C- konci, které rámují a-helix doménu vlastní „tyčinky“ Základní jednotka intemediárních filament (IF) je dimer Popsáno více jak 70 genů pro šest základních typů (I - VI) IF : I a II - keratiny (epithelialní a vlasové) III – např. desmin (sarcomery svalových buněk) a vimentin (e.g. fibroblasty - podpora správné lokalisace organel V - jaderné IF

Cytoplasma/cytoskelet - intermediární filamenty

Cytoplasma/cytoskelet - mikrofilamenta nejdymamičtější část cytoskeletonu is jsou mikrofilamenta (actin filamenta). průměr mikrofilament je pouze 6nm jsou tvořeny lineárními polymery aktinových podjednotek

Cytoplasma/cytoskelet - Centrosom a centrioly Centrosom je organela, jež je hlavním organisačním centrem mikrotubulů a je regulátorem průběhu buněčného cyklu Centrosom je ta oblast buňky, ve které jsou formovány microtubuly Centrioly jsoudůležitou částí centrosomu. Jejich „barrelovitá“ struktura (9 tripletů) se nalézá ve většině živočišných buněk

Cytoplasma/cytosol 54% objemu buňky glykolysa (NAD+/ NADH) PPP - pentosofosfátová dráha (NADPH) glykogenolysa glykogenese (synthesa glykogenu) biosynthesa mastných kyselin(fatty acid synthase) synthesa aktivních cukrů podpora proteosynthesy poskytnutím intermediátů Obsahuje „subkompartmenty“ s různým zastoupením enzymů -> četné reakce jsou prováděny jen v určitých oblastech cytosolu

Příklady metabolických drah lokalisovaných v jednom kompartmentu Cyklus kyseliny citronové Glykolysa Proteosynthesa DNA replikace

Literatura Gabriel Schlenstedt, Protein import into the nucleus, FEBS Letters 389 (1996) 75-79 Walter Nickel and Catherine Rabouille, Mechanisms of regulated unconventional protein secretion, NATURE Reviews, Molecular cell Biology volume 10, february 2009 Marks´ Basic Medical Biochemistry, A Clinical Approach, third edition, 2009 (M. Lieberman, A.D. Marks) David A. Jans, Chong-Yun Xiao, and Mark H.C. Lam, Nuclear targeting signal recognition: a key control point in nuclear transport?, BioEssays 22:532-544, 2000 John Wiley & Sons, Inc The Cell: A Molecular Approach, Fourth Edition, GEOFFREY M. COOPER , ROBERT E. HAUSMAN, 2007, ASM Press, Washington, D.C. USA Yoshihiro Yoneda, How Proteins Are Transported from Cytoplasm to the Nucleus, J. Biochem. 121, 811-817 (1997) Alwin Köhler and Ed Hurt, Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm, NATURE Reviews, Molecular cell Biology volume 8, october 2007