Bioenergetika pohybu 4.ročník biochemie

Pohyb a tvar - jedny ze základních vlastností organismů Biologická pohyblivost = interakce 2 složek „cyklický chemi-mechanický mechanismus“ 1) motorové proteiny – tvorba síly v molekulárních krocích poháněná hydrolýzou ATP 2 ) vláknité cytoskeletárními substráty Příklad: myosin – aktinová vlákna kinesin – mikrotubuly

Buněčný pohyb * vnitřní * vnější

Udržování tvaru - cytoskeleton Mikrofilamenta 2 spletená aktinová vlákna - průměr 7nm až 7 cm dlouhé pohyb pseupodií (Amoebae) Střední filamenta 8 spletených mikrofilament odolnost vůči mechanickému namáhání Mikrotubuly - pohyb organel, cilií a bičíků pohyb chromozómů při buněčném dělení

Cytoskeleton

Molekulární motory Funkce: a) tvorba síly b) tvorba točivého momentu c) kontrolovaný pohyb Typy proteinů myosiny kinesiny dyneiny (DNA-polymerasa)

Molekulární motory - struktura Dvoudoménová organizace = společná vlastnost všech molekulárních motorů globulární hlava – pohybová a ATPasová aktivita protáhlá část – interakce se „zátěží“ motoru (organely, ..) nebo sama se sebou = supramolekulární struktury

Myosin II - síla pro svalové stahy

Myosin II – vazba na aktinová vlákna

Konformační změna myosinu II Hydrolýza ATP

Doména pro vazbu nákladu Myosin V Katalytická doména nesvalový myosin přenos vesiklů po aktinových „kabelech“ 6 lehkých řetězců Doména pro vazbu nákladu

Cyklus myosinu V Pi Pi ADP ADP ATP ADP ATP ATP ATP krok 36nm ADP ADP+ Pi ADP ADP+ Pi ADP ADP ADP ADP ATP ADP ATP ATP ADP ADP ATP ATP ADP ATP krok 36nm

Kinesin pohyb podél mikrotubul nízká sekvenční homologie s myosinem vysoká strukturní homologie s motorovou doménou

Kinesin – transport buněčných vesiklů

Model pohybu po vazbě ATP na dimer kinesinu

Flagella a cilia aneb „bičíky a brvy“

Pohyby brvy a bičíku

Typy bičíků bakteriální - helikální filamenta flagelinu b) archebakteriální - modifikované flageliny c) eukaryontní - axonema = struktura „9+2“ z mikrotubulů

Struktura motoru bakteriálního bičíku E.coli

Pohon motoru bičíku H+-gradientem

Hnací síla motoru bičíku Gradient H+ nebo Na+ Počet H+ na 1 otáčku ~ 1000 (energie na 1 proton) ~ 2.5 x 10-20 J  Max. rychlost otáčení 300 Hz Torzní síla ~ 4 x 10-18 Nm Maximální výkon ~ 10-15 W Účinnost 50-100% (na místě)  ~ 5% (plavoucí buňka) Počet kroků na 1 otáčku ~ 50

Bičík E.coli a chemotaxe „plavání“ = pohyb bičíku proti směru hodinových ručiček b) „převalování“ - při změně orientace pohybu bičíku poté nový náhodný směr pohybu baktérie Virtuální chemotaxe

Mechanismus chemotaxe MCP = „methyl accepting chemotactic protein“ (1) váží se na něj proteiny CheA a CheW (2) CheA = autofosforylující membránová kinasa ( CheA-P) CheA-P přenáší fosfát na CheY (3) CheY-P spouší motor bičíku a pohyb (4) CheZ – fosfatása, desfosforyluje CheY-P(5) Mechanismus chemotaxe

Bičíky archebaktérií strukturní a funkční podobnost bakteriálním bičíkům Rozdíly pohon ATP (mechanismus neznámý) bičík nemá centrální dutiny – nemožnost dorůstání od konce koordinovaný pohyb více filament

Bičíky eukaryontů podobná struktura x brvy kratší charakteristické uspořádání mikrotubul 9 + 2

Bičíky eukaryontů pohyb bičíku je umožněn klouzání párů mikrotubulů spojených raménky dyneinů navzájem po sobě

Dynein Dynein – posun subcelulárního materiálu podél mikrotubul - pohyb od (+) směrem k (-) konci mikrotubulu - jeden krok = hydrolýza 1 molekuly ATP - pohyb do středu buňky x při mitóze do středu dceřinných buněk kinesin opačným směrem !! Dynein

Kinesin Kinesin - pohyb od (-) směrem k (+) konci mikrotubulu směrem k vnějším částem buňky specifická funkce v nervech: = přesun materiálu z těla neuronu do zakončení Kinesin

Amoéba - pohyb pseudopodií „pseudopodia“ = falešné nožky výběžky cytoplazmy (nejsou organely) pohyb umožněn cytoskeletem

Amoéba - pohyb pseudodopodií taktika pohlcení potravy („engulfing“) voduvypuzující vesikuly

„Getting the Muscle cell to contract“ Svalový stah „Getting the Muscle cell to contract“

Kosterní sval - pruhovaná vlákna - multijaderné buňky - ovládání vůlí

Kosterní svalstvo

Hladký sval bez pruhování jedno jádro autonomní nervstvo

Srdeční sval pruhování gap junctions autonomní kontrola

Kontraktilní proteiny Aktin – tenká vlákna Myosin – tlustá vlákna Tropomyosin - tenký Troponin - tenký Aktin a myosin ~ 55% celkového proteinu kosterního svalu

Kosterní svalstvo – typy vláken typ I – pomalé stahy („aerobní – vytrvalecké“) červená vlákna oxidativní metabolismus více kapilár, myoglobinu a mitochondrií odolnost na únavu citlivost na hypoxii funkce – polohové svaly, pomalé pohyby

Kosterní svalstvo – typy vláken typ II – rychlé stahy Typ IIa – rychlé oxidativní („aerobní“) více myoglobinu než typ I více myosin ATPasy Typ IIb – rychlé glykolytické („anaerobní“) nízka odolnost vůči únavě genetická předurčenost

Akční potenciál - opakování

Akční potenciál - mechanismus

Akční potenciál a svalová činnost množství iontů Na+ and K+ přecházející membránu = malé ve srovnání s celkovým množstvím iontů rychlá obnova klidového potenciálu i při vysoké a dlouhotrvající intenzitě pohybu - „únava neuronů“

Motoneuron Napojení -motoneuronu na svalovou buňku -motoneuron používá acetylcholin (ACh) jako neurotransmitter

Motoneuron - anatomie

Nervosvalová ploténka * axon motoneuroun se rozpojuje na výbežky přenášející vzruch na vlákna svalové buňky

Nervosvalová ploténka - funkce Depolarizace terminálního axonu = zvýšení hladiny Ca2+ a fúze synaptických váčků z presynaptickou membránou

Svalové membrány v přenosu vzruchu Transversální tubuly (T-tubuly) Sarcoplasmatické retikulum = přenos vzruchu z povrchu dovnitř buňky

Sarkoplasmatické retikulum SR = složitý membránový váček obklopující každé svalové vlákénko funkce = uložení, uvolnění a odčerpání Ca2+ koncové cisterny – v kontaktu s T-tubuly propojení akčního potenciálu a kontrakce

Propojení vzruch - stah zahrnuje: Sarcolemma T- tubuly Terminalní cisterny SR Ca2+ Troponin

Mechanismus svalového stahu

Mechanismus svalového stahu 2

Cross-Bridge Movement

Svalový stah

Stah sarkomery

Síla stimulu a svalový stah Pravidlo „vše nebo nic“ Stah stejné síly při odpovědi na stejný akční potenciál Podprahový stimul Prahový stimul Silnější než prahový stimul Motorická jednotka jeden neuron a všechny svalová vlákna jím inervovaná Stupňovaně pro celé svaly Síla stahu od slabé posilnou závisí na síle stimulu

Zdroje energie pro svalový stah Zdroje pro syntézu ATP Kreatinfosfát (CP) uložení zásobní energie během klidu Anaerobní glykolýza tvorba laktátu Aerobní dýchání odbourání glukosy na CO2 a H2O účinnější než anaerobní proces

Přenos vzruchu a stah srdečního svalu

Zpětné odčerpání Ca2+ Vápníkové pumpy – na membráně SR snížení koncentrace Ca2+ = uvolnění svalu zpětný pohyb je daleko pomalejší nez pohyb ven z SR = cyklus tvorby můstků pokračuje nějaký čas po skončení akčního potenciálu „rigor mortis“ = posmrtná ztuhlost

Konec