Biologické membrány, kompartmentalizace metabolických drah

Prezentace na téma: "Biologické membrány, kompartmentalizace metabolických drah"— Transkript prezentace:

1 Biologické membrány, kompartmentalizace metabolických drah
Bruno Sopko

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

3 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

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

5 Úvod – transport látek přes membránu
Difuse Usnadněná difuse Aktivní transport

6 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

7 Plazmatická membrána - tvorba

8 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:

9 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

10 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

11 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

12 GPI-kotvené proteiny

13 Formování Lipidových Raftů

14 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

15 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.)

16 Buněčné jádro

17 Buněčné jádro – transport látek přes jadernou membránu

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

19 Buněčné jádro – export RNA

20 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)

21 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

22 Mitochondrie – import proteinů

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

24 Mitochondrie –export ATP do cytosolu

25 Mitochondrie – import mastných kyselin pro -oxidaci

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

27 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

28 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

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

30 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

31 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“)

32 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

33 Peroxisomy - -oxidace mastných kyselin s velkým počtem uhlíků

34 Peroxisomy – syntéza plasmalogenů

35 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)

36 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

37 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

38 Cytoplasma/cytoskelet - intermediární filamenty

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

40 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

41 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

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

43 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: , 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, (1997) Alwin Köhler and Ed Hurt, Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm, NATURE Reviews, Molecular cell Biology volume 8, october 2007