BIOFYZIKA BUŇKY A TKÁNÍ

BIOFYZIKA BUŇKY A TKÁNÍ

Čtyři strukturně-organizační principy buňky Paměťový nukleové kyseliny (chromosomy, ribosomy) Membránový lipidy → membrány Cytoskeletální podpůrné vnitrobuněčné proteinové struktury (aktinová filamenta, střední filamenta, mikrotubuly) Stěnový (obalový) polysacharidy tvořící buněčné stěny mikroorganismů a rostlin; u živočichů se neuplatňuje

BUŇKA

Velikosti buněk a jejich částí

Vnitřní membrány a cytosol

(A) membránové oddíly v eukaryontních buňkách specializované na zvláštní funkce (B) cytosol – zbytek buňky

Struktura membrán  ve vodném prostředí se hydrofobní konce fosfolipidů seskupují, aby vytěsnily vodu  vzniká dvojvrstva s hydrofilními hlavičkami fosfolipidů obrácenými do vodného prostředí

Trojrozměrný pohled na buněčnou membránu

Fosfolipidové dvojné vrstvy  volné rozhraní fosfolipidů s vodou energeticky nevýhodné  fosfolipidové dvojné vrstvy se samovolně uzavírají samy do sebe  vytvářejí uzavřené oddíly  uzavřená struktura stabilní (nedochází k energeticky nepříznivému vystavení hydrofobních uhlovodíkových řetězců do vodného prostředí)

Struktury vytvářené fosfolipidy

Lipidová dvojná vrstva (ve vodném prostředí)

Micela ve vodném prostředí a v organickém rozpouštědle

Liposom ve vodném prostředí

Některé funkce plasmatické membrány

   

fyzikální bariéra příjem informace vstup a výstup molekul mechanické vlastnosti: schopnost pohybu a růstu

 receptory – rozpoznávají změny v okolí a reagují na ně  transportní proteiny – zajišťují selektivní transport látek  enzymy – snižují energii potřebnou pro buněčné reakce

Lipidy v plasmatické membráně

 fosfolipidy – pět typů  glykolipidy (s šestiúhelníkovými hlavičkami cukrů) všechny glykolipidové molekuly ve vnější monovrstvě membrány  cholesterol zastoupen přibližně rovnoměrně v obou monovrstvách

Pohyblivost fosfolipidů

Tři typy možných pohybů molekul fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvě (důsledek tepelných pohybů lipidových molekul)  laterální difúze  rotace  překlápění (flip-flop) – vzácně (méně než 1 za měsíc)

Tekutost lipidové dvojné vrstvy a membrány snadnost pohybu lipidových molekul ve dvojné vrstvě vrstvy s velkým obsahem nenasycených mastných kyselin tekutější (dvojná vazba = nepravidelnost)  umožňuje membránovým proteinům rychle difundovat v rovině membrány  způsob rychlé distribuce membránových lipidů (např. z místa syntézy)  umožňuje fúzi membrán

Úloha cholesterolu v buněčných membránách

cholesterol pouze v živočišných buňkách, snižuje tekutost membrán (A) struktura cholesterolu (B) představa, jak struktura zapadá do mezer mezi molekulami fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvě

Funkce proteinů plasmatické membrány

Protein má v membráně obvykle strukturu α-helixu

(A) transmembránový protein (B) protein spojený s membránou (lipidem) kovalentní vazbou (C) protein spojený s membránou (transmembránovým proteinem) nekovalentními interakcemi

Čtyři způsoby omezení laterální pohyblivosti proteinu plasmatické membrány

Omezení laterální pohyblivosti proteinů plasmatické membrány (A) připojení k buněčnému kortexu uvnitř buňky (B) připojení k molekulám extracelulární matrix (C) připojení k proteinům na povrchu jiné buňky (D) difúzní přepážky (černé obdélníčky) – udržují proteiny v určité membránové doméně

Buněčné membrány jako fyzikální bariéry

membrány jako fyzikální bariéry mezi dvěma oddíly – brání smísení molekul z jedné strany s molekulami z druhé strany (A) mezi vnitřkem buňky a vnějším prostředím (B) mezi dvěma intracelulárními oddíly

Procesy v membránách  tok energie  tok informace  tok hmoty (transport látek přes membránu)

Tok energie Přeměna minimálně 4 druhů energií Forma

Příklad

halobakterie zelené rostliny mitochondrie Volná energie oxidace zářivá energie sekundární aktivní transport syntéza ATP (ATP-syntáza) Gradient elektro-chemického pohyb bičíků potenciálu mitochondrie hnědého tuku elektrický orgán ryb primární aktivní transport neelektrolytů Energie chemické vazby primární aktivní transport iontů Zářivá energie

Mitochondrie pod světelným mikroskopem

Mitochondrie – generátory energie  téměř ve všech eukaryontních buňkách oxidují molekuly živin za vzniku užitečné chemické energie)  liší se v tvarech (v této kultivované savčí buňce jsou obarveny zeleně fluorescenčním barvivem, jádro modře)

Mitochondrie pozorovaná elektronovým mikroskopem

(B)

(A)

(C)

(A) příčný řez (B) trojrozměrné znázornění uspořádání mitochondriálních membrán – hladká vnější membrána a zprohýbané vnitřní membrány;vnitřní membrána obsahuje většinu proteinů zodpovědných za buněčnou respiraci (dýchání); poskládaná → dostatečný povrch (C) schematická buňka – vnitřní prostor mitochondrie obarven

Původ mitochondrie

Původ v bakteriích pohlcených dávnou eukaryontní buňkou, které v této buňce přežily a vytvořily s ní symbiotický vztah.

Umístění mitochondrií blízko míst vysoké spotřeby ATP

(A) v buňce srdečního svalu blízko kontraktilního aparátu. (B) ve spermii okolo ústřední části hnacího bičíku (k pohybu vyžaduje ATP)

Získávání energie v mitochondriích Chemiosmotické spřažení  přenos elektronů elektrontransportní řetězec  čerpání protonů proteinová pumpa  syntéza ATP ATP-syntáza (A) membrána, ve které je zanořena proteinová pumpa, ATP-syntáza a zdroj vysoko energetických elektronů (e-) a protonů (H+); pumpa využívá energii získanou při přenosu elektronů k čerpání protonů pocházejících z vody a k vytváření protonového gradientu přes membránu  (B) gradient – zásoba energie využitelné k pohonu syntézy ATP v ATP-syntáze (červená šipka – směr pohybu protonů)

Získávání energie v mitochondriích

 pohyb vysokoenergetického elektronu v elektrontransportním řetězci  část uvolněné energie vyžita k pohonu pump (dýchacích enzymových komplexů) – čerpání H+ z matrix mitochondrie  gradient elektrochemického potenciálu protonů +  H hnán zpět ATP syntázou  syntéza ATP z ADP a Pi (v matrix mitochondrie)

Hlavní přeměna energie katalyzovaná mitochondrií

 V oxidační fosforylaci se energie uvolněná při oxidaci NADH na NAD+ celou řadou procesů v membráně (přenos elektronů, čerpání protonů, tok protonů ATP-syntázou) ukládá do energeticky náročné fosforylace ADP za vzniku ATP  Vysokoenergetické elektrony uvolněné z NADH se pohybují podél elektrontransportního řetězce v membráně a nakonec se spojují s molekulovým kyslíkem a s H+ za vzniku vody.  Výsledná rovnice pro přenos elektronu: NADH + l/2 02 + H+ → NAD+ + H2O, dva elektrony přecházejí z NADH na kyslík

Čerpání protonů v mitochondriích

První stadium chemiosmotického spřažení: vstupující látky, produkty, tok elektronů

Energetický metabolismus v mitochondriích

 Pyruvát a mastné kyseliny vstupují do mitochondrie (zespoda), jsou odbourány na acetylkoenzym A a poté metabolizovány v cyklu kyseliny citronové – je NAD+ redukováno na NADH, FAD+ na FADH2 (druhá reakce není ukázána).  V oxidační fosforylaci se potom vysokoenergetické elektrony z NADH (a z FADH2) přenášejí v elektrontransportním řetězci ve vnitřní membráně na kyslík (O2).  Transport elektronů vytváří protonový gradient přes vnitřní membránu, který se využívá k pohonu tvorby ATP s pomocí ATPsyntázy.

Přenos elektronů přes tři dýchací enzymové komplexy ve vnitřní mitochondriální membráně

Během přenosu elektronů z NADH na kyslík (červené šipky) každý z dýchacích enzymových komplexů čerpá přes membránu protony pocházející z vody. Ubichinon (Q) a cytochrom c (c) slouží jako pohyblivé přenašeče, které dopravují elektrony od jednoho komplexu ke druhému.

Redoxní potenciál podél mitochondriálního elektrontransportního řetězce vzrůstá

Dvě složky gradientu elektrochemického potenciálu protonů přes vnitřní mitochondriální membránu

Celkový gradient elektrochemického potenciálu H+ přes vnitřní mitochondriání membránu složen z:  velké síly, která je výsledkem membránového potenciálu  menší síly, která je důsledkem koncentračního gradientu H+  obě síly  celková protonmotivní síla (vhání H+ do prostoru matrix)

ATP-syntáza

(A) schematická kresba hlava – F1-ATPáza a transmembránový sektor přenášející H+ – Fo; obě části složeny z mnoha podjednotek; řecká písmena označují jednotlivé podjednotky F1-ATPázy (B) trojrozměrná struktura F1-ATPázy, určená pomocí rentgenové krystalografie F1-ATPáza má název podle své schopnosti provádět obrácenou reakci syntézy ATP – hydrolýzu ATP na ADP a Pi, pokud je uvolněna z transmembránové části

ATP-syntáza zařízení pro vratné spřažení převod energie gradientu elektrochemického potenciálu protonů na energii chemické vazby nebo naopak

ATP-syntáza: (A) syntéza ATP (využívá energii gradientu H+ ) (B) hydrolýza ATP (čerpání protonů proti gradientu jejich elektrochemického potenciálu) Směr činnosti závisí na čisté změně volné energie (ΔG) pro spřažené přemísťování H+ přes membránu a syntézu ATP z ADP a Pi. Při poklesu gradientu elektrochemického potenciálu protonů pod určitou úroveň, nebude už ΔG pro transport H+ stačit k pohonu produkce ATP. ATP lze hydrolyzovat ATP-syntázou za účelem znovuustavení gradientu.

Otáčení bakteriálního bičíku je poháněno tokem protonů

 bičík připojen k řadě proteinů (proteinových kruhů) zanořených ve vnější a vnitřní (cytoplasmatické) membráně otáčejí bičíkem.  otáčení poháněno tokem protonů vnějším proteinovým kruhem (statorem)

Tok informace Fyzikální signály

Světlo Teplo Elektrický potenciál Magnetické pole Mechanický tlak

Projev, výskyt fotokineze, fototaxe, fotofobie u sinic enzymová aktivita u rostlin zrak u živočichů teplotně citlivá tělíska v kůži napěťově regulované kanály citlivost ryb a některých savců magnetobakterie, snad stěhovaví ptáci sluch (vláskové buňky středního ucha) přilnavost buněk k podloží pohyb listů rostlin hmat

Chemické signály Projev, výskyt chemotaxe, aerotaxe u bakterií Atraktanty a repelenty čich a chuť Vnější čichové a chuťové signály Vnitřní signály vícebuněčných organismů hormony, cytokiny a nervové mediátory Imunitní systém

makrofágy, T-buňky, B-buňky, komplement

Tok hmoty Relativní propustnost syntetické dvojné vrstvy lipidů pro jednotlivé třídy molekul Čím je molekula menší a čím méně ochotně interaguje s vodou (čím méně je polární), tím rychleji difunduje dvojnou vrstvou.

Mnohé z molekul, které buňka používá jako živiny, jsou příliš velké a polární na to, aby mohly čistou dvojnou vrstvou lipidu projít.

Membránové transportní proteiny

jsou zodpovědné za přenos malých ve vodě rozpustných molekul přes buněčné membrány (A) umělá dvojná vrstva lipidů – neobsahuje proteiny, nepropustná pro většinu ve vodě rozpustných látek (B) buněčná membrána – obsahuje proteiny, propustná pro látky rozpustné ve vodě  každý typ transportního proteinu specifický pro určitý typ molekuly  určitý typ solutů bude uvnitř buňky

Klidový membránový potenciál Tok iontů přes membránu měřitelný jako elektrický proud Hromadění iontů (není-li vyváženo hromaděním opačně nabitých iontů – akumulace elektrického náboje = membránový potenciál Klidový membránový potenciál při takovém ustáleném stavu, kdy je tok záporných a kladných iontů přes plasmatickou membránu vyvážen, takže se ani na jedné ani na druhé straně membrány nehromadí náboj. Vnitřek buňky záporný, proto záporný (–20 až –200 mV) Hlavní kationty: K+ Změna koncentrace (propustnosti) iontů → změna potenciálu → až kladné hodnoty

Nernstova rovnice Nernstova rovnice umožňuje vypočítat teoretický klidový potenciál, známe-li poměr vnitřní a vnější koncentrace iontů. Síla, která žene ion přes membránu, má dvě složky: první z nich je elektrický potenciál, druhou je gradient koncentrace tohoto iontu. V rovnováze jsou obě složky vyrovnány; tento stav popisuje Nernstova rovnice:

V  k  ln

ce ci

V membránový potenciál ve voltech; k konstanta závislá na teplotě a na náboji daného iontu; druhý výraz rovnice je přirozený logaritmus podílu extracelulární a intracelulární koncentrace iontu; konstanta k definována vztahem k = RT/zF, R plynová konstanta, T absolutní teplota v K a F Faradayova konstanta

Transport látek přes membrány  Prostá difúze (nespecifická permeace)  Usnadněná difúze

 Membránové transportní proteiny přenašeče (přenašečové proteiny) – transport změnou konformace kanály (kanálové proteiny – iontové kanály) hydrofilní póry

Difúze Veškeré látky mají tendenci přecházet z prostředí s vyšší koncentrací do prostředí s nižší koncentrací. Pokud se částice mohou pohybovat, rozptylují se do celého prostoru, kterého mohou dosáhnout, a postupně ve všech jeho částech vyrovnají svou koncentraci  látky difundují Hustota difúzního toku (tok látky) J: množství látky vyjádřené počtem molů, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní Difúze seřídí Fickovými zákony 1. Hustota difúzního toku (tok látky) je přímo úměrná koncentračnímu gradientu látky 2. Časová změna koncentrace látky v daném místě je úměrná prostorové změně gradientu koncentrace (konstanta úměrnosti difúzní koeficient)

J  D

dc dx

dJ d 2c  D 2 dt dx

D

kT 6 r

Osmóza Rozpouštědlo má tendenci pronikat přes polopropustné membrány do míst, kde je koncentrace osmoticky aktivních látek vyšší, a ředit je. Ve výsledku jsou tedy roztoky na obou stranách membrány stejně koncentrované. Osmotický tlak je jedna ze základních sil, které ovlivňují živé buňky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná.

Osmóza © Espero Publishing, s.r.o.

Pokud je koncentrace solutu uvnitř buňky vyšší než v okolí buňky, bude voda osmoticky vstupovat dovnitř a buňka nabobtná. Při dostatečně velkém rozdílu koncentrace rozpuštěné látky buňka praskne.

Osmóza

Tři způsoby, kterými se buňky vyhýbají osmotickému zbobtnání

(A) (B) (C)

živočišná buňka udržuje nízkou vnitřní koncentraci solutu aktivním odčerpává ionty rostlinná buňka před nabobtnáním a prasknutím chráněna tuhou stěnou prvok periodicky vystřikuje vodu nahromaděnou v buňce

Osmotický tlak

 jedna ze základních sil, které ovlivňují živé buňky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná  tlak toku rozpouštědla pronikajícího přes semipermeabilní (polopropustnou) membránu do roztoku, ve kterém je vyšší koncentrace rozpuštěných molekul nebo iontů  osmotický tlak: π = c·R·T závisí na teplotě a koncentraci roztoku c molární koncentrace, R molární plynová konstanta, T absolutní teplota

 tok rozpouštědla membránou: J = k · S · (π1- π2)

π1 a π2 osmotické tlaky roztoků oddělených membránou, k koeficient propustnosti

Transport látek přes membrány Pasivní – samovolně, pomocí kanálů a přenašečových proteinů  gradient koncentrace  membránový potenciál (cytoplazmatická strana obvykle záporný náboj)  celková síla = gradient elektrochemického potenciálu  prostá difúze  usnadněná difúze  kanály Aktivní – vyžaduje přísun energie, pomocí přenašečových proteinů  pumpy poháněné ATP  pumpy poháněné světlem  spřažené přenašeče  primární transport zdrojem energie chemická nebo fotochemická reakce  sekundární transport zdrojem energie gradient elektrochemického potenciálu

Srovnání aktivního a pasivního transportu

Nenabité soluty dostatečně malé → samovolný pohyb přes dvojnou vrstvu lipidů prostou difuzí (např. ethanol, oxid uhličitý, kyslík). Většina proteinů může procházet jen s pomocí transportního proteinu (přenašeče nebo kanálu). pasivní transport podél (koncentračního) gradientu přenašeče i kanály – probíhá samovolně aktivní transport proti (koncentračnímu) gradientu přenašečové proteiny – vyžaduje přísun energie

Dvě složky gradientu elektrochemického potenciálu

Čistá hnací síla (gradient elektrochemického potenciálu), díky níž se nabitá částice solutu (ion) pohybuje přes membránu: společným vlivem koncentračního gradientu solutu a napětí přes membránu (membránovým potenciálem). Šířka zelené šipky představuje velikost gradientu elektrochemického potenciálu pro stejný kladně nabitý solut ve třech různých situacích. (A) působí jen koncentrační gradient (B) vliv koncentračního gradientu doplněn membránovým potenciálem zvětšujícím hnací sílu (C) membránový potenciál snižuje hnací sílu, vyvolanou koncentračním gradientem.

Přenašečový a kanálový protein

Přenašečový protein  konformační změny umožňují přenos malých ve vodě rozpustných molekul přes lipidovou dvojnou vrstvu  řada konformačních změn

Kanálový protein  hydrofilní pór přes lipidovou dvojnou vrstvu, difúze specifických anorg. iontů  konformace otevřená nebo zavřená  větší rychlost transportu

Tři cesty řízení aktivního transportu

 spřažený transport  pumpy poháněné ATP  pumpy poháněné světlem aktivně přenášená molekula vyznačena žlutě, a zdroj energie červeně

Tři typy transportu přenašečovými proteiny

Uniport: přenos jediného solutu Spřažený transport: přenos jednoho solutu závisí na současném nebo následném přenosu jiného solutu symport: ve stejném směru antiport: v opačném směru Uniport, symport i antiport při pasivním i aktivním transportu

Usnadněná difúze

 přenašečový protein – pasivní transport  pro určité velké molekuly je fosfolipidová dvojná vrstva nepropustná (např. glukóza)  přechod přes buněčnou membránu umožňují přenašečové proteiny  změna konformace přenašečového proteinu  přenašečové proteiny specifické pro jednotlivé molekuly a ionty přesně určují, které látky jsou přenášeny  směr transportu přes membránu vždy po koncentračním spádu (možné přechody A↔B i B↔A)

Sodno-draselná pumpa

   

přenašečový protein – aktivní transport (primární) využívá energii z hydrolýzy ATP čerpání Na+ z buňky a K+ do buňky v obou případech proti gradientu elektrochemického potenciálu iontu  ouabain – droga, váže se na pumpu, inhibuje její aktivitu tím, že brání navázání K+

Jens Christian Skou v roce 1957 objev sodno-draselné pumpy (Na+/K+-ATPázy) (Department of Physiology, University of Aarhus, Dánsko) Nobelova cena 1997 "for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+,K+ -ATPase"

Schematický model čerpacího cyklu sodno-draselné pumpy Navázání Na+ (1) a následná fosforylace cytosolové strany pumpy ATP (2) → konformační změna, přenos Na+ přes membránu vně buňky (3). Energii pro konformační změnu poskytuje vysoce energetická vazba fosforylu na protein. Navázání K+ na vnější povrch (4) a následná defosforylace (5) vrátí protein zpět do původní konformace, čímž dojde k přenosu K+ přes membránu a jeho uvolnění do cytosolu (6). pro jednoduchost jen po jednom vazebném místě pro Na+ i K+ ve skutečné pumpě v savčích buňkách jsou zřejmě 3 vazebná místa pro Na+ a 2 vazebná místa pro K+ → čistým výsledkem jednoho cyklu pumpy přenos 3 Na+ ven z buňky a 2 K+ do buňky

Spřažené přenašeče (symport a antiport)

 přenašečový protein – aktivní transport (sekundární)  spřažený přenašeč (přenašeč glukosy – proti koncentračnímu spádu – poháněn gradientem Na)  zdrojem gradientu elektrochemického potenciálu Na+  Na a glukosa se na přenašeč dobře vážou, ale pouze pokud jsou spolu  navázání Na+ → konformační změna → zvýšení afinity ke glukose ( a naopak) koncentrace Na+: extracelulární prostor » cytosol proto A → B pravděpodobnější než B → A výsledek: přenos glukosy a Na+ do buňky

Kanály – kanálové proteiny – iontové kanály

Liší se  iontovou selektivitou  podmínkami uzavírání

Kanály řízené  napětím – změna napětí přes membránu  aktivované mechanicky – mechanické podráždění  regulované chemicky (ligandem) – navázání chemické látky ke kanálu na vnější nebo vnitřní straně buňky Pasivní transport

Řízené iontové kanály

V závislosti na typu iontového kanálu se hradlo otevírá v reakci (A) na změnu napětí přes membránu (B) na navázání chemické látky ke kanálu na vnější straně buňky (C) na navázání chemické látky ke kanálu na vnitřní straně buňky (D) na mechanické podráždění

Struktura iontového kanálu

Struktura iontového kanálu  na obrázku iontový kanál z plasmatické membrány svalových buněk  otevírá se při navázání nervového mediátoru acetylcholinu na strukturu kanálu  iontový kanál složen z pěti transmembránových proteinových podjednotek, které se spojují za vzniku vodného póru napříč dvojnou vrstvou lipidů  pór ohraničen pěti transmembránovými α-helixy (1 helix z každé podjednotky)  záporně nabité postranní řetězce aminokyselin na obou koncích póru zajišťují, že pórem mohou procházet jen kladně nabité ionty, především Na+ nebo K+ (kanály jsou vysoce selektivní)  kanál v uzavřené konformaci → pór v oblasti zvané hradlo obklopen hydrofobními postranními řetězci aminokyselin.  vazba acetylcholinu → konformační změna → postranní řetězce se navzájem vzdalují → otevření hradla  Na+ nebo K+ mohou procházet přes membránu po spádu svého elektrochemického potenciálu  i při navázaném acetylcholinu kanál náhodně přechází z otevřeného stavu do uzavřeného a naopak; bez navázaného acetylcholinu se otevírá zřídka

Kanály regulované napětím

Konformace (sodný kanál) vysoce polarizovaná membrána → nejstálejší kanál zavřený depolarizovaná membrána → otevření kanálu → poté inaktivace kanálu repolarizace membrány → uzavření kanálu

Kanály regulované chemicky

Přeměna elektrického signálu v chemický v místě nervového zakončení

Přeměna chemického signálu v elektrický pomocí mediátorem ovládaných iontových kanálů v synapsi

Kanály regulované mechanicky

(A) Řez Cortiho orgánem (podél hlemýždě vnitřního ucha). Každá vlásková buňka vnitřního ucha – výběžky (stereocilia), vyčnívají z horní části povrchu. Vláskové buňky zanořeny ve vrstvě podpůrných buněk, tvořících vrstvu mezi bazilární membránou pod nimi a tektoriální membránou nad nimi. (B) Zvukové vibrace rozkmitají bazilární membránu → naklánění stereocilií. Každé spojeno tenkým vláknem s dalším, kratším stereociliem. Nakláněním vlákna napínána → otevírají mechanicky ovládané iontové kanály v membráně stereocilií, → vstup K+ → aktivace vláskových buněk → stimulace sluchových nervů → signál do mozku Mechanismus vláskových buněk vnitřního ucha velice citlivý: síla potřebná k otevření jediného kanálu asi 2l0-13 N, nejjemnější zvuky pohnou vlákny přibližně o 0,04 nm, (méně než průměr atomu vodíku).

CYTOSKELET

Kožní buňka byla fixována a obarvena Coomassie-modří, která barví všechny proteiny.

Tři typy proteinových filament, která vytvářejí cytoskelet aktinová filamenta střední filamenta mikrotubuly značeno různými fluorescenčními barvivy

Cytoskelet Proteinová vlákna poskytují všem eukaryontním buňkám vnitřní síť – pomáhá organizovat vnitřní aktivity, základní zařízení pro pohyb buňky a změny jejího tvaru Aktinová filamenta (mikrofilamenta) – šroubovité polymery proteinu aktinu; pružné struktury o průměru 7 nm, organizované do lineárních svazků, dvourozměrných sítí a trojrozměrných gelů; rozložena po celé buňce, nejkoncentrovanější v kortexu, těsně pod plasmatickou membránou Intermediární (střední) filamenta – provazovitá vlákna o průměru 10 nm; tvořena řadou proteinů; např. pletivo zvané jaderná lamina těsně pod vnitřní jadernou membránou, jiné typy pronikají cytoplasmou přes celou šířku buňky, dodávají jí mechanickou pevnost a vyrovnávají tlaky na buňky Mikrotubuly – dlouhé duté trubice tvořené proteinem tubulinem; vnější průměr 25 nm; nejpevnější; mikrotubuly jsou dlouhé a rovné, obvykle jeden konec připojen k organizačnímu centru mikrotubulů (centrosom)

Stavba středního filamenta Elektronmikroskopický snímek hotová střední filamenta o průměru 10 nm

Schéma (A) monomer proteinu středního filamenta složený ze střední tyčinkovité oblasti a z globulárních oblastí na obou koncích (B) páry monomerů se spojují do dimerů (C) dva dimery se spojují paralelně s určitým posunem a vytvářejí tetramer (D) tetramery se uspořádávají spojením svých konců (E) tetramery se skládají do stočené struktury připomínající lano (zobrazeno také rozvinutí do plochy)

Tři typická místa výskytu mikrotubulů v eukaryontních buňkách

Na rozdíl od středních filament, z organizačního centra, jako jsou (A) centrosom, (B) pól dělicího vřeténka, nebo (C) bazální tělísko řasinek.

mikrotubuly

vyrůstají

(A)

Struktura mikrotubulu  13 podjednotek, z nichž každá odpovídá jednomu tubulinovému αβ-dimeru  paralelní řady – protofilamenta  polární struktura (B)

(A)

(B) (C a D) (C) (D) (E)

příčný řez mikrotubulem – kružnice z 13 podjednotek, každá odpovídá jednomu tubulinovému dimeru boční pohled na mikrotubulus v elektronovém mikroskopu schematické zobrazení mikrotubulu, z něhož je patrné, jak se molekuly tubulinu vážou ve stěně mikrotubulu 13 molekul tubulinu na příčném řezu boční pohled na krátký úsek mikrotubulu s tubulinovými molekulami seřazenými do paralelních řad – protofilament schéma jedné tubulinové molekuly (nahoře – αβ-dimer) a jednoho protofilamenta (dole) ve stěně mikrotubulu; tubulinové molekuly v protofilamentech uspořádány jedním směrem, mikrotubulus má strukturní polaritu

Růst a smršťování seskupení mikrotubulů

Seskupení mikrotubulů, ukotvených na centrosomu, se neustále mění, jak nové mikrotubuly rostou a starší mikrotubuly se zkracují.

Kontrola růstu mikrotubulů

Tubulinové dimery nesoucí GTP se vážou jeden k druhému pevněji než tubulinové dimery s navázaným GDP.  mikrotubuly s čerstvě přidanými tubulinovými dimery s navázaným GTP mají tendenci pokračovat v růstu  občas v „GTP-čepičce“ hydrolýza GTP na GDP dříve, než se stačí navázat nové tubulinové dimery nesoucí GTP  ztráta GTPčepičky; dimery s navázaným GDP jsou v tubulinovém polymeru méně pevně vázány a mohou být rychle uvolněny z volného konce mikrotubulů, takže se mikrotubulus začne rychle zkracovat

Selektivní stabilizace mikrotubulů

Nově vytvořený mikrotubulus může v buňce přetrvávat, pouze když jsou oba jeho konce chráněny před depolymerací.  minus-konec mikrotubulu chráněn organizačním centrem, z něhož mikrotubulus vyrůstá  plus-konce nejprve volné, mohou být stabilizovány navázáním jiných proteinů (A) nepolarizovaná buňka s novými mikrotubuly vyrůstajícími z centrosomu a zkracujícími se nazpět k centrosomu zcela náhodně všemi směry (B) některé z mikrotubulů se v buněčném kortexu navážou na speciální proteiny vytvářející čepičku mikrotubulu (capping proteins), dojde ke stabilizaci volného plus-konce mikrotubulů (C) to způsobí rychlou změnu orientace soustavy mikrotubulů a (D) silnou polarizaci buňky

Molekulové motory spojené s mikrotubuly (D)

(A)

(B)

(C)

(A) kinesiny a cytoplasmatické dyneiny – molekulové motory pohybující se v opačném směru podél mikrotubulů; skládají ze dvou stejných těžkých řetězců a z několika menších lehkých řetězců; těžký řetězec vytváří globulární hlavičku interagujíící s mikrotubuly (B) elektronmikroskopický snímek dyneinu (C) elektronmikroskopický snímek kinesinu (D) kresba proteinu – molekulového motoru ukazující ATP-závislé „kráčení“ podél mikrotubulu

Pohyb kinesinu podél mikrotubulu

(A) elektronmikroskopický snímek molekuly kinesinu se dvěma globulárními hlavičkami (červené šipky) (B) tři snímky pořízené v sekundových intervalech zachycují pohyb molekuly kinesinu značeného GFP (zeleně) podél mikrotubulu (červeně) rychlostí 0,3 µm/s (C) molekulární model kinesinu znázorňující kráčení podél mikrotubulu (krok 8 nm)

alosterický motorový protein

Molekulové motory transportují náklady podél mikrotubulů

 kinesiny se pohybují k směrem k plus-konci mikrotubulů  dyneiny se pohybují k minus-konci mikrotubulů  oba typy molekulárních motorů existují v mnoha formách, přenášejí rozdílné náklady  druhý konec proteinu – molekulového motoru určuje, jaký náklad je protein schopen přenášet

Umísťování organel pomocí mikrotubulů

(B) – ER – kinesiny

(C) – Golgi – dyneiny

mikrotubuly, endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát, buněčné jádro, centrosomy

(A) schematické znázornění buňky s vyznačeným typickým uspořádání: mikrotubuly, endoplasmatické retikulum a Golgiho aparát; buněčné jádro, centrosomy (B) buňka obarvená protilátkami k bílkovinám endoplasmatického retikula (horní obrázek) a k mikrotubulům (spodní obrázek); molekulové motory roztahují endoplasmatické retikulum podél mikrotubulů (C) buňka obarvená protilátkami ke složkám Golgiho aparátu (horní obrázek) a k mikrotubulům (spodní obrázek); molekulové motory posunují Golgiho aparát do středu buňky, do polohy poblíž centrosomu

Uspořádání mikrotubulů v řasince a bičíku

(A)

(B)

(A) elektronmikroskopický snímek příčného řezu bičíkem Chlamydomonas (uspořádání mikrotubulů „9+2“) (B) schéma příčného řezu bičíkem: Devět vnějších zdvojených mikrotubulů nesou dvě řady dyneinových molekul. Hlavičky dyneinů – dvojice ramen, dosahující na sousední mikrotubulus. V živé buňce se dyneinové hlavičky periodicky připojují k sousedním mikrotubulům a posunují se po nich, čímž vytvářejí sílu potřebnou pro údery bičíku nebo řasinky. Další proteiny na obrázku spojují svazky mikrotubulů a přetvářejí posuvný pohyb, vytvářený dyneiny, na ohyb bičíku.

Řasinky

Elektronmikroskopický snímek řasinkového epitelu dýchacího traktu člověka. Silné svazky řasinek na řasinkových buňkách se střídají s vypouklými povrchy epiteliálních buněk, nenesoucích řasinky. pohyb v cyklu: silový úder a fáze návratu; cyklus trvá 0,1–0,2 vteřiny a generuje sílu kolmou k ose řasinky  rychlý silový úder: řasinka plně natažena a tekutina je prohnána po povrchu buňky  pomalejší fáze návratu: řasinka se prohýbá a dostává do výchozí pozice bez vyvolání silnější turbulence v okolní tekutině

Bičíky Opakované vlnité pohyby bičíku spermie. Zelená řasa Chlamydomonas plave pomocí dvojice bičíků, jež vykonávají opakované pohyby připomínající plavecký styl prsa. (A) dvojice vnějších mikrotubulů s navázanými dyneiny, uvolněnými ze struktury bičíku; za přítomnosti ATP se v důsledku opakované činnosti dyneinů dvojice mikrotubulů teleskopicky posunují jedna vůči druhé (B) v kompletním bičíku dvojice mikrotubulů spjaty příčnými proteinovými spojkami, posun dyneinů vyvolává prohnutí celého bičíku

Svazky aktinových vláken v buňkách

Aktinové buněčné struktury (A) Mikroklky na povrchu střevní výstelky. (B) Kontraktilní svazky v cytoplasmě. (C) Listovité (lamellipodia) a prstovité (filopodia) výběžky na vedoucím okraji pohybující se buňky. (D) Kontraktilní prstenec během buněčného dělení.

Aktinová vlákna (A)

(B)

(C)

(A) elektronmikroskopický snímek aktinových vláken (B) uspořádání aktinových molekul v aktinovém filamentu (vlákno je dvojšroubovice se závitem opakujícím se každých 37 nm), silné interakce mezi vlákny zabraňují rozvolnění šroubovice (C) shodné podjednotky aktinového filamenta zobrazeny stejnou barvou (zdůraznění těsných interakcí mezi každou aktinovou molekulou a čtyřmi dalšími molekulami s ní sousedícími)

Polymerace aktinu

Aktinové monomery v cytosolu nesou ATP → hydrolyzován na ADP krátce po zapojení monomerů do rostoucího aktinového vlákna. Molekuly ADP zachyceny uvnitř aktinového vlákna bez možnosti výměny za ATP, dokud se aktinové monomery, který je nesou, neoddělí od filamenta a nedostanou se zpět do monomerní formy.

Myosiny (A)

(B)

(C)

myosin I: jednořetězcová molekula s jednou globulární hlavičkou a koncem, který se může vázat k jiné molekule nebo k buněčné organele; napojená molekula či organela tažena podél drah, vytýčených aktinovými vlákny myosin II: složen ze dvou identických myosinových molekul, má dvě globulární hlavičky a konec ve formě stočené šroubovice myosinové vlákno: konce myosinu II se mohou navzájem spojovat a vytvářet myosinové vlákno, hlavy myosinu II trčí navenek; holá oblast uprostřed vlákna složená pouze z konců vláken

Funkce myosinu v eukaryontních buňkách

Hlavičky myosinů se pohybují po aktinových filamentech směrem k jejich plus-koncům.  krátký konec molekuly myosinu I obsahuje vazebná místa pro různé buněčné složky, včetně membrán (A) pohyb membránových váčků podél aktinových vláken (C) pohyb aktinovým filamentem vzhledem k plasmatické membráně  malá vlákna složená z molekul myosinu II schopna posunovat aktinová vlákna proti sobě → místní zkracování svazků aktinových vláken (B)

TKÁNĚ Tkáně tvoří  buňky s vnitřní sítí cytoskeletálních filament  extracelulární matrix  cévy, nervy a další komponenty Rozdělení tkání  svalové  epitelové (epiteliální)  pojivové  nervové

TKÁNĚ  buňky mnohobuněčného organismu uspořádány do spolupracujících uskupení – tkání (např. nervové, pojivové, svalové, epitelové)  tvořeny buňkami s jejich vnitřní sítí cytoskeletálních filament a extracelulární matrix  extracelulární matrix dává podpůrným tkáním pevnost  buňky navzájem spojeny pomocí extracelulární matrix nebo přímým kontaktem  spoje mezi buňkami v pružných a pohyblivých tkáních živočichů přenášejí síly z cytoskeletu jedné buňky do sousední nebo z cytoskeletu buňky na extracelulární matrix  stejně jako se budova neobejde bez rozvodných sítí, telefonních linek a dalšího vybavení, potřebuje živočišná tkáň krevní cévy, nervy a další komponenty vytvářené mnoha specializovanými buněčnými typy

Organizace buněk ve tkáních

Příčný řez stěnou savčího střeva tkáň epitelová, pojivová, svalová tkáně složeny z organizovaného shluku buněk, navzájem spojených na základě mezibuněčných adhezí, pomocí extracelulární matrix nebo oběma způsoby

Tři klíčové faktory, které udržují buněčnou organizaci tkání

signály od ostatních buněk selektivní mezibuněčná vazba genová exprese – uchování charakteru, přenos na potomstvo

Tři klíčové faktory, které udržují buněčnou organizaci tkání Tkáně jsou propojením mnoha buněčných typů, které musí zůstat odlišné jeden od druhého v průběhu koexistence ve stejném prostředí. Buňky téměř všech dospělých tkání neustále umírají a jsou nahrazovány novými; v průběhu buněčné a tkáňové obnovy musí zůstat organizace tkáně zachována. Umožněno třemi faktory: Buněčná komunikace: Každý typ specializovaných buněk neustále kontroluje své okolí a vnímá signály od ostatních buněk, podle toho přizpůsobuje svoji proliferaci a vlastnosti; nové buňky vznikají pouze tehdy a tam, kde jich je třeba. Selektivní mezibuněčná adheze: Různé buněčné typy mají tendence selektivně se vázat homofilní vazbou k ostatním buňkám stejného typu, vytvářet kontakty s určitými jinými buněčnými typy nebo se specifickými složkami extracelulární matrix. Selektivní adheze zabraňuje chaotickému promíchání různých buněčných typů v tkáni. Buněčná paměť: Speciální formy genové exprese vyvolané signály působícími v průběhu embryonálního vývoje jsou stabilně udržovány, takže si buňky autonomně uchovávají svůj určitý charakter a přenášejí ho na své potomstvo.

   

SVALOVÉ TKÁNĚ epitelové tkáně pojivové tkáně nervové tkáně

Kosterní svalová buňka

Mnohojaderné buňky (svalová vlákna), 50 μm v průměru, dlouhé i několik centimetrů; četné myofibrily, s pravidelným uspořádáním vláken aktinu a myosinu (příčně pruhovaný vzhled myofibril).

Elektronmikroskopický snímek podélného řezu kosterní svalové buňky králíka při malém zvětšení (pravidelné uspořádání sarkomer, kontraktilních jednotek myofibril).

Sarkomery Detail snímku kosterní svalové buňky (dvě paralelní myofibrily s jednou celou sarkomerou a dvěma polovinami sarkomer). Schematické zobrazení sarkomery, původ tmavých a světlých pruhů, viditelných pod mikroskopem. Z-disky na obou stranách sarkomery jsou místy, kam se upínají aktinová vlákna; uprostřed silná vlákna, každé sestává z mnoha molekul myosinu II.

Svalový stah

Myosinová a aktinová vlákna sarkomery se překrývají symetricky na obou stranách od středové linie sarkomery; aktinová vlákna ukotvena svými plus-konci na Z-disku; myosinová vlákna bipolární. Během stahu se aktinová a myosinová vlákna vzájemně posunují, aniž by se sama zkracovala; posunování poháněno myosinovými hlavičkami, kráčejí směrem k plus-koncům aktinových vláken.

Cyklus změn, pomocí nichž dochází ke „kráčení“ molekul myosinu podél aktinového vlákna

PŘIPOJENÍ Na začátku cyklu je myosinová hlavička bez navázaného nukleotidu pevně spojena s aktinovým vláknem v tzv. rigorové konfiguraci (podle rigor mortis, což je mrtvolná tuhost). V aktivně se zkracujícím svalu je tato fáze velmi krátká a obvykle se ukončí navázáním ATP. UVOLNĚNÍ Molekula ATP se váže k velkému zářezu na „zadní“ straně hlavičky, tedy co nejdále od aktinového vlákna, a okamžitě způsobuje drobnou změnu v konformaci těch domén, které tvoří aktin-vázající místo. To snižuje afinitu hlavičky vůči aktinu a dovoluje mu pohyb podél vlákna. (Prostor tady nakreslený mezi hlavičkou a aktinem zdůrazňuje tuto změnu, i když ve skutečnosti zřejmě zůstává hlavička velmi blízko aktinu.) NAKLONĚNÍ Zářez se uzavře kolem molekuly ATP jako škeble a spustí tak mohutnou změnu tvaru, která vede k tomu, že se hlavička posune podél vlákna o přibližně 5 nm. Dojde k hydrolýze ATP, ale ADP a Pi zůstávají vázány k proteinu. SILOVÝ ZÁBĚR Slabá vazba myosinové hlavičky na novém místě na aktinovém vlákně způsobí uvolnění anorganického fosfátu z hydrolýzy ATP, za současného pevného navázání hlavičky na aktinové vlákno. Toto uvolnění fosfátu spouští „silový záběr“, což je silotvorná změna tvaru molekuly, při níž hlavička získá zpět svoji původní konformaci. Během silového záběru ztrácí hlavička navázaný ADP, a vrací se tak na start nového cyklu. PŘIPOJENÍ Na konci cyklu se myosinová hlavička opět octne v těsném sevření s aktinovým vláknem v rigorové konfiguraci. Všimněte si, že hlavička se po aktinovém vlákně posunula do nové polohy.

   

svalové tkáně EPITELOVÉ TKÁNĚ pojivové tkáně nervové tkáně

Střední filamenta zpevňují živočišné buňky

 vrstva epiteliálních buněk natažena vnějšími silami (vznikajícími např. růstem nebo pohybem okolní tkáně) → síť tvořená středními filamenty a desmosomy roztažena → bude omezovat míru natažení  pokud by v epitelu byly přítomny pouze desmosomy bez středních filament, stejné vnější síly by způsobily silnou deformaci buněk, vedoucí až k roztržení plasmatické membrány a poškození epitelu

Souhrnné schéma hlavních typů mezibuněčných spojů v epitelech živočichů

Těsné spoje jsou charakteristické pro epitely; ostatní spoje v modifikované podobě také v různých mimoepiteliálních tkáních.

Těsné spoje – bariéra proti difúzi

(C)

(A) malé značené molekuly přidané na jednu stranu epitelu nemohou projít přes těsné spoje, které pevně připojují sousední buňky k sobě. (B) elektronmikroskopický snímek buněk epitelu s přídavkem malé značené molekuly (tmavě obarvená) na apikální stranu (vlevo) i bazolaterální stranu (vpravo); značené molekuly zastaveny těsnými spoji. (C) model struktury těsného spoje ukazuje, jak jsou buňky pravděpodobně připojeny k sobě proteiny ve vnější vrstvě lipidové dvojité vrstvy plasmatické membrány.

Molekuly kadherinu zprostředkovávají mechanické připojení jedné buňky k druhé

Dvě stejné molekuly kadherinů v plasmatických membránách sousedních buněk se vzájemně vážou; intracelulárně jsou prostřednictvím spojníkových proteinů připojeny k cytoskeletálním vláknům.

Adhezní pásy (pásové desmosomy) epiteliálních buněk tenkého střeva (mechanické spoje) Blízko vrcholu každé buňky pod cytoplasmatickým povrchem plasmatické membrány kontraktilní svazek aktinových filament spojený se svazkem aktinových filament v sousedních buňkách pomocí kadherinových molekul, které procházejí buněčnými membránami.

Ohýbající se epiteliální list tvoří trubici nebo váček Kontrakce svazku aktinových filament, která jsou mezi buňkami propojena mechanickými spoji, způsobuje zúžení epiteliálních buněk na jejich apikální straně. Podle toho, zda je kontrakce orientována podle jedné osy nebo rovnoměrně ve všech směrech, se epitel stáčí buď do trubice nebo invaginuje a vytváří váček. Tvorba nervové trubice; elektronmikroskopický snímek ukazuje kolmý řez trupem dvoudenního kuřecího embrya (část epitelu, který pokrývá povrch embrya, zesílila, apikální kontrakcí se stočila do trubice a připravuje se k oddělení, aby se z ní stala samostatná vnitřní struktura). Tvorba čočky; část povrchového epitelu pokrývajícího zárodečný základ oční sítnice se vydul a nakonec se odštěpil jako samostatný čočkový váček uvnitř očního pohárku.

Desmosomy

(A) spojení dvou buněk v epidermis čolka a přichycení keratinových filament (B) desmosom – na cytoplasmatickém povrchu každé z membrán destička z intracelulárních příchytných proteinů, na vnitřní straně intermediární filamenta (keratinová), na vnější straně proteiny z kadherinové rodiny (procházejí membránou a vážou obě buňky k sobě); pevnost v tahu – hojné na exponovaných epitelech (kůže) (C) lidská epidermis se svazky keratinových filament, procházejí cytoplasmou jedné z hlouběji uložených buněk k desmosomům, kterými je buňka spojena se svými sousedy; mezi sousedními buňkami otevřené kanály, přes metabolicky aktivní tkáň volně difundují živiny

Hemidesmosom ukotvuje keratinová filamenta epiteliální buňky k bazální membráně

Epiteliální buňky musí být, kromě pevného připojení jedna k druhé, ukotveny ke tkáním ležícím pod nimi. Ukotvení je zprostředkováno integriny – proteiny bazální plasmatické membrány epiteliálních buněk. Vně se vážou k lamininu v bazální lamině; uvnitř buňky ke keratinovým filamentům → struktura podobá polovině desmosomu hemidesmosomy.

Mezerové spoje

Tenký řez mezerovým spojem mezi dvěma buňkami v kultuře na snímku z elektronového mikroskopu.

Interagující plasmatické membrány dvou sousedních buněk. Přiložené dvojné vrstvy lipidů prostoupeny proteinovými komplexy (konexony) složenými ze šesti stejných proteinových podjednotek, tzv. konexinů. Dva konexony se spojují a přemosťují štěrbinu mezi buňkami a vytváří mezi nimi pro vodu propustný kanál.

   

svalové tkáně epiteliální tkáně POJIVOVÉ TKÁNĚ nervové tkáně

Pojivové tkáně Buňky Mezibuněčná hmota

Kloubní chrupavka

kolagen chondrocyt

proteoglykan

Kolagen Molekula: tři dlouhé polypeptidové řetězce – v každé třetí poloze glycin → pravidelná struktura → možnost vzájemného ovíjení → dlouhá pravidelná trojšroubovice

← kolagenová vlákna ← kolagenová fibrila ← trojšroubovicová molekula kolagenu ← jednoduchý polypeptidový řetězec kolagenu

Kolagen

V exrtacelulární hmotě uspořádání s rozmanitou orientací (paralelní svazky, sítě, vrstvy s různou orientací…).  sekrece v podobě prokolagenu → přídavné peptidy zabraňují uspořádání do fibril  po odštěpení kolagenázou (extracelulárně) → fibrily pouze vně buňky

Hyperelastická kůže James Morris, „muž s elastickou kůží“, na fotografii přibližně z roku 1890. Abnormálně roztažitelná kůže je příznakem genetického syndromu, který je důsledkem chyby v sestavování nebo zesíťování kolagenu. U některých jedinců je příčinou nepřítomnost kolagenázy, která přeměňuje prokolagen na kolagen.

Elastin

 volné a nečleněné polypeptidové řetězce kovalentně spojeny do elastické síťoviny  příčinou elasticity schopnost molekul proteinu reverzibilně se rozvinout při napětí  natahování a stahování bez roztržení (kůže, tepny, plíce)

Molekulové spojení extracelulární matrix a cytoskeletu u živočišné buňky

(A) schéma a (B) fotografie molekuly fibronektinu (C) transmembránové spojení zprostředkované integrinovou molekulou: molekula integrinu přenáší napětí přes plasmatickou membránu – uvnitř buňky je připojena k cytoskeletu a vně přes fibronektin k extracelulární matrix; plasmatická membrána tedy nemusí být pevná

Proteoglykanový agregát z chrupavky

Elektronmikroskopický snímek agregátu rozprostřeného do plochy (mnoho volných podjednotek – ve skutečnosti také velkých proteoglykanových molekul).

Schematický nákres obřího agregátu, ukazující jeho stavbu z GAG a proteinů. Molekulová hmotnost komplexu i více než 100 MDa; zaujímá prostor ekvivalentní bakterii, (2  10-12 cm3).

Kyselina hyaluronová, relativně jednoduchý GAG

Tvořena jedním dlouhým řetězcem z více než 25 000 opakujících se disacharidových jednotek, každá záporný náboj. Jedním ze sacharidových monomerů každého disacharidu aminocukr. Mnoho GAG obsahuje další záporně nabité postranní skupiny, převážně sulfáty.

   

svalové tkáně epitelové tkáně pojivové tkáně NERVOVÉ TKÁNĚ

Signalizace v nervových buňkách  Signál → změna membránového potenciálu pasivní šíření signálu – nevhodné → aktivní signální mechanismus  Akční potenciál (nervový impuls) – putující vlna elektrického vzruchu – na konec axonu (nervového zakončení)  Přeměna elektrického signálu v chemický – nervové mediátory  Přeměna chemického signálu v elektrický  Vzrušivá a tlumivá synapse – excitační a inhibiční mediátory

Akční potenciál

červená křivka  klidový membránový potenciál: –60 mV  akční potenciál: po depolarizaci membrány asi o 20 mV →  membránový potenciál –40 mV – prahová hodnota pro spuštění akčního potenciálu  po spuštění akčního potenciálu, rychlá depolarizace membrány → membránový potenciál +40 mV  po průchodu akčního potenciálu návrat ke klidové hodnotě –60 mV zelená křivka ukazuje, jak by se membránový potenciál po počátečním depolarizačním podnětu postupně vracel ke své klidové hodnotě, pokud by v plasmatické membráně nebyly žádné napěťově ovládané iontové kanály

Tok iontů a akční potenciál

 akční potenciál spuštěn krátkým elektrický impulsem  depolarizace membrány  otevření a následná inaktivace elektricky ovládaných sodných kanálů  ani při opětovné stimulaci nemůže membrána vytvořit další akční potenciál, dokud se kanály nevrátí z inaktivované do uzavřené konformace

Šíření akčního potenciálu podél axonu (A) napětí, které by bylo možné zaznamenat z řady intracelulárních elektrod umístěných v pravidelných vzdálenostech od sebe podél axonu → akční potenciál neslábne (B) změny v Na+-kanálech a tocích proudu dávají vznik membránovému potenciálu; oblast axonu s depolarizovanou membránou: Akční potenciál se může šířit jen dopředu, inaktivace sodných kanálů brání šíření depolarizace opačným směrem.

Přeměna signálů v synapsi

Akční potenciál v nervovém zakončení → otevření elektricky ovládaných Ca2+-kanálů v plasmatické membráně → vápenaté ionty do zakončení nervové buňky. Zvýšená koncentrace Ca2+ v nervovém zakončení stimuluje synaptické váčky k fúzi s presynaptickou membránou, při níž se uvolní v nich obsažený nervový mediátor do synaptické štěrbiny

Uvolněný nervový mediátor se váže na chemicky regulované iontové kanály v plasmatické membráně postsynaptické buňky a otevírá je. Výsledné toky iontů mění membránový potenciál postsynaptické buňky, a tím převedou chemický signál zpět do elektrické podoby.

V přednášce použity obrázky z knihy B. Alberts et al. Základy buněčné biologie Espero Publishing, Ústí nad Labem