Přípravný kurz z biologie
Mitochondrie Buněčné transporty Cytoskelet 5. 11. 2011
Mgr. Kateřina Caltová
Mitochondrie
Mitochondrie • semiautonomní organely • vlastní mtDNA, vlastní proteosyntetický aparát a ribozomy • endosymbiotická teorie vzniku • variabilní počet v různých typech buněk • • • •
zralý erytrocyt 0 , jaterní buňka < 800 lidský oocyt < 100 000 buňky lidské sítnice 1
Mitochondrie • drobná zrníčka, někdy také tyčinkovité až vláknité útvary ohraničené dvěma membránami • vznikají dělením existujících mitochondrií • průměrná délka života - 7 dní • 2 samostatné kompartmenty: • vnější = intermembránový prostor • velká propustnost
• vnitřní = lumen (obsah se označuje jako matrix) • nepropustná pro ionty
• výběžky –“kristy“ (až 5x
povrch membrány)
Mitochondrie
http://mail.gvm.cz/vyuka/bio_pojmy/hesla/mitochondrie.html
Funkce mitochondrií • syntéza ATP v procesu buněčného dýchání – „buněčné elektrárny“ • ATP – palivo pro další procesy v buňce • probíhá tu Krebsův cyklus, dýchací řetězec, βoxidace mastných kyselin • navíc se podílí na diferenciaci a smrti buněk, kontrole buněčného cyklu a růstu • poškození funkce – řada onemocnění
K čemu buňka potřebuje energii? • chemická práce – syntéza makromolekul (glukóza → glykogen, aminokyseliny → bílkoviny, …), obnova, růst, regenerace buněk • mechanická p. – pohyb buňky a jejich struktur • osmotická p. – přenos látek aktivním transportem • elektrická p.- vznik a šíření vzruchů v nervových a svalových buňkách
ATP • energie získaná štěpením živin není využita buňkou přímo, ale ukládá se do makroergních vazeb makroergních sloučenin • štěpením vazeb se uvolňuje množství energie • adenosintrifosfát ATP (obr.) • adenosidifosfát ADP • guanosintrifosfát GTP
Chemiosmotická teorie syntézy ATP • substrátu odebírán vodík ve formě protonů H+ a elektronů e• vysokoenergetické e- se předávají enzymům dýchacího řetězce • jejich energie je využita k čerpání H+ z matrix do intermediárního prostoru • vzniká tak protonový gradient
• jako přenašeče protonů slouží koenzymy NADH, FADH2 • při návratu H+ do matrix je energie využita k syntéze ATP S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993
Syntéza ATP • je poháněná gradientem pH • obsahuje kanál, kterým po spádu pH a napětí proudí H+ • část enzymu ATP-syntázy se otáčí (rotor) vůči části, která je zanořena v membráně (stator) • mechanická energie je převedena na chemickou vazbu ADP + Pi ATP
ATP syntáza transmembránový přenašeč H+
MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána
Mitochondrie - souhrn • organely energetického metabolismu • metabolizují pyruvát a mastné kyseliny, oxidují acetyl CoA (citrátový cyklus) • produkují ATP procesem chemiosmotického spřažení
Oxidativní fosforylace • vysokoenergetické elektrony (e-) jsou odebírány substrátu a předávány na přenašeče e- (koenzymy NADH, FADH2) • přenašeče předávají e- dále do elektronového transportního řetězce, který syntetizuje ATP pomocí enzymu ATP-syntázy • konečný příjemce elektronů je kyslík http://www.youtube.com/watch?v=E7vHTE6w-50
vnější mitochondriální membrána vnitřní mitochondriální membrána
ATP syntáza
elektron transportní řetězec
citrátový cyklus
pyruvát
pyruvát
mastné kyseliny
mastné kyseliny
MOLEKULY POTRAVY Z CYTOPLAZMY
Respirační řetězec vnitřní mitochondriální membrány mezimembránový prostor
cytochrom c
vnitřní mitochondriální membrána
matrix ubichinon
komplex NADH dehydrogenázy
komplex cytochromu b – c1
komplex cytochrom oxidázy
Respirační řetězec vnitřní mitochondriální membrány 1.
NADH dehydrogenáza (komplex I): převezme elektrony z NADH a předá je ubichinonu
2.
komplex cytochromů b-c1: převezme elektrony z ubichinonu a předá je cytochromu c
3.
komplex cytochromoxidázy : převezme elektrony z cytochromu c a přenese je na kyslík za vzniku vody
•
při přesunu elektronů každý komplex zároveň přesune protony H+ z matrix do mezimembránového prostoru
Elektrochemický protonový gradient MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána
pohyb protonů po spádu membránového potenciálu MATRIX
MEZIMEMBRÁNOVÝ PROSTOR vnitřní mitochondriální membrána
pohyb protonů po spádu pH gradientu MATRIX
Energetická bilance tvorby ATP ČISTÝ VÝTĚŽEK OXIDACE 1 MOLEKULY GLUKÓZY V cytosolu (glykolýza) 1 glukóza
2 pyruváty + 2 NADH + 2 ATP
V mitochondrii (pyruvát dehydrogenáza a citrátový cyklus) 2 pyruváty 2 acetyl CoA + 2 NADH 2 acetyl CoA 6 NADH + 2 FADH + 2 GTP Čistý výsledek v mitochondrii 2 pyruváty 8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP
Kolik vznikne z 1 molekuly glukózy ATP? Dráha Glykolýza Substrátová fosforylace Redukce NAD+: Pyruvát → AcetCoA (x2) Redukce NAD+: Krebsův cyklus (x2) Substrátová fosforylace Redukce NAD+: Redukce FAD: Elektrontransportní řetězec Oxidace 10 NADH x 2,5 ATP/NADH Oxidace 2 FADH2 x 1,5 ATP/FADH2
Redukované koenzymy
Zisk ATP 2 ATP
2 NADH 2 NADH 2 ATP 6 NADH 2 FADH2 25 ATP 3 ATP
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________
32 ATP
Energie zkonzumovaná na aktivní transport NADH do mitochondrií
- 2,5 ATP
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Celkově
30 ATP
Transport látek přes membránu Osmóza
Transport látek přes membránu • membránový transport - překonávání biomembrány • membrána je selektivně propustná (semipermeabilní) • typy transportu: • •
pasivní transport - prostá difuze usnadněná difuze aktivní transport - přenašečový endocytóza exocytóza
Transport látek přes membrány HYDROFÓBNÍ MOLEKULY
• velikost molekuly • přítomnost náboje • gradient koncentrace
MALÉ NENABITÉ POLÁRNÍ MOLEKULY VELKÉ NENABITÉ POLÁRNÍ MOLEKULY
• membránové transportní proteiny : přenašeče a kanály
IONTY
Umělá lipidová dvojvrstva
Transport vody přes membrány • proteiny specializované na transport vody přes membránu → vodní kanály → aquaporiny • propouští jen vodu, ne ionty
Pasívní a aktivní transport Přenášená molekula
Proteinový kanál
Gradient koncentrace
Lipidová dvojvrstva
Prostá difúze
Přenašeč
Přenos přes kanál
Přenos přes přenašeč
PASÍVNÍ TRANSPORT
AKTIVNÍ TRANSPORT
Funkce přenašeče při pasívním transportu
• změny tvaru (konformace) molekuly přenašeče • přenašeč přechází mezi stavy A a B • transport látky po koncentračním spádu
Aktivní transport • proti koncentračnímu spádu • nutné dodat energii:
spřažením
hydrolýzou ATP
světelnou
Transport glukózy ve střevě vnitřek střeva Vysoká koncentrace glukózy
Spřažení transportu Na+ a glukózy Epiteliální buňka
Pasívní přenos glukózy přes přenašeč Mezibuněčná tekutina
Nízká koncentrace glukózy
Vysoká koncentrace glukózy
Aktivní transport pomocí specifických přenašečů – glukóza se rychle vstřebává do krve i proti koncentračnímu gradientu ve sliznici tenkého střeva (symport, tzn. paralelní transport se sodíkovými ionty, které se vstřebávají ve směru koncentračního gradientu a tím usnadňují transport glukózy proti koncentračnímu gradientu).
Sodno-draselná pumpa • • • • • • • • •
navázání 3 iontů Na+ (1) fosforylace (2) konformační změna (2) přesun Na+ přes membránu ven navázání 2 iontů K+ (2) defosforylace (3) návrat k původnímu tvaru uvolnění K+ do buňky (4) 3 Na+ ven a 2 K+ dovnitř buňky
• Na+ extracelulární ionty • K+ intracelulární ionty
Osmotické děje I • osmóza = přesun vody přes semipermeabilní membránu po koncentračním spádu • semipermeabilní membrána – propustí vodu,
nepropustí rozpuštěné částice
Osmotické děje II • osmolarita roztoku – koncentrace osmoticky aktivních částic • roztoky izotonické • hypotonické / hypertonické
Buňka obsahuje mnoho osmoticky aktivních částic, musí tedy regulovat svoji osmolaritu.
Kontrola osmolarity – živočišné a bakteriální buňky Aktivně pumpují ven ionty, např. Na+
Ježatá
normální
nabobtnalá
izotonický
hypotonický
praská
Červená krvinka
Extracelulární prostor
hypertonický
silně hypotonický
Kontrola osmolarity – rostlinné buňky • pevná buněčná stěna • turgor – vnitřní tlak • vakuola – aktivní regulace
Kontrola osmolarity - prvoci Kontraktilní vakuola – aktivní vypuzování přebytečné vody z buňky
Volná difuze • Přes lipidovou dvojnou vrstvu • Fyzikální jev, není selektivní • Rychlost je závislá na koncentraci, teplotě a velikosti molekuly
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Scheme_simple_diffusion_in_cell_membrane-en.svg
Usnadněná difuze • = pasivní přenašečový transport (AK, cukry, fosfátové anionty) • rychlost závisí na: • koncentračním spádu • afinitě přenašeče k substrátu, • hustotě přenašečů v membráně • rychlosti konformační změny přenašeče • možnost regulace př. transport glukózy do buněk ovlivňuje inzulín
Aktivní transport • vyžaduje transportní proteiny - mohou pumpovat látky i proti koncentračnímu gradientu • transport je selektivní - přenašečem je obvykle enzym (tzv. membránové ATP-ázy) • vyžaduje energii (přímou hydrolýzou ATP) k uvolnění substrátu nebo k regeneraci konformace přenašeče • živá buňka aktivně udržuje určité gradienty
Vezikulární transport I • transport makromolekul uzavřených ve váčcích (vezikulech) • aktivní proces, regulace (ovlivněno fluiditou membrány, cytoskeletem) • exocytóza - vezikul putuje z GA k plasmatické membráně a splývá s ní obsah vezikulu se vylije do mezibuněčného prostoru (krevní bílkoviny, protilátky, hormony, neurotransmitery) • pučení - forma exocytózy (některé viry takto opouštějí buňku)
Exo - transport ven z buňky
Vezikulární transport II • endocytóza - plasmatická membrána se vchlipuje do vnitřního prostoru buňky a vytvoří váček (vezikul) • fagocytóza („cellular eating“ (a)) - buňka pomocí panožek obklopí částici fagozom potravní vakuola (bb imunitního systému (granulocyty, makrofágy), bb v tkáňové kultuře)
• pinocytóza („cellular drinking“ (b)) - buňka pohlcuje část extracelulární tekutiny do malých váčků (probíhá nepřetržitě u všech eukaryontních buněk) Endo – transport dovnitř buňky
Cytoskelet
Cytoskelet • „kostra“ buňky • vláknité (fibrilární) struktury v buňce • nitrobuněčné opěrné a pohybové struktury • mikrotubuly • mikrofilamenta • střední filamenta http://www.infovek.sk/predmety/biolo gia/diplomky/biologia_bunky/cytoskele t.htm
Funkce cytoskeletu • •
přeměna energie chemické v energii mechanickou (aktivní pohyb - lokomoční i intracelulární) určuje tvaru buňky, kotví mnohé organely i některé enzymy
• informační (při uchování a přenosu genetické informace)
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kostra
Složky cytoskeletu mikrotubuly
mikrofilamenta
intermediární filamenta
© Espero Publishing, s.r.o.
Funkce mikrotubulů (MT)
© Espero Publishing, s.r.o.
• mechanická kostra buňky (kortikální MT rostlin, marginální svazky trombocytů a erytrocytů, stresová vlákna bb) • výběžky buněk (nervové buňky) • určují polaritu buněk (hlavně bb sekrečních) • transport uvnitř buňky (vezikulární, neurotransmitery) • jsou základem dělicího vřeténka • základem řasinek a bičíků
Asociované proteiny MT - molekulové motory • • • •
dyneiny - lokomoce, nitrobuněčný transport (od + k -) kinesiny - nitrobuněčný transport (od - k +) pohání klouzání jednoho mikrotubulu po druhém molekulové motory se mohou vázat k organele a „kráčet“ s ní podél mikrotubulu (např. vezikuly s neurotransmitery se tak dostávají na konec axonů
(Mikro)tubulární toxiny • kolchicin, kolcemid - brání polymerizaci tubulinu (blokuje dělení buněčného jádra (mitózu) v metafázi polyploidní buňky) • vinblastin, vinkristin - vznikají agregáty z nepolymerizovaného tubulinu (cytostatika) • taxol - stabilizuje mikrotubuly, brání jejich dynamické přestavbě (cytostatikum)
Mikrofilamenta (MF) • základní složka - aktin • (globulární protein, < 15 % proteinů v eukaryotní buňce)
• monomer G-aktin
• polymeruje v F-aktin (řetízek) • 2 vzájemně obtočená aktinová vlákna (tloušťka 7 nm)
• tvoří trojrozměrnou síť pod plazmatickou membránou buňky • rozlišuje se + a – konec (tady polymerace rychlejší)
Asociované proteiny MF • fimbrin, filamin, -aktinin - stabilizují svazky mikrofilament (např. stereocilie) • gelsolin - fragmentuje mikrofilamenta • tropomyosin - stabilizuje aktinomyosinový komplex ve svalových buňkách
• myosin-molekulový motor – jeho aktivace aktinem se projeví posunem myosinu vůči aktinu (10 nm) obr. 22.3; J.Darnell a kol.: Molecular Cell Biology, Scientific Americal Books, Inc., 1990
Funkce mikrofilament • strukturní - výběžky buněk • • •
mikroklky epitelových a vazivových buněk tyčinky sítnice, stereocilie vláskových buněk součást desmosomů
• kinetická - pohyb bb a organel • • • • •
kontraktilní prstenec (cytokineza) svalový pohyb améboidní pohyb (pseudopodia, lamellipodia, stresová vlákna) cyklóza (proudění cytoplazmy a pohyb organel) účast na endocytóze a exocytóze
Mikrofilamenta
© Espero Publishing, s.r.o.
A) mikroklky, B) stresová vlákna, C) améboidní pohyb a pseudopodia D) kontraktilní prstenec
Mikrofilamentární toxiny • cytochalasin • zabraňuje polymeraci aktinu • blokuje cytokinezi živočišných bb buňky
vícejaderné
• faloidin
• stabilizuje mikrofilamenta, brání jejich přestavbě • původ: muchomůrka zelená
Střední filamenta I • vláknité (fibrilární) proteiny (průměr 10 nm) • u všech živočišných, rostlinných bb a hub • stálá struktura (za fyziologických podmínek je méně dynamická) • určují tvar buňky („buněčná kostra“) • určují pozici organel v buňce • mechanicky zpevňují tkáň (výběžky nervových bb, mezibuněčná spojení typu desmosomů) © Espero Publishing, s.r.o.
Střední filamenta II • žádný univerzální protein, ale konkrétní pro každý typ diferencovaných bb: • • • •
cytokeratiny (epitelové bb) neurofilamin (nervové bb) vimentin (ve fibroblastech = bb vazivové tkáně ) vimentin + desmin (ve svalových bb)
• asociované proteiny - filagrin, synemin, plectin • nejsou známé žádné toxiny - střední filamenta se ruší až po částečné proteolýze • Poznámka: složky cytoskeletu = kostra • asociované proteiny = funkce
Děkuji za pozornost…
