Viry Biologická membrána

Biologie I 3. přednáška

Viry Biologická membrána

Viry objeveny na konci 19. století, nejjednodušší formy života „Virus is a little piece of bad news wrapped in a protein„ sir Peter Medawar

mohou napadat prokaryotní i eukaryotní buňky nukleová kyselina + proteinový obal (někdy +membrána) živé nebo neživé ???

neštovice

slintavka a kulhavka

kranasi postižení virem TIV

žampiony poškozené brambora virem X4 poškozená virem rodu Tobravirus

Virology: Principles and Applications John B. Carter and Venetia A. Saunders, 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBNs: 978-0-470-02386-0

E. coli atakovaná T4 fágy

3/2

Viry živé nebo neživé ??? nukleová kyselina + proteinový obal (někdy +membrána) nemají vlastní

mechanismus genové exprese proteosyntetický aparát enzymy energetického metabolismu časovou kontinuitu (virion nevzniká z virionu) alespoň jednu molekulu, která by byla společná všem virům

nemohou se množit nebo metabolizovat mimo hostitelskou buňku  „vypůjčený život“ – parazité mohou napadat jenom některé specifické buněčné typy v rámci daného organismu, ale některé mají velmi široký hostitelský rozsah (západonilský virus – komár, ptáci, kůň, člověk)

napadení může být pro buňku letální

neštovice

slintavka a kulhavka

kranasi postižení virem TIV

brambora poškozená virem rodu Tobravirus

žampiony poškozené virem X4

Virology: Principles and Applications John B. Carter and Venetia A. Saunders, 2007 John Wiley & Sons, Ltd ISBNs: 978-0-470-02386-0

E. coli atakovaná T4 fágy

3/3

Viry 1883 - Adolf Mayer infekční onemocnění přenosné extraktem napadené rostliny 1892 - Dimitrij Ivanovskij „toxin“/ „zlá síla“ (lat. virus) je infekční i po filtraci přes porcelán, kterým bakterie neprojde 1898 - Martinus Beijerinck v cyklech infekce/extrakce neztrácí „zlá síla“ na síle = není to toxin, ale cosi co se v rostlině reprodukuje „nakažlivá živoucí tekutina“ 1898 – virus slintavky a kulhavky (první živočišný) 1900 – virus žluté zimnice (první lidský) 1911 – Rousův sarkom (první způsobující nádorové bujení)

1935 - Wendell Stanley krystalizace infekčních částic viru tabákové mozaiky 1939 první elektronmikroskopický snímek viru 3/4

Viry struktura velikost genomu 1,7 kb – 1000 kbp lineární i cirkulární, jedno- i dvouřetězcové, RNA i DNA

velikost virových částic 17 – 1000 nm (největší jsou viditelné i pod světelným mikroskopem)

tvar virových částic nejčastěji helikální nebo symetrické mnohostěny (ikosahedron – dvacetistěn)

Biology 6ed (Raven, Johnson), McGraw-Hill, 2002

3/5

Viry struktura tvar virových částic nejčastěji helikální nebo symetrické mnohostěny (ikosahedron – dvacetistěn)

Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8

3/6

Viry klasifikace podle typu nukleové kyseliny, podle přítomnosti membránových obalů

bez obalů

ds

DNA

Adenoviridae Papilomaviridae Iridoviridae

respirační onemocnění, rakovina bradavice, rakovina děložního hrdla africký mor prasat, duhovité zbarvení larev hmyzu

Herpesviridae

opary (Herpes simplex), EB virus (mononukleóza až Burkittův syndrom), KSHV (nádory), Roseolovirus (6. nemoc)

obalené Poxviridae Hepadnaviridae

ss

bez obalů

ds

bez obalů

bez obalů slouží jako mRNA

RNA

obalené

ss

Parvoviridae

variola (pravé neštovice) hepatitida B „kočičí mor“ (kočičí panleukopenie), vyrážky, viry provázející adenoviry, u lidí bez příznaků

Reoviridae

průjmová onemocnění, respirační onemocnění, rakovina

Birnaviridae

virus nekrózy pankreatu

Picornaviridae

žloutenka typu A, rhinovirus (rýma), poliovirus (obrna)

Caliciviridae Coronaviridae

Norovirus (gastritida) SARS

Flaviviridae

žlutá zimnice, západonilský virus, žloutenka typu C

Togaviridae

zarděnky

Filoviridae

Ebola (hemorrhagická horečka)

templát pro syntézy mRNA

obalené

Orthomyxoviridae Paramyxoviridae Rhabdoviridae

chřipka příušnice, spalničky vzteklina

templát pro syntézu DNA

obalené

Retroviridae

HIV, leukémie 3/7

Viry

3/8

Viry LUCA teorie – kam zařadit???? nemají ribosomy – nejde porovnat velmi variabilní, pp. není jediný prapředek

3/9

Viry

reprodukce virů

základní vlastnosti virů: celý virový genom je umístěn uvnitř částic, které zprostředkovávají jejich přenos mezi hostiteli virový genom obsahuje informaci pro iniciaci a dokončení infekčního cyklu uvnitř napadených buněk – to zahrnuje připojení k buňce a vstup do ní, dekódování genové informace viru, replikace virového genomu, složení a uvolnění virových částic všechny úspěšné viry jsou schopné se rozšířit v populaci tak, že je umožněno další šíření

3/10

Viry

Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

reprodukce virů

3/11

Viry

reprodukce virů – RNA viry


3/12

Viry reprodukce virů - HIV Napadá buňky nesoucí receptory CD4 (CD4+) a receptor CCR5 (makrofágy) nebo CXCR4 (T buňky) CD4+gp120 = adheze ↓ vazba na CCR5 nebo CXCR4 ↓ konfomační změna ↓ fůze obalu s b. membránou ↓ vstup kapsidy do buňky


3/13

Viry reprodukce virů - HIV Na základě znalostí buněčných procesů při reprodukci viru lze navrhnout cílená léčiva


3/14

Viry chřipka

nejletálnější virus v historii lidstva ssRNA, obalený membránou typy – A – většina vážných epidemií, napadá člověka, ptáky, savce B - málo časté, napadá člověka, fretky a tuleně, pomalá mutace, nejsou známy epidemie C – málo časté, napadá člověka, vepře, psy, občas lokální epidemie a závažnější průběh onemocnění, ale běžně pouze lehké příznaky subtypy vzniklé mutacemi ve variabilních regionech molekul hemaglutininu a neuraminidasy typ A – známo 16 subtypů H a 9 subtypů N rekombinace H a N – „nové“ viry – nerozpoznané imunitním systémem

neuraminidasa – prostup hlenem, uvolnění nových částic z buňky hemaglutinin – vazba na gp receptory, vstup do buněk Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

3/15

Viry chřipka subtypy a jejich změny

změny obvykle v prasatech nebo ptácích infikovaných více než jedním typem chřipky, může dojít k rekombinaci vedle toho možnost mutací – vznik nového vysoce patogenního subtypu schopného efektivně infikovat lidské buňky H2N2 H2N2 H3N2 H5N1 H1N1

– – – – –

ruská chřipka 1891 (asi 1 milion mrtvých) asijská chřipka 1957 (0,8 – 1,5 milionu úmrtí) hongkongská chřipka 1968 (přes 700 tis. úmrtí) ptačí chřipka 1997 (50% úmrtnost) španělská chřipka 1918 (40 – 50 milionů úmrtí) zároveň i prasečí chřipka 2009 (méně agresivní,

běžný počet úmrtí, ale neobvyklé věkové rozložení infikovaných) 3/16

Viroidy, satelity a priony satelity viriony, které potřebují koinfekci s jiným virem malá kapsida bez membránového obalu inkorporován do mimivirové částice spolu infikují améby „virofágy“ Sputnik – 18 kbp dsDNA

3/17

Viroidy, satelity a priony viroidy cirkulární krátké úseky RNA (několik set nukleotidů) bez proteinového obalu nekódují žádné proteiny objeveny 1971 v souvislosti s onemocněním brambor 2 skupiny – Pospoviroidae a Avsunviroidae infekce rostlin – poruchy kontrolních mechanismů – abnormální vývoj, zpomalený růst významná je prostorová struktura RNA zřejmě využívají rostlinné siRNA na ovlivnění genové exprese nebo interagují s mRNA, tvorba dsRNA, která je degradovaná množení – metodou valivé kružnice vznik dlouhých multimerů, štěpeny na monomery a ty spojovány do kruhů infekce sousedních buněk – transport plasmodesmaty a floemem nedávná epidemie viroidního onemocnění na Filipínách zničila minimálně 10 milionů kokosových palem

3/18

Viroidy, satelity a priony priony infekční proteinové částice – špatně sbalený prionový protein indukuje vznik špatného sbalení u ostatních prionových proteinů prionový protein běžně přítomen v savčím organismu, neznámá funkce myši s knock-outovaným prionovým proteinem neonemocní „nemoc šílených krav“ - BSE (bovinní spongiformní encefalopatie) kuru scrapie CJD (Creutzfeldt-Jakob disease)

přenos z potravy nebo krví a krevními produkty pomalejší reakce, inkubační doba až 10 let vakuolizace buněk nervové tkáně, ukládání amyloidu, vznik neurodegenerativního onemocnění

Virology – Principles and Applications (Carter J, Saunders V, Wiley, 2007, ISBN 978-0-470-02386-0)

3/19

Biologická membrána

Chlorobium tepidum Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

Prokaryota jeden kompartment invaginace plazmatické membrány - mezozomy až intracelulární váčky (chlorosomy) - zvětšení povrchu, zakotvení enzymů aktivních v energetickém metabolizmu, např. fotosyntéze)

Eukaryota více kompartmentů 1 000 – 10 000 větší objem buňky → malý poměr povrchu k objemu → membránové organely – oddělení biochemických reakcí a intracelulární vesikulární transport látek

3/20

Biologická membrána Význam •

Morfologický oddělení vnitřního prostředí buňky od okolí • rozdělení vnitřku na jednotlivé kompartmenty

Funkční • regulace výměny hmoty vnitřku buňky nebo kompartmentu s okolím • zachování rozdílných koncentrací iontů na jednotlivých stranách • komunikace buňky a okolí pomocí chemických a fyzikálních signálů


3/21

Biologická membrána Složení Lipidy (25-70%) fosfolipidy, cholesterol Proteiny 30-75%

Složení se liší podle organismů, tkání i částí buněk, fáze životního cyklu buněk Asymetrie mezi jednotlivými vrstvami

obvykle 50% hmotnosti

Sacharidy do 10% glykolipidy a glykoproteiny Lipoproteiny Voda

Ionty

lidská buňka z myelinové pochvy neuronů myší jaterní buňka list kukuřice kvasinka prvok E. coli

složky (v hmotnostních %) proteiny fosfolipidy steroly 30 30 19 45 27 25 47 26 7 52 7 4 56 40 4 75 25 0

Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008

3/22

Biologická membrána rozdíly ve složení rozdílné složení membrán různých organel a tkání

rozdílné složení vnitřní a vnější vrstvy

lokální rozdíly v zastoupení složek membrány lipidové rafty

3/23

Biologická membrána Lipidové rafty

mikrodomény Kaveoly


3/24

model fluidní mozaiky Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008


•

Stabilita membrány zajišťována převážně nekovalentními interakcemi mezi molekulami membrány a interakcí dvojvrstvy s vodným prostředím

•

Molekuly lipidů směřují přibližně kolmo na plochu membrány, polární hlavice směřují k vodnému prostředí, uhlovodíkové řetězce do hydrofobního „core“

•

Molekuly membrány se mohou volně laterálně pohybovat

•

Lipidy mohou přecházet mezi jednotlivými monovrstvami pomocí flip-flopas, energeticky náročné

•

Proteiny mohou být periferní, integrální a s lipidovou kotvou

•

Asymetrie ve složení i struktuře membrány

•

Při pohybu složek membrány vznikají přechodné póry, rychle zacelovány

3/25

Biologická membrána Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

ovlivnění fluidity membrány vliv mastných kyselin delší řetězec  Tm trans vazba  Tm cis dvojná vazba  Tm (maximální efekt uprostřed řetězce) větvené, hydroxylované MK  Tm

vliv druhu fosfolipidu PC má přechodný stav PE má Tm asi o 20°C nižší než PC fosfolipidy s nábojem jsou citlivé na iontovou sílu a pH

“tekutý krystal” relativní “pohyb” lipidů

přítomnost cholesterolu nízké teploty – zvýšení fluidity vyšší teploty – snížení fluidity

“gel” 25 30

35 40 45 50 deg C

Teplota fázového přechodu (bod tání)

neuspořádaná uspořádaná hydrofilní 3/26


vznik membrány z lipidových molekul

samovolná organizace lipidových molekul na základě hydrofobních interakcí vzniklé útvary závisí na tvaru lipidových molekul

liposomy

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

3/27


pohyb v membráně

Rotační pohyb nepolárních řetězců a molekul lipidů Laterální difuze charakterizována difuzními koeficienty D = 10-10 - 10-7 cm2/s Přesun mezi vrstvami dvojvrstvy

samovolně pomalý umožněn enzymy Nelson, Cox - Lehninger Principles of biochemistry 5th edition, W.H.Freeman 2008

3/28


fúze membrán

nutná pro mnoho biologických jevů neprobíhá samovolně – fúzní proteiny signál pro spojení membrán – vznik lokálních „zlomů“v membráně 1. rozpoznání membrán 2. dostateční přiblížení a odstranění molekul vody asociovaných s polárními hlavicemi 3. lokální narušení struktury 4. spojení vnějších polovrstev 5. spojení vnitřních polovrstev, vznik kontinuální dvojvrstvy dobře prostudované jevy: • fúze membrán při vstupu obalených virů do buněk • uvolnění neurotransmiterů exocytosou


3/29


membránové proteiny funkce strukturní, katalytické a transportní

membránové proteiny jsou často glykosylované, cukr vždy na necytosolické straně struktury interagující s membránou - v hydrofobní oblasti membrány jsou na povrchu hydrofobní aminokyselinové zbytky - několik typů prostorových struktur Interakce proteinů s membránou


3/30


glykokalyx

ochranný plášť živočišné buňky na sacharidy bohatá vrstva vně buňky obsahuje glykoproteiny a proteoglykany

ve struktuře sacharidů uložen „rozpoznávací signál“ pro receptory (lektiny) jiných buněk (např. adsorce neutrofil na endotel cévní stěny jako první krok transportu do místa infekce)


3/31

Biologická membrána - transport proč se transportuje? membrána neprostupná pro většinu polárních molekul, ionty, vodu

je zapotřebí: udržovat gradienty iontů na membráně transportovat dovnitř živiny transportovat ven odpadní látky komunikovat s okolím transportní proteiny tvoří až 30% všech membránových proteinů transport nízkomolekulárních i vysokomolekulárních látek


3/32

Biologická membrána - transport podle mechanismu: • volná difuse (nespecifická permeace) • transport trvalými i nespecifickými póry • transport mechanismem exo- a endocytosy • usnadněná difuse pomocí specifických přenašečů podle energetických nároků: • aktivní • pasivní


podle počtu transportovaných molekul a směru přenosu • uniport • kotransport (symport, antiport)

3/33

Biologická membrána - transport

ovlivněno nejenom koncentrací, ale i nábojem (pro transport nabitých látek)


podle energetických nároků: • aktivní • pasivní

3/34

Biologická membrána - transport Pasivní transport – difuze a usnadněná difuze difuze – přímo přes lipidovou část membrány plyny, uhlovodíky, steroidy rychlost úměrná ploše membrány

usnadněná difuze – proteinové přenašeče nespecifické trvalé póry – poriny, štěrbinová spojení

specifické přenašeče - permeasy, translokasy, specifické kanály, … saturační kinetika, možnost regulace

není zapotřebí dodávat energii


3/35

Biologická membrána - transport Specifické póry skrz membránu Akvaporiny

Chemicky řízené kanály

Rychlý transport vody skrz membránu Na základě osmotického tlaku

Elektricky řízené kanály


3/36

Biologická membrána - transport K+

kanál

Specifické póry skrz membránu

K+ ionty (poloměr 1,33 A) procházejí 10 000 x rychleji než Na+ ionty (poloměr 0,95 A) 3/37

Biologická membrána - transport Aktivní transport – primární a sekundární

Energie buď z hydrolýzy ATP, ze slunečního záření, oxidativních reakcí nebo současným transportem látky po elektrochemickém gradientu

Závislost rychlosti na teplotě


3/38

Biologická membrána - transport Aktivní transport – primární a sekundární primární aktivní transport – antiport sodných a draselných iontů energie z hydrolýzy ATP sekundární aktivní transport – antiport sodných iontů a glukosy energie z transportu sodných iontů


3/39


transport velkých částic přes membránu

exocytosa

3/40


transport velkých částic přes membránu

endocytosa fagocytosa

pinocytosa

receptory zprostředkovaná endocytosa

3/41


osmotické jevy

na membránách propustných pouze pro rozpouštědlo v porovnání s prostředím v buňce: hypertonické obsahuje více rozpuštěných látek, bude nasávat vodu z buněk

izotonické

obsahuje shodné množství rozpuštěných látek, nebude ovlivňovat množství vody v buňkách

hypotonické

obsahuje méně rozpuštěných látek, voda se bude nasávat do buněk

3/42


osmotické jevy

udržování osmotické rovnováhy kontraktilní vakuola – sbírá vodu z různých částí buňky, odvádí ji do centrální části vakuoly a přes póry pumpuje ven isoosmotická regulace - mořští živočichové přizpůsobili vnitřní koncentrace vnějšímu prostředí, suchozemští mají koncentrace v buňce odpovídající složení tekutin omývajících buňky (krev, …) turgor – většina rostlinných buněk je oproti vnějšímu prostředí hypertonická, vysoké koncentrace solí ve vakuole, plasmatická membrána je pevně přitisknutá k buněčné stěně, pro zachování pevnosti buněk a udržení tvaru rostliny

Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

3/43

Viry Biologická membrána

Recommend Documents