Subcelulární kompartmenty

Richard Vytášek 2010

Kompartment značí “subcelulární region s biochemickými reakcemi kineticky isolovanými

od ostatních buněčných pochodů” Friedrich, P. 1985 Dynamic Compartmentation in Soluble Multienzyme System

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 system metabolických drah, které se odehrávají ve více kompartmentech

• Ochrana před působením nepříznivých sil okolního prostředí

Kompartmenty eukaryotické buňky

• Jádro (nukleus)• Jadérko (nuleolus)• Golgiho aparát• Mitochondrie• Lysosomy• Peroxisomy• Cytoskeleton• Cytosol• Centrioly• Plasmatická membrána• Endoplasmatické retikulum

Plasmatická 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 zůčastní celé řady buněčných procesů jako je např. adheze buněk, transport iontovými kanály a buněčná signalisace.

• Vnitřní strana buněčné membrány obsahuje specifická místa, na které je uchyceny komponenty intracelulárního cytoskeletonu.

Membránové lipidy

Buněčná membrána se skládá primárně ze specificky uspořádané fosfolipidové dvojvrstvy. Její uspořádání zabraňuje volné difusi polárních látek přes membránu, ale pasivní difuse hydrofobních molekul přes membránu je obecně možná.

Transport přes plasmatickou membránu

Plasmatická membrána je selektivně permeabilní a většina hydrofobních molekul může pasivně difundovat přes lipidickou dvouvrstvu membrány

Jsou tři způsoby transportu polárních molekul :

1. Difuse - the pasivmí pohyb molekul dle koncentračního gradientu dokud není dosaženo rovnováhy

2. Usnadněná difuse -

3. Aktivní transport -

MitochondriaDvě 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 kodována jadernou DNA (a syntetizována na volných ribosomech v cytosolu) ,ale 13 mitochondriálních proteinů a některé RNA jsou kodovány kruhovou mitochondriální DNA (mtDNA)

Biochemické funkce mitochondrií• Synthesa více než 90% ATP – oxidativní fosforylace

(vnitřní membrána)• Produkce tepla (rozpojení oxidace a fosforylace)• Apoptosa (programovaná smrt) – vnitřní

mitochondriální dráha• Oxidativní dekarboxylace pyruvátu (pyruvate

dehydrogenase complex) • ß-oxidation mastných kyselin (kratší než 24-C) • Cyklus kyseliny citronové (Krebsův cykl) - mitosol• P450 - vnitřní membrána

Transport elektronů z cytosolického NADH do mitochondrie

Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu

Dráha transportu acetyl-CoA z mitochondrie do cytoplasmy pro biosyntézu lipidů a cholesterolu

Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu

Karnithinový člunek(shuttle) a mitochondriální oxidace mastných

kyselin

Endoplasmatické retikulum• Proteosynthesa (rough ER = RER)• Počáteční stadium synthesy polysacharidového

řetězce N-vázaných glykoproteinů (RER)• Synthesa (smooth ER = SER) - fosfolipidy ,

triglyceridy• Synthesa cholesterolu a steroidů(SER)• Hydroxylace endogenních a exogenních sloučenin

cytochromy P450 (SER)• Skladování vápníkových ion (SER , sarcoplasmatické

retikulum)

Golgiho komplex

• Spolupracuje s endoplasmatickým retikulem

• Enzymatické postranslationční modifikace bílkovin (glykosylace, sulfatace)

• Synthesa of nové plasmatické membrány a participace na tvorbě primárních lysosomů a peroxisomů

LysosomyZodpovídají za intracelulární digesce jak

intracelulárních, tak extracelulárních látek

Lysosomální enzymy jsou hydrolasy s maximální aktivitou při pH 5 (vnitřek lysosomů)

Hydrolysa intracelulární materiál – proteiny, nukleové kyseliny, lipidy stejně jako organely – autofagie

Extracelulární material je hydrolysován po transportu do buňky endocytosou (pinocytosa and phagocytosa) - heterofagie

Lysosomy a digesce1. Substance je/jsou v membránou

uzavřeném vesikulu 2. Fuzí vesikulu s primárním

lysosomem vzniká sekundární lysosom (trávící vakuola)

3. Lysosomální hydrolasy štěpí obsah sekundárních lysosomů

4. Nízkomolekulární složky hydrolysátu přecházejí do cytosolu pro opětovné využití

5. Nerozštěpitelný materiál se akumuluje v residuálních tělíscích (resifual body) a je odstraněn z buňky exocytosou

6. Zbylé (nonexocytované) residualní tělíska obsahují lipofuscin („age pigment“)

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

(ioxidace)• synthesa glycerolipidů, glycerol ether lipidů (plasmalogeny) a

isoprenoidy• enzymy pro oxidaci of D-aminokyselin, 2-hydroxy kyselin a

močové kyseliny (uricase absentuje u vyšších primátů)• katalasa• Známo více jak 25 poruch biogenese peroxisomů (Zellweger‘s

syndrome = absence of peroxisomes and death occurs by age 6 months)

• Některá xenobiotika indukují proliferaci peroxisomů

Plasmalogens biosynthesis from DHAP in peroxisomes

Cytoskelet• Udržuje fenotyp (morfologii) buněk a podílí se na

intracelulárním transportu, buněčné motilitě a buněčném dělení• Obsahuje mikrotubuly, intermediární filamenta a aktinová

filamenta (mikrofilamenta)

Cytoskelet - mikrotubuly

• průměr 25 nm a délka od 200 nm do 25 m

• polymery α- and β-tubulinových dimerů, které polymerizují kones ku konci do protofilament. Protofilamenta se pak splétají do dutých válcovitých útvarů - mikrotubulů

Cytoskelet - intermediární filamenty• Typický průměr intemediárních (středních) filament (IF) je 10

nm• Doménová struktura IF molekul je konservovaná. Každý protein

má non--helix doménu na N a C-konci, které rámují -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

Cytoskelet - mikrofilamenta• nejdymamičtější část cytoskeletonu is jsou mikrofilamenta

(actin filamenta).

• průměr mikrofilament je pouze 6nm

• jsou tvořeny lineárními polymery aktinových podjednotek

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

Cytosol54% objemu buňkyčetné reakce jsou prováděny jen v určitých oblastech

cytosoluglykolysa (NAD+/ NADH)PPP - pentosofosfátová dráha (NADPH)glykogenolysaglykogenese (synthesa glykogenu)biosynthesa mastných kyselin(fatty acid synthase)synthesa aktivních cukrů podpora proteosynthesy poskytnutím intermediátů

Příklady metabolických drah lokalisovaných v jednom kompartmentu

• Cyklus kyseliny citronové

• Glykolysa

• Proteosynthesa

• DNA replikace

GlukoneogeneseVětšina enzymů využívaných pro

gluconeogenesi se nalézá v cytoplasmě

Pyruvát karboxylasa je ale mitochondriální enzym a takto vzniklý oxalacetát je redukován na malát a transportován do cytosolu

Rychlost gluconeogenese je hlavně určena působením klíčového enzymu, fruktosa-1,6-bisfosfatasy, která je také regulována cAMP a fosforylací.

Buněčná ß-oxidace mastných kyselin a různé role mitochondrií a peroxisomů v tomto procesu

Biosyntéza cholesterolu• syntéza po HMG-CoA v cytosolu• další syntéza probíhá v endoplasmatickém retikulu

Močovinový cyklus

• Pouze enzym ornithin transkarbamoylasa je v mitosolu

• Karbamoylfosfát je syntetizován v mitochondriích z bikarbonátu a amoniaku při spotřebě 2 ATP

Je příkladem metabolické dráhy, která probíhá v cytosolu a v matrix mitochondrií a slouží k odstraňování toxického amoniaku. Vzniklá močovina je vyloučena močí.