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.