Wykład II

Jądro komórkowe

Jest największym organellum zawieszonym w cytoplazmie. Zawiera średnio 10% DNA, 10% białek
histonowych, 75% białek niehistonowych oraz zmienne ilości RNA. W jądrze znajdują się również
śladowe ilości węglowodanów i lipidów. W jądrze komórkowym zachodzą głównie przemiany dot.
kwasów nukleinowych (DNA i RNA). Jednym z zasadniczych elementów jądra jest chromatyna.
Stanowi ona interfazową postad chromosomów. Chromatyna zawiera DNA, w którym zapisana jest
informacja genetyczna dot. struktury pierwszorzędowej białek, czyli sekwencji aminokwasów w
łaocuchu polipeptydowym. Chromatyna składa się w 30-kilku % z białek histonowych i w takiej samej
ilości białek niehistonowych, oraz do 10% RNA.

Histony to niskocząteczkowe białka (mc =13-30 kilo daltonów), które w jądrze połączone są z DNA.
Zawierają ok. 20% aminokwasów zasadowych o zmiennym stosunku lizyny i argininy. Ich różny
stosunek powoduje, że zaliczamy te białka do 5 klas.
Z kolei białka niehistonowe są bardziej zróżnicowane i stanowią dużą grupę białek o różnych
właściwościach fizykochemicznych i biologicznych. Są one luźniej związane z DNA aniżeli histony.

DNA występuje w jądrze komórkowym w formie bardzo skondensowanej, upakowanej. U człowieka
suma długości DNA wynosi ok. 2m, a potrafi byd tak upakowana, że jest krótsza o 10 000 razy.
Upakowanie to wiąże się z organizacją strukturalną chromatyny. Wyróżniamy 3 rodzaje takiej
organizacji – nukleosom, solenoid oraz struktury wyższego rzędu.
Nukleosom jest podstawową jednostką chromosomu. Jest to struktura o średnicy ok. 10nm.
Zbudowany jest z globularnych białek histonowych. Wokół tych białek nawinięty jest DNA. Białkowy
rdzeo histonu jest oktamerem (8 podjednostek) zbudowanym z cząsteczek histonów. Składa się z 4
rodzajów histonów – H2A, H2B, H3, H4. Cząsteczki rdzeniowe łączą się za pomocą łącznikowego DNA
(o długości kilkudziesięciu par zasad – 30-50) i w ten sposób tworzy się włókno nukleosomowe. Z
kolei histon H1 wiąże się z łącznikowym DNA stabilizując jego strukturę. Nukleosomy połączone są
włóknem nukleosomowym (ok. 10nm), które ulega skręceniu i tworzy super-heliks o długości 30nm,
nazywany solenoidem.

W komórkach eukariotycznych wykryto również skręcenia włókien chromatynowych wyższego rzędu
i tam wchodzi w skład od 60 do nawet 200 par zasad. Taka organizacja struktury DNA w jądrze
pozwala na jego ogromne skracanie i upakowanie. Wewnętrzny szkielet jądrowy stanowi matrix
jądrowa zbudowana głównie z białek. Zadaniem matrix jest utrzymanie prawidłowej wewnętrznej
struktury. Matrix uczestniczy głównie w replikacji DNA, w transkrypcji (przepisywaniu informacji z
DNA na RNA, głównie mRNA) oraz w transporcie RNA jądrowego z jądra do cytozolu. W matrix
znajdują się również swoiste receptory dla hormonów, głównie hormonów steroidowych.

Integralną częścią jądra komórkowego jest jąderko, które stanowi od 20 do 40% suchej masy jądra.
Liczba jąderek jest różna i zależy od płci oraz fazy cyklu komórkowego. Główne składniki jąderka to
RNA i białka. Do chwili obecnej wykryto ponad 200 różnych białek w jąderku. Jąderko, podobnie jak
inne struktury, oddzielone jest od cytoplazmy podwójną błoną.

Mitochondrium

U ssaków mitochondria występują we wszystkich komórkach oprócz erytrocytów. Mitochondria
nazywane są siłownią komórki, ponieważ w tej strukturze zachodzi większośd przemian
biochemicznych prowadzących w koocowym etapie do wytworzenia energii przede wszystkim w
postaci ATP, czyli adenozynotrifosforanu. To ATP z kolei jest zużywane do tzw. przemian
anabolicznych, czyli inaczej mówiąc do procesów syntezy różnych związków chemicznych
niezbędnych komórce do życia. W mitochondriach zachodzą przemiany związane z pobieraniem tlenu
(wszystkie przemiany w mitochondrium to przeimany tlenowe) i wydzielaniem energii dzięki
utlenianiu składników pokarmowych tj. węglowodany, lipidy i białka. Taka jest kolejnośd utleniania
tych substancji (węglowodany -> lipidy -> białka). Koocowym produktem utlenieo tych składników
jest CO

2

i woda.

W mitochondriach zachodzi wiele przemian, ale główne to:



łaocuch oddechowy (gdzie wytwarzane jest ponad 90% energii całego organizmu),



cykl kwasów trikarboksylowych – cykl Krebsa (którego zadaniem jest po 1 – utlenienie
acetylo-CoA, czyli aktywnego octanu, oraz wytworzenie równoważników redukcyjnych w
postaci FADH2 – dinukleotyd flawinoadeninowy i NADH – dinukleotyd
nikotynoamidoadeninowy i te 2 zredukowane dinukleotydy są substratami dla łaocucha
oddechowego, gdzie ulegają utlenieniu z wytworzeniem energii)

oraz:



dekarboksylacja oksydacyjna 2-oksokwasów



utlenianie kwasów tłuszczowych, głównie beta-oksydacja



częściowo biosynteza mocznika



częściowo biosynteza hemu i kwasów tłuszczowych (wydłużanie kwasów tłuszczowych)

Mitochondria zawierają pozajądrowy DNA (ok. 1% całości DNA organizmu). Z tym związane jest tzw.
dziedziczenie pozajądrowe (pozachromosomalne). Wytwarzana jest częśd białek (do ok. 15%), albo są
syntetyzowane podjednostki określonych białek, np. kompleks piąty łaocucha oddechowego, tzw.
podjednostka F0,F1 ATP-azy. Pozostała częśd białek znajdujących się w mitochondrium jest
syntetyzowana w cytoplazmie i musi byd dostarczona do mitochondrium za pomocą odpowiednich
systemów transportu.

Ilośd mitochondriów w komórce zależy od jej zapotrzebowania energetycznego. Mitochondria w
odniesieniu do suchej masy zawierają ok. 70% białek, głównie enzymów, ponieważ w mitochondrium
umiejscowiona jest duża ilośd ciągów metabolicznych, oprócz tego ok. 20-25% lipidów wchodzi w
skład mitochondrium i niewielkie ilości RNA i DNA.

Obie błony, które otaczają mitochondrium, czyli zewnętrzna i wewnętrzna, zawierają w swym
składzie różne ilości białek i lipidów. Sytuacja ta determinuje ich różną przepuszczalnośd dla różnego
rodzaju substancji.
W błonie zewnętrznej znajdują się enzymy odpowiedzialne za wydłużanie łaocucha kwasów
tłuszczowych podczas ich syntezy, ale przede wszystkim znajdują się tam receptory importu białek.
Błona ta jest nieprzepuszczalna dla substancji wysokocząsteczkowych (powyżej 10 kilo daltonów). Z
kolei substancje poniżej 10 kilo daltonów są przenoszone przez kanał do przestrzeni międzybłonowej

zwany poryną (białko tworzące tunel w miejscu kontaktu obu błon). Takie miejsca kontaktowe pełnią
istotną rolę w metabolizmie, szczególnie przy imporcie białek do mitochondrium, oraz podczas ich
modyfikacji potranslacyjnych. Ta poryna na swoim N-koocu zawiera krótką aminokwasową
sekwencję kierującą, a w dalszej części długi fragment hydrofobowy polipeptydu, tzw. sygnał STOP,
co umożliwia gromadzenie określonego białka w błonie.

Błona wewnętrzna z kolei jest o wiele bardziej selektywna od zewnętrznej, przepuszcza jedynie
związki drobnocząsteczkowe, np. tlen, wodę, CO2, kwas pirogronowy, kwas octowy, acetooctowy. W
błonie wewnętrznej zlokalizowano wiele różnego rodzaju przenośników (ciągle muszą byd
transportowane substancje do matrix), np. karnityna (która transportuje z cytoplazmy do
mitochondrium długołaocuchowe aktywne kwasy tłuszczowe, które ulegają tam utlenieniu). Ale co
najważniejsze, w wewnętrznej błonie zlokalizowane są prawie wszystkie składniki łaocucha
oddechowego.

Mitochondria odgrywają bardzo ważną rolę w tzw. apoptozie, czyli programowanej śmierci komórki.
Za odkrycie apoptozy w 2001r. trzech panów otrzymało nagrodę Nobla (Hartwell, Hunt, Nurse).

Istotą życia jest powielanie. Każdy organizm powstał z 1 zapłodnionej komórki. Człowiek ma ok. 100
bilionów komórek. W ciągu godziny tracimy co najmniej 50 mld komórek, które muszą byd zastąpione
nowymi. To czy będą zastąpione w dużej mierze uzależnione jest od sprawności cyklu komórkowego.

Cykl komórkowy

U eukariota dzielimy go na kilka faz: S, G2, M, G1.

W fazie G1 komórka sprawia wrażenie jakby się nic nie działo, jednakże wtedy intensywnie rośnie.
Gdy osiągnie odpowiednie rozmiary przechodzi przez tzw. punkt progowy (R). Kiedy ten punkt
przejdzie, nie ma możliwości aby się nie podzielid i przechodzi przez następne fazy – S (podwojenie
nici DNA), oraz faza G2 (intensywna synteza białek). Potem następuje faza M – mitoza, gdzie DNA
pod postacią chromosomów rozdzielany jest pomiędzy 2 komórki potomne. I cykl się zamyka.
Czas trwania poszczególnych faz cyklu jest różny dla różnych komórek. U ssaków od kilku do
kilkudziesięciu godzin. Nad sprawnością tego cyklu czuwają określone geny i ich produkty (czyli
białka). Zaburzenia kontroli cyklu komórkowego mogą z jednej strony prowadzid do
niekontrolowanych podziałów komórkowych i w konsekwencji do powstania komórek
nowotworowych. U człowieka w ciągu godziny może powstad do 20 mln takich komórek
nowotworowych.

Homeostaza organizmu zależy od równowagi pomiędzy komórkami dzielącymi się i umierającymi.
Zachwianie tej równowagi w stanach patologicznych może prowadzid do nadumieralności komórek,
tak to ma miejsce w przypadku limfocytów T u nosicieli wirusa HIV. Ale z drugiej strony może
prowadzid do przerostu tkanki w postaci komórek nowotworowych. Śmierd komórek jest procesem
fizjologicznym, podobnie jak proliferacja czy różnicowanie.

Śmierd komórki jest procesem bardzo skomplikowanym (odkrycie lat 90). 2 rodzaje śmierci – nekroza
i apoptoza.

Apoptoza – programowana śmierd komórki

- degradacja DNA jest precyzyjna
- objętośd komórki maleje
- struktury cytoplazmatyczne zachowują pełną
integralnośd
- komórki rozpadają się uwalniając ciałka
apoptotyczne, które są fagocytowane przez
sąsiednie komórki
- brak odczynu zapalnego
- proces kontrolowany genetycznie, zachodzi
synteza RNA i białek de novo
- czas trwania – od kilku godzin do kilkunastu dni

Nekroza – martwica, nekrotyczna śmierd komórki

- degradacja DNA nie jest charakterystyczna
- objętośd komórki rośnie
- uszkodzenie błon cytoplazmatycznych, obrzęk
mitochondriów, pękanie komórki, wyciek
składników
- fagocytoza przez makrofagi i inne komórki
odczynu zapalnego
- zawsze występuje odczyn zapalny
- brak syntezy de novo mRNA i białek
- czas trwania – do kilkunastu minut

Poprzez apoptozę usuwane są z organizmu (degradowane) komórki, które na pewnych etapach
rozwoju stały się organizmowi niepotrzebne, np. przewody Millera u ssaków, które są zachowane
tylko u samic, dotyczny to również plemników. Również poprzez proces apoptozy niszczone są
komórki nowotworowe, czyli niebezpieczne dla organizmu.

a) procesy fizjologiczne:

- embriogeneza
- morfogeneza
- wymiana komórek w tkankach proliferujących (skóra, nabłonki)
- dojrzewanie tymocytów i komórek krwiotwórczych w szpiku kostnym
- obumieranie komórek w gruczole mlekowym po zakooczeniu laktacji
- cykl menstruacyjny
- atrezja pęcherzyków jajnikowych
- oogeneza
- spermatogeneza

b) procesy patologiczne:

- zamieranie komórek nowotworowych
- choroba Alzheimera
- AIDS

Molekularne mechanizmy apoptozy

W procesie apoptozy można wyróżnid 3 główne etapu:

1) Przekazywanie sygnału do indukcji procesu samounicestwienia (komórka musi podjąd decyzję

o popełnieniu samobójstwa). Zapada ona na podstawie informacji o procesach
wewnętrznych zachodzących w komórce oraz sygnałów docierających do niej z otoczenia
(należy zaznaczyd, że odpowiedź komórki na te sygnały może byd różna)

2) Uaktywnienie genów, których produkty biorą udział w samounicestwieniu komórki (faza

efektorowa).

3) Zmiany strukturalne prowadzące do śmierci komórki.

Wybrane czynniki wywołujące apoptozę:

a) fizyczne:

- różnego rodzaju promieniowanie
- szok termiczny

b) chemiczne:

- cytostatyki
- wolne rodniki tlenowe
- jonofory

c) biologiczne:

- glukokortykoidy
- czynnik martwicy nowotworu (TNF – Tumor Necrosis Factor)
- niedobór czynników wzrostowych

Programowana śmierd komórki to proces aktywny, wymagający ekspresji wielu genów, czyli inaczej
syntezy mRNA i białek.
Do dzisiaj zidentyfikowano kilkanaście genów, które biorą udział w stymulacji bądź hamowaniu
procesu apoptozy. Z kolei białka biorące udział w tym procesie w normalnych warunkach
fizjologicznych w komórkach nie występują. Dopiero przez stymulację określonych genów muszą byd
zsyntetyzowane w komórce, która ma ulec apoptozie. Odpowiedni stosunek tych białek będzie
decydował o tym, czy komórka ulegnie proliferacji (podziałom), czy zagładzie (apoptozie).

Wybrane geny uczestniczące mające wpływ na proces apoptozy:

ced-3, ced-4 (cell death)

stymulacja

ced-9 (testosterone repressed prostatic message-2)

blokowanie

TRPM-2 geny CIEGS (cellular immediate-early genes)
c-fos, c-jun, c-myc (-Cell Leukaemia/Lymphoma)

stymulacja

Bcl-2

blokowanie

bcl- (large)

blokowanie

bcl- (small)

stymulacja

bax

stymulacja

bak

stymulacja

p-53 (strażnik genomu)

zmutowany – blokowanie, niezmutowany – stymulacja

BCL2



pierwotnie wykrywy w różnych białaczkach i chłoniakach



koduje on 2 białka: pBCL-2alfa i BCL-2beta



produkty genu hamują apoptozę



nadaje komórkom odpornośd na chemioterapię

p53



gen supresorowy nowotworów



podwyższona ekspresja w komórkach nowotworowych



aktywacja w przypadku uszkodzeo DNA



ekspresja tego genu powoduje zatrzymanie podziałów komórkowych w fazie G1



jeżeli uszkodzenia DNA są zbyt rozległe, produkt tego genu indukuje komórkę do popełnienia
samobójstwa w ucieczce przed transformacją nowotworową



wzrost ekspresji p53 wpływa specyficznie na aktywację innych genów indukowanych w czasie
apoptozy

Podczas procesu apoptozy obserwuje się wzrost aktywności enzymów.

Wybrane enzymy uczestniczące w procesie apoptozy:



transglutaminazy – odpowiedzialne za syntezę sieci białkowej ciałek apoptotycznych podczas
ich tworzenia, nie dopuszczają do wycieku macierzy komórkowej



endonukleazy – odpowiedzialne za fragmentację DNA w komórkach apoptotycznych
(pierwszy, nieodwracalny etap w procesie apoptozy)



kaspazy – są enzymami należącymi do grupy proteaz cysteinowych, rozszczepiających
łaocuch polipeptydowy w pobliżu reszt asparaginowych (substratami kaspaz są liczne białka
cytoplazmatyczne i jądrowe, które degradowane są podczas procesu apoptozy)



cytochrom C (nie jest enzymem) – indukuje kaskadę reakcji prowadzących do aktywacji
kaspaz

Są 2 główne etapy programowanej śmierci komórki:

1) faza mitochondrialna, podczas której dochodzi do wzmocnienia sygnału śmierci
2) faza postmitochondrialna, w której uczestniczą białkowe czynniki aktywujące apoptozę, tj.

cytochrom C, AIF (apoptose infuction factor), kaspazy