Joanna Aapioska Wykład 1. Komórka Histologia to nauka o budowie i czynności tkanek. Tkanka to zespół komórek o podobnej budowie i funkcji. Komórka to podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna organizmu wykazująca wszystkie cechy materii żywej. Cytologia nauka o komórce (jej budowie i funkcji) Narząd (organ) częśd organizmu pełniąca określoną funkcję, zespół kilku tkanek Organizm istota w której zachodzą procesy życiowe: odżywianie, oddychanie, wydalanie, rozmnażanie, wzrost i rozwój, przemiana materii, zdolna do samodzielnego życia Organella komórkowe 1. Błona komórkowa Model płynnej mozaiki (1972) - Singer i Nicolson opublikowali teorię modelu płynnej mozaiki, w której białka pływają w dwuwarstwie lipidowej zanurzone w różnym stopniu. Błona taka jest asymetryczna, płynna i dynamiczna. Skład chemiczny: a) lipidy: fosfolipidy, cholesterol, glikolipidy b) białka: integralne (nie da się ich usunąd z błony bez zniszczenia jej struktury) i powierzchniowe: glikoproteidy, lipoproteidy c) cukry: w połączeniu z białkami i lipidami warstwy zewnętrznej komórki tworzą glikokaliks Błona komórkowa jest asymetryczna bo: na zewnętrznej powierzchni posiada glikokaliks skład chemiczny fosfolipidów jest inny na powierzchni zewnętrznej niż na wewnętrznej Błona komórkowa jest płynna i dynamiczna ponieważ: Zarówno fosfolipidy jak i białka mogą wykonywad ruchy wokół własnej osi, przesuwad się bocznie, wysuwad się, rozchylad łaocuchy kwasów tłuszczowych, cząsteczki cholesterolu mogą też przemieszczad się z jednej warstwy błony do drugiej (tzw. ruchy flip-flop) Funkcje błony komórkowej Oddziela komórkę od środowiska zewnętrznego (zachowanie mikrośrodowiska komórki) Wytwarza struktury powierzchniowe (mikrokosmki, rzęski) Wytwarza połączenia międzykomórkowe Odbiera i przekazuje sygnały (funkcja receptorowa) Uczestniczy w ruchach wewnątrzkomórkowych i całej komórki Jest środowiskiem reakcji enzymatycznych przebiegających na powierzchni komórki Uczestniczy w transporcie substancji do wnętrza i na zewnątrz komórki Uczestniczy w reakcjach immunologicznych Ochrona komórki przed czynnikami fizycznymi i chemicznymi Rozpoznawanie komórek (białka adhezyjne) Kontakty międzykomórkowe tworzenie tkanek Funkcje białek błony komórkowej Budulcowa Enzymatyczna Transportowa Receptorowa Transport przez błony: Dyfuzja = transport bierny = transport prosty => cząsteczki migrujące rozpuszczają się w błonie i dyfundują zgodnie z gradientem stężeo, bez udziału energii, dotyczy małych cząsteczek rozpuszczalnych w tłuszczach, bez ładunku elektrycznego np. steroidy, mocznik, gazy (tlen, azot, dwutlenek węgla) Transport ułatwiony = dyfuzja ułatwiona => zgodny z gradientem stężeo, bez udziału energii, przy udziale białek błonowych (transportowych): Kanałów obszarów hydrofilowych w obrębie białek transbłonowych, przenika przez nie woda i jony (cząsteczki mające ładunek elektryczny), kanały mogą byd stale otwarte lub otwierad się pod wpływem zmiany potencjału błonowego (np. kanały sodowe w błonie komórek nerwowych) lub po przyłączeniu liganda (najczęściej hormonu lub neuroprzekaznika, np. kanały wapniowe) Białka nośnikowe wiążą transportowaną cząsteczkę po jednej stronie błony i po zmianie konformacji uwalniają po drugiej stronie (transport np. cukrów i aminokwasów) Transport aktywny przenoszenie cząsteczek wbrew gradientowi stężeo, wymaga udziału białek przenośnikowych i nakładu energii np. pompa sodowo-potasowa (transport jonów potasu do komórki a sodu na zewnątrz) Transport pęcherzykowy =cytoza => transport z wytworzeniem pęcherzyków, wymaga udziału cytoszkieletu i nakładu energii Egzocytoza transport na zewnątrz komórki (z wbudowaniem błony otaczającej pęcherzyk w błonę komórkową), może odbywad się w sposób ciągły (egzocytoza konstytucyjna) lub pod wpływem działania bodzca (egzocytoza regulowana) Endocytoza transport do wnętrza komórki Pinocytoza endocytoza substancji płynnych Transcytoza odmiana pinocytozy, polega na przetransportowaniu pobranych substancji i wydzieleniu ich po drugiej stronie komórki np. w komórkach śródbłonka naczyo krwionośnych Fagocytoza endocytoza ciał stałych 2. Szkielet komórki a) Mikrotubule Średnica ok. 25 nm Funkcje mikrotubul: Nadają kształt komórce, tworzą się odpowiedzialną za rozmieszczenie organelli błoniastych Uczestniczą w transporcie pęcherzyków i organelli komórkowych Tworzą centriole, ciałka podstawne, szkielet rzęsek i witek, generują ich ruch Tworzą wrzeciono kariokinetyczne b) Miktofilamenty Średnica ok. 6 nm G aktyna niespolimeryzowana F aktyna spolimeryzowana (Fibrylarna) Włókienka o śr. 6 nm grupują się w pęczki lub tworzą przestrzenne sieci Funkcje mikrofilamentów: Tworzą szkielet podtrzymujący błonę komórkową (połączenie z białkami kotwiczącymi) Uczestniczą w tworzeniu połączeo międzykomórkowych (połączenie z białkami transbłonowymi) Tworzą warstwę korową warstwę cytoplazmy ochrona przed urazami mechanicznymi Uczestniczą w przemieszczaniu się komórek i transporcie wewnątrzkomórkowym (połączenie z białkami motorycznymi) Inicjują podział cytoplazmy podczas podziału komórek Uczestniczą w skurczu komórek mięśniowych Tworzą zrąb mikrokosmków i stereocilii c) Filamenty pośrednie Zbudowane z białek fibrylarnych, na obu koocach domeny globularne a w środku włókniste, możliwa agregacja, struktura przypomin sznur, brak biegunowości, struktury stałe, nie podlegają depolimeryzacji - Filamenty keratynowe (z cytokeratyn) w komórkach nabłonkowych - Filamenty wimentynowe w komórkach tkanki łącznej - Filamenty desminowe w komórkach mięśniowych - Gliofilamenty w komórkach glejowych - Neurofilamenty w komórkach nerwowych - Laminy jądrowe w jądrach komórkowych Funkcja filamentów pośrednich: " Odpornośd mechaniczna komórek " Tworzenie połączeo międzykomórkowych " Utrzymywanie kształtu komórek " Wzmacnianie struktury wypustek cytoplazmatycznych 3. Jadro komórkowe Zawiera informację genetyczną w postaci kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Ilośd jąder w komórce: Jedno w większości komórek Dwa komórki wątroby lub chrząstki Wiele jąder komórki szpiku kostnego, komórki kościogubne Brak jądra komórkowego erytrocyty, włókna soczewki, rogowaciejące komórki naskórka Jądro otoczone jest otoczką jądrową utworzoną przez dwie błony: błona zewnętrzna ma na powierzchni rybosomy i łączy się z siateczką śródplazmatyczną szorstką; błona wewnętrzna od strony karioplazmy wzmocniona jest blaszką jądrową utworzoną przez nukleofilamenty (utworzone z lamin). Pomiędzy błoną wewnętrzną a zewnętrzną otoczki jądrowej znajduje się przestrzeo okołojądrowa. W miejscu styku dwóch błon otoczki występują pory jądrowe, przez które karioplazma kontaktuje się z cytoplazmą. Chromatyna jądrowa Zbudowana z DNA, białek histonowych, białek niehistonowych. DNA głównej frakcji - 99,5% jądrowego DNA, podlega transkrypcji na hnRNA (heterogenny RNA), które po obróbce do mRNA stanowi matrycę do syntezy białek Satelitarne DNA 0,5% jądrowego DNA, podlega transkrypcji na rRNA i tRNA, uczestniczy w stabilizacji struktur chromosomów, regulacji transportu przez otoczkę jądrową. Histony białka zasadowe związane z DNA, jest pięd klas histonów: H1, H2A, H2B, H3, H4. H1 zawiera dużo lizyny a mało argininy, w kolejnych klasach histonów proporcje tych aminokwasów się zmieniają (coraz więcej argininy coraz mniej lizyny). Ilośd histonów w chromatynie jest stała, charakterystyczna dla danego gatunku. Białka niehistonowe: enzymatyczne (biorą udział w syntezie i modyfikacjach DNA), regulatorowe (wpływają na ekspresję genów), strukturalne (odpowiedzialne za przestrzenną organizację chromatyny i jej przytwierdzanie do otoczki jądrowej). Organizacja przestrzenna chromatyny: Nid DNA -> nukleonom -> nukleofilament ->solenoid -> spętlone domeny -> chromatyda -> chromosom Nukleosom: rdzeo zbudowany z oktameru histonów (ośmiocząsteczkowy kompleks par histonów: H2A, H2B, H3, H4)i białek niehistonowych oraz nawinięta na ten rdzeo podwójna helisa DNA (ok. 146 par nukleotydów) Nukleofilament: nulkeosomy połączone DNA łączącym zbudowanym z ok. 60 par nukleotydów, którym towarzyszy histon H1 (jak paciorki na nitce) Solenoid (włókno 30 nm): czwartorzędowa struktura chromatyny, spiralne zwinięcie nukleofilamentów tworzy włókno zbudowane z dwóch szeregów nukleosomów, powstaje w wyniku oddziaływania między sobą histonów H1 sąsiednich nukleosomów, podstawowa struktura chromatyny w jądrze interfazowym System spętlonych domen powstaje przy udziale białek niehistonowych, średnica ok. 300 nm, każda pętla zawiera ok. 20-100 par zasad. Morfologia chromatyny: dwie postacie: Euchromatyna jaśniejsze luzniejsze obszary chromatyny, zbudowana przez DNA głównej frakcji, zawierający aktywny transkrypcyjnie materiał genetyczny Heterochromatyna skondensowana forma chromatyny, leży na obwodzie jądra komórkowego w postaci pasma, natomiast na innych obszarach jądra występuje w postaci grudek Heterochromatyna konstytutywna charakterystyczna dla wszystkich komórek danego organizmu i zawiera głownie satelitarny DNA, nie zawiera genów struktury i nie podlega transkrypcji, np. ciałko Barra Heterochromatyna fakultatywna charakterystyczna dla określonych typów komórek, tworzy się podczas różnicowania komórek, zawiera wyłączone na trwałe geny. Jąderko Silnie zasadochłonna struktura na terenie jądra komórkowego, nie jest oddzielona żadną błoną, różnorodna pod względem wielkości, kształtu i ilości w zależności od stanu funkcjonalnego komórki (intensywności syntezy białek przez komórkę). Morfologia: częśd ziarnista, częśd włóknista, częśd amorficzna, chromatyna okołojąderkowa Chromatyna jąderkowa interfazowa forma DNA wchodząca w skład satelitów i przewężeo wtórnych 5 par chromosomów jądrekotwórczych (13, 14, 15, 21, 22), DNA jąderka (rDNA) to przede wszystkim DNA satelitarne o wysokim stopniu powtarzalności nukleotydów. Chromatyna jąderka może byd silnie skondensowana i nieczynna (chromatyna okołojąderkowa) lub rozluzniona tzw. organizator jąderka budująca częśd amorficzną. Częśd ziarnista ziarna o średnicy ok. 15 nm, rozmieszczone na obwodzie jąderka lub tworzą wyrazne skupienia, zbudowane z rybonuklein, są prekursorami rybosomów. Częśd włóknista włókienka o średnicy 5-8 nm, zbudowane z RNA (pre-rRNA), są prekursorami ziaren. Białka jąderka niewidoczne jako oddzielne struktury, białka związane z transkrypcją rDNA oraz wytwarzaniem podjednostek rybosomów i ich transportem do cytoplazmy (np. polimeraza RNA, białko B23, nukleolina, białko Ag-NOR). Funkcja jąderka Wytwarzanie podjednostek rybosomów (Na matrycy rDNA, przy udziale polimerazy RNA I powstaje pre-rRNA o stałej sedymentacji 45S, który zostaje rozczłonkowany na mniejsze jednostki, metylowany i wiązany z białkami. Tak powstają podjednostki rybosomów (przez połączenie fragmentów rRNA z białkami): mniejsza o stałej sedymentacji 40S i większa 60S. Podjednostki 40S natychmiast po wytworzeniu opuszczają jąderko, natomiast 60S znacznie pózniej dlatego wchodzą w skład części ziarnistej jąderka. Macierz jądrowa Substancja, w której zawieszone są składniki jądra komórkowego, składa się z części rozpuszczalnej (zbudowanej z białek, metabolitów i jonów) tzw. kariolimfy oraz struktur w postaci włókienek i ziarenek tworzących nukleoszkielet odpowiadający za organizację przestrzenną składników jądra komórkowego. Nukleoszkielet budują białka lamininy tworzące skomplikowane układy przestrzenne oraz blaszkę jądrową leżącą pod otoczką jądrową. W skład kariolimfy wchodzą białka strukturalne (budujące filamenty szkieletu) oraz funkcjonalne (enzymy związane z syntezą i transkrypcją DNA oraz wytwarzaniem mRNA). W skłąd macierzy wchodzi też perichromatyna (włókienka i ziarenka zbudowane z hnRNA i kompleksów mRNA transportowanych do cytoplazmy), interchromatyna (podjednostki rybosomów wędrujące do cytoplazmy), ciałka jądrowe. 4. Rybosomy Struktury ziarniste zbudowane z rRNA i białek. Podjednostki: mała (40S) i duża (60S) łączą się tworząc pojedynczy rybosom (80S). Rybosomy powiązane nicią mRNA tworzą polirybosomy, które mogą leżed luzno w cytoplazmie lub byd przytwierdzone do błon siateczki śródplazmatycznej lub zewnętrznej błony otoczki jądrowej. Funkcja rybosomów; Synteza białek Małą podjednostka dopasowuje cząsteczki aminoacylo-tRNA do kodonów mRNA, duża podjednostka odpowiada za wytwarzanie wiązao peptydowych między aminokwasami i elongację syntetyzowanego łaocucha polipeptydowego. Jeśli początkowy odcinek powstającego peptydu zawiera tzw. sekwencję sygnałową to rybosom przytwierdza się do błony siateczki śródplazmatycznej (tam wytwarzane są białka przeznaczone do wydzielenia, enzymy lizosomalne, białkowe składniki błon pęcherzyków i organelli komórkowych) jeśli nie ma tej sekwencji sygnałowej, to dalsza synteza białka przebiega w cytoplazmie (białka na potrzeby własne komórki). GERL (Golgi, Endoplazmatyczne Retikulum, Lizosomy) 1. otoczka jądrowa, 2. por jądrowy, 3. szorstka siateczka śródplazmatyczna (na powierzchni - 5. rybosomy ), 4. gładka siateczka śródplazmatyczna, 6. substancja wytwarzana w siateczce i transportowana do Aparatu Golgiego (białka lub lipidy), 7. pęcherzyk transportujący, 8. Aparat Golgiego: 9. biegun cis (formowania) Aparatu Golgiego, 10. biegun trans (dojrzewania) AG, 11. cysterny diktiosomu AG 5. Siateczka śródplazmatyczna (Retikulum endoplazmatyczne) System kanalików i cystern ograniczonych błoną cytoplazmatyczną, występuje w cytoplazmie niemal wszystkich komórek. a) Siateczka śródplazmatyczna szorstka System spłaszczonych cystern pokrytych na powierzchni zewnętrznej rybosomami Funkcja: Potranslacyjna modyfikacja białek np. glikozylacja, kierowanie do odpowiednich pęcherzyków transportujących lub siateczki gładkiej b) Siateczka śródplazmatyczna gładka System kanalików, często łączy się z siateczką szorstką Funkcja: Synteza lipidów (głównie fosfolipidów błon) Synteza i przemiany hormonów steroidowych Przemiany glukozy Modyfikacja i segregacja białek dostarczanych z siateczki śródplazmatycznej szorstkiej Detoksykacja trucizn Zmodyfikowana RE w mięsniach poprzecznie prążkowanych pełni rolę magazynu jonów wapnia Różnice między błoną komórkową a błonami siateczki śródplazmatycznej: W błonach siateczki : brak polaryzacji błony, mniej lipidów, cholesterolu i nienasyconych kwasów tłuszczowych w składzie błon więcej białek w składzie (duża ilośd enzymów, białkowych systemów przenośnikowych) 6. Aparat Golgiego Ułożony najczęściej w pobliżu jądra komórkowego. Struktura błoniasta, podstawowa jednostka strukturalna to diktiosom. Diktiosom to układ 5-8 spłaszczonych, łukowato wygiętych cystern ułożonych równolegle względem siebie, (odległośd między cysternami jest stała). Cysterny bliższe (proksymalne w stosunku do jądra) to cysterny cis (biegun formowania), cysterny dalsze to cysterny trans (biegun dojrzewania). Pomiędzy nimi leżą cysterny pośrednie. Dookoła cystern występują liczne pęcherzyki transportujące . Funkcja Aparatu Golgiego Transport błon pomiędzy siateczką śródplazmatyczną, cysternami diktiosomów a błoną komórkową (transport białek i lipidów w celu wbudowania w plazmalemmę) Tworzenie pęcherzyków hydrolazowych (z nich tworzą się lizosomy pierwotne) lub wakuoli zagęszczających (tworzą się z nich ziarna wydzielnicze) Modyfikacja białek i lipidów (glikozylacja, fosforylacja, dodawanie reszt siarkowych) powstawanie glikoprotein, lipoproteid, glikolipidów) 7. Lizosomy Pęcherzyki otoczone błoną, zawierają enzymy hydrolityczne (esterazy, peptydazy, glikozydazy) działające w kwaśnym pH, rozkładające związki wielkocząsteczkowe. Błona lizosomów wyposażona jest w pompę protonową, dzięki której we wnętrzu lizosomów utrzymywane jest kwaśne pH, optymalne do działania enzymów lizosomalnych. Błona otaczająca lizosom w warunkach fizjologicznych jest nieprzepuszczalna dla enzymów co zapobiega samotrawieniu komórki. Powstawanie lizosomów: - lizosom pierwotny nie brała jeszcze udziału w procesie trawienia, powstaje z pęcherzyków hydrolazowych w Aparacie Golgiego - lizosom wtórny jest w trakcie lub po procesie trawienia; wyróżniamy heterolizosomy jeśli trawiona substancja pochodzi z zewnątrz komórki (powstaje w wyniku połączenia lizosomy pierwotnego z endosomem); autolizosomy gdy trawiony jest materiał własny komórki; ciała wielopęcherzykowe trawiące nadmiar błon komórkowych; ciała resztkowe- zawierają substancje które nie dają się strawid. 8. Peroksysomy Mikrociałaka, kuliste pęcherzyki o śr, ok. 0,1 do 1 m. Zawierają enzymy oksydacyjne (katalaza). Funkcje Utleniają substancje (również te toksyczne dla komórki) Redukują nadtlenek wodoru Udział w oksydacji kwasów tłuszczowych Synteza niektórych lipidów i metabolizm cholesterolu 9. Proteasomy Organella o cylindrycznym kształacie utworzone przez kompleks białek, głównie proteaz Funkcja Pozalizosomowa hydrolizie uszkodzonych białek (poprzedzona przyłączeniem białka ubikwityny) Zapobieganie kumulacji uszkodzonych białek Regulują cykl komórkowy i różnicowanie komórek Rozkładanie antygenów do peptydów 10. Mitochondria Owalne lub pałeczkowate organella komórkowe (dł. do 1 m, śr. 0,1 m). Otoczone dwiema błonami: zewnętrzną i wewnętrzną, pomiędzy błonami występuje przestrzeo między błonowa, wnętrze wypełnione macierzą mitochondrialną. Błona zewnętrzna: Zawiera wyspecjalizowane białka transportowe (poryny), przez które łatwo przechodzą małe cząsteczki (jony, substraty oddechowe, nukleotydy), na jej powierzchni występują też receptory dla białek mitochondrialnych syntetyzowanych w cytoplazmie i transportowanych do mitochondrium, pełni funkcję sita molekularnego. Przestrzeo międzybłonowa Szeroka i wyrazna w mitochondriach aktywnych metabolicznie, niskie pH, znajdują się tu substancje transportowane z cytoplazmy do macierzy oraz ATP wytworzone w procesie fosforylacji oksydacyjnej. W niektórych miejscach błona zewnętrzna styka się z wewnętrzną co umożliwia transport niektórych metabolitów z pominięciem przestrzeni międzybłonowej. Błona wewnętrzna Tworzy liczne wpuklenia do macierzy mitochondrialnej, tworzy grzebienie mitochondrialne co zwiększa jej powierzchnię. Zawiera dużą ilośd fosfolipidu kardiolipiny, co powoduje, że jest nieprzepuszczalna dla małych jonów, dzięki czemu może byd wytworzony gradient elektrochemiczny, który warunkuje prawidłowy przebieg reakcji łaocucha oddechowego i wytworzenie ATP. Wśród białek błony wewnętrznej mitochondrium wyróżniamy białka transportujące metabolity, enzymy łaocucha oddechowego, kompleks syntetazy ATP (widoczne w mikroskopie elektronowym jako grzybki mitochondrialne). Macierz mitochondrialna Zawiera enzymy -oksydacji, cyklu Krebsa, obecna jest też kolista cząsteczka mitochondrialnego DNA, rybosomy oraz wszystkie enzymy i substraty konieczne do replikacji i transkrypcji. Mitochondria są zdolne do samodzielnej syntezy jedynie 13 białek błony wewnętrznej, reszta białek mitochondrialnych syntetyzowana jest w cytoplazmie pod kontrolą DNA jądrowego. Funkcja mitochondriów: Wytwarzanie i wiązanie energii w wysokoenergetycznych wiązaniach fosforanowych ATP. Opracowano na podstawie: 1. Zabel M. Histologia Podręcznika dla studentów medycyny i stomatologii. Elsevir Urban & Partner, Wrocław 2000, 2. Lewioski W. Biologia Cytologia i Histologia. Wydawnictwo Operon 3. Ryciny - Wikipedia