Biologia komórki - notatki z wykładów - 2014

Wykład I

Błona komórkowa

Lipidy błonowe:

• są w stanie płynnym i tworzą w środowisku wodnym dwuwarstwy,

• płynność dwuwarstwy zależy od jej składu,

• dwuwarstwa lipidowa jest asymetryczna,

• dwuwarstwa jest nieprzepuszczalna dla jonów i substancji rozpuszczalnych w wodzie.

Białka błonowe:

• białka błonowe są w różny sposób związane z warstwa lipidową, najczęściej przechodzą przez nią w postaci alfa-helisy,

• całkowita struktura białek jest znana tylko w przypadku niewielu białek błonowych,

• białka błonowe uczestniczą w tworzeniu „słodkiej otoczki” oraz kory komórki,

• przemieszczanie białek może być ograniczone przez komórkę.

Glikokaliks:

• słodka otoczka związana z zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej, zwana również płaszczem komórki, o grubości do 50 nm,

• w jej skład wchodzą boczne łańcuchy polarnych oligosacharydów powiązanych z białkami i niektórymi lipidami błony komórkowej,

• zawiera powierzchniowe proteoglikany (glikozoaminoglikany połączone z białkami integralnymi) oraz może zawierać lektyny związane ze składnikami węglowodanowymi,

• najgrubszy glikokaliks występuje w komórkach nabłonka jelitowego.

Funkcje glikokaliksu:

• oligosacharydy i polisacharydy wchodzące w skład glikokaliksu wiążą wodę powodując śliskość komórki, co ułatwia przemieszczanie komórek ruchliwych,

• umożliwia przyleganie komórek do składników macierzy pozakomórkowej,

• wiąże antygeny i enzymy na powierzchni komórki, uczestniczy w reakcjach antygen-przeciwciało,

• umożliwia wzajemne rozpoznawanie, współdziałanie i adhezję komórek.

Błony siateczki endoplazmatycznej:

- dwuwarstwa lipidowa:

• duży stopień nienasycenia fosfolipidów,

• mało cholesterolu i sfingomieliny,

• więcej fosfatydylocholiny i fosfadyloetanolaminy,

• obie warstwy podobny skład, brak asymetrii.

- białka:

• specyficzne białka integralne odpowiadające za modyfikacje potranslacyjne i eksport białek.

Wykład II

Charakterystyka ogólna transportu przez błony:

• cząsteczki i jony są przenoszone przez błony w drodze transportu biernego lub aktywnego,

• transport bierny wykorzystuje gradient stężeń oraz siły elektryczne,

• transport aktywny odbywa się wbrew gradientowi elektrochemicznemu,

• energia w pompach jest uzyskiwana z hydrolizy ATP (transport aktywny bezpośredni) lub wytwarzana przez substancje poruszające się zgodnie z gradientem (transport aktywny pośredni),

• komórki używają gradientu Na+ do zasilania transportu aktywnego pośredniego,

• poziom Ca⁺⁺ w komórkach zwierzęcych jest utrzymywany na niskim poziomie przez pompy Ca⁺⁺,

• kanały jonowe są selektywne i bramkowane,

• kanały przełączają się między stanem otwartym i zamkniętym w sposób przypadkowy,

• kanały zależne od napięcia reagują na potencjał błony,

• potencjał jest zależny od przepuszczalności błony,

• zaburzenia transportu przez błony są przyczyną wielu chorób.

Kanały jonowe i sygnalizacja w komórkach nerwowych

1. Wyzwolenie potencjału czynnościowego.

2. Otwarcie kanałów Na⁺.

3. Przepływ jonów Na⁺ do wnętrza komórki i dalsza depolaryzacja.

4. Przesunięcie potencjału błony z -60 mV do około +40 mV (przy tym potencjale błonowym siła napływu jonów Na⁺ = 0.

5. Kanały jonowe Na⁺ mają automatyczny mechanizm inaktywujący, który po milisekundzie narzuca im konformację nieaktywną.

6. Kanały pozostają w takim stanie przez kilka milisekund.

7. Potencjał błonowy wraca do wyjściowej wartości.

8. W powrocie błony do wartości spoczynkowej pomaga otwarcie kanałów K⁺ bramkowanych napięciem.

9. Wypływ jonów K⁺ na zewnątrz pomaga w odbudowie spoczynkowego potencjału błony.

10. Zamiana sygnału elektrycznego na chemiczny – następuje w elemencie presynaptycznym, gdzie sygnał elektryczny otwiera kanały Ca⁺. Napływ Ca⁺ powoduje egzocytozę neurotransmiterów do przestrzeni synaptycznej.

11. Zamiana sygnału chemicznego na elektryczny następuje w elemencie postsynaptycznym, gdy cząsteczki neurotransmitera łączą się z bramkowanym ligandem kanałami jonowymi i umożliwiając napływ jonów powodują depolaryzację następnej komórki nerwowej.

Osmoza

• Termin używany do określenia transportu wody przez błony.

• Woda przechodzi przez dwuwarstwę.

• Woda zawsze przechodzi z środowiska o większym jej stężeniu do środowiska o mniejszy jej stężeniu.

• Woda nigdy nie podlega transportowi aktywnemu.

• Roztwór hypotoniczny – koncentracja wody w medium otaczającym jest wyższa niż w cytozolu.

• Roztwór izotoniczny koncentracja jest taka sama - ECF u ssaków jest izotoniczny w stosunku do cytoplazmy – balans ten jest utrzymywany aktywnie głównie za pomocą jonów sodowych, izotoniczny roztwór dla krwinek 0.9% NaCl.

• Roztwór hypertoniczny – koncentracja wody mniejsza w otoczeniu niż w cytozolu.

• Woda morska jest hypertoniczna w stosunku do ECF(extracellular fluid) u większości zwierząt morskich, co powoduje odwodnienie i zmusza je do ciągłego picia wody morskiej i odsalania jej (gruczoły solne ptaków i węży, skrzela ryb).

• Nie można lekceważyć ciśnienia osmotycznego przy podawaniu płynów do krwi (in vivo) bo można spowodować hemolizę.

Transport pęcherzykowy:

• transport za pomocą którego komórka przesyła swoje produkty z miejsca syntezy do innych organelli i do błony komórkowej oraz pobrane substancje od błony błony komórkowej do wnętrza komórki,

• szlak egzocytozy – transport substancji wytwarzanych przez komórkę do błony komórkowej (wydzielanie, sekrecja),

• endocytoza – transport substancji pobranych przez komórkę do jej wnętrza.

Mechanizmy transportu pęcherzykowego

1. Transport pęcherzykowy obejmuje dwa rodzaje pęcherzyków:

- pęcherzyki otoczone klatryną (endocytoza receptorowa, transport pęcherzyków z AG do innych struktur wewnątrzkomórkowych).

- pęcherzyki otoczone COP (coated protein) – COP I – transport retrogradowy (dośrodkowy), COP II transport anterogradowy (odśrodkowy).

Uzupełnieniem są adaptyny, które odpowiadają za wiązanie klatryny do błony pęcherzyka.

2. Fuzja pęcherzyka do błony docelowej:

- rozpoznanie właściwej błony docelowej (przykład pęcherzyk z enzymami lizosomalnymi rozpoznaje błonę lizosomu),

- fuzja błony pęcherzyka i błony docelowej.

Fuzja odbywa się za pośrednictwem wzajemnie na siebie oddziałujących dwóch cytozolowych białek:

- NSF (N-ethylmaleimide-sesitive-fusion),

- SNAPs akronim pochodzący od ( soluble NSF attachment proteins),

- SNAREv (Soluble NSF Attachment Proteins Receptor) receptor na pęcherzykach transportujących,

- SNAREt (Soluble NSF Attachment Proteins Receptor) receptor na błonie docelowej w miejscu dokowania pęcherzyka.

Po dokowaniu, kompleks SNARE werbuje (wzmacnia, stymuluje) NSF i SNAPS do spowodowania fuzji pęcherzyka z błoną docelową.

Generalnie zadaniem białek SNARE jest pośredniczenie w fuzji pęcherzyków.

Egzocytoza

• Droga uwalniania białek sekrecyjnych.

• Syntetyzowane w ER białka są dostarczane poprzez aparat Golgiego do powierzchni komórki transportem pęcherzykowym.

• W poszczególnych przedziałach błonowych cząsteczki ulegają modyfikacjom chemicznym (np. dodawanie reszt cukrowych).

• Ostatni etap tego procesu zachodzi między siecią „trans” aparatu Golgiego, a błoną komórkową nosi nazwę egzocytozy.

• Wyróżniamy egzocytozę konstytutywną i egzocytozę regulowaną.

Egzocytoza konstytutywna:

• stały przepływ pęcherzyków pączkujących z sieci „trans”,

• zapewnia dopływ nowo powstałych lipidów i białka do błony komórkowej, zapewnia wzrost błony komórkowej,

• przenosi białka, które mają być uwolnione z komórki np. białka powierzchniowe, białka substancji międzykomórkowej.

Egzocytoza regulowana:

• dotyczy wyspecjalizowanych komórek wydzielniczych,

• produkowane przez te komórki substancje są magazynowane w specjalnych ziarnistościach wydzielniczych,

• ziarnistości te są gromadzone w cytoplazmie w pobliżu błony komórkowej,

• zostają uwalniane pod wpływem sygnałów dochodzących do komórki z środowiska zewnętrznego,

• dotyczy wydzielania hormonów, śluzu i enzymów trawiennych.

Skutki zaburzeń transportu (przykłady):

• Nieprawidłowy nośnik białkowy uniemożliwiający usuwanie cysteiny z moczu – kamica nerkowa

• Inaktywacja kanału Na⁺ - blokowanie miejsc wiązania Na⁺ przez etrodoksynę (tetrodotoksyna) – paraliż

• Inaktywacja receptorów acetylocholiny we włóknach mięśniowych - paraliż

• Nieprawidłowy receptor dla białka nośnikowego cholesteroli (LDL) - zaburzenia endocytozy cholesteroli, akumulacja cholesterolu we krwi – arterioskleroza

• Toksyny z rodziny Clostridium (toksyna tężca, toksyny botulinowe) rozkładają białka SNARE co prowadzi do zahamowania przewodnictwa na poziomie synaps.

Charakterystyka ogólna transportu przez błony:

• cząsteczki i jony są przenoszone przez błony w drodze transportu biernego lub aktywnego,

• transport bierny wykorzystuje gradient stężeń oraz siły elektryczne,

• transport aktywny odbywa się wbrew gradientowi elektrochemicznemu,

• energia w pompie Na + - K+ jest uzyskiwana z hydrolizy ATP,

• pompa Na+ - K+ służy do wypompowywania Na+ i pomaga w utrzymywaniu osmotycznej regulacji komórek zwierzęcych,

• komórki używają gradientu Na+ do pobierania substancji odżywczych,

• poziom Ca++ w komórkach zwierzęcych jest utrzymywany na niskim poziomie przez pompy Ca++.

Kanały jonowe, potencjał błonowy:

• kanały jonowe są selektywne i bramkowane,

• kanały jonowe przełączają się między stanem otwartym i zamkniętym w sposób przypadkowy,

• kanały zależne od napięcia reagują na potencjał błony,

• potencjał jest zależny od przepuszczalności błony.

Wykład III

Funkcje aparatu Golgiego:

• modyfikacje posyntetyczne glikoprotein, glikolipidów i proteoglikanów (terminalna N- i O-glikozylacja oraz siarkowanie),

• proteolityczne przetwarzanie białek,

• udział w sekrecji – zagęszczanie, sortowanie i pakowanie produktów wydzielniczych,

• udział w biogenezie błon,

• udział w biogenezie lizosomów.

Lizosomy

• Elektronowo gęste, otoczone błoną organella o zróżnicowanej budowie, wielkości i gęstości elektronowej.

• Specyficzna budowa błony otaczającej:

- dwuwarstwa lipidowa (główne składniki, cholesterol, kwas lizo-dwufosforanowy),

- specyficzne, silnie glikozylowane białka na powierzchni od strony światła, wytwarzają cukrową warstwę ochronną zapobiegającą samostrawieniu komórki,

- białka transportowe: - pompy protonowe (zasilane ATP), które są odpowiedzialne za utrzymanie pH~5; - transportujące końcowe produkty procesu trawienia do cytoplazmy.

• Wszystkie białka błon są syntetyzowane w RER, a następnie sortowane i transportowane za pomocą AG

Peroksysomy

• Otoczone błoną okrągłe lub owalne.

• Średnica 0,15 – 1 µm.

• Powstają wskutek podziału, powiększają się importując specyficzne białka z cytozolu, okres trwania 5 – 6 dni.

• Zawierają szereg enzymów z grupy oksydaz, oraz katalazę (oksyreduktazę) która jest enzymem markerowym.

• Produktem działania peroksydaz jest H₂O_2.

• Katalaza odpowiada za rozkład H₂O_2, chroni komórkę przed szkodliwym działaniem.

• U zwierząt zawierają oksydazę moczanową , która tworzy krystaliczny rdzeń.

• Liczba peroksysomów jest zależna od diety, leków i stymulacji hormonalnej.

Funkcje:

• utlenianie kwasów tłuszczowych,

• detoksykacja.

Lipidy

• Złogi neutralnych lipidów.

• Występują we wszystkich rodzajach komórek (od komórek bakteryjnych do komórek ssaków).

• Średnica kropli zazwyczaj około 1 µm.

• Ich zawartość w ME jest homogenna.

• Zgromadzone w komórkach tłuszczowych są rezerwuarem energii dla całego ciała.

• W pozostałych komórkach służą do gromadzenia lipidów potrzebnych do biogenezy błon, lipidyzacji białek i są rezerwuarem energii na potrzeby własne.

• Włączone są w proces sygnalizacji komórkowej.

• Tymczasowe magazyny białek.

• Mogą prowadzić rozkład białek.

Budowa kropli:

• wnętrze jest zbudowane z wysoko hydrofobowych estrów cholesterolu, diacylogricerolu oraz trójglicerydów,

• na obwodzie znajduje się jedna warstwa fosfolipidów,

• gęstość elektronowa waha się w zależności od składu,

• brak podwójnej dwuwarstwy lipidowej powoduje słabe oddzielenie kropli od otaczającej cytoplazmy,

• krople mogą przylegać ściśle do organelli komórkowych,

• skład warstwy fosfolipidowej jest podobny do RE.

Białka zawiązane z kroplami lipidowymi

Białka PAT ( perilipin, adipose differentiation related protein, tail interacting protein):

• mają zdolność wiązania się z tłuszczami,

• znajdują się na powierzchni kropli,

• powodują przyłączanie lipaz do kropli tłuszczu,

• współpracują z mechanizmem komórkowym odpowiedzialnym za biogenezę kropli,

• - zaburzenia w genie kodującym perilipinę prowadzą do otyłości.

Kaweoliny:

• białka odpowiedzialne za kształtowanie kaweoli,

• wbudowują się do błony fosfolipidowej otaczającej kroplę oraz mogą występować w jej wnętrzu,

• regulują wielkość kropli lipidowych,

• odpowiedzialne za magazynowanie i rozpad lipidów.

Wykład IV

Cytoszkielet

Właściwości mikrotubul:

• białka MAPs umożliwiają mikrotubulom wiązanie z pozostałymi składnikami cytoszkieletu i organellami,

• białka MAPs stabilizują mikrotubule,

• mikrotubule są bardzo wrażliwe na działanie temperatury (niska, wysoka) oraz ciśnienie,

• zaburzenia budowy mikrotubul i ich konsekwencje,

• znaczenie kliniczne.

Białka MAPs

• Typ I – MAP1 (a i b) - związane końcem C z mikrotubulami, a końcem N z innymi składnikami cytoszkieletu lub błoną cytoplazmatyczną – odpowiadają za rozmieszczenie mikrotubul w cytoplazmie - występują w aksonach i dendrytach komórek nerwowych.

• Typ II – MAP2, MAP4 i tau:

• MAP2 i tau charakterystyczne dla komórek nerwowych,

• MAP2 – zlokalizowane w dendrytach, koniec - C związany z mikrotubulami, koniec – N wiąże się z innymi białkami; odpowiadają za stabilizację mikrotubul,

• białka tau – zlokalizowane w aksonach, sposób wiązania podobny jak w przypadku MAP2, odpowiada za stabilizację mikrotubul i tworzenie wiązek (hyperfosforylacja białka i jej konsekwencje),

• MAP 4 – występuje we wszystkich komórkach poza komórkami nerwowymi, odpowiada za stabilizację mikrotubul.

• Inne typy MAPs – katastrofiny, katanina, białka motoryczne

Funkcje mikrotubul:

• utrzymują kształt komórek,

• organizują wnętrze komórki,

• biorą udział w transporcie wyznaczając szlaki komunikacyjne,

• umożliwiają ruch migawek, witek i chromosomów,

• ustabilizowane mikrotubule są obecne w komórkach wysoko wyspecjalizowanych np. komórkach nerwowych.

Filamenty aktynowe (mikrofilamenty) – funkcje:

• umożliwiają przechodzenie cytozolu ze stanu zolu w stan żelu,

• nadają komórce oraz jej fragmentom różne konfiguracje,

• tworzą korę cytoplazmy,

• uczestniczą w egzocytozie i endocytozie,

• uczestniczą w tworzeniu połączeń międzykomórkowych (strefa przylegania),

• uczestniczą w cytokinezie,

• odpowiadają za ruch niemięśniowy komórek,

• uczestniczą w ruchu mięśniowym,

• biorą udział w ustalaniu i utrzymywaniu kształtu komórek,

• uczestniczą w transporcie wewnątrzkomórkowym z miozyną V i VI.

Filamenty pośrednie – funkcje:

• decydują o właściwościach mechanicznych komórek – umożliwiają komórce przeciwstawianie się mechanicznym stresom,

• uczestniczą w tworzeniu połączeń międzykomórkowych (połączenia mechaniczne),

• odpowiadają za pozycję jądra w komórce oraz rozpad otoczki jądrowej,

• są znacznikami komórek nowotworowych.

Wykład V

Sygnalizacja międzykomórkowa

Dlaczego jest potrzebna wymiana informacji pomiędzy komórkami?

• Różnicowanie i specjalizacja komórek.

• Stymulacja i zakończenie wzrostu.

• Formowanie się tkanek.

• Integracja metabolizmu.

Drogi przekazywania sygnałów

• Autokrynna, parakrynna, endokrynna - głównie hormony.

• Bezpośrednie przekazywanie sygnałów (jest bardzo ważne w procesach rozwojowych).

• Sygnalizacja nerwowa (podstawowa w neurotransmisji).

• Przekazywanie małych molekuł przez połączenia typu neksus – ważna pomiędzy przylegającymi komórkami.

Rodzaje procesów sygnalizacyjnych. (Z)

Ta sama cząsteczka – różna odpowiedź.(Z)

Sygnały z środowiska – determinują zachowanie komórki.(Z)

Sygnał zewnątrzkomórkowy sygnał wewnątrzkomórkowy (Z)

Wtórne przekaźniki - substancje o niskiej masie cząsteczkowej, odpowiedzialne za amplifikację sygnału, produkowane w komórce przez enzymy stymulowane kompleksem ligand-receptor - cyklazę adenylową i fosfolipazę C.

Zaliczamy do nich:

• cykliczne nukleotydy cAMP i cGMP,

• trójfosforan inozytolu IP3 i diacylogrycerol DAG,

• jony wapnia,

• prostaglandyny.

cAMP:

• mediator wewnątrzkomórkowy,

• powstaje z ATP (enzym katalizujący reakcję – cyklaza adenylowa),

• inaktywowany ( hydroliza poprzez fosfodiesterazę cyklicznych nukleotydów),

• mechanizm działania – pobudza cAMP - zależne kinazy białkowe odpowiedzialne za fosforylację białek,

• białka podlegające fosforylacji m.in. białka cytoszkieletu, kanałów jonowych, enzymy, białka uczestniczące w przekazywaniu informacji gnetycznej.

Ca ⁺⁺:

• główny składnik nieorganiczny organizmu zwierzęcego, pełni funkcje budulcowe i regulacyjne,

• wysokie stężenie w przestrzeni pozakomórkowej, małe w cytozolu (magazynowanie głównie w SER),

• wzrost stężenia w cytozolu – wynik otwarcia kanałów Ca++ zapoczątkowuje procesy biochemiczne,

• homeostaza – wynik współdziałania kanałów Ca++, ATP –az wapniowych i białek wiążących wapń (np. kalmoduliny),

• przekaźnik uniwersalny - najprostszy i najbardziej rozpowszechniony ( synteza i uwalnianie hormonów i neuro-przekaźników, skurcze mięśni, cykl komórkowy).

Sygnały zewnątrzkomórkowe - zmiana aktywności białek - zmiana zachowania komórki.(z)

Kaskada sygnalizacyjna.(z)

Funkcje kaskady sygnalizacyjnej:

• fizyczne przenoszenie sygnału,

• przekształcenie sygnału w formę molekularną, która jest zdolna do wywołania odpowiedzi,

• amplifikacja – wzmocnienie sygnału,

• rozprowadzanie sygnału.

Cząsteczki sygnałowe - rodzaje - sposób oddziaływania na komórki (Z)

Receptory błonowe:

• są w większości przypadków glikoproteinami,

• są zlokalizowane na powierzchni błony komórkowej i wiążą specyficzne cząsteczki sygnałowe.

Funkcje receptorów błonowych:

• kontrolują przepuszczalności błony komórkowej poprzez regulowanie konformacji białek stanowiących kanały jonowe,

• kontrolują przechodzenie cząsteczek do komórki (np. cholesterolu),

• wiązanie cząsteczek substancji pozakomórkowej do cytoszkieletu i wzajemnie do siebie (integryny),

• działają jako przekaźniki przekazujące sygnały pozakomórkowe do wnętrza komórki i wtórnego systemu przekaźników,

• umożliwiają patogennym organizmom, które upodabniają się do prawidłowych ligandów wnikania do komórek.

Podział receptorów błonowych:

• receptory połączone z kanałami jonowymi,

• receptory połączone z białkami G (metabotropowe),

• receptory o domenie enzymatycznej (katalityczne).

Receptory związane z białkami G.(Z)

Odpowiedzi komórki - szybkie i wolne. (Z)

Kontrolowanie przez komórkę swojej reakcji na sygnały. (Z)

Cykl komórkowy

Fazy cyklu komórkowego.(Z)

Punkt kontrolny G_1. (Z)

Pytania służące podjęciu decyzji:

Czy nie jestem za mała aby się podzielić? (wskaźnik masy)

Czy mam prawidłowy kształt i wielkość? (wskaźnik wzrostu)

Czy teraz zacząć? (wskaźnik czasu)

Co na to powiedzą moje koleżanki? (wskaźnik środowiskowy)

Czy moje geny są w dobrym stanie? (wskaźnik replikacji

Układ kontroli cyklu.

Sposoby obumierania komórek

• Każda komórka ma czas życia i śmierci.

• Śmierć komórki może nastąpić w wyniku nekrozy lub apoptozy.

• Nekroza - śmierć komórki następuje w wyniku uszkodzenia (np.uszkodzenia mechanicznego, działania toksycznych związków chemicznych). Morfologiczne objawy nekrozy – obrzmienie komórki i jej organelli (np. mitochondriów), rozerwanie błony komórkowej wylanie zawartości komórki do otoczenia prowadzące do stanu zapalnego otaczających tkanek.

• Apoptoza - śmierć spowodowana działaniem czynników, które skłaniają ją do samobójstwa.

Apoptoza (programowana śmierć komórki)

Biochemiczne przejawy programowanej śmierci komórki.

• Transkrypcja nowych genów.

• Regulacja przez sygnały hormonalne.

• Regulacja przez sygnały pochodzące z innych komórek

• Przepływ jonów Ca++.

• Zmiany ufosforylowania białek.

• Oddziaływanie genów komórki.

• Aktywacja nukleaz.

• Aktywacja proteinaz cysteinowych - fragmentacja jądrowego DNA.

• Powstawanie „drabinek” DNA.

• Pojawienie się fosfatydyloseryny na powierzchni komórek.

Fenotypowe przejawy apoptozy

• Umierająca komórka oddziela się od sąsiadujących komórek.

• Objawy deformacji komórki.

• Wzrost gęstości komórki.

• Kondensacja chromatyny i jej marginalizacja.

• Rozpad komórki na ciałka apoptotyczne.

• Fagocytoza ( rola fosfatydyloseryny).

• Brak objawów procesu zapalnego.

Dlaczego organizmowi jest potrzebna apoptoza?

• Organizm za pomocą tego mechanizmu usuwa komórki, które spełniły swoją rolę.

• Apoptoza i mitoza leżą u podstaw rozwoju organizmu.

• Zrównoważony stosunek liczby komórek umierających do dzielących się zapewnia prawidłowe funkcjonowanie organizmu, narządu, tkanek.

• Organizm cechuje produkcja nadmiaru komórek – apoptoza pozwala na zachowanie potrzebnej równowagi.

• Apoptoza jest mechanizmem pozwalającym na niszczenie komórek które zagrażają organizmowi (np. komórki zainfekowane wirusami, komórki systemu immunologicznego, komórki z uszkodzonym DNA, komórki rakowe).

Co powoduje, że komórka podejmuje decyzję o śmierci?

• Ubytek pozytywnych sygnałów (potrzebnych do kontynuowania życia) i napływu sygnałów negatywnych.

• Pozytywne sygnały to m.in. – sygnały stymulujące otrzymywane od innych komórek(czynnik wzrostu neuronów, interleukina 2) adhezja do podłoża na którym komórka żyje

• Negatywne sygnały – wzrost wolnych rodników, promieniowanie UV, akumulacja białek o nieprawidłowej strukturze, cząsteczki regulatorowe działające poprzez receptory (np. czynnik martwicy nowotworów, lymfotoksyna, ligand Fas)

Mechanizmy apoptozy

• Rozróżnia się trzy różne mechanizmy powodujące, że komórka podejmuje decyzję o samobójstwo poprzez apoptozę:

• sygnały dochodzące z środowiska wewnętrznego komórki,

• sygnały z środowiska zewnętrznego działające poprzez wiązanie się aktywatorów procesu obumierania z receptorami np. TNF (Tumor Necrosis Factor), lymfotoksyna, ligand FasL),

• działanie wolnych rodników.

Zależność pomiędzy apoptozą a patologią

• Apoptoza a proces nowotworzenia – w przebiegu choroby nowotworowej obserwuje się zahamowanie procesu apoptozy.

• Choroby autoimmunologiczne są często wynikiem upośledzenia procesu apoptozy.

• Apoptoza uczestniczy w procesie odrzucania przeszczepów.

Komórki macierzyste(KM)

Jakie komórki nazywamy komórkami macierzystymi?

Są to komórki, które charakteryzują się dwoma zasadniczymi właściwościami:

• mają potencjalną zdolność do nieograniczonej liczby podziałów, co powoduje, że są samo-odnawialne

• mają zdolność przekształcania się w komórki wyspecjalizowane różnych typów.

Nazwa komórka macierzysta lub bardzo często używana dawniej, a także obecnie w cytologii i histologii komórka pnia od angielskiej nazwy „stem cells” obejmuje niejednolitą populację komórek różniących się swoimi potencjalnymi właściwościami.

Komórki macierzyste generalnie dzielimy na dwa podstawowe rodzaje:

• embrionalne komórki macierzyste

• dorosłe (somatyczne) komórki macierzyste

Te pierwsze są izolowane z kilkudniowych embrionów i mają potencjalnie możliwości przekształcenia się w każdą komórkę organizmu. Obecnie zazwyczaj używane do tworzenia linii hodowlanych komórek macierzystych, które mogą być hodowane w laboratoriach, namnażane teoretycznie bez ograniczeń i służyć jako materiał do badań in vitro i bardzo rzadko in vivo. (Obecnie istnieją restrykcyjne ograniczenia dotyczące badań nad ludzkimi komórkami embrionalnymi.)

Dorosłe inaczej zwane somatycznymi komórki macierzyste występują w narządach dorosłych organizmów. Nie mają one możliwości przekształcania się w dowolną komórkę organizmu, mogą przekształcać się w komórki tkanki, w której występują.

Klasyfikacja komórek:

Poza podziałem na komórki embrionalne i dorosłe komórki macierzyste dzieli się w zależności od zdolności ich różnicowania:

• totipotentne, które mogą różnicować się w każdy typ komórek, jaki występuje w organizmie (takimi komórkami jest zygota i blastomery),

• pluripotentne, które mogą różnicować się w komórki pochodzące ze wszystkich listków zarodkowych (takimi komórkami są komórki węzła zarodkowego),

• multipotentne, mogą dać początek kilku typom komórek, o podobnych właściwościach i podobnym pochodzeniu embrionalnym; są to komórki macierzyste ukierunkowane tkankowo,

• unipotentne, inaczej komórki prekursorowe, które mogą różnicować się w jeden typ komórek, lecz w odróżnieniu od komórek terminalnie zróżnicowanych mają zdolność podziału.

Embrionalne komórki macierzyste – są komórkami toti- lub pluripotencjalnymi, natomiast dorosłe komórki macierzyste są multipotentne lub unipotentne.

Podziały komórek macierzystych - podział asymetryczny i symetryczny.

Obecne badania podstawowe skupiają się na wyjaśnieniu dwóch zagadnień – podziałami komórek i mechanizmami kierującymi tymi procesami oraz wpływem środowiska na komórki macierzyste.

Komórki macierzyste charakteryzują się z jednej strony możliwością wytwarzania większej liczby komórek macierzystych, czyli samoodnowy i możliwością produkcji komórek, które ulegają różnicowaniu. Strategią za pomocą której komórki mogą realizować oba te cele jest podział asymetryczny podczas którego jedna komórka potomna zachowuje właściwości komórki macierzystej, natomiast druga ulega różnicowaniu. Podział asymetryczny jest bardzo atrakcyjny, ponieważ pozwala na realizowanie dwóch celów jednocześnie, ale słabością tej strategii jest fakt, że nie pozwala na wzrost liczby komórek macierzystych. Ten brak elastyczności jest problemem, wiadomo, że liczba komórek macierzystych wzrasta zarówno podczas rozwoju jak i w trakcie regeneracji po uszkodzeniach. Tak więc, podział asymetryczny nie jest jedynym podziałem, którym posługują się komórki macierzyste. Komórki macierzyste muszą mieć dodatkową strategię samoodnowy, która pozwala na dynamiczną kontrolę ich liczby.

Rola podziału asymetrycznego w kontroli komórek macierzystych, oraz mechanizmy kontrolujące ten proces były intensywnie badane. Ogólnie są dwa mechanizmy kierujące podziałem asymetrycznym – wewnętrzny, decydujący o nierównym podziale struktur komórkowych i drugi zewnętrzny decydujący o różnym rozmieszczeniu komórek potomnych w zależności od zewnętrznych czynników.

Podział symetryczny to podział obserwowany podczas rozwoju oraz w warunkach leczenia ran oraz regeneracji. Główna cechą tych dwóch procesów jest zwiększanie liczby komórek macierzystych. Wzrost ten nie może być wyjaśniony strategią uwzględniającą tylko podział asymetryczny, który nie daje wzrostu komórek macierzystych a zapewnia tylko utrzymanie ich liczby na stałym poziomie. Komórki macierzyste ssaków ulegają wielu następującym po sobie podziałom symetrycznym we wczesnych etapach rozwoju embrionalnego. Symetryczne podziały obserwowane w tym okresie rozwoju dają identyczne morfologicznie i pod względem ułożenia komórki. Nie znamy jednak potencjału rozwojowego tych komórek. Symetryczny podział komórek jest także obserwowany u osobników dorosłych.

Nisze jako podstawa funkcjonowania komórek macierzystych – architektura nisz

Drugim zagadnieniem, które jest przedmiotem intensywnych badań to środowisko życia komórek macierzystych. Populacje komórek macierzystych są zlokalizowane w niszach – specyficznych pod względem anatomicznym i funkcjonalnym miejscach, które regulują uczestnictwo tych komórek w powstawaniu tkanek, utrzymaniu ich we właściwym stanie oraz naprawie. Umożliwiają zatem komórkom macierzystym zarówno reprodukcję jak i samo-odnowę. Nisze chronią komórki macierzyste przed zanikiem, a także chronią przed nadmierną proliferacją. Na niszę składają się komórki, trójwymiarowe przestrzenie oraz glikoproteiny substancji międzykomórkowej.

Najlepiej zbadanymi niszami są nisze komórek hemopoetycznych i wydaje się, że poza wymienionymi wyżej składnikami nisz, których wzajemne oddziaływania regulują losy komórek macierzystych istotne dla funkcji nisz mogą być pojedyncze molekuły w tym przypadku wapń. Somatyczne komórki macierzyste posiadają generalnie ograniczone możliwości działania poza obrębem specyficznych dla nich niszy. Przykładem są tutaj komórki macierzyste hematopoezy, które powodują ciągłą odnowę krwi i systemu immunologicznego i tworzą własne kopie po przeszczepie. Komórki macierzyste krwi mogą krążyć w krwioobiegu, ale mają bardzo ograniczone funkcjonowanie poza specyficzną lokalizacją, jaką są dla nich przestrzenie w kościach gąbczastych. Nie zawsze nisze dla komórek muszą mieć tak ściśle anatomiczną postać jak przestrzenie kości gąbczastej. Może to być po prostu kontakt z błoną podstawną.

Różny udział komórek macierzystych w homeostazie i regeneracji

Wyniki badań wskazują, że wpływ procesu starzenia na obecne w tkance komórki macierzyste jest ściśle skorelowany z tym, w jakim stopniu są one odpowiedzialne za normalne funkcjonowanie i odnowę tkanki.

Tkanki stale odnawiające się (krew, naskórek, nabłonek jelit) mają bardzo duży udział komórek macierzystych i z definicji mają bardzo duże możliwości regeneracyjne nawet w późnym wieku.

Tkanki rzadko odnawiające się, ale o dużym potencjale regeneracyjnym mogą używać różnych sposobów do efektywnej regeneracji w miejscu dużego uszkodzenia. W mięśniach szkieletowych oraz w wątrobie komórki niezróżnicowane mogą być wystarczające dla zabezpieczenia odnowy i naprawy, ale środowisko w którym się znajdują może im to utrudniać.

Tkanki o niskim potencjale regeneracyjnym mogą mieć komórki macierzyste, które pozwalają tylko na bardzo ograniczoną naprawę. Mózg i serce praktycznie nie mają możliwości endogennej naprawy po ostrym uszkodzeniu. Stąd wynika ogromne zainteresowanie użycia innych komórek macierzystych dla celów terapeutycznych w odniesieniu do tych narządów

Wykorzystanie komórek macierzystych – stan obecny- przykłady

Fakt, że wykorzystanie komórek macierzystych może być środkiem terapeutycznym, wynika ze stosowanych technik z ich użyciem.

Komórki hemopoetyczne szpiku zwane macierzystymi komórkami krwi są używane rutynowo w leczeniu chorób krwi. Szpik kostny jest przeszczepiany od prawie 50 lat w celu zwalczania białaczek i chłonniaków oraz innych chorób krwi.

Regenerację uszkodzonych kości, ścięgien wspomaga się wykorzystując mezenchymalne komórki macierzyste.

Uszkodzony naskórek np. w wyniku oparzeń uzupełnia się namnażanym in vitro nabłonkiem.

Zagadnienia na egzamin z Biologii Komórki

I rok Wydziału Medycyny Weterynaryjnej (sem. I. r.a. 2014-15)

1. Mikroskop świetlny – budowa, zasada działania, powiększenie, zdolność rozdzielcza. Odmiany mikroskopu świetlnego i ich zastosowanie w badaniach biologicznych. Techniki przygotowania materiału biologicznego do badań w mikroskopie świetlnym.

2. Metody cytochemiczne i immunocytochemiczne w badaniach komórki. Hodowla komórkowa i tkankowa.

3. Mikroskop elektronowy – zasada działanie, typy mikroskopów. Zasady przygotowania materiału biologicznego do badań w mikroskopie elektronowym transmisyjnym.

4. Zarys historii badań komórki. Definicja komórki. Zasadnicze cechy budowy komórki zwierzęcej. Błony biologiczne – modele błon. Mozaikowy model błony komórkowej. Dwuwarstwa lipidowa. Lipidy błonowe - budowa i właściwości. Białka błonowe - budowa i właściwości. Szkielet błonowy na przykładzie erytrocyta. Glikokaliks.

5. Transport przez błonę komórkową – transport bierny, transport aktywny, rodzaje transportu. Przenośniki i ich funkcje. Kanały jonowe i potencjał jonowy. Pompa sodowo-potasowa. Transport glukozy. Sygnalizacja nerwowa. Endocytoza i egzocytoza.

6. Cytoplazma. Ogólna organizacja cytoplazmy, struktura wchodząca w jej skład. Siateczka śródplazmatyczna, mitochondria, aparat Golgiego – morfologia i funkcja. Pozostałe struktury błoniaste – morfologia i funkcja. Nieobłonione struktury cytoplazmatyczne. Procesy zachodzące w cytoplazmie – synteza, sortowanie, transport, trawienie wewnątrzkomórkowe.

7. Jądro komórkowe - wg konspektu z ćwiczeń. Cykl komórkowy i jego regulacja, mitoza, mejoza. Kariotyp, kariogram.

8. Cytoszkielet – mikrotubule, mikrofilamenty, filamenty pośrednie. Białka towarzyszące elementom cytoszkieletu. Rola poszczególnych struktur cytoszkieletu w komórce.

9. Komunikacja międzykomórkowa. Receptory i ich klasyfikacja. Procesy sygnalizacyjne i odpowiedź komórki.

10. Nekroza i apoptoza. Komórki nowotworowe. Komórki macierzyste.