Struktura i funkcja organelli wewnątrzkomórkowych

1. Jądro komórkowe

jąderko – transkrypcja rRNA i synteza rybosomów, najaktywniejsze komórki mają największe jąderka

otoczka jądrowa – podwójna błona, otacza chromatynę, łączy się z siateczką śródplazmatyczną

pory jądrowe i kompleks pora jądrowego (NPC) – pory uczestniczą w aktywnej wymianie białek i rybonukleoprotein między jądrem a cytoplazmą; NPC tworzy cylinder, na przekroju poprzecznym ma ośmiokątną symetrię, stanowi główną bramę dla ruchu substancji do i z jądra

Przejście cząsteczek do i z jądra odbywa się na zasadzie transportu aktywnego, biernej dyfuzji oraz przy udziale sekwencji sygnałowych zawartych w pewnych białkach.

1. Mitochondria

otoczone podwójną błoną, produkcja ATP, mają własny DNA

macierz – cykl Krebsa; tam jest zlokalizowany genom mitoch., rybosomy, tRNA i enzymy potrzebne do transkrypcji mtDNA i ekspresji odpowiednich genów

1. Peroksysomy

pojedyncza błona; degradacja niektórych aminokwasów i kwasów tłuszczowych, wytwarzanie i rozkład nadtlenku wodoru

1. Siateczka śródplazmatyczna

gładka – biosynteza lipidów, główny przedział wewnątrzkomórkowego gromadzenia się wapnia

szorstka – przyłączone liczne rybosomy – biosynteza białek

1. Aparat Golgiego

transport i modyfikacja białek

1. Lizosomy

degradacja związków

Organizacja i funkcjonowanie jądra komórkowego

Średnica większości jąder: 3,5-20 µm.

1. otoczka jądrowa: wewnętrzna błona jądrowa, zewnętrzna błona jądrowa, przestrzeń okołojądrowa (ok. 40 nm), pory jądrowe (zawierające jądrowe kompleksy porowe), blaszka jądrowa (lamina)

Jądrowy kompleks porowy – cylindryczna struktura, 3 współosiowo ułożone pierścienie:

- pierścień cytoplazmatyczny,

- kompleks kanału centralnego (8 promieniście wpuklających się do kanału segmentów),

- pierścień jądrowy.

Blaszka jądrowa – przylega do nukleoplazmatycznej powierzchni otoczki jądrowej, składa się z sieci delikatnych włókienek białkowych. 3 laminy: A, B, C (u ssaków).

Otoczka pełni istotną rolę w selektywnej, dwukierunkowej wymianie jądrowo-cytoplazmatycznej. Kanały peryferyczne NPC: dyfuzja bierna jonów, nukleotydów i białek o wielkości do 10 nm. Kanał centralny NPC: transport aktywny cząstek o charakterze RNP (RNA+białko), polimeraz i lamin.

1. macierz jądrowa: blaszka jądrowa z NPC, jąderka resztkowe, pozająderkowa włóknisto-ziarnista sieć znajdująca się w przestrzeni interchromatynowej (tworzy tzw. macierz wewnętrzną)

matryny – białka budujące macierz

funkcje m.j.:

- udział w organizacji strukturalnej jądra oraz w tworzeniu konfiguracji przestrzennej chromatyny,

- rola w procesie replikacji DNA,

- uczestnictwo w regulacji ekspresji genów,

- udział w transkrypcji i dojrzewaniu pre-rRNA oraz hnRNA,

- wiązanie hormonów steroidowych,

- zaangażowanie podczas wirogenezy; fosforylacja białek wirusowych,

- wiązanie karcynogenów.

chromatyna - kompleks DNA, histonów i białek niehistonowych

histony – białka zasadowe, stosunkowo niska masa cząsteczkowa, zawierają dużo dodatnio naładowanych aminokwasów: lizyny i argininy; 5 klas: H1, H2A, H2B, H3, H4.

jąderko: ośrodki włókniste, gęsty składnik włóknisty, składnik ziarnisty, chromatyna związana z jąderkiem, wakuole jąderkowe.

Typy jąderek:

- uformowane w nukleolonemę (j. gąbczaste) – aktywne transkrypcyjne j.,

- zwarte – najłatwiej je uwidocznić w jądrach młodych, szybko rosnących komórek,

- zwarte z segregacją składników,

- pierścieniowate,

- mikrojąderka – najczęściej widoczne w starych komórkach, degenerujących.

Funkcja: związana z syntezą rRNA – transkrypcja prekursorów rRNA, ich dojrzewanie, tworzenie RNA jąderkowych i pierwsze etapy transportu podjednostek rybosomów do cytoplazmy.

Cykl komórkowy. Starzenie komórek

CYKL KOMÓRKOWY:

1. Faza G1

synteza RNA i białek

czas trwania jest zmienny – kilka do kilkunastu godzin, czasem z fazy G1 komórka wychodzi z cyklu, osiągając stan spoczynkowy G0

1. Faza S

replikacja DNA jądra i większości cząsteczek mtDNA

syntezę przeprowadzają kompleksy enzymatyczne czyli replikony, główne składniki: helikaza oraz polimerazy DNA α i δ.

synteza telomerów – telomeraza

czas trwania: 6-8 godzin

1. Faza G2

2-4 godzin

synteza RNA i białek regulatorowych i enzymatycznych potrzebnych do wejścia komórki w mitozę, synteza dodatkowej błony komórkowej

Mitoza (30-180 minut, kariokineza + cytokineza):

- profaza: kondensacja chromatyny, powstanie wrzeciona podziałowego, utworzenie kinetochorów

- prometafaza: fragmentacja otoczki jądrowej, fragmentacja i zanik jąderka

- metafaza: ustawienie chromosomów w płaszczyźnie równikowej komórki, przemieszczanie się składników cytoplazmy do biegunów komórki

- anafaza: rozdzielenie chromatyd i przemieszczanie ich do biegunów komórki

- telofaza: dekondensacja chromosomów, odtworzenie jąderka i otoczki jądrowej, zanik wrzeciona podziałowego

- cytokineza: podział cytoplazmy i powstanie dwóch odrębnych komórek.

1. Regulacja cyklu komórkowego

protoonkogeny – geny, których produkty białkowe pobudzają cykl

geny supresorowe – geny, których produkty białkowe hamują cykl

CDK – kinazy zależne od cyklin

CKI – inhibitory CDK: hamowanie cyklu (uniemożliwiają wiązanie się cyklin z CDK lub blokują wiązanie kompleksu cyklina/CDK z substratami); 2 rodziny: białka p21 (tu należą też białka p27 i p57) i rodzina białek INK4 (tu należą białka p15, p16, p18 i p19); też rodziny białek RB i p53 są silnymi inhibitorami cyklu.

Białko RB („wrota cyklu komórkowego”) zatrzymuje komórki w fazie G1, hamując transkrypcję genów.

Białko p53 („strażnik genomu”) zostaje aktywowane pod wpływem czynników stresujących (np. uszkodzenie DNA), hamuje komórki w fazie G1, a jeśli to jest niemożliwe, powoduje rozpoczęcie procesu apoptozy.

STARZENIE KOMÓREK

Spadek wydajności procesów funkcjonalnych; zwiększanie prawdopodobieństwa śmierci w miarę upływu czasu życia komórki lub organizmu

1. Uszkodzenia tlenowe: powstawanie wolnych rodników (anionu nadtlenkowego O₂^-, nadtlenku wodoru H₂O₂, rodnika hydroksylowego OH^- i in.); wchodzą one w reakcje z białkami, tłuszczami i kwasami nukleinowymi jąder, mitochondriów, błon i innych składników komórek.

2. Ograniczenie kaloryczne: uważane jest za czynnik przedłużający max czas życia.

3. Starzenie replikacyjne: ograniczona zdolność dzielenia się.

4. Niestabilność genomu: mutacje punktowe, zmiany liczby powtarzających się fragmentów DNA, zmiany w chromosomach główne czynniki starzenia.

5. Telomery: po każdym podziale telomer się skraca; całkowity zanik telomeru jest odbierany przez komórkę jako sygnał o uszkodzeniu chromosomu. Telomeraza – enzym syntetyzujący tracone fragmenty telomeru komórki nieśmiertelne (np. komórki zarodkowe, macierzyste, nowotworowe).

6. Genetyczny program starzenia i regulacja układowa.

Apoptoza

Martwica – proces pasywny, wywołany czynnikami zewnątrzpochodnymi, powodującymi rozległe uszkodzenia komórek; obejmuje na ogół zwarte skupiska komórek; towarzyszy jej z reguły proces zapalny; komórki martwicze są obrzmiałe, co doprowadza do rozerwania błony komórkowej i wylania się cytoplazmy do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Apoptoza – proces aktywny, wymagający uruchomienia wielu szlaków biochemicznych oraz syntezy nowych białek; „programowana śmierć komórek”; z reguły dotyczy pojedynczych komórek rozsianych w obrębie danego narządu lub tkanki, następuje zwykle niezależnie, a pojawienie się komórek apoptotycznych nie wywołuje zauważalnej reakcji otaczających komórek i tkanek; komórki apoptotyczne kurczą się, a błona komórkowa nie zostaje przerwana, lecz charakterystycznie uwypuklona, co doprowadza do podziału komórki na wiele otoczonych błoną fragmentów zwanych ciałkami apoptotycznymi (zawierają one cytoplazmę i funkcjonalne organelle), są one następnie fagocytowane przez sąsiadujące komórki lub makrofagi.

Kaspazy – proteazy cysteinowe, hydrolizujące wiązania peptydowe po reszcie kwasu asparaginowego w obrębie kilku rodzajów sekwencji aminokwasów; od ich aktywacji zależy egzekucja apoptozy.

Inhibitory apoptozy – IAP, wiążą kaspazy; np. białko surwiwina

Szlak zewnątrzpochodny – uruchomienie apoptozy w komórce docelowej przez oddziaływanie z inną komórką i/lub wydzielonymi przez nią białkami, takimi jak: czynnik martwicy nowotworów (TNF-α – receptory śmierci), FAS-ligand, TRAIL.

Szlak wewnątrzpochodny – zostaje aktywowany, np. pod wpływem czynników uszkadzających DNA (promieniowanie jonizujące, leki alkilujące, wolne rodniki itp.), niekontrolowanej aktywacji proliferacji komórek (aktywacja onkogenów, inaktywacja genów supresorowych nowotworów itp.) oraz działania glikokortykoidów.

Egzekucja apoptozy – trzy stadia:

- uwolnienie: uwolnienie się komórki od połączeń z macierzą zewnątrzkomórkową i sąsiadującymi komórkami, co doprowadza do przybrania przez komórkę kształtu zbliżonego do kulistego;

- uwypuklanie: seria skurczów położonych obwodowo pęczków włókienek aktynowych wskutek ich oddziaływania z miozyną II, degradacja białek szkieletu błony komórkowej oddziałujących z aktyną

- kondensacja: rozpad komórki na wiele ciałek apoptotycznych, depolimeryzacja aktyny.

Mechanizmy rozwoju i różnicowania komórek

Morfogeny – substancje chemiczne, których gradient stężenia w środowisku ma wpływ na zróżnicowanie komórek, od stężenia może zależeć rodzaj reakcji komórki poddanej działaniu tej substancji

Komórka totipotencjalna – zdolna do wytworzenia wszelkich typów komórek zróżnicowanych, charakterystycznych dla danego organizmu, np. zapłodniona komórka jajowa

Komórka pluripotencjalna – zdolna do wytworzenia wielu, ale nie wszystkich możliwych, typów zróżnicowanego potomstwa, ich aktywność ogranicza się zwykle do jednej tkanki (np. kom. szpiku kostnego)

Komórki macierzyste – rodzaj niezróżnicowanych komórek, które mają jednocześnie zdolność do samoodtwarzania się i do tworzenia zróżnicowanego potomstwa

Inwolucja – proces prowadzący do zaniku narządu wywołany fizjologicznym niedoborem substancji koniecznych do prawidłowego funkcjonowania lub związany z wiekiem osobnika

Metaplazja – proces transformacji jednego zróżnicowanego typu komórek w drugi

Stała obecność komórek macierzystych m.in. w tkankach nabłonkowych, szpiku kostnym, ośrodkowym układzie nerwowym

Błony biologiczne i transport przez błony

1. Fosfolipidy

cząsteczki amfipatyczne, od strony środowiska warstwa E, od wewnątrz P

cholesterol ogranicza płynność błon, jest w obu warstwach

Warstwa zewnętrzna: fosfatydylocholina, sfingomielina, glikolipidy, fosfatydyloetanoloamina

Warstwa wewnętrzna: fosfatydyloseryna, fosfatydyloinozytol,

Proces flip-flop – wymiana fosfolipidów między warstwami P i E dwuwarstwy lipidowej, białka przenoszące to flipazy

1. Białka błonowe

regulują transport substancji

- białka integralne, zakotwiczone domeną α-helisy

- białka powierzchniowe

1. Glikokaliks

*warstwa oligosacharydów związanych z glikolipidami i białkami integralnymi

*chroni komórkę

*uczestniczy w oddziaływaniu między komórkami

1. Transport przez błony

- transport glukozy: białka GLUT, białka SGLT1 (jelitowy kotransporter Na⁺/glukoza)

- transport jonów przez kanały jonowe: kanały Na⁺, K⁺, Ca²⁺

- transport aktywny: przenoszenie substancji przeciw gradientowi elektrochemicznemu, co wymaga dostarczenia energii:

a) translokacja grupowa

b) transport aktywny pierwotny – dochodzi do utworzenia nowych wiązań kowalencyjnych w białku przenośnika, np. pompa sodowa

c) transport aktywny wtórny – aktywnie transportowany substrat pierwszy tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, warunkujący transport innego substratu

* uniport – swoisty transport tylko jednego rodzaju cząsteczek

* kotransport – transport dwu różnych cząsteczek jest od siebie wzajemnie uzależniony

** symport – transport odbywa się w tym samym kierunku

** antyport – transport w kierunkach przeciwnych

*wymiennik jonowy – układ w którym są wymieniane jony przez błonę z udziałem białka błonowego

1. Endocytoza

*pobieranie substancji w formie otoczonych błoną pęcherzyków

*fagocytoza – włączanie do komórek stałych cząstek, odbywa się przez otoczenie wypustkami cząstki uprzednio zaadsorbowanej na powierzchni komórki

* pinocytoza – włączanie substancji rozpuszczonych w płynie otaczającym komórkę

endocytoza płynnej fazy: włączanie różnych substancji rozpuszczonych po zetknięciu się ich z przypadkową okolicą błony komórkowej

endocytoza adsorpcyjna: proces dwuetapowy: adsorpcja substancji na powierzchni komórki, a następnie endocytoza w pewnych okolicach błony komórkowej

Cytoszkielet

*złożony system wewnątrzkomórkowych włókienek białkowych

*warunkuje kształt i organizację komórki

*umożliwia skurcz i ruch komórki oraz jej podziały

*uczestniczy w wewnątrzkomórkowym transporcie organelli i makromolekuł

1. Mikrotubule

• zbudowane z tubuliny α i β

• układ rureczki

• struktury dynamiczne

• centrum nukleacji – miejsce od którego rozpoczyna się polimeryzacja mikrotubul, najważniejszy: centrosom

• białka towarzyszące mikrotubulom: MAP – białka oczapkowujące, b. łączące boczne powierzchnie mikrotubul, białka motoryczne (kinezyny, dyneiny)

• kinezyna od bieguna minus (α) do plus (β), dyneina odwrotnie umożliwiają transport wewnątrzkomórkowy, szybszy od dyfuzji

• m. decydują o rozmieszczeniu organelli

1. Filamenty pośrednie

• stabilne i wytrzymałe na rozciąganie, odporne na działanie różnych związków chemicznych

• nadają wytrzymałość mechaniczną

• białka włókienkowe – jednostka strukturalna

• łączą się z białkami połączeń międzykomórkowych

1. Mikrofilamenty

• zbudowane z aktyny filamenty aktynowe

• ruch komórek lub ich fragmentów, kurczenie się i przemieszczanie niektórych organelli

• nadają kształt komórce

• umocowują komórki do innych kom. i błon podstawnych

• białka wiążące aktynę ABP

Komunikacja międzykomórkowa

1. Sposoby komunikacji międzykomórkowej:

2. Sposoby komunikowania się komórek ze środowiskiem:

3. Receptory

• błonowe: zlokalizowane w błonie zewnętrznej komórki i zawierające domenę wiążącą ligand od strony środowiska zewnętrznego (ligandy o dużej masie cząsteczkowej, które nie mogą być bezpośrednio przetransportowane do środka)

• wewnątrzkomórkowe: dla ligandów które mogą bezpośrednio przenikać przez błonę

• jądrowe: występują w jądrze komórkowym

• agoniści: ligandy zdolne do aktywacji swoistego receptora

• antagoniści: ligandy wiążące się do receptora, ale niezdolne do jego aktywacji

• r. jonotropowe: pełnią jednocześnie funkcje kanałów jonowych, głównie przekaz sygnałów w obrębie układu nerwowego

1. Receptory związane z heterotrimerycznymi białkami G

• typowe dla większości hormonów, neurohormonów i neurotransmiterów oraz chemokinin

• inaczej receptory metabotropowe

• cząsteczka 7 razy przechodzi przez błonę, tworząc pętle

• pętle zewnętrzne tworzą miejsce wiązania ligandu

• wewnętrzne tworzą miejsce wiązania heterotrimerycznych białek G odpowiedzialnych za przeniesienie sygnału przez błonę

1. Receptory związane z kinazami tyrozynowymi

• typowe receptory dla cytokin z grupy czynników wzrostu, neutrofin, interleukin, niektórych czynników z rodziny TNF oraz czynników hemopoetycznych

• przeniesienie sygnału z udziałem kinaz tyrozynowych

1. Receptory związane z kinazami serynowo-treoninowymi

2. Regulacja funkcji receptorów

• fosforylacja lub defosforylacja r.

• blokowanie funkcji r. przez swoiste białka regulatorowe

• internalizacja i degradacja r.

• „złuszczanie” r. z powierzchni komórek

Cząsteczki adhezyjne (CAM) i składniki substancji międzykomórkowej

CAM

* duża grupa białek transbłonowych

* rozpoznawanie innych komórek lub cząsteczek międzykomórkowych

* tworzenie z nimi trwałych lub przejściowych połączeń

Selektyny – wiążą grupy cukrowe na powierzchni innych komórek, odgrywają ważną rolę w przechodzeniu leukocytów przez śródbłonek; tworzą słabe, czasowe połączenia międzykomórkowe

Kadheryny – łączą się z kadherynami innych komórek, wytwarzając stabilne połączenia zwierające: obwódki przylegania i desmosomy

Desmogleiny – rodzaj kadheryn tworzących desmosomy

Integryny – umożliwiają łączenie się komórek z cząsteczkami ECM (cz. substancji międzykomórkowej), m.in.: lamininą, fibronektyną i kolagenem; tworzą połączenia zwierające: hemidesmosomy i przyczepy ogniskowe; część integryn łączy się z IgCAM innych komórek, umożliwiając przechodzenie leukocytów i komórek nowotworowych przez ścianę naczyń krwionośnych

IgCAM – mają domeny podobne do immunoglobulin, tworzą połączenia homofilowe z IgCAM lub heterofilowe z innymi CAM; tworzą przejściowe lub trwałe w układzie nerwowym i ułatwiają migrację komórek

ECM

* najwięcej w tkance łącznej

* znaczenie w formowaniu tkanek, lokalizacji i migracji komórek

* determinują kształt komórek

*uczestniczą w przekazywaniu sygnałów wewnątrzkomórkowych

Glikozaminoglikany (GAG) – silnie hydrofilne, tworzą większe struktury zwane proteoglikanami

Glikoproteiny ECM – białka niekolagenowe: fibronektyny (pośredniczenie w przyczepianiu się komórek do ECM), laminina (umożliwienie przyczepiania się komórek do błon podstawnych), enaktyna, tenascyna

Białka pozakomórkowe tworzące włókna: kolagen białko występujące w największych ilościach u człowieka; elastyna i fibrylina główne białka dojrzałych włókien i błon sprężystych, bardzo rozciągliwe

Połączenia międzykomórkowe

1. zamykające: przez białka błonowe sąsiednich komórek; obwódka zamykająca

2. zwierające: kom. między sobą lub z ECM; połączone z cytoszkieletem przenoszenie naprężeń na filamenty; obwódki lub pasma zwierające, desmosomy, hemidesmosomy, przyczepy ogniskowe

3. jonowo-metaboliczne (typu neksus): w większości tkanek,

4. inne: złożone i przejściowe