Biologia komórki - notatki z wykładów

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

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

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 H₂O₂

• 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:

• są złogami 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 innych komórkach służą do gromadzenia lipidów potrzebnych do biogenezy błon, lipidyzacji białek i są rezerwuarem energii na potrzeby własne

• mogą być włączone w proces sygnalizacji komórkowej

• tymczasowe magazynowanie białek

• 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

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

Apoptoza

Objawy fenotypowe

• Umierająca komórka oddziela się od sąsiadujących komórek.

• Pojawiają się deformacje komórki.

• Wzrost gęstości komórki.

• Kondensacja chromatyny.

• Rozpad komórki na ciałka apoptotyczne.

• Fagocytoza ( rola fosfatydyloseryny).

• Brak objawów procesu zapalnego.

Zagadnienia na egzamin z Biologii Komórki

I rok Wydziału Medycyny Weterynaryjnej (sem. I. r.a. 2013-14)

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. 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.