Wykład 2 Podstawy histologii

KOMÓRKA cz. II

Jądro komórkowe

Funkcje:

a) magazynuje informację genetyczną (DNA)

b) powiela informację genetyczną przed podziałem (replikacja DNA)

c) wytwarza podjednostki rybosomów (jąderko)

d) kieruje wszystkimi procesami życiowymi komórki poprzez sterowanie syntezą białek

DNA → (transkrypcja) → RNA → (translacja) → białko

Elementy składowe jądra:

1. Chromatyna jądrowa: zawiera DNA i białka (histony i białka niehistonowe), koduje informację genetyczną, reguluje wszystkie procesy komórkowe poprzez sterowanie syntezą białek. Chromatyna występuje w dwóch formach:

• euchromatyna - luźna, aktywna transkrypcyjnie

• heterochromatyna - zbita, nieaktywna transkrypcyjnie; w jej obrębie wyróżniamy

- heterochromatynę konstytutywną: stałą dla wszystkich komórek, zawierającą głównie niekodujące fragmenty DNA

- heterochromatynę fakultatywną: zmienną w różnych typach komórek, zawierającą DNA genów, które zostały trwale „wyłączone” w procesie róznicowania (specjalizacji) komórek.

Najmniejszą strukturalną jednostką chromatyny jest nukleosom, zbudowany z rdzenia utworzonego przez histony, wokół którego owija się fragment nici DNA. Połączone nicią DNA nukleosomy tworzą nukleofilament - jest to najluźniejsza forma chromatyny, umożliwiająca zachodzenie procesów replikacji i transkrypcji. Kolejne etapy zagęszczania chromatyny to agregacja nukleosomów w włókno chromatynowe, tworzenie bocznych pętli, wtórna spiralizacja i wreszcie (tylko przed podziałem komórki) wytworzenie chromosomu.

2. Jąderko: w mikroskopie świetlnym widoczne jako ciemna grudka/grudki (w jądrze może być kilka jąderek), w mikroskopie elektronowym można w nim wyodrębnić 3 rodzaje obszarów:

- jasne centra włókienkowe, zawierające nieaktywny rDNA (kodujący rRNA)

- gęste obszary włókienkowe, gdzie odbywa się transkrypcja i powstaje pre-rRNA

- obszary ziarniste, zawierające świeżo wytworzone podjednostki rybosomów.

„Produkcja” podjednostek rybosomów rozpoczyna sie od transkrypcji pre-rRNA, który następnie jest cięty na fragmenty odpowiadające poszczególnym rodzajom rRNA, a te z kolei są łączone z białkami rybosomowymi importowanymi do jąderka z cytoplazmy. Powstałe w ten sposób podjednostki rybosomów (zwłaszcza duże) przez pewien dojrzewają na terenie obszarów ziarnistych jąderka, a następnie przechodzą z jadra do cytoplazmy. Na terenie jądra nigdy nie łączą się w kompletne rybosomy - dochodzi do tego w cytoplazmie, na początku procesu translacji.

3. Otoczka jądrowa: zbudowana z dwóch błon biologicznych - zewnętrzna ma połączenie z błonami siateczki śródplazmatycznej, a do wewnętrznej przylega od strony jądra tzw. blaszka jądrowa - pokład filamentów pośrednich (p. cytoszkielet) zbudowanych z białek lamin. Pomiędzy błonami znajduje się wąska przestrzeń okołojądrowa.

W otoczce znajdują się pory jądrowe, umożliwiajace wymianę substancji między jadrem a cytoplazmą. Pojedynczy por (tzw. kompleks poru jądrowego) składa się z trzech białkowych pierścieni zawierających receptory rozpoznające przenoszone substancje i białka odpowiedzialne za ich przenoszenie przez por. Substancje niskocząsteczkowe przechodzą przez por swobodnie, a selektywne przenoszenie dotyczy substancji wysokoczasteczkowych:

• z jądra do cytoplazmy przechodzą: mRNA, tRNA, podjednostki rybosomów

• z cytoplazmy do jądra przechodzą: białka jądrowe, enzymy, białka rybosomowe (na terenie jądra nie odbywa się synteza białek)

Rybosomy

Rybosomy to kompleksy rybonukleoproteinowe w formie ziarenek o wielkości 30 nm, odpowiadają za syntezę białek w komórce (translację). Rybosom zbudowany jest z dwóch podjednostek: dużej (3 rodzaje rRNA i 49 białek) i małej (1 rodzaj rRNA i 33 białka. Podjednostki łączą się tworząc rybosom dopiero po zainicjowaniu translacji, a po ukończeniu tego procesu ponownie oddzielają się od siebie. Podczas translacji z jedną nicią mRNA łączy się wiele rybosomów, tworząc polisom (polirybosom). W komórce rybosomy mogą być:

• związane z błonami szorstkiej siateczki śródplazmatycznej - produkują białka błonowe, wydzielnicze i lizosomowe

• wolne w cytoplazmie - produkują białka jądrowe, mitochondriów, peroksysomów, cytoszkieletu, cytoplazmy.

Docelowa lokalizacja białka zależy od tzw. odcinka sygnałowego: krótkiego fragmentu łańcucha polipeptydowego zlokalizowanego zazwyczaj na jednym z końców cząsteczki białkowej. Białka mają odmienne odcinki sygnałowe umożliwiające wbudowanie ich do

siateczki śródplazmatycznej, jądra, mitochondriów, peroksysomów czy cytoszkieletu.

Odcinki sygnałowe są rozpoznawane przez odpowiednie receptory znajdujące się w docelowych organellach. Po związaniu odcinka sygnałowego z receptorem, białko zostaje wbudowane do organelli:

- do jądra - przechodzi przez por w otoczce jądrowej

- do siateczki, mitochondriów i peroksysomów - przechodzi przez specjalne „kanały białkowe” czyli translokony, obecne w ich błonach

Białko może mieć także hydrofobowy odcinek „stop” - zazwyczaj wewnątrz cząsteczki - powoduje on zatrzymanie białka w błonie (w ten sposób wbudowywane są białka błon).

Do siateczki białka wbudowywane są podczas translacji, do innych organelli po zakończeniu translacji.

Siateczka śródplazmatyczna

Jest to labirynt wewnątrzkomórkowych błon (cysterny, kanaliki) łączących się ze sobą. Rodzaje:

• szorstka - z rybosomami, ma formę cystern, błony zawierają receptory dla SRP, translokony, ryboforyny; główna funkcja - produkcja białek i ich wstępna glikozylacja (przyłączanie łańcuchów cukrowcowych);

• gładka - bez rybosomów i białek z nimi współpracujacych, ma formę kanalików, funkcje: produkcja lipidów, neutralizacja leków i trucizn, gromadzenie jonów wapnia.

Przebieg procesu translacji na szorstkiej siateczce śródplazmatycznej

1. Przyłączenie mRNA do małej podjednostki rybosomu.

2. Przyłączenie dużej podjednostki do małej - tworzy się kompletny rybosom.

3. Rozpoczęcie translacji - jako pierwszy powstaje odcinek sygnałowy

4. Przyłączenie „cząsteczki rozpoznającej sygnał” - SRP - do odcinka sygnałowego

5. Przyłączenie kompleksu SRP-odcinek sygnałowy do receptora SRP w błonie

siateczki śródplazmatycznej

6. Skierowanie odcinka sygnałowego do translokonu w błonie siateczki - białko

zaczyna przechodzić przez błonę.

7. Przyłączenie dużej podjednostki rybosomu do błony siateczki przy udziale

białek mocujących (ryboforyn) obecnych w błonie.

8. Dalsze przechodzenie białka przez błonę, odcięcie odcinka sygnałowego.

9. Jeżeli białko nie ma odcinka „stop”, przechodzi w całości przez błonę

i wewnątrz siateczki ulega sfałdowaniu (przyjmuje strukturę trzeciorzędową).

10. Jeżeli białko ma odcinek „stop”, zostaje wbudowane w błonę siateczki i tam się fałduje.

11. Po ukończeniu translacji rybosom rozpada się na oddzielne podjednostki.

Białka wytworzone na rybosomach siateczki wbudowywane są do jej błony (białka błonowe) lub dostają się do jej wnętrza. Stad, w procesie transportu pęcherzykowego (przepływu błon), białka te mogą się przemieszczać do aparatu Golgiego, błony komórkowej, pęcherzyków hydrolazowych i lizosomów.

Aparat Golgiego

Jest zbudowany z podjednostek (diktiosomów) utworzonych przez kilka wygiętych, błonowych cystern. Każdy diktiosom ma dwa bieguny:

 cis (wypukły), skierowany w stronę siateczki śródplazmatycznej; jego błona jest podobna do błony siateczki śródplazmatycznej;

 trans (wklęsłą), skierowana w stronę powierzchni komórki; jego błona jest podobna do błony komórkowej.

Przez diktiosom „przepływają” (transportem pęcherzykowym) fragmenty błony i białka z siateczki śródplazmatycznej. Małe pęcherzyki oddzielają się od siateczki i łączą z błoną diktiosomu po stronie cis. Podczas przechodzenia przez kolejne cysterny diktiosomu, do białek błony i białek transportowanych wewnątrz pęcherzyków zostają przyłączane grupy cukrowcowe (glikozylacja), niekiedy również fosforanowe i siarczanowe, a błona stopniowo zmienia charakter na podobny do błony komórkowej. W ostatniej cysternie po stronie trans białka są sortowane i „pakowane” do różnych pęcherzyków, które oddzielają się od tej cysterny:

- małe pęcherzyki z materiałem do wydzielenia na drodze egzocytozy konstytutywnej (p. dalej)

- duże pęcherzyki (ziarna wydzielnicze) z materiałem do wydzielenia na drodze egzocytozy regulowanej

- pęcherzyki hydrolazowe zawierające enzymy trawienne (prekursory lizosomów).

Funkcje aparatu Golgiego:

• przebudowa błon (typ siateczki → typ bł. komórkowej), odnowa błony komórkowej

• glikozylacja przepływających białek, ich sortowanie i kierowanie do różnych pęcherzyków

• tworzenie pęcherzyków i ziarn wydzielniczych oraz pęcherzyków hydrolazowych.

Egzocytoza

Egzocytoza jest mechanizmem wydzielania komórkowego. Wyróżnia się 2 typy tego procesu:

 egzocytoza konstytutywna: ciągła, wolna, za pośrednictwem małych pęcherzyków;

 egzocytoza regulowana: wywołana sygnałem (np. nerwowym lub hormonalnym), szybka, uczestniczą w niej ziarna wydzielnicze - duze pęcherzyki z zagęszczoną zawartością (w ten sposób wydzielają prawie wszystkie komórki gruczołowe).

Endocytoza

Istnieja trzy odmiany tego procesu.

1. Fagocytoza: na tej drodze pobierane są duże cząstki stałe lub struktury (np. bakterie). Błona komórkowa wysuwa wypustki otaczajace pobieraną strukturę - jest to proces wymagający nakładu energii i udziału cytoszkieletu, a w jego wyniku tworzą się duże pęcherzyki (fagosomy). Fagocytoza często wymaga wstępnego rozpoznania pobieranego materiału przez receptory błonowe.

2. Pinocytoza: pobierany jest płyn wraz z zawartymi w nim substancjami, błona komórkowa wpukla się bez udziału energii i cytoszkieletu, powstają małe pęcherzyki (pinosomy).

3. Endocytoza receptorowa: warunkiem koniecznym jest wstępne związanie pobieranych substancji z receptorami błonowymi, błona komórkowa zachowuje się tak jak w pinocytozie, ale niezbędny jest udział specjalnego białka (klatryny) otaczającego powstający pęcherzyk. Etapy procesu:

1. Przyłączenie ligandów do receptorów na powierzchni błony komórkowej

2. Podbłonowa agregacja klatryny, skupienie receptorów, utworzenie dołeczka okrytego

3. Endocytoza - utworzenie pęcherzyka okrytego

4. Oddzielenie klatryny od pęcherzyka

5. Połączenie pęcherzyka z wczesnym endosomem

6. We wczesnym endosomie: niskie pH (pompa protonowa), oddzielenie ligandów od receptorów, powrót receptorów transportem pęcherzykowym do błony komórkowej (recyrkulacja receptorów).

7. Przemieszczenie endosomu w głąb komórki - staje się późnym endosomem

8. W późnym endosomie: przyłączenie pęcherzyków hydrolazowych zawierających enzymy trawienne - późny endosom przekształca się w lizosom

9. Trawienie ligandów

Lizosomy

Lizosomy to pęcherzyki (0,1-2,0 mm), w których zachodzi trawienie wewnątrzkomórkowe.

Powstają przez połączenie się pęcherzyków hydrolazowych (zawierających nieaktywne enzymy trawienne - hydrolazy), z:

• pęcherzykami powstałymi w wyniku endocytozy: fagosomami, pinosomami, późnymi endosomami - tworzą się heterolizosomy

• pęcherzykami zawierającymi własne struktury komórki przeznaczone do likwidacji - tworzą się autolizosomy.

W lizosomach hydrolazy ulegają aktywacji (kwaśne pH), następuje trawienie zawartości, produkty trawienia (subst. niskocząsteczkowe) przechodzą do cytoplazmy, gdzie mogą być użyte do syntezy nowych związków i produkcji energii.

Powstawanie pęcherzyków hydrolazowych

1. Synteza hydrolaz w siateczce szorstkiej

2. Transport pęcherzykowy hydrolaz do diktiosomu

3. W diktiosomie do hydrolaz przyłączane są grupy mannozo-6-fosforanu (znacznik)

4. Znacznik rozpoznawany jest i wiązany przez receptory w błonie ostatniej cysterny diktiosomu po stronie trans

5. Od tej cysterny odrywają się pęcherzyki okryte zawierające hydrolazy związane z receptorami - pęcherzyki hydrolazowe.

Hydrolazy (esterazy, glikozydazy, peptydazy) mogą trawić wszystkie rodzaje substancji wysokocząsteczkowych. W pęcherzykach hydrolazowych są nieaktywne, gdyż związane są z receptorami. Wewnątrz lizosomów panuje niskie pH, w wyniku czego hydrolazy oddzielają się od receptorów, stają się aktywne i trawią zawarte w lizosomach substancje, natomiast receptory powracają transportem pęcherzykowym do diktiosomu.

Proteasomy

Białka wewnątrzkomórkowe mogą być również trawione poza lizosomami, przez znajdujące się w cytoplazmie kompleksy enzymatyczne - proteasomy. Rozpoznawane i trawione przez proteasomy są tylko te białka, które zostały „oznakowane” przez przyłączenie do nich innego białka - ubikwityny

---