BIOLOGIA KOMÓRKI - 09.12.11r.

Chloroplasty

90% białek potrzebnych do prawidłowego funkcjonowania chloroplastów syntetyzowane jest poza nimi. Teoria endosymbiozy: sinice zostały wchłonięte przez eukarionty. Geny białek translokacyjnych są póżniejsze ewolucyjnie niż sinice. Białka transportowane do chloroplastów posiadają peptyd (ok.100 aminokwasów) - jego sekwencja jest rozpoznawana przez kanał translokacyjny błony chloroplastów, kompleks który jest za to odpowiedzialny to Toc. Błona wewnętrzna posiada kompleks Tic. Białko jest fałdowane przy pomocy chaperonów. W transporcie i przeciąganiu białka do chloroplastu uczestniczą białka Hsp. Transportowane białko potrzebuje jeszcze np. kompleksu prowadzącego. Gdy białko dostanie się do stromy, działa enzym - stromalnoproteaza (SPP), która odcina kompleks prowadzący od białka transportowanego przez błonę.

By peptyd dostał się do światła tylakoidów, najczęściej dochodzi do odsłonięcia drugiej sekwencji hydrofobowej w łańcuchu polipeptydowym transportowanego białka. Po odszczepieniu przez SPP odsłania się druga sekwencja hydrofobowa. Łączą się z nią kolejne odpowiednie białka Hsp.

W błonie tylakoidów odkryto trzy kanały zbudowane z różnych białek, które biorą udział we wbudowywaniu białka w błonę tylakoidów:

1. Białka Sec, np. SecA - receptor dla białka SecA. Białko transportowane dostaje się do wnętrza, sekwencja prowadząca jest ocinana w świetle tylakoidu (enzym TPP)

2. kanał TAT (Twin Arginine Translocation pathway) - zawiera argininę. Białko to ma sekwencję wewnętrzną sortowania do światła tylakoidów, dodatkowo jest wykorzystywany transport protonów.

3. Srp - cząsteczka, dla której w błonie występuje receptor. Jeżeli kanał w błonie się zamyka, to wypycha białko do blony tylakoidu i w ten sposób powstaje białko transbłonowe.

Oprócz chloroplastów w komórkach roślinnych, podobne organella tylko bez chlorofilu to plastydy.

• Zawierają ten sam genom jak chloroplasty

• Różnią się strukturą i funkcją od chloroplastów

• Nie zawierają chlorofilu

Przykłady: chromoplasty, leukoplasty, amyloplasty, elajoplasty.

Zanika chlorofil i błony tylakoidów, zaczynają się gromadzić substancje zapasowe. Gdy skrobia - leukoplasty, gdy tłuszcz - elajoplasty.

Formowanie się chloroplastów:

W komórkach korzenia szybko dzielących się: proplastydy, proste okrągłe struktury z dwiema błonami. Gdy chloroplast osiągnie odpowiednią wielkość, tworzą się grana; dzieje się to w ciemności. Jest to forma bez chlorofilu - etioplast. Następnie, w świetle, następuje zakończenie formowania błon wewnętrznych i synteza chlorofilu.

Proces fotosyntezy:

1. jasny etap fotosyntezy (błony tylakoidów) - energia świetlna służy do syntezy ATP i NADPH, powstaje O₂ i H₂O.

2. etap ciemny (stroma) - ATP i NADPH służą do produkcji glukozy.

Rośliny posiadają fitochromy pochłaniające światło czerwone, kryptochromy - niebieskie. Chlorofil A - absorpcja światła niebieskiego i czerwonego. Najlepiej fotosynteza zachodzi przy części niebieskiej widma (400-450 nm), drugi pik jest w części czerwonej (650-700nm).

W błonie tylakoidów jest pięć kompleksów białkowych.

1. fotosystem II - kompleks białek, gdzie energia jest wychwytywana i stopniowo przez nośniki transportowana i posłuży do rozkładu wody na wodór i tlen. Plastochinon - przenośnik. Mała cząsteczka rozpuszczalna w tłuszczach, przenosi energię na kompleks cytochromów

2. kompleks cytochromów - energia dalej jest transportowana przez plastocyjaninę

3. fotosystem I - następuje doładowanie energii przez absorpcję fotonów przez chlorofil. Przenoszona jest przez ferredoksynę i powstaje NADPH na reduktazie NADP

4. reduktaza NADP

5. syntaza ATP - jej część zwrócona do stromy powoduje przyłączenie grupy fosforanowej do ADP i powstaje ATP

Centrum fotosyntetyczne - 1985r., J. Deisenhofer, H. Michel, R. Huber

W fotosystemie I lub II są przyłączone anteny zawierające cząsteczki chlorofilu. Foton światła powoduje wzbudzenie chlorofilu i emisję elektronów, które są przekazywane przez nośniki (np. pheophytin, chinony).

Transport elektronów i synteza ATP w procesie fotosyntezy

Na błonie w PS II zachodzi rozkład wody na protony (4 cząsteczki), elektrony i tlen. Protony są pompowane na kompleks cytochromów bf (2-4 cząsteczki protonów). Następnie elektrony z mniejszą energią przenoszone są do PS I. Elektrony są przenoszone na reduktazę NADP i powstaje NADPH. NADPH jest transportowany do stromy, gdzie jest wykorzystywany w reakcji ciemnej, a syntaza pompuje do stromy protony i powstaje energia w postaci ATP.

Błona tylakoidów nie jest spolaryzowana tak jak w mitochondriach! Przenoszenie protonów wytwarza gradient chemiczny -> jest duże stężenie, więc pH stromy i światła tylakoidów różni się o 3 jednostki. W błonie tylakoidów są też kanały dla Mg i Cl , więc przepływ tych jonów powoduje zniwelowanie gradientu elektrochemicznego protonów.

W chloroplastach w razie większego zapotrzebowania na energię niż na substancje odżywcze, fotosynteza przechodzi w proces cykliczny (zachodzi fosforylacja cykliczna). Elektrony są transportowane przez PS I i kompleks cytochromu bf w sposób ciągły. W tym procesie są pompowane protony ze stromy do światła tylakoidów - roślina nie produkuje NADPH, tylko ATP. Dlaczego? Elektrony transportowane są z ferredoksyny na plastochinon, a z niego na kompleks cytochromów bf, gdzie zachodzi pompowanie protonów. Może powstać pół lub jedna cząsteczka ATP, ale proces jest ciągły i intensywny. 4 protony przepływające ze stromy przez syntazę ATP powodują syntezę ATP. Część elektronów o niższej energii z cyt bf przenoszone są z powrotem na PS I, gdzie są doładowywane i znów na ferredoksynę.

Cykl wiązania węgla (cykl Calvina):

Zużywane są trzy cząsteczki ATP, 2 cząsteczki NADPH na każdą cząsteczkę CO₂ przekształconą w węglowodan.

Działa karbosylaza rybulozo-bifosforanowa (rubisco), która włącza do nośnika (rybulozy 1,5-bisfosforanowej) CO₂. W wyniku różnych dalszych procesów powstaje heksoza.

Peroksysomy:

• otoczone pojedynczą błoną fosfolipidową

• powstają przez podział

• zawierają białak syntetyzowane na wolnych rybosomach

• zawierają enzymy (50) różnych procesów biochemicznych zachodzących w różnych typach komórek

Funkcje peroksysomów:

1. procesy utleniania prowadzące do powstania H₂O₂ i rozkład H₂O₂ do H₂O (enzymy: katalazy). Nadtlenek wodoru jest silnie utleniający, wobec czego może powodować uszkodzenia błon, DNA i różne problemy w komórce - wobec tego musi być rozłożony natychmiast. Sekwencje genów kodujące katalazy zmodyfikowano u D. melanogaster, powodując wydłużenie życia osobników.

2. utlenianie kwasów tłuszczowych - zachodzi również w mitochondriach (oraz w peroksysomach), ale tylko w komórkach zwierzęcych. U roślin tylko w peroksysomach.

3. synteza lipidów w komórkach zwierząt (cholesterolu i dolicholu, kwasów żółciowych w komórkach wątroby, plazmalogenów, czyli lipidów spotykanych w tkance nerwowej i w sercu) - u zwierząt również w peroksysomach.

4. przekształcanie kwasów tłuszczowych w węglowodany w nasionach (cykl glioksalowy w glioksysomach) - proces ten zachodzi podczas rozwoju zarodków roślinnych. Cukry mogą być wykorzystane do rozwoju zarodka - są materiałem energetycznym.

5. fotorespiracja (fotooddychanie) - proces niekorzystny, odwrócenie fotosyntezy.

Peroksysomy są otoczone pojedynczą błoną i posiadają materiał elektronowo gęsty w środku. Są dużo mniejsze niż mitochondria i chloroplasty, mają około 1 mikrometra.

Utlenianie kwasów tłuszczowych w peroksysomach: powstaje H₂O₂ które jest rozkładane do wody, a podczas tego procesu inna substancja może ulec utlenianiu.

Cykl glioksalowy:

Przypomina cykl Krebsa. Kwasy tłuszczowe transportowane są przez koenzym A, wbudowywane jest w cytrynian i przekształcane w izocytrynian itd., a na końcu z tych wszystkich dziwnych rzeczy powstaje glukoza.

Funkcja peroksysomów w fotorespiracji:

W chloroplastach, w cyklu Calvina włączany jest CO₂ przez rubisco, by powstały dwie cząsteczki fosfoglicerynianiu. Czasem rubisco staje się oksygenazą - zamiast CO₂ przyswaja tlen, wtedy nie powstają dwie cząst. fosfogliceryniain, tylko 3-fosfolicerynian i fosfoglikolat. Glikolat powstaje, jest utleniany w peroksysomach, powstaje glicyna transportowana do mitochondriów, gdzie powstaje seryna. Wraca do peroksysomów i przekształcana jest w 2,3-fosfoglicerynian again. W fotorespiracji tlen jest zużywany i produkowany jest CO₂, więc jest to proces niekorzystny.

Formowanie się peroksysomów:

Transport białek posiadających:

1. sekwencję Ser-Lys-Leu na końcu karboksylowym (PTS1 - peryxosome transporting sequence)

2. sekwencję PTS2, znacznie dłuższą, na końcu N

3. inne nieznane sekwencje

Zespół Zellwegera - sprawdzić cóż to jest, u licha, bo mi się słuchać nie chciało.

Białka transbłonowe Pex3 i Pex19 są charakterystyczne dla tworzących się peroksysomów na ER, zwykle peroksysomy tworzą się na wolnych rybosomach w cytoplazmie.

Cytoszkielet

- wyznacza kształt i wielkość komórek

- organizuje cytoplazmę

- uczestniczy w ruchu komórki

- uczestniczy w podziale (budowa wrzeciona)

- uczestniczy w transporcie wewnątrzkomórkowym

W skład cytoszkieletu wchodzą:

a) filamenty aktynowe (mikrofilamenty)

b) filamenty pośrednie (50 różnych białek)

c) mikrotubule

mikrofilamenty: utworzone z monomerów aktyny, jeden łańcuch wyglądający na spiralnie skręcony. Średnica: 7nm

filamenty pośrednie: osiem podjednostek włóknistych (?) tworzą jakby kanał, średnica: 8-12nm

mikrotubule - dimery tubuliny skręcone spiralnie, średnica: 25nm

Budowa i organizacja filamentów aktynowych:

Tworzą sieć filamentów aktynowych o żelowej, elastycznej konsystencji pod błoną komórkową.

Tworzenie (polimeryzacja) filamentów aktynowych

Aktyna w postaci monomerów (aktyna G - globularna). Cząsteczki mają specyficzny kształt, dopasowują się do siebie i wyglądają jak podwójna helisa. By utworzył się filament (aktyna F) cząsteczki aktyny G tworzą dimery, potem trimery, do trimerów przyłączają się inne - polimeryzacja. Proces polimeryzacji i depolimeryzacji zachodzi ciągle, są to struktury bardzo aktywne. Koniec kolczasty F aktyny (barbed end, koniec „plus”) - przyłączają się do niego cząsteczki aktyny G. Pointed end (zaostrzony koniec, koniec -) - dynamiczna zmiana filamentów aktynowych, urywają się z niego cząsteczki aktyny. Urywanie i dołączanie zależy od stężenia krytycznego aktyny dla obu końców. Globuliny przyłączone do ATP przyłączają się do końca +, a te, które mają ADP, przyłączają się do końca -. Te z ADP są w niewielkiej ilości, więc praktycznie na końcu - cząsteczki się nie przyłączają, lecz urywają.

Tworzenie filamentów zależy od stężenia - jest to podstawowa reguła. Dodatkowo tworzenie dimerów, trimerów i filamentów aktynowych - białka przyspieszają ten proces. Jest to np. formina - do niej przyłączają się cząsteczki aktyny i tworzą się włókna na niej. Kofilina - przyłacza się do końca -, uwalnia szybciej cząsteczki z tego końca niż gdyby one same spontanicznie się odrywały, dzięki czemu przechodzi aktyna F w aktynę G. Może też ciąć mikrofilamenty aktynowe na kawałki gdy przyłączy się do środka aktyn w filamencie. Kawałki mogą niezależnie polimeryzować lub depolimeryzować. Profilina - przyłącza się do cząsteczek G aktyny powoduje polimeryzację. ARP2/3 - białko mogące utworzyć czapeczkę na końcu filamentu aktynowego i w tej sposób zabezpieczyć przed utratą cząsteczek aktyny na końcu -, a gdy przyłączy się do końca +, powoduje odgałęzienie boczne filamentu. Są też białka łączące filamenty w wiązki.

Białka filamentów aktynowych:

Funkcja przykładowe białka

Polimeryzacja Arp2/3, formina

Stabilizacja nebulina, tropomiozyna

Krzyżowe łączenie alfa-aktynina, filamina, fimbryna, wilina

Capping CapZ, tropomodulina

Depolimeryzacja ADF/kofilina, żelzolina, tymozyna

Wiązanie monomerów profilina

Łączenie z innymi białkami alfa-katenina, dystrofina, spektryna, talina, winkulina

Białka wiążące się z aktyną w pęczkach filamentów aktynowych: fimbryna - jest dimerem, posiada domenę wiążącą z filamentami aktynowymi oraz domenę wiążącą wapń. Wiązka aktyny ma małą elastyczność, gdy jest połączona fimbryną. Alfa-aktynina - ma domenę zwaną spacerem, co pozwala na większą elastyczność i naprężeniowe włókna elastyczne powodują, że komórka cały czas jest w napięciu. Jeśli filamenty aktynowe łączą się z kateniną, alfa lub beta, możliwe jest ścisłe połączenie z innymi komórkami, czyli połączenie adhezyjne. Kadheryny - białka transbłonowe, w przestrzeni międzykomórkowej tworzą ścisłe połączenia między wieloma komórkami i nadają im możliwość odkształcania się.

Na przykładzie erytrocytu:

Białka transbłonowe: glikoforyna, białko prążka 3 utrzymują kształt błony komórkowej przez połączenie z białkami kory komórki - filamenty aktynowe łączą się z glikoforyną i białkiem prążka 3 przez ankiryny (ankyriny?).

Choroby związane z nieprawidłowościami budowy cytoszkieletu komórki mięśniowej:

- dystrofie mięśniowe: Duchenna (występuje częściej, raz na 3500 urodzeń), Beckera (raz na 30 000). W obu przypadkach dystrofina jest nieprawidłowo zbudowana. Dystrofina z jednej strony łączy się z filamentami aktynowymi, a z drugiej z białkami transbłonowymi. Podczas skurczu mięśnia zapewnia ona stabilność skurczu. Gdy białko nieprawidłowo funkcjonuje, to skurcz nie przebiega prawidłowo, co powoduje degenerację komórek mięśniowych. Jeśli degeneracji ulegną mięśnie oddechowe, następuje śmierć.

Filamenty aktynowe są połączone przez alfa aktyninę i winkulinę z taliną, która łączy się z białkami transbłonowymi i integrynami. W tym miejscu komórka łączy się z podłożem - adhezja zogniskowana.

Udział filamentów aktynowych w tworzeniu:

- wypustek komórkowych (pseudopodia, lamellipodia, filopodia)

- połączeń międzykomórkowych (adhezyjnych)

- połączeń z macierzą zewnątrzkomórkową [adhezje fokalne (zogniskowane)].

Filamenty aktynowe w połączenia adhezyjnych (pasy adhezyjne).

Budowa mikrokosmków rąbka szczoteczkowego komórek nabłonka jelitowego:

Miozyna I i kalmodulina przyczepiają filamenty do brzegów mikrokosmka, willina i fimbryna wiążą filamenty w wiązkę, sieć terminalna bogata w spektrynę - w niej są zakotwiczone filamenty. W uchu: stereocilia - wypustki filamentów aktynowych, których odkształcenie pod wpływem chłonki ślimaka powodują fale w uchu środkowym.

Filamenty aktynowe biorą udział w skurczu mięśni. Mięśnie szkieletowe są poprzecznie prążkowane - w skład mięśnia wchodzą włókna mięśniowe posiadające filamenty aktynowe grube i cienkie. W sarkomerze różne rejony mają różną zawartość. Prążki Z są wzajemnie połączone przez białko filamentów pośrednich, wewnątrz sarkomeru jest układ filamentów: filamenty cienkie (aktynowe) zaczepione do linii Z przez alfa-aktyninę, a w środku włókna grube - miozynowe. Tam, gdzie nie ma głów miozyny występuje strefa H; strefa A to filamenty cienkie i grube razem ze strefą H. Linia M - przechodzi przez środek strefy H, przyczepione do niej są filamenty miozynowe. Białko stabilizujące filamenty aktynowe - nebulina, zapobiega depolimeryzacji lub polimeryzacji filamentu. Filamenty miozynowe są zakotwiczone w dysku Z przez titinę.

W filamentach miozynowych są cząsteczki miozyny. Miozyna jest białkiem motorycznym, jest jej 18 rodzajów. Pojedyncza cząsteczka miozyny II składa się z dwóch łańcuchów ciężkich, mają one głowy, na których okręcają się lekkie łańcuchy miozyny. Miozyny w filamentach ustawione są ogonami do linii M, a głowami kontaktują się z filamentami aktynowymi w stanie spoczynku. Gdy mięsień zaczyna się kurczyć, filamenty aktynowe wciągane są do środka sarkomeru przez to, że głowy miozynowe odłączają się i dołączają z powrotem do filamentów aktynowych, ciągnąc się do linii M. AWESOMEEEE. Odbywa się to dzięki wiązaniu ATP z głowami miozynowymi. Gdy ATP dołącza się, następuje dysocjacja kompleksu i hydroliza ATP, dzięki czemu cośtam działa jak podnośnik głowy miozyny o 5nm, wobec czego miozyna może się związać z nową cząsteczką aktyny.

Tworzenie połączeń tropomiozyny i troponiny z filamentami aktynowymi w komórkach mięśniowych. Tropomiozyna stabilizuje filamenty aktynowe gdy nie ma interakcji miozyny z aktyną. By tropomiozyna odsłoniła miejsca potrzebne do wiązania aktyny z miozyną, potrzebna jest troponina (ma trzy kompleksy: tnI - hamująca, tnC - wiąże się z jonami wapnia, tnT - kontaktuje się z tropomiozyną). Wapń wiąże się z podjednostką tnC, co powoduje jej aktywację i odciągnięcie tnI od aktyny i jednoczesne odciągnięcie troponiny od tropomiozyny. Gdy ono nastąpi, odsłania się miejsce wcześniej zasłonięte przez tropomiozynę i głowa miozyny może się połączyć z aktyną. Musi dość jednak do wzrostu stężenia wapnia, bez tego ani rusz.

Filamenty aktynowe mogą też np. podczas podziału komórki brać udział w rozdzieleniu cytoplazmy komórek. Potrzebny jest do tego pierścień skurczony, czyli wiązki filamentów aktynowych ułożone luźniej niż w mikrokosmkach, miozyna jest również zaangażowana - dzięki temu pierścień się zacieśnia i następuje rozdzielenie komórek.

Pęczki kurczliwe i pierścienie skurczowe (cytokineza) filamentów aktynowych i miozyny II: głowy miozyny łączą się z filamentami aktynowymi, pod wpływem ATP odłączają się i przesuwają, wciągając filamenty do środka i pierścień się kurczy. Filamenty aktynowe ulegają depolimeryzacji na końcu N.

Filamenty aktynowe mogą też łączyć się np. z filamentami pośrednimi. Sam filament aktynowy też może się poruszać, przez to, że jest dołączona do niego miozyna (np. V). Głowy miozynowe chodzą (BOSO!) po filamentach aktynowych, przez co mogą je przeciągać z jednego miejsca w drugie .

~KONIEC~ stan baterii: pozostały 34 minuty :OOOOOO

3

---