BŁONY KOMÓRKOWE

Błony występują we wszystkich znanych układach biologicznych zdolnych do samodzielnego życia. Oddzielają one komórkę od środowiska, a w komórkach Eukariota dzielą również wnętrze komórki na mniejsze obszary o zróżnicowanych funkcjach (budują struktury błoniaste: endoplazmatyczne retikulum, aparat Golgiego, pojedyncza błona otacza wakuolę, lizosomy, peroksysomy a podwójna jądro komórkowe, mitochondria i plastydy). Błony różnią się składem białek i fosfolipidów oraz nieznacznie właściwościami.

Błony biologiczne uczestniczą w:

• biernym lub czynnym, selektywnym transporcie jonów i substancji niejonowych,

• wydzielaniu produktów komórki do środowiska (egzocytoza) oraz pobieraniu makrocząsteczek do komórki (endocytoza),

• reakcjach na sygnały pochodzące ze środowiska (transdukcja sygnałów) poprzez receptory błonowe,

• przenoszeniu sygnałów do innych okolic komórki lub przekazywaniu ich do innych komórek,

• oddziaływaniu między komórką i podłożem oraz między komórkami.

Ich rolą jest też:

• oddzielenie wnętrza komórki od środowiska,

• oddzielanie w komórkach kompartymentów (przedziałów) o różnej koncentracji różnych substancji (enzymów, jonów, substratów),

• pośredniczenie w transporcie biernym i czynnym,

• wytwarzanie potencjału elektrochemicznego - różnej koncentracji jonów,

• miejsce przebiegu procesów (np. łańcuch transportu elektronów w mitochondriach i chloroplastach)

Teorie budowy błon

1. Model lipidowy - W roku 1895 Overton opierając się na fakcie, że substancje rozpuszczalne w tłuszczach wnikały do komórki bardziej efektywnie niż nierozpuszczalne - wydedukował, że lipidy muszą stanowić ważny składnik błony plazmatycznej.

2. Model dwuwarstwy lipidowej (1925) - Gortel i Grendel ekstrahując acetonem lipidy z błon erytrocytów ludzkich i obliczając powierzchnię błonki utworzonej przez ten ekstrakt, stwierdzili, że jest ona dwukrotnie większa od powierzchni wyjściowych krwinek. Sformułowali więc hipotezę, że błona komórkowa składa się z dwóch warstw lipidowych, sugerując uwodnienie obu ich stron tzn. polarne główki cząsteczek lipidów muszą być skierowane na zewnątrz, a niepolarne łańcuchy węglowodorowe ku sobie, do wnętrza podwójnej warstwy lipidowej.

3. Model trójwarstwowej błony (1935) - Dowson i Danielli korzystając z obserwacji Cole, że białka dodane do emulsji olejowo-wodnej w znacznym stopniu obniżają napięcie powierzchniowe pomiędzy wodą i kroplami oleju (napięcie takie jak w naturalnych błonach komórkowych) wysnuli hipotezę, że błony komórkowe zbudowane są symetrycznie z podwójnej warstwy lipidowej pokrytej po obu stronach warstwą białek.

4. Model płynnej mozaiki (1972) - Singer i Nicolson opublikowali teorię modelu płynnej mozaiki w której białka nie tworzą warstwy na powierzchni lipidów, lecz pływają w dwuwarstwie lipidowej zanurzone w różnym stopniu. Błona taka jest asymetryczna, płynna i dynamiczna.

Składniki błon biologicznych

Wszystkie błony w komórce zbudowane są z lipidów i białek, oraz mają wspólny plan budowy ogólnej.

Głównymi składnikami są lipidy i białka. Wzajemny stosunek tych składników może być różny w różnych błonach, a ich ułożenie też bywa zmienne.

Lipidy w błonach należą do trzech klas: fosfolipidów, glikolipidów i lipidów obojętnych (sterole). Podstawową strukturą błony jest dwuwarstwa lipidowa utworzona z fosfolipidów. Błona taka stanowi ośrodek, w którym lipidy i białka mogą przemieszczać się po powierzchni błony a także w poprzek błony.

Fosfolipidy zawierają dwie cząsteczki kwasów tłuszczowych połączone z dwoma spośród trzech atomów węgla glicerolu. Trzeci węgiel w glicerolu połączony jest z ujemnie naładowaną hydrofilową grupą fosforanową do której z kolei jest przyłączony mały związek hydrofilowy, taki jak cholina. Każda cząsteczka fosfolipidu zawiera więc hydrofobowy „ogon", złożony z dwóch łańcuchów kwasu tłuszczowego, oraz hydrofilową „głowę", gdzie znajduje się fosfo­ran. Cząsteczki takie jak fosfolipidy, z regionami zarówno hydrofobowymi jak i hydrofilowymi, są na­zywane cząsteczkami amfipatycznymi.

Zdolność fosfolipidów do tworzenia błon jest związana z ich amfipatycznym charakterem. Fosfolipidy rozprzestrzeniają się na powierzchni wody, tworząc pojedynczą warstwę cząsteczek fosfolipidowych, z hydrofobowymi „ogonami" skierowanymi ku górze, i hydrofilowymi „głowami" kontaktują­cymi się z wodą. Dwie takie jednocząsteczkowe warstwy mogą łączyć się na zasadzie „ogon z ogonem", tworząc dwuwarstwę fosfolipidową. Taka orientacja jest najbardziej korzystna pod względem energetycznym, gdyż pozwala na swobodny kontakt hydrofilowych głów z wodą, podczas gdy hydrofobowe łańcuchy kwasów tłuszczowych unikają kontaktu z wodą, gromadząc się w środku układu. Dodatkowo cząsteczki fosfolipidów mają w przybliżeniu jednakową szerokość, co również sprzyja układaniu się ich w podwójne warstwy cylindrycznych struktur.

Cząsteczka fosfolipidu w błonie nie jest sztywna. Oprócz ruchów obrotowych całej cząsteczki wokół swojej osi występuje rozchodzenie się i zginanie łańcuchów kwasów tłuszczowych. Mniej ruchliwa jest okolica polarna cząsteczki, natomiast schowane w głębi warstwy hydrofobowej końce łańcuchów węglowodorowych wykonują szybkie ruchy. Ruchliwość łańcucha węglowodorowego jest tym większa im jest on krótszy i ma liczniejsze wiązania nienasycone. Fosfolipidy łatwo przemieszczają się w obrębie jednej warstwy lipidowej błony (dyfuzja boczna) - zachodzi co około 10^-6 sekundy. Natomiast wymiana cząsteczek lipidów między jedną i drugą warstwą (tzw. ruchy flip-flop) może być bardzo wolna i zachodzić raz na kilkaset godzin.

W komórkach bakterii i drożdży, które muszą adaptować się do różnych temperatur, zarówno długość jak i stopień nienasycenia kwasów tłuszczowych są stale dopasowywane, tak aby utrzymać względnie stały poziom płynności błony: w wyższych temperaturach komórka wytwarza lipidy o łańcuchach dłuższych i zawierających mniej wiązań podwójnych, co sprzyja zachowaniu stabilności i płynności błony.

Płynność błon umożliwia fuzję błon ze sobą i mieszanie się ich składników, co przy podziale komórki zapewnia równomierne rozdzielenie budujących błonę cząsteczek pomiędzy komórki potomne.

Glikolipidy - są to cząsteczki lipidów połączone z łańcuchami polisacharydowymi. Zlokalizowane są w zewnętrznej warstwie błony. Domeny polarne glikolipidów wystają ponad powierzchnię błony komórkowej, prezentując swoje grupy polarne do środowiska. Jakkolwiek rola glikolipidów nie jest do końca poznana, to przypisuje się im rozmaite funkcje: 1) utrzymują asymetryczność błony komórkowej, 2) oddzielają komórki od środowiska i stabilizują błonę komórkową, 3) są receptorami dla niektórych hormonów peptydowych i toksyn bakteryjnych, 4) dzięki specyficznej kombinacji topograficznej reszt cukrowych w błonach erytrocytów określają grupy krwi (ABO). Glikolipidy są na tyle ważnymi składnikami błon, że w przypadku wad genetycznych związanych z ich metabolizmem występują duże zaburzenia rozwojowe, kończące się przedwczesną śmiercią noworodka. Warstwa glikolipidów pokrywa większość komórek zwierzęcych tworząc tzw. glikokaliks. Glikolipidy uzyskuja swoje grupy cukrowe w aparacie Golgiego.

Sterole - zbudowane są ze sztywnego poczwórnego pierścienia węglowego z bocznymi podstawnikami. W komórkach zwierzęcych głównym sterolem (steroidem) jest cholesterol, zaś u roślin występują fitosterole: sitosterol, kamposterol i stigmosterol. W błonie lokalizują się pomiędzy łańcuchami węglowodorowymi fosfolipidów. Cholesterol jest lipidem o słabych właściwośćiach amfipatycznych. Jego cząsteczka składa się z części hydrofobowej - steroidowej i łańcucha alifatycznego dołączonego do węgla 17 w pierścieniu D. Domena hydrofilowa reprezentowana jest przez grupę (OH^-), związaną z 3. węglem w pierścieniu A. Cholesterol jest umiejscowiony w błonie komórkowej, podobnie jak glikolipidy, w jej zewnętrznej warstwie. W niej wiąże się swoją grupą hydroksylową z 1. węglem łańcucha alifatycznego kwasu tłuszczowego fosfolipidu. Cholesterol jest podstawowym czynnikiem regulującym przepuszczalność błon komórkowych. Położenie grupy hydrofobowej pomiędzy łańcuchami alifatycznymi fosfolipidów zapobiega przejściu fazowemu dużych obszarów błony ( zapobiega zbytniemu zbliżaniu się łańcuchów i uniemożliwia powstawanie pomiędzy nimi oddziaływań van der Waalsa, co prowadziło by do ich unieruchomienia i przejście w stan stały), utrzymuje wewnętrzną, hydrofobową część dwuwarstwy lipidowej w stanie płynnym. Natomiast grupy polarne cholesterolu uszczelniają oraz usztywniają i stabilizują zewnętrzne krawędzie dwuwarstwy lipidowej, zapobiegając niekontrolowanej migracji małych cząstek rozpuszczalnych w wodzie pomiędzy cząsteczkami fosfolipidów.

Białka błonowe umownie dzieli się na dwie grupy:

1. Białka które dają się łatwo usunąć z błony wodą, roztworami soli lub czynników chelatujących nie niszcząc dwuwarstwy lipidowej - są to białka powierzchniowe (peryferyjne) błony. Są one luźno związane z powierzchniami błony i często połączone z łańcuchami sacharydowymi (glikoproteiny) oraz kwasami tłuszczowymi czy długołańcuchowymi alkoholami, poprzez które polipeptydy te zakotwiczają się w obrębie błony. Białka powierzchniowe są cząsteczkami hydrofilnymi i najczęściej występują w rejonach, w których sterczą z błon fragmenty białek integralnych i są z nimi powiązane oddziaływaniami niekowalencyjnymi. Mogą również wiązać się z polarnymi fragmentami fosfolipidów. Część białek może znajdować się całkowicie poza rejonem błony, a jedynie wiązać się z nią za pomocą kowalencyjnego wiązania z cząsteczką lipidową błony.

2. Te które można wyizolować z błony do roztworu wodnego jedynie w postaci kompleksów z detergentem (solubilizacja detergentem - przeprowadzenie do roztworu wodnego kompleksów detergentu i składników błony) niszczącym uporządkowanie dwuwarstwy lipidowej - są to białka integralne na trwałe wbudowane w dwuwarstwę

Białka integralne mogą być zbudowane z jednej lub kilku podjednostek. Fragmenty cząsteczek białkowych mogą wyłaniać się na jednej lub na obu powierzchniach błony, bądź są prawie całkowicie schowane w części hydrofobowej dwuwarstwy lipidowej. Białka integralne mają w łańcuchu polipeptydowym przynajmniej jedną sekwencję składającą się z co najmniej 22 aminokwasów hydrofobowych, które pozwalają na zakotwiczenie się w błonie. W niektórych białkach reszty aminokwasów hydrofobowych tworzą kilka skupień, co sprawia, że łańcuch polipeptydowy kilkakrotnie przemierza dwuwarstwę lipidową. Koniec karboksylowy [C] łańcuchów polipeptydowych czasem jest skierowany do cytoplazmy, a koniec aminowy [N] na powierzchnię zewnętrzną błony, może też być przeciwnie. Białka mogą również kotwiczyć się w błonie poprzez kowalencyjnie związane z nimi łańcuchy kwasów tłuszczowych lub cząsteczkę glikofosfolipidu. Białka błonowe rozmieszczone są w błonie asymetrycznie. Ich ułożenie nie jest przypadkowe ale wynika ze specyficznych oddziaływań łańcucha polipeptydowego z dwuwarstwą lipidową. Wszystkie te cechy białek integralnych przyczyniają się do asymetrii błony. Większość białek integralnych błon biologicznych jest glikoproteinami

Funkcje białek błonowych

Wyróżnia się kilka klas funkcjonalnych białek błonowych:

1. Białka transportujące - uczestniczą w transporcie przez błony małych cząsteczek, tworzą kanały i pompy prowadząc transport kontrolowany (np. pompa sodowa, aktywnie wypompowuje z komórki jony sodu i wprowadza do niej jony potasu).

2. Białka wiążące - są elementami wyspecjalizowanych struktur odpowiedzialnych za utrzymywanie łączności pomiędzy komórkami lub z cytoszkieletem (np. integryny wiążące elementy wewnątrzkomórkowe filamenty aktyny z białkami substancji zewnątrzkomórkowej).

3. Białka receptorowe - pośredniczą w przekazywaniu informacji ze środowiska zewnętrznego do komórki, związanie cząsteczki sygnałowej indukuje zmiany w aktywności komórkowej (np. receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu, który wytwarza wewnątrzkomórkowe sygnały powodujące wzrost i podział komórki).

4. Białka enzymatyczne - enzymy, których miejsca katalityczne znajdują się po jednej ze stron błony bądź w jej wnętrzu (np. cyklaza adenylanowa, w odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe katalizuje wytwarzanie wewnątrzkomórkowego cyklicznego AMP, będącego wewnątrzkomórkowym przekaźnikiem)

Uważa się, że białka integralne pełniące funkcje transportowe, których łańcuch polipeptydowy wielokrotnie przemierza dwuwarstwę lipidową - tworzy przez błonę kanały. Modele kanałów błonowych przyjmują, że 22-aminokwasowe hydrofobowe odcinki łańcucha polipeptydowego tworzą struktury ၡ-helisy, a kilka takich ၡ- helis obok siebie stanowi ścianę kanału. Oprócz tych zewnętrznych ၡ-helis mocujących kanał w dwuwarstwie lipidowej, wewnątrz kanału mogą biec dodatkowe, wewnętrzne odcinki łańcucha, zbudowane z hydrofilnych aminokwasów. Pełnią one właściwe funkcje transportowe np. białko kanałów wapniowych.

Właściwości błon

Półpłynność: dwuwarstwa lipidowa błony biologicznej jest w stanie półpłynnym lub inaczej płynno-krystalicznym. Ze względu na wysoki stopień uporządkowania ma ona właściwości krystaliczne (fosfolipidy ułożone w szeregi, biegunem polarnym na zewnątrz, apolarnym do środka). Z drugiej zaś strony podwójna warstwa lipidowa wykazuje właściwości płynne, bowiem pomimo tego uporządkowania łańcuchy węglowodorowe pozostają w ciągłym ruchu, co oznacza, że cząsteczki fosfolipidów mają swobodę rotacji i mogą dyfundować w obrębie pojedynczej warstwy błony, w której występują. Nadaje to podwójnej warstwie fosfolipidowej charakter cieczy krystalicznej, który bywa też określany jako półpłynny. Niektóre błony biologiczne w temperaturze optymalnej dla wzrostu komórki zawierają jednak pewne lipidy w formie krystalicznej. Krystaliczna struktura jest stanem, w którym cząsteczki lipidów są względem siebie uporządkowane, co powoduje ich wzajemne powiązanie a tym samym unieruchomienie .

Półpłynny charakter dwuwarstwy lipidowej w błonie komórek ma ważne znaczenie biologiczne dla organizmów żywych. Zachowanie odpowiedniej płynności błon umożliwia dyfuzję białek błonowych w płaszczyźnie obu warstw fosfolipidów i ich wzajemne oddziaływanie (np. podczas procesów transdukcji sygnałów), wzajemne zlewanie się błon (np. w czasie egzo- i endocytozy) i mieszanie się jej składników (zachodzące podczas podziałów komórkowych). Organizmy poikilotermiczne (zmienno cieplne, żyjące w środowisku o zmiennej temperaturze) takie jak bakterie i drożdże dostosowują skład lipidowy błon do temperatury otoczenia w jakim żyją. Temperatura przejścia fazowego ich błon staje się wyższa wówczas, gdy organizm dostosuje się do wzrostu w podwyższonej temperaturze, a niższa, gdy rośnie w hodowli o obniżonej temperaturze. To dostosowanie ma istotne znaczenie dla funkcji błony związanej z oddziaływaniem różnych cząsteczek białkowych i lipidowych wymagających jej półpłynnego stanu.

Dynamiczność: jest wyrażona w ruchach budujących błonę lipidów i białek. Cząsteczki fosfolipidów w błonie nie są sztywne. Mniej ruchliwe są ich okolice polarne, natomiast zanurzone w głębi warstwy hydrofobowej końce łańcuchów węglowodorowych wykonują szybkie ruchy, tym szybsze im te łańcuchy są krótsze i zawierają liczniejsze wiązania podwójne. Białka błony mogą natomiast być w jej płaszczyźnie przemieszczane dyfuzyjnie, wykonywać ruchy obrotowe w osi prostopadłej do powierzchni błony oraz wynurzać się z dwuwarstwy lipidowej lub w niej zanurzać.

Ruchliwość składników błon powoduje zamykanie wszelkich wyrw i ubytków. Błony w żywych komórkach nigdy nie tworzą wolnych krawędzi. Dzięki temu wnętrze komórki i poszczególnych jej przedziałów jest zawsze otoczone selektywnie przepuszczającą barierą. Ponieważ błona jest dwuwymiarowym płynem, wiele jej białek, podobnie jak i lipidów, może swobodnie poruszać się w obrębie płaszczyzny dwu-warstwy lipidowej. Można to w sposób łatwy i oczywisty wykazać, dopro­wadzając do fuzji komórki myszy z komórką ludzką, tworząc podwójnej wielkości komórkę hybrydową, a następnie śledząc rozmieszczenie białek błony komórkowej zarówno myszy, jak i człowieka. Aczkolwiek na po­czątku białka te pozostaną na powierzchni swych odpowiednich połówek nowo powstałej komórki hybrydowej, to już po niecałej godzinie dwa ze­stawy tych białek zostaną równomiernie wymieszane na całej powierzch­ni komórki.

Jednakże obraz morza lipidów, w którym wszystkie białka pływają swo­bodnie, jest zbyt uproszczony. Komórki mają swoje sposoby ograniczenia lokalizacji poszczególnych białek błony komórkowej do pewnych pól dwuwarstwy, co prowadzi do powstania na powierzchni komórki wyspecjalizo­wanych funkcjonalnie obszarów, czyli domen błonowych.

Białka mogą być złączone z trwałymi strukturami na zewnątrz komór­ki, na przykład z cząsteczkami substancji międzykomórkowej. Białka błonowe mogą być także zakotwiczone do względnie nieruchomych struktur wewnątrz komórki, zwłaszcza do rozwi­niętej pod powierzchnią błony komórkowej części cytoszkieletu, czyli ko­ry komórki. W końcu, komórki mogą wytwarzać barie­ry ograniczające obecność poszczególnych składników błony do jednej domeny błonowej. Na przykład w komórkach nabłonka wyścielającego je­lito ważne jest, aby białka transportujące, działające przy pobieraniu sub­stancji odżywczych z jelita, występowały tylko w szczytowej powierzchni komórek (powierzchni zwróconej do światła jelita) oraz aby obecność in­nych białek, wyprowadzających rozpuszczone substancje z komórki na­błonkowej do tkanek i krwiobiegu, była ograniczona do powierzchni podstawnej i bocznej (rys. 11-37). To asymetryczne rozmieszczenie białek bło­nowych jest zachowywane dzięki barierze utworzonej wzdłuż strefy, w której komórka jest zespolona z przyległymi komórkami nabłonkowy­mi przez tak zwane, połączenia zamykające. W miejscu tym wyspecjalizo­wane białka łączące formują wokół komórki ciągły pas, gdzie kontaktuje się ona ze swoimi sąsiadami, wytwarzając ścisłe zespolenie pomiędzy przylegającymi do siebie błonami komórkowymi. Białka błonowe nie mo­gą w drodze dyfuzji przekroczyć tego połączenia.

Asymetryczność: polega na różnicach w budowie obu powierzchni błony, skierowanych na zewnątrz i ku wnętrzu komórki lub organelli. Dwie warstwy dwuwarstwy często zawierają różny skład fosfolipidów i glikolipidów a białka są wtopione w dwuwarstwę ze specyficzną orientacją przestrzenną, konieczną dla ich funkcji. W błonie komórkowej (plazmolemie) wyróżnia się dwie warstwy:

• warstwę lipidową zewnętrzną E (ang. exoplasmic) od strony środowiska,

• warstwę lipidową cytoplazmatyczną P. (ang. protoplasmic) od strony protoplazmy

Pomiędzy warstwami istnieją uchwytne różnice. Na przykład w błonie erytrocytu człowieka warstwa E zbudowana jest głównie z fosfolipidów cholinowych (fosfatydylocholin = lecytyn i sfingomielin), natomiast warstwa P zbudowana jest z fosfolipidów aminowych tzw. kefalin: fosfatydyloseryny i fosfatydyloetanoloaminy. Fosfolipidy warstwy P mają łańcuchy węglowodorowe zawierające więcej nienasyconych wiązań , a fosfatydyloseryny ponadto noszą jeden ładunek dodatni i dwa ujemne, mają więc przewagę ładunków ujemnych (asymetria jonowa). Asymetria dwuwarstwy lipidowej błony komórkowej jest utrzymywana głównie przez obecność glikolipidów i glikosacharydów, które wchodzą w skład zewnętrznej (E) warstwy błony, a ich reszty cukrowe są eksponowane na zewnątrz komórki. Przykładem glikolipidów mogą być cząsteczki noszące własności grupowe ABO erytrocytów człowieka.

Półprzepuszczalność (selektywność): przez błonę mogą swobodnie przenikać tylko nieliczne związki np. H₂O, CO₂, glicerol; natomiast większość substancji, aby mogła przeniknąć przez błonę wymaga obecności w błonie odpowiednich układów transportujących, którymi są odpowiednie białka błonowe. Przepuszczalność błony dla danej substancji zależy od rozmiaru i ładunku jej cząsteczki. Na przykład cząsteczki wody z dużą szybkością przedostają się przez szczelinę w podwójnej warstwie lipidowej, powstałą na skutek chwilowego odchylenia się łańcucha kwasu tłuszczowego. Bez trudu przez dwuwarstwę przenikają gazy, np. tlen, CO₂ i N₂, małe cząsteczki polarne, np. glicerol, i niektóre większe cząsteczki apolarne (hydrofobowe), np. węglowodory. Cząsteczki większe, np. glukoza i jony różnej wielkości nie przedostają się z powodu zbyt dużych rozmiarów lub na skutek odpychania przez ujemnie naładowaną powierzchnię błony. Przepuszczalność dla tych związków wiąże się z występowaniem w błonie specyficznych białek transportujących. Wszystkie błony plazmatyczne są selektywnie przepuszczalne dla różnych rodzajów cząsteczek a wynika to z występowania w poszczególnych typach błon różnych zestawów białek transportujących. W odpowiedzi na zmianę warunków środowiska lub na aktualne zapotrzebowanie komórki błona może czasami stawać się barierą dla danej substancji, w innych natomiast okolicznościach może je aktywnie transportować. Kierując ruchem cząsteczek, komórka jest w stanie zapewnić stałość składu jonowego i cząsteczkowego swego wewnętrznego środowiska.

Zdolność do fuzji: ważną cechą podwójnych warstw lipidowych jest unikanie tworzenia układów z wolnymi końcami, czego wyrazem jest spontaniczne zamykanie się błon w struktury pęcherzykowate, oraz zdolność w określonych warunkach do łączenia się z innymi, podobnymi strukturami błonowymi. Fuzja (łączenie się, zlewanie) błon jest powszechnie występującym procesem i ma istotne znaczenie dla funkcjonowania komórki, np. podczas endocytozy, wydzielania i krążenia składników błon. Zachodzi też w wyspecjalizowanych komórkach, np. podczas egzocytozy (wydzielania) enzymów, neurohormonów, podczas łączenia się komórki jajowej z plemnikiem, łączenia się mioblastów. Fuzja zachodzi też w procesach patologicznych, np. w odpowiedzi zapalnej podczas tworzenia się komórek olbrzymich, podczas wnikania do komórki wirusów z otoczką.

Pochodzenie lipidów i białek błonowych

Fosfolipidy syntetyzowane są z CDP-glicerydów i L-seryny. Powstałe fosfatydyloseryny po dekarboksylacji przekształcają się w fosfatydyloetanoloaminy, a te z kolei podlegają metylacji do fosfatydylocholin. Fosfolipidy mogą być też pobierane ze środowiska otaczającego. Półokres trwania fosfolipidów błon in vivo może być stosunkowo długi (kilka tygodni -erytrocyt). Tam gdzie błony podlegają szybkiej wymianie, fosfolipidy maja szybszy obrót.

Pochodzenie glikolipidów błony komórkowej może być różne. Są one syntetyzowane w błonach śródplazmatycznych (ER) przez dołączanie cukrów. Mogą też być pobierane z zewnątrz.

Większość białek integralnych błon biologicznych jest glikoproteinami i jest syntetyzowana na rybosomach związanych z błonami siateczki śródplazamatycznej ziarnistej. Początkowy odcinek końca N łańcucha polipeptydowego syntetyzowany na rybosomie zbudowany z około 20 reszt aminokwasów ma charakter hydrofobowy (jest to odcinek sygnałowy) i dlatego może wnikać do dwuwarstwy lipidowej błony. Tam zostaje on otoczony przez białka tworzące kanał w dwuwarstwie lipidowej, przez który mogą przesuwać się dalsze, hydrofilne części łańcucha pilipeptydowego. Następnie syntetyzowany jest drugi odcinek sygnałowy polipeptydu złożony z reszt hydrofobowych aminokwasów. Podczas wnikania do błony przesuwa on białko w płaszczyźnie poza błonowy kanał białkowy. Ten hydrofobowy odcinek polipeptydu zakotwicza go w apolarnej dwuwarstwie lipidowej. Hydrofilny koniec C odcinka polipeptydu jest syntetyzowany najpóźniej, a jego odłączenie od rybosomu kończy syntezę łańcucha.

Ten opis wbudowywania białek w błonę odpowiada hipotezie odcinków sygnałowych.

Druga hipoteza wbudowywania białek integralnych błony opiera się na stwierdzeniu, że wspólną cechą integralnych białek bonowych jest ich nierozpuszczalność w roztworach wodnych. Ta cecha białek integralnych w większym stopniu zależy od ich konformacji, niż składu aminokwasowego. Sekwencje około 20 reszt aminokwasów hydrofobowych obecne w wielu białkach błonowych równie często znajdują się w białkach rozpuszczalnych. Białka przeznaczone do wbudowania w błonę w kontakcie z nią przyjmują konformację przestrzenną, która powoduje ich przemieszczenie się z fazy wodnej środowiska cytoplazmatycznego do fazy hydrofobowej dwuwarstwy lipidowej. Przykładem takich białek mogą być oksydaza cytochromowa, dehydrogenaza 3-fosforanu glicerolu, cytochrom b⁵, transferaza galaktozylowa. Taki sposób wbudowywania białek do błony określa się terminem fałdowania się białek zależnym od błony.

Glikokaliks

Powierzchnia komórek prokariotycznych i eukariotycznych pokryta jest różnej grubości otoczką zbudowaną z cukrów o różnym stopniu polimeryzacji. Błona komórkowa bakterii jest otoczona grubą ścianą komórkową i otoczką śluzową zbudowaną z wielocukrów. Ściany komórek roślinnych zbudowane są z wielocukru celulozy, który jest zasadniczym elementem szkieletowym tych komórek, określającym ich kształt i przeciwstawiającym się dużemu ciśnieniu osmotycznemu wnętrza komórki. Warstwa cukrowców pokrywająca powierzchnię komórek zwierzęcych nosi nazwę glikokaliks. Wszystkie cukrowce wchodzące w skład glikoprotein, proteoglikanów i glikolipidów występują tylko na powierzchni zewnętrznej błony (na powierzchni komórki) tworząc cukrowcowy „płaszcz”. Jest on ważnym elementem ochrony powierzchni komórki przed uszkodzeniem chemicznym i mechanicznym. Ponieważ oligosacharydy i polisacharydy wchłaniają wodę, powodują śliskość powierzchni komórki. Pozwala to komórkom ruchliwym, takim jak krwinki białe, przeciskać się przez wąskie przestrzenie i zapobiega przylepianiu się krwinek do siebie lub do ścian naczyń krwionośnych. Pokrywa węglowodanowa różnych typów komórek różni się istotnie zarówno składem reszt cukrowych jak i grubością. Składa się ona głównie z cukrów prostych, które występują zazwyczaj jako boczne łańcuchy związane kowalencyjnie z białkami błonowymi i lipidami. Ponadto obecne są w niej proteoglikany, związki białkowo-węglowodanowe syntetyzowane w komórce, wydzielane na zewnątrz i adsorbowane do powierzchni błony komórkowej. Mukopolisacharydowa otoczka komórki jest bardzo wrażliwa na każdą fizjologiczną zmianę komórki. Przypuszcza się, że spełnia ona kilka funkcji: 1) kotwiczenie białek transbłonowych w dwuwarstwie lipidowej zapobiegające ich wypadnięciu do cytoplazmy, 2) utrzymywanie prawidłowego sfałdowania łańcucha polipeptydowego przez dołączone reszty cukrowe, 3) pełnią funkcję sygnałów kierujących białka transbłonowe do miejsca przeznaczenia w błonie, 4) charakterystyczny dla każdej komórki skład i konfiguracja reszt cukrowych są odpowiedzialne za wzajemne rozpoznawanie się komórek w procesie rozwoju organizmu i w czasie całego życia.

Kora komórki

Błona otaczająca komórkę (podobnie jak i błony wewnątrzkomórkowe) jest bardzo cienka i delikatna, dlatego też wzmocniona jest od strony wnętrza komórki „rusztowaniem” białek, tzw. szkieletowych, podczepionych do błony poprzez specyficzne białka transbłonowe. Białka szkieletowe kotwiczą się do niektórych białek transbłonowych, np. glikoforyny lub białka trzeciego szczytu elektroforetycznego, i są również powiązane wzajemnie, utrzymując kształt komórki i zapewniając błonie elastyczność i wytrzymałość. Rusztowanie to, zbudowane z sieci włóknistych białek zwane jest korą komórki albo membranoszkieletem. Głównym składnikiem kory jest białko spektryna. Występuje ono zawsze jako dimer dwóch wzajemnie helikalnie splecionych monomerów ၡ i ၢ. Dimery spektryny wiążą się ze sobą tworząc filamenty o długości ok. 100nm. Białko to buduje tuż pod plazmolemą sieć stanowiącą podporę dla błony komórkowej i utrzymującą kształt komórki. Sieć spektrynowa połączona jest z błoną przez białko łącznikowe ankirynę (łączy ją z białkem integralnym, białkiem trzeciego szczytu elektroforetycznego) oraz z cytoszkieletem komórki, głównie filamentami aktynowymi. Obok spektryny i ankiryny, kora komórki zawiera gęstą sieć filamentów aktynowych, które biegną do cytoplazmy, gdzie zostają poprzecznie powiązane w trójwymiarową sieć. Ta aktynowa sieć kory decyduje o kształcie i właściwościach mechanicz­nych błony komórkowej i powierzchni komórki. Przetaso­wania aktyny w obrębie kory stanowią molekularną podstawę zmian kształtu komórki i jej ruchów.

Substancja międzykomórkowa

Przestrzeń między komórkami w tkankach i narządach zwierzęcych wypełniona jest substancją międzykomórkową. Poprzez oddziaływanie na swoiste receptory błon, białka substancji międzykomórkowej mogą wpływać na morfologię, aktywność metaboliczną, wzrost i różnicowanie komórek. Jest ona zbudowana z włókien i substancji podstawowej. Wśród włókien substancji międzykomórkowej dominują włókna kolagenowe i elastynowe. Substancja podstawowa zawiera rozpuszczone prekursory białek tworzących włókna, proteoglikany, glikoproteiny i inne cząsteczki produkowane przez komórki. Należą do nich niektóre glikoproteiny występujące w otoczeniu komórek, wpływające na ich wzajemne oddziaływania oraz oddziaływania ze składnikami osocza. Substancja międzykomórkowa jest ściśle powiązana z błoną komórkową za pośrednictwem białek łącznikowych, takich jak np. fibronektyna czy laminina. Białka te uczestniczą w oddziaływaniach komórek z substancją międzykomórkową. Fibronektyna jest białkiem syntetyzowanym przez wiele komórek, w tym fibroblasty, komórki nabłonkowe, komórki śródbłonka. Białko to występuje w osoczu krwi i na powierzchni komórek. Wraz z proteoglikanami pełni ważne funkcję pomostu łączącego powierzchnię komórki z otaczającymi ją składnikami substancji międzykomórkowej. Jednym końcem cząsteczka fibronektyny wiąże się z włóknami kolagenowymi zaś drugim końcem z białkiem transbłonowym - integryną, która z kolei jest powiązana z cytoszkieletem komórki (filamentami aktynowymi). Innym poznanym dobrze białkiem międzykomórkowym wpływającym na funkcje komórek jest laminina. Jest główną niekolagenową glikoproteiną błon podstawnych, które spajają komórki nabłonka z tkanką łączną. Białko to warunkuje oddziaływanie między komórkami a błoną podstawną w procesach adhezji, migracji, proliferacji i różnicowania komórek.

Transport przez błony biologiczne

		TRANSPORT
PRZEZ BŁONĘ			PĘCHERZYKOWY (z fragmentami błon)
bez udziału nośników	z udziałem nośników		egzocytoza		endocytoza:
dyfuzja prosta dyfuzja złożona	dyfuzja ułatwiona	transport aktywny			pinocytoza fagocytoza
		pierwotny wtórny translokacja grupowa			endocytoza receptorowa

Transport bez udziału nośników:

Dyfuzja prosta - wypadkowe przemieszczanie się cząsteczek z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu, tak że ostatecznie rozkład cząstek staje się równomierny (dyfuzja jest zatem ruchem cząsteczek zgodnym ze spadkiem gradientu stężenia). Szybkość dyfuzji zależy od wielkości i kształtu cząsteczek, ich ładunku elektryczne go i temperatury otoczenia.

Dyfuzja złożona - przenikanie substancji zachodzi nie tylko pod wpływem gradient stężenia, ale i innych bodźców, jak np. gradientu potencjału elektrochemicznego czy gradientu ciśnienia

Osmoza - przemieszczanie się (dyfundowanie) wody z obszarów o wyższym jej stężeniu do obszarów o stężeniu niższym.

Transport z udziałem nośników - transport przez błony z uczestnictwem w przenoszeniu różnych, zlokalizowanych w błonie białek. W ten rodzaj transportu mogą być zaangażowane dwa mechanizmy: dyfuzji ułatwionej (wspomaganej) oraz aktywnego transportu.

W dyfuzji ułatwionej ruch cząsteczek odbywa się tylko w kierunku zgodnym ze spadkiem gradientu stężenia (od wyższego do niższego) - błona jest przepuszczalna dla przemieszczanej substancji, lecz obecność w błonie specyficznego nośnika, wiążącego czasowo transportowaną cząstkę przyspiesza jej przemieszczanie się przez błonę. Białko przenośnikowe nie ulega w tym procesie żadnym zmianom; po odłączeniu jednej cząsteczki może natychmiast wiązać się z drugą. Przykładem takiego nośnika jest białko transportujące glukozę przez błonę komórkową erytrocytów.

Transport aktywny - transport cząsteczek wbrew gradientowi stężeń, odbywający się kosztem energii metabolicznej. Energia do tego transportu pochodzi najczęściej z ATP, np. pompa sodowo-potasowa - zlokalizowana w błonach plazmatycznych grupa specyficznych białek, które wykorzystują energię pochodzącą z rozkładu ATP do wymiany jonów sodowych z wnętrza komórki na jony potasowe wnikające z zewnątrz. W tym wypadku wytwarzany gradient stężenia dotyczy cząstek obdarzonych ładunkiem, zatem w poprzek błony tworzy się nie tylko gradient stężenia, lecz i także gradient potencjału elektrycznego. Można wyróżnić trzy różne mechanizmy transportu aktywnego:

translokacja grupowa - gdy energia do transportu danej cząsteczki równa jest energii potrzebnej do wytworzenia nowych wiązań kowalencyjnych w transportowanej cząsteczce

transport aktywny pierwotny - gdy energia do transportu danej cząsteczki równa jest energii potrzebnej do wytworzenia nowych wiązań kowalencyjnych w nośniku

transport aktywny wtórny - gdzie aktywnie transportowana pierwsza substancja (np. Na⁺) tworzy gradient potencjału elektrochemicznego, który warunkuje transport innej substancji, np. cukru, aminokwasu, zgodnie z tym gradientem.

Transport przez błonę można podzielić inaczej na bierny, czyli bez nakładu energii ze strony komórki ( osmoza, dyfuzja prosta, złożona i dyfuzja ułatwiona) oraz na transport aktywny, wymagający dostarczenia energii metabolicznej

Przepuszczalność błony komórkowej dla danej substancji zależy od rozmiaru i ładunku jej cząsteczek. Błona jest przepuszczalna, gdy cząsteczki swobodnie przez nią przenikają, i odwrotnie - jest nieprzepuszczalna, gdy cząsteczki nie są w stanie się przez nią przedostać. Błona selektywnie przepuszczalna (półprzepuszczalna) przepuszcza tylko niektóre rodzaje cząsteczek, podczas gdy inne zatrzymuje.

Niektóre cząsteczki przenikają przez podwójną warstwę lipidową dość łatwo (szczeliną powstałą na skutek odchylenia się łańcucha kwasu tłuszczowego) np. cząsteczki wody, tlen, dwutlenek węgla, azot, małe cząsteczki polarne (np.glicerol) i niektóre większe cząsteczki niepolarne (np. węglowodory). Cząsteczki większe, np. glukoza i jony różnej wielkości nie przedostają się przez podwójną warstwę lipidową z powodu zbyt dużych rozmiarów lub na skutek odpychania przez naładowaną powierzchniową warstwę błony.

Półprzepuszczalność błony wiąże się z występowaniem w błonach specyficznych białek transportujących zwanych nośnikami (dotyczy to wszystkich błon plazmatycznych - otaczających i budujących różne struktury). Błony są selektywnie przepuszczalne dla różnych rodzajów cząsteczek. Zestaw białek transportujących zawarty w błonie komórkowej czy w błonie organelli we­wnątrzkomórkowych ściśle określa, jakie substancje mogą wejść do ko­mórki lub organelli oraz z nich wyjść. Aby nadać impuls i zapewnić poprawny, złożony ruch drobnych cząsteczek, zarówno wchodzących do komórki, jak i z niej wychodzących oraz przemieszcza­nych pomiędzy cytozolem a różnymi organellami komórki, każda błona w komórce zawiera charakterystyczny dla siebie zestaw przenośników. Tak więc w błonie komórkowej znajdują się przenośniki importujące sub­stancje odżywcze, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy; w wewnętrz­nej błonie mitochondrialnej znajdują się przenośniki do importu pirogronianu (w komórkach roślinnych także: jabłczanu i szczawiooctanu) i ADP oraz eksportu ATP itd. W odpowiedzi na zmianę warunków środowiska lub na aktualne zapotrzebowanie komórki błona komórkowa może stawać się barierą nie do przebycia dla cząstek danej substancji, w innych natomiast okolicznościach może je aktywnie transportować.

Nośniki są białkami błonowymi niezbędnymi do przenoszenia poprzez błony jonów oraz prawie wszystkich małych cząsteczek organicznych z wyjątkiem cząsteczek rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych oraz małych cząsteczek nienaładowanych, które mogą przechodzić przez błonę w drodze dyfuzji prostej. Każdy nośnik jest wysoce selektywny i często transportuje tylko jeden typ cząsteczek. Wyróżnia się dwa rodzaje nośników: ruchome (przenośniki, permeazy) i nieruchome czyli kanały. Przenośniki są białkami integralnymi, które wiążą rozpuszczoną substancję po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę poprzez zmianę konformacji przenośnika. Tą drogą mogą być transportowane zarówno małe cząsteczki organiczne, jak i nieorganiczne jony. Natomiast kanały tworzą w błonie małe hydrofilowe pory, przez które substancje mogą przechodzić w drodze dyfuzji. Większość kanałów białkowych przepuszcza tylko jony nieorganicz­ne i dlatego określa się je jako kanały jonowe. Komórki mogą wprawdzie przenosić selektywnie przez swe błony także makrocząsteczki, takie jak białka, ale wymaga to znacznie bardziej skomplikowanego mechanizmu.

Łańcuchy polipeptydowe przebadanych szczegółowo białek prowadzących transport przez błonę — zarówno prze­nośników, jak i kanałów — wielokrotnie przechodzą przez dwuwarstwę lipidową. Uważa się, że przechodząc wielokrotnie tam i z powrotem przez dwuwarstwę, łańcuch polipeptydowy tworzy wyścielone białkiem ciągłe przejście, pozwalające wybranym małym cząsteczkom hydrofilowym na przechodzenie poprzez błonę bez wejścia w bezpośredni kontakt z hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy lipidowej.

Zasadniczą różnicą między przenośnikiem a kanałem jest sposób, w ja­ki rozróżniają one rozpuszczone cząsteczki, transportując tylko pewne z nich, a inne nie. Kanały prowadzą to rozróżnienie na zasadzie ich wielkości i ładunku elektrycznego: gdy kanał jest otwarty, cząsteczki dosta­tecznie małe i niosące odpowiedni ładunek mogą się prześlizgnąć jak przez wąskie, otwarte drzwi zapadkowe. Przenośnik działa bardziej jak jednokierunkowe drzwi obrotowe: pozwala wejść tylko tej cząsteczce, któ­ra pasuje do miejsca wiążącego na białku przenośnika i przenosi te czą­steczki poprzez błonę tylko pojedynczo, za każdym razem zmieniając swą konformację. Przenośnik specyficznie wiąże przeno­szoną cząsteczkę w ten sam sposób, w jaki enzym wiąże swój substrat i to właśnie wymóg specyficznego wiązania nadaje transportowi selektywność. Aby całkowicie zrozumieć sposób, w jaki przenośnik przeprowadza czą­steczkę poprzez błonę, musielibyśmy znać szczegóły jego trójwymiarowej struktury, ale taka informacja istnieje na razie tylko w stosunku do nie­licznych białek czynnych w transporcie przez błony. Jednym z nich jest bakteriorodopsyna, która działa jak aktywowana świa­tłem pompa protonowa

W zasadzie najprostszą drogą umożliwiającą małym, rozpuszczalnym w wodzie cząsteczkom przejście z jednej strony błony na drugą jest stwo­rzenie hydrofilowego kanału. Funkcję tę pełnią w błonach komórkowych białka kanałowe, tworzące wodne pory transbłonowe, umożliwiające bierny ruch małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, zarówno mię­dzy cytozolem i otoczeniem komórki, jak i między cytozolem i wnętrzem organelli.

Tylko nieliczne białka kanałowe tworzą względnie duże pory; przykła­dem są białka, które tworzą poleczenia komunikacyjne pomiędzy dwoma przylegającymi komórkami oraz poryny tworzące kana­ły w zewnętrznej błonie mitochondriów i pewnych bakterii. Jednak takie duże, działające bez ograniczeń kanały powodowałyby katastrofalne przecieki, gdyby bezpośrednio łączyły cytozol komórki z przestrzenią zewnątrzkomórkową. Dlatego też większość białek kanało­wych w błonie komórkowej komórek zwierząt i roślin jest całkowicie od­mienna i ma pory wąskie, o dużej selektywności. Prawie wszystkie te biał­ka są kanałami jonowymi, prowadzącymi wyłącznie transport jonów nieorganicznych, głównie Na⁺, K⁺, Cl^~, Ca²⁺.

Dwie ważne właściwości odróżniają kanały jonowe od prostych porów wodnych. Po pierwsze wykazują one selektywność jonową pozwalającą na przejście tylko niektórych jonów nieorganicznych. Selektywność jonowa zależy od średnicy i kształtu kanału jonowego oraz od rozmieszczenia w wyściółce kanału naładowanych reszt aminokwasowych. Kanał jest w pewnych miejscach dostatecznie wąski, aby zmusić jony do kontaktu ze ścianą kanału, przez co przechodzić mogą tylko te jony, które mają odpo­wiednią wielkość i ładunek. Na przykład wąskie kanały nie przepuszczą dużych jonów, a kanały wyścielone ładunkami ujemnymi uniemożliwią wejście jonów ujemnych ze względu na elektrostatyczne odpychanie ła­dunków jednoimiennych. Na tej zasadzie powstały kanały selektywne dla jednego tylko typu jonu, np. Na⁺ lub Cl^-. Każdy jon w roztworze wodnym jest otoczony cienkim płaszczem cząsteczek wody; uważa się, że dopiero zdjęcie większości towarzyszących cząsteczek wody umożliwia przejście jonów jednego po drugim przez najwęższą część kanału. Ten etap trans­portu jonu ogranicza maksymalną szybkość przewodzenia jonów przez kanał. Tak więc w miarę wzrostu stężenia jonów ich przepływ przez kanał początkowo wzrasta proporcjonalnie do stężenia, ale następnie ulegnie wysyceniu przy maksymalnej szybkości.

Drugą ważną cechą odróżniającą kanały jonowe od prostych porów wodnych jest to, że kanały jonowe nie są ustawiczne otwarte. Transport jonów nie miałby dla komórki żadnej wartości, gdyby nie było sposobu kontrolowania ich przepływu i gdyby wiele tysięcy kanałów jonowych w błonie komórkowej było przez cały czas otwarte. Jak omówimy to póź­niej, większość kanałów jonowych jest bramkowana; mogą one przełączać się ze stanu otwartego w zamknięty przez zmianę konformacji, a przejście takie jest regulowane warunkami panującymi w środku i na zewnątrz ko­mórki.

Kanały jonowe mają znaczną przewagę nad przenośnikami pod wzglę­dem ich maksymalnej szybkości transportu. Przez jeden kanał może w ciągu każdej sekundy przejść ponad milion jonów, co jest szybkością 1000 razy większą niż największa znana szybkość transportu dokonywane­go przez jakikolwiek przenośnik. Z drugiej strony, kanały nie mogą sprzę­gnąć przepływu jonów z żadnym źródłem energii, co umożliwiłoby im prowadzenie transportu aktywnego. Tak więc funkcją większości kanałów jonowych jest uczynienie błony przejściowo przepuszczalną dla wybra­nych jonów nieorganicznych, głównie Na⁺, K⁺, Ca²⁺ i Cl^~, pozwalając — w czasie otwarcia bramek kanałów — na szybkie dyfuzyjne przejście tych jonów poprzez błonę zgodnie z ich gradientami elektrochemicznymi.

W wyniku aktywnego transportu prowadzonego przez pompy i inne białka transportujące, większość stężeń jonowych po obu stronach błony jest daleko odsunięta od równowagi. Dlatego też po otwarciu kanału jony szybko przez niego przepływają. Takie szybkie wpływanie jonów wytwarza puls ładunku elektrycznego albo doprowadzonego do komórki (gdy jony wpływają), albo wyprowadzonego z komórki (gdy jony wypływają). Przepływ jonów zmienia napięcie istniejące w poprzek błony —potencjał bło­nowy — co zmienia siły elektrochemiczne stanowiące napęd do przemiesz­czania wszystkich innych jonów poprzez błonę. Zarazem, zmusza to inne kanały jonowe, specyficznie wrażliwe na zmiany potencjału błonowego, do otwarcia się lub zamknięcia w ciągu milisekund. Wynikająca stąd eksplo­zja aktywności elektrycznej może szybko przemieszczać się z jednego ob­szaru błony komórkowej do drugiego, przewodząc sygnały elektryczne. Ten typ sygnaliza­cji elektrycznej nie jest ograniczony do zwierząt, ale występuje też u pier­wotniaków i roślin; np. mięsożerna roślina, rosiczka, używa sygnalizacji elektrycznej do wyczuwania obecności i złapania owadów.

Potencjał błonowy stanowi podstawę każdej aktywności elektrycznej w komórce, zarówno roślin, zwierząt, jak i pierwotniaków.

Główną metodą stosowaną do badania ruchu jonów i zachowania się ka­nałów jonowych w żywych komórkach są pomiary elektryczne. Techniki zapisu elektrycznego zostały tak wspaniale udoskonalone, że można obecnie wykrywać i mierzyć prąd elektryczny płynący przez pojedynczy kanał. Procedura znana jako zapis metodą patch-clamp pozwoliła od­tworzyć zdumiewający obraz pracy indywidualnych kanałów jonowych.

W metodzie tej bardzo cienka rureczka szklana jest używana jako mikroelektroda do wytworzenia elektrycznego kontaktu z powierzchnią ko­mórki. Mikroelektrodę uzyskuje się przez rozgrzewanie rurki szklanej i jej rozciągnięcie, co pozwala otrzymać niezwykle delikatną końcówkę o śred­nicy rzędu kilku mikrometrów. Rurkę napełnia się wodnym roztworem przewodzącym prąd, a końcówką naciska się powierzchnię komórki. Przez delikatne zassanie wytwarza się szczelne złącze elektryczne pomię­dzy błoną komórkową a ujściem mikroelektrody. Jeśli chce­my odsłonić cytozolową stronę błony, łatkę błony przychwyconą mikro-elektrodą delikatnie oddzielamy od komórki. W drugi, otwarty koniec mikroelektrody wprowadza się cienki metalowy przewód. Prąd wchodzący do mikroelektrody przez kanały jonowe w małej łatce błony zakrywającej końcówkę elektrody przechodzi poprzez przewód do aparatów pomiarowych, a stąd do łaźni z płynem, w której jest umieszczo­na komórka lub oderwana z niej łatka. Pomiary metodą patch-clamp umożliwiają uzyskanie zapisu działania kanałów jonowych we wszystkich typach komórek — nie tylko w dużych komórkach nerwo­wych, znanych ze swej aktywności elektrycznej, ale również w komórkach takich jak drożdże, zbyt małych, aby zachodzące w nich zjawiska elek­tryczne wykryć jakąkolwiek inną metodą.

Zmieniając stężenie jonów środowiska po którejkolwiek stronie łatki błony można sprawdzić, jaki jon będzie przechodził przez kanał. Przy od­powiednim obwodzie elektronicznym można ustalić napięcie istniejące w poprzek łatki błony, czyli potencjał błonowy, i utrzymywać go na sta­łym, dowolnie wybranym poziomie. W ten sposób można sprawdzić, jak zmiany potencjału błonowego wpływają na otwieranie się i zamykanie ka­nałów w błonach.

Gdy obszar błony zamkniętej końcówką elektrody jest dostatecznie mały, można natrafić na sytuację, w której będzie obecny tylko pojedyn­czy kanał jonowy. Nowoczesna aparatura elektryczna jest dostatecznie czuła, aby wykryć przepływ jonów poprzez pojedynczy kanał wyrażony niezwykle małym prądem (rzędu 10~¹²A). Zachowanie się takich prądów jest zazwyczaj zaskakujące; nawet przy utrzymaniu stałych warunków prą­dy nagle pojawiają się i znikają, tak jakby ktoś przypadkowo bawił się wy­łącznikiem. Takie zachowanie sugeruje, że kanał ma ruchome części i przełącza się tam i z powrotem od jednej do drugiej konformacji. Ponieważ takie zachowanie pojawia się nawet przy doświadczalnym utrzymaniu stałości warunków, wskazuje, że prawdopo­dobnie białko kanału jest wybijane z jednej konformacji w drugą termicz­nymi ruchami cząsteczek w jego otoczeniu. Jest to jeden z nielicznych przypadków, w których można śledzić zmiany konformacyjne pojedynczej cząsteczki białka. Wyłaniający się obraz drgającej maszyny poddanej sta­łym poszturchiwaniom mógłby być z pewnością zastosowany do innych białek mających ruchome części.

Jeśli kanały w przypadkowy sposób przechodzą z konformacji otwartej do zamkniętej nawet wtedy, gdy warunki po każdej stronie błony są stałe, zastanawiające jest, w jaki sposób ich stan może być regulowany warun­kami panującymi na zewnątrz komórki i w jej wnętrzu? Odpowiedź jest taka, że przy zmianie odpowiednich warunków przypadkowość zachowa­nia zostaje zachowana, ale znacznie zmienia się prawdopodobieństwo. Je­śli na przykład zmienione warunki wykazują tendencję do otwierania ka­nału, to kanał będzie występował w konformacji otwartej znacznie czę­ściej, aczkolwiek nie pozostanie otwarty w sposób ciągły. Gdy kanał jonowy jest otwarty, to jest otwarty całkowicie, a kiedy jest zamknięty, to też całkowicie.

Odkryto dotąd ponad sto typów kanałów jonowych i ciągle znajduje się no­we. Różnią się one między sobą głównie pod względem 1) selektywności jo­nów — a więc typem jonów, których przepływ umożliwiają i 2) bramkowa­nia — a więc warunków wpływających na ich otwieranie i zamykanie.

W przypadku kanału bramkowanego napięciem prawdopodobień­stwo otwarcia jest kontrolowane przez potencjał błonowy. W przypadku kanału bramkowanego ligandem, np. receptora acetylocholiny stan otwarcia jest kontrolowany związaniem określonej cząsteczki (liganda) z białkiem kanału. Otwarcie kanału aktywowanego przez stres jest kontrolowa­ne siłą mechaniczną przyłożoną do kanału. Rzęsate komór­ki słuchowe w uchu są ważnym przykładem komórek, których działanie zależy od tego typu kanału. Drgania akustyczne otwierają kanały aktywo­wane przez stres powodując wpłynięcie jonów do komórek rzęsatych; powoduje to powstanie sygnału elektrycznego, który jest przenoszony z komórek włosowych do nerwu słuchowego przewodzącego sygnał do mózgu .

Kanały bramkowane napięciem odgrywają główną rolę w przewodze­niu sygnałów elektrycznych przez komórki nerwowe. Są one również obecne w wielu innych komórkach, takich jak komórki mięśniowe i jajo­we, pierwotniaki, a nawet komórki roślin, gdzie umożliwiają przenoszenie sygnałów elektrycznych z jednej części rośliny do drugiej, na przykład podczas reakcji zamykania liści u mimozy. Kanały jonowe bramkowane napięciem mają wyspecjalizowane naładowane elektrycznie domeny białkowe nazywane czujnikami napięcia, które są niezwykle wrażliwe na zmiany potencjału błonowego: zmiany przekraczające okre­śloną wartość progową wywierają na te domeny dostateczną siłę elek­tryczną, aby spowodować przełączenie się kanału z konformacji zamknię­tej w otwartą lub odwrotnie.

Stężenie jonów wewnątrz komórki jest bardzo różne od ich stężenia na zewnątrz

Transport jonów poprzez błony komórkowe ma w biologii zasadnicze zna­czenie. Komórki utrzymują wewnętrzny skład jonowy bardzo odmienny od tego, jaki istnieje w płynie otaczającym je, przy czym różnice te są klu­czowe dla przeżycia i funkcjonowania komórek. W otoczeniu komórki substancjami rozpuszczonymi występującymi w największych ilościach są jony Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^- i H⁺ (protony), a ich przechodzenie przez błonę komórkową stanowi istotną część wielu procesów komórkowych. Na przy­kład komórki zwierzęce pompują Na⁺ na zewnątrz, aby utrzymać małe stężenie Na⁺ w cytoplazmie. Pompowanie to pomaga w utrzymaniu rów­nowagi ciśnień osmotycznych po obu stronach błony: jeśli ono zawiedzie, woda wpływa w drodze osmozy do komórki powodując jej pęcznienie i pęknięcie. Przemieszczanie jonów poprzez błony komórki pełni też za­sadniczą rolę w działaniu komórki nerwowej.

Na⁺ jest najliczniejszym dodatnio naładowa­nym jonem (kationem) obecnym na zewnątrz komórki, natomiast K⁺ jest jonem najliczniej występującym w jej wnętrzu. Jeśli komórka ma nie być rozerwana przez siły elektryczne, ilość ładunków dodatnich wewnątrz ko­mórki musi być zrównoważona przez prawie równą ilość ładunków ujem­nych, przy czym to samo dotyczy ładunków w płynie otaczającym komór­kę. Mały nadmiar dodatnich lub ujemnych ładunków, zagęszczonych w sąsiedztwie błony komórkowej jest dopuszczalny i pełni ważne funkcje elektryczne.

Duże stężenie Na⁺ na zewnątrz komórki jest zrównoważone głównie przez zewnątrzkomórkowe jony Cl^-. Duże stężenie K⁺ wewnątrz komór­ki jest zrównoważone przez cały zestaw ujemnie naładowanych jonów (anionów) wewnątrzkomórkowych. Istotnie, większość związków wewnątrzkomórkowych ma ładunek ujemny: poza Cl^-, komórki zawierają jony nieorganiczne, takie jak kwaśne węglany (HCO₃^-), fosforany (PO₄ ^3-), metabolity organiczne — zawierające ujemnie naładowane gru­py fosforanowe i karboksylowe (COO^-) — oraz makrocząsteczki, takie jak białka i kwasy nukleinowe, również zawierające liczne grupy fosfora­nowe i karboksylowe. Organiczne cząsteczki naładowane ujemnie są cza­sem nazywane „utrwalonymi anionami" („fixed anions"), ponieważ nie mogą uciec z komórki przekraczając błonę komórkową.

Cząsteczki i jony przechodzą poprzez błonę w drodze transportu biernego lub aktywnego

Przy rozważaniu transportu ważnym pytaniem jest powód, dla którego za­chodzi on w danym, a nie w innym kierunku. Jeśli tylko istnieje odpowied­nia droga, przechodzenie cząsteczek z rejonów o ich dużym stężeniu do rejonów o małym stężeniu jest korzystne energetycznie, a więc przebiega spontanicznie. Taki ruch określamy jako bierny, ponieważ nie wymaga żadnej innej siły napędowej. Jeśli na przykład rozpuszczona substancja występuje poza komórką w stężeniu większym niż w komórce i gdy w bło­nie komórkowej jest obecny odpowiedni kanał lub przenośnik, substancja ta będzie spontanicznie przechodzić przez błonę do komórki w drodze transportu biernego (nazywanego też dyfuzją ułatwioną), bez wydatku energii ze strony transportującego białka.

Jednakże, aby przesunąć cząsteczkę lub jon wbrew gradientowi stężeń, transportujące białko musi wykonać pracę. Musi ono pokonać różnicę stężeń przez sprzężenie przenoszenia danych cząsteczek lub jonów z inny­mi procesami, które dostarczą energii. Prowadzone tą drogą przemiesz­czanie poprzez błonę określa się jako transport aktywny; jest on doko­nywany tylko przez specjalne typy przenośników, które mogą do procesu transportu zaprząc określone źródła energii.

Napędem transportu biernego mogą być zarówno siły elektryczne, jak i gradienty stężeń

Prostym przykładem przenośnika pośredniczącego w transporcie biernym jest przenośnik glukozy obecny w błonie komórkowej komórek wątroby ssaków, a także wielu innych typów komórek. Buduje go łańcuch białko­wy o 12 helisach transbłonowych. Uważa się, że białko to może przyjmo­wać przynajmniej dwie konformacje, miedzy którymi oscyluje odwracal­nie i przypadkowo. W jednej konformacji przenośnik eksponuje miejsca wiążące glukozę na zewnątrz komórki, a w drugiej eksponuje je do wnę­trza komórki.

Gdy na zewnątrz komórki wątroby jest dużo glukozy (np. po posiłku), jej cząsteczki wiążą się do wystawionych na zewnątrz miejsc wiążących; gdy białko zmienia swą konformację, wprowadza te cząsteczki do wnętrza i uwalania je do cytozolu, gdzie stężenie glukozy jest małe. Odwrotnie, gdy poziom cukru we krwi jest niski (gdy jest się głodnym), hormon glukagon stymuluje komórkę wątroby do wytwarzania dużej ilości glukozy w drodze rozkładu glikogenu. W konsekwencji stężenie glukozy w komór­ce staje się większe niż na zewnątrz, a glukoza wiąże się do tych miejsc na przenośniku, które są eksponowane do wnętrza komórki; gdy białko zmieni swą konformację na przeciwną, glukoza zostaje wyprowadzona z komórki. Przepływ glukozy może następować w którymkolwiek kierun­ku, ale zgodnie z gradientem stężenia glukozy istniejącym poprzez błonę — do środka, jeśli więcej glukozy jest na zewnątrz komórki i na zewnątrz, jeśli sytuacja jest odwrotna. To właśnie tego typu białka transportujące, które umożliwiają przepływ substancji, ale nie biorą udziału w określeniu jego kierunku, prowadzą transport bierny. Chociaż bierny, transport ten jest jednak bardzo selektywny. Miejsca wiążące na przenośniku glukozy wiążą tylko D-glukozę, lecz nie, na przykład, jej zwierciadlane odbicie - L-glukozę, której komórki nie mogą używać do glikolizy. O kierunku bier­nego transportu glukozy, która jest cząsteczką nie naładowaną, decyduje po prostu gradient jej stężenia. W przypadku cząsteczek naładowanych elektrycznie, zarówno małych jonów organicznych, jak i nieorganicznych, w grę wchodzi dodatkowa siła. W poprzek większości błon komórkowych występuje różnica potencjałów, określana jako potencjał transblonowy wynikający z różnej koncentracji ładunków elektrycznych po dwóch stronach błony. Działa on z określoną siłą na każ­dą cząsteczkę, która niesie ładunek elektryczny. Cytoplazmatyczna po­wierzchnia błony komórkowej ma zazwyczaj potencjał ujemny ( więcej ładunków ujemnych) względem otoczenia komórki, a to powoduje tendencję do wprowadzania dodatnio naładowanych jonów lub cząsteczek do komórki, a wyprowadzania z niej jonów lub cząsteczek naładowanych ujemnie. Równocześnie jednak czą­steczki te będą miały tendencję do przemieszczania się w dół ich gradien­tu stężenia. Taki gradient jest też formą magazynowania energii, podobnie jak zgromadzona przed zaporą woda, która może zostać wykorzystana do napędzania innego układu transportującego.

Wypadkowa siła kierująca poprzez błonę jony lub naładowane cząsteczki składa się więc z dwóch sił składowych, z których jedna wynika z gra­dientu stężenia, a druga z napięcia istniejącego poprzez błonę. Tę wypad­kową siłę określa się jako gradient elektrochemiczny dla danej przeno­szonej jednostki. Ten właśnie gradient determinuje kierunek biernego transportu przez błonę. Dla pewnych jonów napięcie i gradient stężenia działają w tym samym kierunku, tworząc względnie stromy gradient elek­trochemiczny. Tak jest na przykład w przypadku Na⁺, który jest naładowany dodatnio i którego stężenie jest większe na zewnątrz ko­mórki niż w jej wnętrzu. Dlatego też, gdy tylko Na⁺ ma takie możliwości, będzie dążył do wejścia do komórki. Gdy napięcie i gradienty stężeń mają efekt przeciwstawny, wypadkowy gradient elektrochemiczny może być mały. Przykładem jest tu K⁺, jon naładowany dodatnio, którego stężenie wewnątrz komórki jest znacznie większe niż na zewnątrz. Właśnie z powodu przeciwstawnych efektów K⁺ ma mały gradient elektrochemicz­ny poprzez błonę, mimo jego dużego gradientu stężenia i dlatego wypad­kowe przemieszczanie K⁺ przez błonę jest niewielkie.

Transport aktywny przemieszcza jony i cząsteczki wbrew ich gradientom elektrochemicznym

Komórki nie mogą polegać jedynie na transporcie biernym. Do zachowa­nia wewnątrzkomórkowego składu jonowego komórek i do wprowadza­nia cząsteczek, których stężenie na zewnątrz jest mniejsze niż w komórce, niezbędny jest aktywny transport cząsteczek i jonów wbrew ich gradiento­wi elektrochemicznemu. Istnieją trzy główne drogi, którymi komórki pro­wadzą transport aktywny: 1) przenośniki sprzężone sprzęgają transport przez błonę jednej cząsteczki, zachodzący wbrew gradientowi, z transportem innej, zgodnym z gradientem; 2) pompy napędzane przez ATP sprzęgają transport wbrew gradientowi z hydrolizą ATP; 3) pompy napędzane światłem, znajdowane głównie w komórkach bakteryjnych (bakteriorodopsyna), sprzęgają transport wbrew gradientowi z wprowadzeniem energii ze świa­tła.

Ponieważ substancja, która ma się przemieszczać zgodnie z gradientem, musi być uprzednio przetransportowana wbrew gradientowi, niezbędne jest powiązanie różnych form aktywnego transportu. Tak więc, w błonie komórkowej komórek zwierząt pompy napędzane przez ATP wyprowa­dzają z komórki Na⁺ wbrew jego gradientowi elektrochemicznemu, a na­stępnie Na⁺ wpływa do komórek z powrotem już zgodnie z tym gradien­tem. Ponieważ Na⁺ wpływa do cytozolu poprzez przenośniki sprzężone z Na⁺, jego napływ stanowi napęd do aktywnego przemieszczenia wielu in­nych substancji do komórki wbrew ich gradientom elektrochemicznym. Gdyby pompa Na⁺ przestała działać, gradient Na⁺ prędko by się wyrów­nał, a transport poprzez przenośniki sprzężone z Na⁺ uległby zatrzymaniu. Dlatego też napędzana przez ATP pompa Na⁺ odgrywa centralną rolę w transporcie poprzez błony w komórkach zwierząt. W komórkach roślin, grzybów i wielu bakterii podobną rolę odgrywają napędzane przez ATP pompy, które wytwarzają protonowy gradient elektrochemiczny przez wy­pompowywanie H⁺ z komórki.

W procesie egzocytozy komórka pozbywa się produktów odpadowych lub też wytworzonych przez siebie specyficznych wydzielin w wyniku zlania się pęcherzyka z wydzieliną (lub wydaliną) z błoną komórkową. Egzocytoza polega zatem na wbudowaniu błony tworzącej pęcherzyk wydzielniczy w błonę komórkową. Jest to również podstawowy mechanizm powiększania się błon.

W procesie endocytozy komórka pochłania materiał pochodzący z zewnątrz. W wyniku fagocytozy komórka pochłania cząstki pożywienia lub bakterie. Proces ten polega na otoczeniu pochłanianych cząsteczek przez mikrofałdy błony komórkowej i utworzeniu wokół nich wakuoli. Gdy cząstki są już całkowicie otoczone, dochodzi do fuzji z lizosomami, w których następuje rozkład pochłoniętego materiału.

Inną formą endocytozy jest pinocytoza, w wyniku której komórka pobiera z zewnątrz materiał w postaci rozpuszczonej. Małe kropelki płynu zostają uwięzione w mikrofałdach błony komórkowej, z której odrywają się po stronie cytoplazmy drobne pęcherzyki. Płynna zawartość pęcherzyków przenika powoli do cytoplazmy, podczas gdy pęcherzyki powoli zmniejszają się stopniowo, aż w końcu znikają .

W endocytozie receptorowej specyficzne białka lub cząstki łączą się z receptorami białkowymi zlokalizowanymi w błonie komórkowej. Kompleksy cząstek z receptorami przesuwają się wzdłuż płaszczyzny błony do zagłębień opłaszczonych (po stronie cytoplazmatycznej) grzybkowatymi strukturami. W wyniku fuzji (zlania się) zagłębienia te przekształcają się w opłaszczone pęcherzyki. Struktury opłaszczające są białkami (klatrynami), które formują wokół pęcherzyka sieć. W kilka sekund po oderwaniu się pęcherzyka od błony do cytoplazmy białkowa sieć oddysocjowuje. Uwolnione z sieci pęcherzyki zlewają się z innymi podobnymi pęcherzykami, tworząc endosom - czyli większy pęcherzyk w którym transportowane cząstki nie są już związane z receptorami błonowymi. Endosom rozpada się z kolei na pęcherzyki dwóch rodzajów: jedne, zawierające receptory , powracają do błony, drugie - zawierające wchłonięte cząstki, zlewają się z lizosomem, gdzie zostają przetworzone, co umożliwia ich wykorzystanie przez komórkę. W taki sposób wchłaniany jest cholesterol do komórek zwierzęcych.

POŁĄCZENIA MIĘDZYKOMÓRKOWE

Komórki współpracujące ze sobą w zespołach (tkanki i narządy ) z reguły ściśle do siebie przylegają. W rejonach szczególnie ścisłego styku tworzą się specjalne struktury łączące je ze sobą, nazywane połączeniami międzykomórkowymi. Połączenie takie zbudowane jest z dwóch symetrycznych części, z których każda należy do jednej z komórek tworzących styk. Połączenia spełniają trzy zasadnicze funkcje:

1. Połączenia mechaniczne -zapewniają mechaniczne powiązanie sąsiadujących komórek

• Desmosom - pełni funkcje połączenia mechanicznego, jest strukturą lokalną zespalając komórki jedynie w pewnych punktach na podobieństwo zatrzasków. Ten typ połączenia występuje w komórkach nabłonka pokrywającego skórę i innych nabłonkach wielowarstwowych, oraz pomiędzy komórkami mięśnia sercowego. Charakteryzuje się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną i łatwym przenoszeniem naprężeń na sąsiednie komórki.

Odległość pomiędzy błonami sąsiednich komórek w obrębie desmosomu wynosi ok. 30nm. Desmosom składa się z obszarów o dużej gęstości, przylegających do cytoplazmatycznej strony każdej z dwóch zespolonych błon komórkowych sąsiednich komórek (są to tzw. płytki adhezyjne czyli dyskowate struktury zbudowane głównie z polipeptydów desmoplakiny, plakoglobiny i desmokalminy, które są podobne u różnych organizmów oraz z białkowych filamentów przenikających przestrzeń między komórkami. W płytce adhezyjnej zakotwiczają się, tworząc układy pętlowe, dochodzące z głębi cytoplazmy filamenty pośrednie: keratynowe (tonofilamenty) w nabłonkach, desminowe w komórkach mięśniowych.

Przestrzeń międzybłonowa wypełniona jest układami włókien białkowych o średnicy 8-12nm, zazębiających się ze sobą na kształt zamka błyskawicznego i spajającego błony sąsiednich komórek

Elementy składowe desmosomów odznaczają się ogromną odpornością na czynniki denaturujące białka. Połączenia te są uważane za najsilniejsze mechaniczne połączenia międzykomórkowe.

Desmosomy łączą się z filamentami pośrednimi cytoszkieletu i z innymi desmosomami. Poprzez desmosomy sieci cytoszkieletów sąsiadujących komórek są połączone w taki sposób, że mechaniczne naprężenia są przenoszone po całej tkance. Dzięki desmosomom komórki tworzą mocno spojone układy przestrzenne, a wymiana substancji między komórkami może się swobodnie odbywać poprzez przestwory międzykomórkowe.

• Półdesmosom jest jak gdyby „połówkami” desmosomu, nie zawierają jednak typowych dla desmosomu białek, desmoplakin i desmoglein. Występują one na pograniczu komórek nabłonkowych i błony podstawnej,

• Strefa przylegania - jest to połączenie o charakterze pasa biegnącego wokół komórki i typowo występuje w nabłonkach jednowarstwowych walcowatych. Błony sąsiednich komórek znajduja się bardzo blisko siebie (15-20 nm), a po ich cytoplazmatycznej stronie widoczne jest skupienie gęstego materiału który są białka winkulina (odpowiedzialna za przyczep mikrofilamentów aktynowych do błon biologicznych), i plakoglobina. Mikrofilamenty aktynowe stanowią stały element składowy tego połączenia, tworząc wiązkę biegnącą równolegle do przebiegu strefy. Jedynie niewielka część mikrofilamentów aktynowych zakotwicza się w tym obszarze i biegnie prostopadle w głąb cytoplazmy. W przestrzeniach pomiędzy błonami tego połączenia występuje białko nazywane cząsteczką przylegania komórkowego i któremu przypisuje się pełnienie funkcji „receptora” odpowiedzialnego za przyleganie błon.

Uważa się, że strefy przylegania, dzięki udziałowi w nich kurczliwych mikrofilamentów aktynowych, są dynamiczną formą połączenia międzykomórkowego i odgrywają pierwszoplanową role w zmianach kształtu zespołów komórkowych podczas morfogenezy.

Szczególne odmiany tego połączenia to powięź przylegania i punkt przylegania. Powięź przylegania jest jednym ze składników wstawki, czyli specjalnego systemu połączeń komórek mięśnia sercowego. Połączenie to, o przestrzennej formie nieregularnych płaszczyzn, lokalizuje się głównie na pionowych powierzchniach wstawki i jest miejscem zakotwiczenia w błonie komórkowej cienkich (aktynowych) miofilamentów. Punkty przylegania, opisywane pomiędzy komórkami śródbłonków naczyniowych i pomiędzy komórkami Sertoliego w jądrze, różnią się od strefy jedynie ograniczoną przestrzennie formą. W obrębie obu połączeń stwierdzono - podobnie jak w strefie przylegania - obecność winkuliny i plakoglobiny.

2. Połączenia barierowe uszczelniają przestrzeń międzykomórkową, zapobiegając swobodnej dyfuzji substancji pomiędzy komórkami

• Strefa zamykająca (złącza ścisłe, styk zwarty) - to ścisłe połączenia pomiędzy całymi obszarami błon komórkowych sąsiednich komórek. Podobnie jak strefa przylegania strefa zamykająca otacza komórkę w formie ciągłego pasa. Na jej przebiegu obserwuje się leżące blisko siebie punkty ścisłego styku błon komórkowych, w których dochodzi do zespolenia zewnętrznych warstw sąsiadujących błon. Kontakt jest tak ścisły, że zanika przestrzeń międzykomórkowa. Niektóre substancje (jony i cząsteczki) nie przenikają przez tak zespolone warstwy komórek. Połączone w ten sposób warstwy komórek oddzielają często narządy od jam ciała. Na przykład strefy zamykające pomiędzy komórkami wyściełającymi jelito zapobiegają wnikaniu substancji zawartych w jelicie do komórek ciała lub krwiobiegu przez przestwory międzykomórkowe. Takie zespolone warstwy komórek pełnią rolę selektywnych barier; substancje niezbędne organizmowi muszą zatem być transportowane do krwi przez cytoplazmę komórek nabłonkowych jelita, które mogą proces ten kontrolować i decydować o jego selektywności. Bariery utworzone przez strefy zamykające zapobiegają również przedostawaniu się do krwi różnego rodzaju toksyn i zbędnych substancji.

2. Połączenia komunikacyjne - umożliwiają komunikowanie się komórek ze sobą, poprzez bezpośrednią wymianę jonów i niskocząsteczkowych substancji biologicznie czynnych

• Złącza szczelinowe (neksus) spinają komórki jak mostki, podobnie jak desmosomy lecz na mniejszym obszarze. Połączenie to różni się od desmosomu tym, że oprócz funkcji zespalającej błony pełnią funkcję kanału łączącego cytoplazmy sąsiadujących komórek. Złącze szczelinowe zbudowane jest z białek integralnych tworzących regularny układ sześciokątny (konekson), przez którego wnętrze przebiega kanał o średnicy 1-2 nm. Mogą przez ten kanał przenikać małe cząstki nieorganiczne, np. jony i niektóre cząsteczki ważne biologicznie np. pochodne ATP, natomiast większe cząsteczki nie są przepuszczane. Liczba koneksonów występujących w obrębie jednego neksusa jest różna.

Złącza szczelinowe zapewniają szybkie przekazywanie informacji pomiędzy komórkami na drodze chemicznej i elektrycznej. Tego typu połączenia występują w komórkach trzustki: jeśli jedna komórka zostanie pobudzona do wydzielania insuliny, sygnał przedostanie się przez złącza szczelinowe do innych komórek, zapewniając skoordynowana odpowiedź całego narządu. Komórki mięśnia sercowego są również zespolone złączami szczelinowymi. Zapewniają one taki stopień elektrycznego sprzężenia, że skurcz komórek odbywa się synchronicznie.

Neksusy mają istotny udział w takich procesach jak:

• przewodnictwo elektryczne - przewodzenie bodźców m.in. pomiędzy komórkami mięśnia gładkiego i mięśnia sercowego odbywa się na drodze przepływu jonów przez neksusy;

• rozwój i różnicowanie tkanek - komórki przekazują sobie poprzez neksusy substancje sygnałowe oraz niezbędne do prawidłowego przebiegu tych procesów czynniki biologiczne,

• przekazywanie bodźców hormonalnych - komórki mogą wymieniać między sobą niskocząsteczkowe hormony, bądź cykliczne nukleotydy, będące wewnątrzkomórkowymi przekaźnikami;

• kooperacja metaboliczna - komórki połączone neksusami mogą przekazywać sobie wzajemnie niskocząsteczkowe metabolity, w ten sposób substancje wytworzone przez niektóre tylko komórki mogą być wykorzystywane przez cały ich zespół, a procesy przemiany materii ulegają w takim zespole koordynacji;

• synchronizacja funkcji komórek w zespole i zespołów komórkowych w procesach rozwoju komórkowego.

Opisane połączenia występują tylko w komórkach zwierzęcych. U roślin występuje tylko jeden typ połączeń międzykomórkowych zwany plazmodesmami. Są to pasma cytoplazmy otoczone błoną komórkową, które łączą protoplasty sąsiadujących komórek. Plazmodesmy pełnią rolę połączeń komunikacyjnych, przez które zachodzi wymiana cząsteczek pomiędzy komórkami.

WAKUOLA w komórkach roślin

Wakuola jest przestrzenią w cytoplazmie komórki otoczoną pojedynczą błoną komórkową zwaną tonoplastem, zawierającą sok komórkowy. Podstawowym składnikiem soku komórkowego (wakuolarnego) jest woda w której rozpuszczone są składniki mineralne i organiczne, mogą się tam znajdować ciała stałe - kryształy szczawianu wapnia. Wyżej opisane wakuole występują jedynie w komórkach roślinnych.

Ontogeneza (powstawanie) i rozwój wakuoli

W procesie różnicowania komórek wakuole powstają z:

• z siateczki śródplazmatycznej (ER) poprzez wytwarzanie pęcherzyków przez siateczkę lub lokalne rozszerzenia kanałów siateczki powstają tzw prowakuole. Prowakuole tworzą się w komórkach merystematycznych, a w miarę dojrzewania komórki powiększają się i zlewają ze sobą aż w komórce dojrzałej powstaje jedna dużą centralnie leżąca wakuola Część siateczki która ulega rozszerzeniu w wakuolę, jest gładka lub zawiera nieliczne rybosomy, stąd wniosek, że tonoplast jest zróżnicowaną formą błon (ER). Dowodem na pochodzenie wakuoli od ER jest obecność w wakuoli taniny uprzednio stwierdzonej w cysternach siateczki, jak też obecność w małych i dużych wakuolach komórek merystematycznych korzeni enzymów typowych dla siateczki

• z pęcherzyków aparatu Golgiego, które mogą łączyć się z istniejącymi już wakuolami rozbudowując je.

• przez rozpad dużych wakuol, np. u drożdży podczas pączkowania, czy też w komórkach przyszparkowych.

Składniki soku komórkowego (wakuolarnego)

1. Składniki nieorganiczne: woda, jony: kationy K, Na, Ca, Mg, Cu, aniony chlorkowe, fosforanowe, siarczanowe, azotanowe.

2. Składniki organiczne

• metabolity pośrednie - nadwyżki związków z różnych szlaków metabolicznych komórki czasowo gromadzone w wakuoli np.:

- kwasy organiczne (nadwyżki z cyklu kwasów trójkarboksylowych)

- aminokwasy (z hydrolizy białek zapasowych)

- cukry (sacharoza, maltoza, glukoza, fruktoza)

• metabolity wtórne - produkty różnych procesów komórkowych składowane w wakuoli:

- glikozydy antocyjanowe - (antocyjany = połączenia cukrów np. glukozy, galaktozy z hydroksy-pochodnymi trójpierścieniowego układu tzw. antocyjanidyn-aglikonów takich jak pelargonidyna, cyjanidyna, delfinidyna). Należą do nich: pelargonina, cyjanina, idaina, violanina, są to związki nadające zabarwienie od czerwonego do niebieskiego a ich odcień zależy od struktury aglikonu i pH.

- glikozydy flawonowe - (połączenie cukrów z pochodną flawonu): chryzyna, luteina, kemferol, kwercetyna , nadające żółte zabarwienie.

- alkaloidy zasady organiczne zawierające azot w układzie pierścieniowym, występują często w postaci soli są związkami przeważnie bezbarwnymi, silnie toksycznymi, mają zastosowanie w lecznictwie np.: nikotyna, skopolamina, kokaina, chinina, papaweryna, morfina, narkotyna, kodeina, strychnina

-garbniki - pochodne wielofenoli i kwasów fenolokarboksylowych oraz cukrów (występ. w korze korzeniach, kłączach, owocach, nasionach, liściach), mają właściwości toksyczne

• składniki zapasowe: białka (ziarna aleuronowe), cukry (inulina), tłuszcze (jedynie w wakuolach grzybów)

Funkcje wakuoli

• utrzymanie turgoru (odpowiedni stan napięcia ścian komórki) dzięki zawartości substancji osmotycznie czynnych, wciągających wodę do wakuoli,

• magazynowanie czasowe nadwyżek metabolitów pośrednich oraz składników zapasowych, które mogą być wykorzystane w warunkach niedoboru składników w środowisku

• gromadzenie substancji toksycznych dla komórki, wydalin - funkcja detoksykacyjna

• funkcja obronna - magazynowane w wakuoli związki gł. metabolity wtórne chronią rośliny przed zjadaniem przez zwierzęta ( nadają nieprzyjemny smak lub są toksyczne), wnikaniem pasożytów czy mikroorganizmów

• trawienie substancji zapasowych i autofagia (udział w różnicowaniu komórek). Wakuole pełnią funkcję lizosomu w komórkach roślinnych. Stwierdzono, że wakuole roślin wyższych zawierają wszystkie klasy enzymów hydrolitycznych (proteinazy, peptydazy, esterazy, glukozydazy i inne), mogą więc tam zachodzić procesy wewnątrzkomórkowego trawienia np. materiałów zapasowych na prostsze związki, które mogą być włączone w metabolizm komórki czy nawet fragmentów komórki - zjawisko autofagii. Wyróżnia się dwa mechanizmy tego procesu:

- pierwszy polega na inwaginacji (wpuklaniu) tonoplastu, co przypomina fagocytozę. Wynikiem postępującej inwaginacji jest powstawanie wewnątrzwakuolarnych pęcherzyków w których znajdują się fragmenty cytoplazmy wraz z organellami.

- drugi mechanizm sprowadza się do pojawienia się w cytoplazmie koncentrycznego układu małych fragmentów siateczki śródplazmatycznej, następnie powiększają się one i łączą ze sobą tworząc wakuolę.

Autofagia odgrywa dużą rolę podczas różnicowania (przebudowa komórki) oraz starzenia się komórek i stanowi prawdopodobnie jedno z ogniw ogólnej przemiany materii w roślinie.

• dzięki zawartości barwników wakuole nadają zabarwienie komórkom i całym organom np. kwiatom, liściom, owocom, nasionom itp.

CYKL KOMÓRKOWY

Jest to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem jednego i końcem następnego podziału. Składa się on z interfazy, czyli okresu między podziałami, oraz samego podziału, czyli mitozy lub mejozy. W interfazie zachodzi podwojenie materiału genetycznego, zaś w czasie mitozy podwojony materiał genetyczny jest rozdzielany w równych częściach do dwóch komórek potomnych. W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się fazę G₁- między końcem mitozy a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę S - syntezy DNA, oraz fazę G₂- między końcem syntezy DNA a początkiem mitozy. W większości komórek roślin i zwierząt występuje pełny cykl tj. typu G₁+S+G₂+M, jednak u części komórek może on być skrócony, i tak w komórkach szybko proliferujących, rosnących w intrefazie np. nici spermatogeniczne w plemniach ramienic brak jest fazy G1, cykl typu S+G₂+M. Zaś w kom. szybko proliferujących bez wzrostu kom. np. pierwsze podziały zygoty u ssaków, występuje cykl typu S+M.

FAZA G₁- jest okresem życia komórki od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórki wchodzące w tą fazę są 2-krotnie mniejsze niż kom. matka. Czas trwania tej fazy jest najbardziej zmienny i wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Faza ta charakteryzuje się intensywnymi procesami anabolicznymi, znacznym stopniem wymian chemicznych z otoczeniem oraz wzrostem innych przejawów aktywności jak ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony itp., co prowadzi do wzrostu masy i objętości komórki. Ponadto zachodzą procesy związane z przygotowaniem do replikacji DNA tj. synteza prekursorów DNA oraz enzymów replikacyjnych.

We wczesnej fazie G₁ komórka osiąga punkt restrykcyjny R i jeśli go przekroczy, wówczas podejmie syntezę DNA i zakończy cykl podziałem. Jeśli go nie przekroczy wchodzi w fazę spoczynkową G₀. Mechanizm przechodzenia lub nie przez punkt R wiąże się z syntezą, nagromadzeniem i stopniem fosforylacji białek niestabilnych tzw. białek U, które są cyklinami.

FAZA S - przed każdym podziałem ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się, dokonuje się to w ograniczonym czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S). W fazie S ulega replikacji niemal cały jądrowy DNA -tzw. programowana synteza DNA - według sposobu semikonserwatywnego tj. podwójna spirala ulega rozdzieleniu a na każdej z jej obu nici syntetyzowana jest nowa. Istnieje też nieprogramowana synteza DNA dotycząca niewielkich jego fragmentów (synteza naprawcza). Jest ona następstwem uszkodzeń , mutacji nici DNA i nie jest związana z cyklem komórkowym.

FAZA G₂ - obejmuje okres od zakończenia replikacji do rozpoczęcia mitozy i trwa kilka godzin. W tym czasie zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego gł. tubuliny oraz składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmalemmy w telofazie i cytokinezie, jak również wyznaczenie płaszczyzny podziału (pierścień preprofazowy). Pod koniec fazy następuje uaktywnienie kinazy fazy M.(=MPF,=czynnik przyspieszający dojrzewanie) co prowadzi do rozpoczęcia i przeprowadzenia mitozy.

FAZA G₀ - jest stanem spoczynkowym komórki - komórki funkcjonują lecz tracą zdolność odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się. Przejście w tą fazę może nastąpić u zwierząt z G₁,u roślin z G₁ lub G₂. Komórki charakteryzują się obniżonym tempem metabolizmu, mniejszą aktywnością transkrypcyjną. Czas trwania tej fazy jest różny, od kilku dni do miesięcy i dłużej. Pod wpływem różnych bodźców komórki z fazy G₀ mogą wchodzić w cykl komórkowy, zawsze do fazy w której nastąpiło jego przerwanie. Im dłużej komórki pozostają w fazie G₀, tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.

MITOZA - dzieli się ją na kariokinezę i cytokinezę. W kariokinezie dzielonej na profazę, metafazę, anafazę i telofazę zachodzi kondensacja chromatyny, wytworzenie chromosomów, ich podział na chromatydy i przemieszczenie chromatyd do 2 potomnych komórek. Towarzyszy temu zanik jąderek, otoczki jądrowej oraz wytworzenie aparatu mitotycznego a następnie odbudowa jądra. W cytokinezie następuje podział cytoplazmy.

Regulacja cyklu komórkowego odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji białek. Fosforylacja (przeniesienie grupy fos­foranowej z ATP na odpowiednią resztę aminokwasową białka docelowe­go) jest katalizowana przez różnorodne kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy. Substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy, a najczęściej fosforylowanymi aminokwasami tych białek są tyrozyna i treonina. Fosforylacja (i defosforylacja) jest jednym z najczęściej używa­nych przez komórkę sposobów zmiany aktywności białek.

Kinazy białkowe układu kontroli cyklu komórkowego są obecne w ko­mórkach dzielących się podczas całego cyklu. Są jednak aktywowane tyl­ko w odpowiednim okresie cyklu, po czym szybko tracą aktywność. Stąd aktywność każdej z tych kinaz cyklicznie zwiększa się i zmniejsza.

Aktywność kinaz białkowych zależy to od innego zestawu białek układu kontroli — od cyklin. Cykliny same nie mają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego, zanim kinazy te mogą zyskać ak­tywność enzymatyczną. Stąd kinazy układu kontroli cyklu komórkowego są nazywane kinazami białkowymi zależnymi od cyklin (Cdk - ang. cyclin-dpendent protein kinases). Nazwa cyklin pochodzi stąd, że przeciwnie niż poziom Cdk, ich stężenie zmienia się cyklicznie w cyklu komórkowym.

Cykliny występują w komórkach jako cykliny A i B oraz C, D i E. W czasie cyklu komórkowego cykliny A, C, D i E są syntetyzowane de novo i ich stężenie w komórce rośnie w miarę upływu cyklu, zaś cyklina B jest syntetyzowana w fazie G₂. Maksymalne stężenie cyklin występuje w metafazie/ anafazie mitozy, po czym ulega ono obniżeniu na skutek trawienia ich przez proteazy.

Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach czasowych (punktach kontrolnych) cyklu komórkowego: pod koniec fazy G₂ (co prowadzi do przejścia G₂ Ⴎ M , tj. zapoczątkowanie mitozy) oraz w fazie G₁ (co prowadzi do przejścia G₁ Ⴎ S , tj. zapoczątkowanie syntezy DNA). Każdy rodzaj kompleksu cyklina-Cdk działa na różny zestaw białek doce­lowych w komórce

Stężenie różnych typów cyklin zwiększa się, a potem gwałtownie male­je na skutek degradacji na drodze ubikwitynacji w określonym czasie cy­klu komórkowego. Wzrost stężenia każdego typu cykliny wspomaga akty­wację jej partnerskiej Cdk, a nagły jego spadek przywraca tę Cdk do stanu nieaktywnego. Powolne gromadzenie się cyklin, aż do kry­tycznego poziomu, jest jednym ze sposobów pomiaru odstępów czasu między jednym etapem cyklu a następnym w układzie kontroli cyklu ko­mórkowego.

Przejście z późnej fazy G₂ do M. dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M, znanej jako czynnik wywołujący dojrzewanie (MPF - maturation promoting factor). Jest ona heterodimerem białkowym składającym się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 kD (cyklina). W kompleksie tym białko p34 jest kinazą fosforylującą reszty seryny i treoniny wielu białek a cyklina (białko p34) nadaje aktywnemu kompleksowi powinowactwo do odpowiedniego substratu (białka, które ma być ufosforylowane).

Kinaza fazy M powstaje w fazie G₂ w wyniku utworzenia kompleksu p34 z głównie z B. Kinaza MPF fosforyluje wiele kluczowych białek, zmieniając ich właściwości, np: rozpad otoczki jądrowej zachodzi przez w wyniku fosforylacji i demontażu biegnących pod otoczką jądrową filamentów laminy, podobnie fosforyluje białka towarzyszące mikrotubulom, co zmienia właściwości mikrotubul tak, że tworzą wrzeciono podziałowe, fosforyluje również histon H1 co powoduje kondensację chromosomów.

Regulacja fazy S odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki G₁ Ⴎ S oraz przez kontrolę zakończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że białko p34 może łączyć się w fazie G₁ głównie z cykliną A, D lub E, dając kompleks kinazy podobny do kinazy fazy M, nazywany kinazą fazy S. Aktywność takiej kinazy prowadzi komórki przez punkt startowy = restrykcyjny (w późnej fazie G₁). Półokres trwania cyklin G₁wynosi zaledwie ok. 15 min., co odpowiada klasie białek niestabilnych (białek U), które znane są od dawna i których nagromadzenie w komórce jest warunkiem przejścia G₁ Ⴎ S.

Kinazy białkowe zależne od cyklin są regulowane nagromadzaniem i rozpadem cyklin

Regulacja stężenia cyklin ma ważny udział w synchronizacji zjawisk cy­klu komórkowego. Na przykład, synteza składnika MPF — cykliny B, za­czyna się bezpośrednio po podziale i trwa stale podczas interfazy. Cyklina gromadzi się, stąd jej stężenie stopniowo zwiększa się i określa chwilę rozpoczęcia mitozy; jego późniejsze gwałtowne zmniejszenie się rozpo­czyna wyjście z mitozy. Nagły spadek stężenia cykliny podczas mitozy jest spowodowany szybkim zniszczeniem cykliny w ukła­dzie proteolitycznym zależnym od ubikwityny. Wiele cząsteczek ubikwityny jest kowalencyjnie dołączonych do każdej cząsteczki cykliny, co kieru­je ją do degradacji w proteosomach. Ta ubikwitynacja cykliny jest pośrednim wynikiem aktywacji kinazy MPF. Aktywa­cja MPF rozpoczyna proces prowadzący z opóźnieniem do ubikwitynacji i degradacji cyklin, co z kolei wyłącza kinazę.

Cykl komórkowy może zostać zatrzymany w G₁ przez białkowe inhibitory Cdk

Układ kontroli cyklu komórkowego włącza zdarzenia cyklu w określonej kolejności. Na przykład, włącza mitozę tylko wtedy, gdy ca­ły DNA został zreplikowany oraz pozwala komórce podzielić się na dwie dopiero po zakończeniu mitozy. Jeżeli jeden z etapów zostaje opóźniony, układ kontroli opóźnia aktywację następnych etapów tak, że ich sekwen­cja zostaje zachowana. Na przykład, ta właściwość samoregulacji układu kontroli zapewnia, że jeżeli synteza DNA zostaje zatrzymana z jakiegoś powodu w fazie S, to komórka nie wejdzie w fazę M z DNA zreplikowanym tylko w połowie.

Większość mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za zaha­mowanie biegu cyklu komórkowego w punktach kontrolnych jest słabo poznanych. W niektórych przypadkach są za to odpowiedzialne swoiste białkowe inhibitory Cdk; blokują one powstawanie bądź aktywność jed­nego albo kilku kompleksów cyklina-Cdk. Jeden z lepiej poznanych punktów kontrolnych zatrzymuje cykl komórkowy w G1 po uszkodzeniu DNA, co zapobiega replikacji przez komórkę uszkodzonego DNA. Uszkodzenie DNA powoduje nie poznanym dotąd mechanizmem zwiększenie stężenia i aktywności białka regulatorowego genów, nazwa­nego białkiem p53. Zaktywowane białko p53 zwiększa transkrypcję genu kodującego białkowy inhibitor Cdk, nazywanego p21. To zwiększa stęże­nie białka p21, które wiąże się z kompleksami cyklina-Cdk fazy S, odpo­wiedzialnymi za wprowadzenie komórki do fazy S i blokuje ich działanie. Zatrzymanie cyklu komórkowego w G1 daje komórce czas na reperację uszkodzonego DNA, zanim zostanie on zreplikowany. Gdy brak jest białka p53 albo jest ono nieaktywne, zachodzi nieograniczona replikacja uszkodzonego DNA, co zwiększa częstość mutacji i możliwości pojawienia się komórek nowotworowych. Mutacje genu p53, które po­zwalają dzielić się komórkom z uszkodzonym DNA, stanowią ważny ele­ment w rozwoju większości nowotworów u człowieka.

Komórki mogą zdemontować swój układ kontroli i opuścić cykl komórkowy

Najbardziej radykalna dla układu kontroli cyklu komórkowego jest decy­zja o zatrzymaniu podziałów w ogóle. Jest to inna sytuacja niż przerwa po­wodująca chwilowe opóźnienie w środku cyklu i ma specjalne znaczenie w organizmie wielokomórkowym. U człowieka np. komórki nerwowe i komórki mięśni szkieletowych powinny przetrwać przez całe życie orga­nizmu bez podziałów; wchodzą one w zmodyfikowaną fazę G₁ nazywaną G₀. W G₀ układ kontroli cyklu komórkowego jest częściowo zde­montowany, ponieważ brak w komórce wielu cyklin i Cdk. Pewne typy ko­mórek, np. komórki wątroby, prawidłowo dzielą się raz albo dwa razy w roku, natomiast pewne komórki nabłonkowe jelita dzielą się dwa bądź więcej razy dziennie, by stale odnawiać wyściółkę jelit. Większość naszych komórek mieści się między tymi skrajnościami: mogą się dzielić, gdy zaj­dzie taka potrzeba, ale zwykle dzielą się rzadko.

Wydaje się ogólną regułą, że komórki ssaków dzielą się tylko wtedy, gdy są pobudzane sygnałami dochodzącymi z innych komó­rek. Pozbawione tych sygnałów zatrzymują cykl komórkowy w punkcie kontrolnym fazy G₁, i wchodzą w stan G₀. Komórki mogą pozostawać w G₀ przez dni, tygodnie, a nawet lata, zanim się ponownie podzielą. Stąd zmienność częstości podziałów komórek zależy od czasu, jaki komórki pozostają w G₀ albo G₁; gdy jednak komórka przejdzie punkt kontrolny G₁, reszta cyklu komórkowego przebiega szybko, u ssaków typowo w cią­gu 12-24 godzin.

Proliferacja komórek zależy od sygnałów z innych komórek

Organizmy jednokomórkowe takie jak bakterie i drożdże mają tendencję, by rosnąć i dzielić się tak szybko, jak to jest możliwe. Szybkość podziałów zależy głównie od dostępności substancji odżywczych w środowi­sku. Natomiast komórki organizmu wielokomórkowego są wyspecjalizo­wanymi członkami wysoce zorganizowanej społeczności, a ich proliferacja musi być kontrolowana. Pojedyncza komórka dzieli się tylko wtedy, gdy nowa komórka jest potrzebna organizmowi — ze względu na jego wzrost albo żeby zastąpić utraconą komórkę. Tak więc do proliferacji komórki zwierzęcej nie wystarczą substancje odżywcze. Musi ona jeszcze otrzymać pobudzający sygnał chemiczny od innych komórek, zwykle od sąsiadów. Takie działanie pozwala uniknąć użycia mechanizmów hamowania śródkomórkowego, które ograniczałoby wzrost komórki i blokowało przebieg cyklu komórkowego.

Ważnym przykładem hamowania podziałów komórki jest białko retinoblastoma (Rb), Wiąże się ono z określonymi białkami regulującymi geny, zapobiega­jąc pobudzeniu transkrypcji genów koniecznych do podziałów. Na przy­kład zewnątrzkomórkowe sygnały, czynniki wzrostu (takie jak: płytkowy czynnik wzrostu, epidermalny czynnik wzrostu, czynnik wzrostu fibroblastów, czynnik wzrostu hepatocytów, erytropoetyna) pobudzają prolife­rację odpowiednich komórek. Między innymi powodują aktywację kompleksów cyklina-Cdk fazy G1, fosforylują one białko Rb zmieniając jego konforma­cję tak, że uwalnia ono związane przez siebie czynniki transkrypcyjne - wtedy białka te mogą aktywować geny konieczne do przebiegu podziałów komórki.

Komórki zwierzęce mają zaprogramowane ograniczenie liczby podziałów

Nawet w obecności czynników wzrostu prawidłowe komórki zwierzęce w hodowli nie kontynuują wzrostu bez końca. Te typy komórek, które utrzymują zdolność do podziałów przez całe życie zwierzęcia, gdy pozosta­ją w jego organizmie, zwykle przestają się dzielić po określonej liczbie po­działów w hodowli. Na przykład fibroblasty pobrane z płodu ludzkiego za­nim przestaną się dzielić, przechodzą ok. 80 podziałów nawet wtedy, gdy mają wystarczająco dużo pożywienia, czynników wzrostu i miejsca do po­działów. Te zdolności komórek są jednak różne w zależności od wieku oso­by, od której pobrano komórki. Fibroblasty pobrane od dorosłej 40-letniej osoby zatrzymują podziały już po ok. 40 cyklach.

Zjawisko to nazywamy starzeniem się komórki odpowiednio do sta­rzenia się całego organizmu. Jednak ta analogia nie jest pewna. Ponieważ w hodowli fibroblasty zarodka myszy przestają się namnażać po 30 po­działach, jest możliwe, że starzenie się komórki może pomagać w wyzna­czeniu wielkości ciała. Przypuszcza się, że mysz jest dlatego mniejsza niż my, gdyż jej komórki stają się niewrażliwe na pobudzenie czynnikami wzrostu już po mniejszej liczbie cykli podziałowych.

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek, by uniknąć programowanej śmierci komórki

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek nie tylko do proliferacji, lecz też do przeżycia. Pozbawione takich czynników przeży­cia komórki aktywują śródkomórkowy program samobójczy i giną w pro­cesie nazywanym programowaną śmiercią komórki. Ta konieczność otrzy­mywania od innych komórek sygnałów do przeżycia pomaga w utrzyma­niu komórek tylko wtedy, gdy są one potrzebne i tam, gdzie są potrzebne. W tkankach rozwijających się i dojrzałych częstość programo­wanej śmierci komórek jest bardzo wysoka. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwo­wym kręgowców ponad połowa komórek nerwowych zwykle obumiera wkrótce po ukształtowaniu się. U zdrowego człowieka w każdej godzinie miliony komórek giną w szpiku kostnym i jelicie.

Programowana śmierć komórek może służyć różnym celom. Na przykład przez programowaną śmierć komórek nasze ręce i stopy są rzeźbione podczas rozwoju zarodkowego- początkowo poszczególne palce rąk i nóg są słabo wyodrębnione a dopiero później są oddzie­lane, w miarę jak między nimi giną komórki. W innych przy­padkach komórki giną, gdy struktury przez nie tworzone nie są potrzeb­ne. Gdy kijanka przekształca się w żabę (metamorfoza), komórki ogona giną, a ogon niepotrzebny już żabie zanika. W jeszcze innych przypadkach śmierć komórek pomaga w regulacji liczby komórek. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwowym śmierć komórek dosto­sowuje liczbę komórek nerwowych do liczby komórek docelowych wyma­gających unerwienia. Komórki nerwowe są w zarodku wytwarzane w nad­miarze i potem konkurują o ograniczone ilości czynników przeżycia wy­dzielanych przez komórki docelowe, z którymi się kontaktują. Komórki nerwowe otrzymujące wystarczającą ilość czynników przeżycia żyją, a in­ne giną.

W dojrzałych tkankach śmierć komórek równoważy proliferację, by za­pobiec przerostowi narządów bądź ich kurczeniu się.

Programowana śmierć komórki zachodzi z udziałem śródkomórkowej kaskady proteaz

Komórki, które giną w wyniku ostrego urazu, obrzękają i pękają, uwalnia­jąc swoją zawartość do otoczenia komórek sąsiednich. Proces nazywany nekrozą (martwicą) komórki, co powoduje potencjalnie uszkadzającą odpowiedź za­palną. Natomiast komórka podlegająca śmierci programowanej umiera niezauważalnie, bez uszczerbku dla sąsiadów.

Typowy obraz śmierci programowanej w komórkach zwierzęcych to apoptoza. W trakcie apoptozy komórka kurczy się oddzielając się od sąsiednich komórek w tkance, cytoszkielet podlega zniszczeniu, otoczka jądrowa rozpada się, a jądrowy DNA jest cięty na fragmenty. Powierzchnia obumierającej komórki zmienia się - błona komórkowa pukla się do wewnątrz, odcinając kuliste fragmenty cytoplazmy (ciałka apoptotyczne) zawierające organelle i pocięty, skondensowany DNA jądrowy. Ciałka są szybko fagocytowane przez sąsiednie komórki albo przez makrofagi (wyspecjalizowane komórki fagocytujące), przez co nie następuje uwolnienie zawartości ob­umierającej komórki do otoczenia.

We wszystkich komórkach zwierzęcych funkcjonuje po­dobny układ odpowiedzialny za ten rodzaj kontrolowanej śmierci samo­bójczej. Składa on się z rodziny proteaz (enzymów rozcinających inne białka), które same są aktywowane proteolitycznym rozcięciem będącym odpowiedzią na sygnały indukujące programowaną śmierć komórki. Zaktywowane proteazy rozcinają i tym sposobem aktywują inne proteazy na­leżące do tej samej rodziny białek, co razem stanowi kaskadę proteaz wzmacniającą efekt początkowy. Proteazy rozcinają następnie inne klu­czowe białka w komórce, zabijając ją szybko i sprawnie. Na przykład jed­na z proteaz rozcina jądrowe białka laminy powodując nieodwracalny rozpad blaszki jądrowej.

Układ śmierci samobójczej jest regulowany sygnałami z innych komó­rek. Niektóre działają jak sygnały zabijania, aktywując mechanizm samo­bójstwa komórki. W ten sposób działa hormon tarczycy w ogonie kijanki podczas metamorfozy. Inne działają jako sygnały prze­życia, hamując samobójstwo, by utrzymać komórkę przy życiu.

W organizmie wielokomórkowym programowana śmierć komórki jest zdarzeniem zwyczajnym, normalnym i ogólnie łagodnym. Natomiast nie­właściwa proliferacja i przeżywanie zbędnych komórek stanowią rzeczy­wiste niebezpieczeństwo - prowadzą do powstania nowotworów.

CYTOSZKIELET :

Budują go 3 grupy włóknistych struktur:

- mikrotubule o średnicy 25 nm

- filamenty pośrednie o śr. 10 nm

- mikrofilamenty o śr. 6nm

Elementom cytoszkieletu towarzyszy liczna grupa białek dodatkowych, które łączą je między sobą, bądź też łączą je z innymi składnikami komórki, np. plazmalemmą. Elementy cytoszkieletu mogą tworzyć ustabilizowane struktury np. miofibryle, wici, rzęski, centriole, centrosom, lub pojawiać się w określonych sytuacjach np. wrzeciono podziałowe.

Mikrotubule

Mikrotubule są utworzone z podjednostek - cząsteczki tubuliny — z których każda jest dimerem bardzo podobnych bia­łek globularnych α-tubuliny i β-tubuliny. Podjednostki tubuliny łączą się ze sobą niekowalencyjnie, tworząc ścianę wydrążonej cylin­drycznej mikrotubuli. Całość tworzy cylinder zbudowany z 13 równole­głych protofilamentów, z których każdy jest linearnym łańcuchem podjednostek tubulinowych z α - i β -tubuliną, występującymi na przemian wzdłuż całego łańcucha. Każdy protofilament ma strukturalną biegu­nowość polegającą na tym, że α-tubulina jest eksponowana na jednym, a β-tubulina na drugim końcu. To spolaryzowanie, jest takie samo dla wszystkich protofilamentów, nadając strukturalną biegunowość mikrotubuli jako ca­łości. Jeden koniec mikrotubuli, określony jako koniec β-tubulinowy, jest nazywany końcem plus, a koniec α-tubulinowy — końcem minus.

W typowej komórce zwierzęcej mikrotubule wyrastają z niewielkiej struktury znajdującej się w pobliżu środka komórki zwanej centrosomem w którm zakotwiczone są pierścienie inicjujące przyłączenie pierwszych 13 cząsteczek tubuli­ny. Dimery tubuliny są dodawane stopniowo budując strukturę wydrążonej rurki. In vitro, w stężonym roztworze czystej tubuli­ny, dimery tubuliny są dokładane do obu końców rosnącej mikrotubuli, jakkolwiek szybciej są dokładane do końca plus aniżeli do końca minus (co było powodem, dla którego końce pierwotnie nazwano w ten sposób). Polarność mikrotubuli - to, że jej struktura ma określony kierunek z dwoma końcami zupełnie odmiennymi zarówno pod względem che­micznym, jak i zachowywania się —jest decydująca tak dla montażu mi­krotubuli, jak i dla ich roli po uformowaniu. Jeśli mikrotubule nie miały­by polarności, nie mogłyby służyć np. określaniu kierunku wewnątrzko­mórkowego transportu.

Żyjąca komórka zawiera mieszaninę mikrotubul i wolnych podjednostek tubuliny. Na przykład, w typowym fibroblaście w każdej chwili blisko po­łowa tubulin zawarta jest w mikrotubulach, podczas gdy reszta pozostaje wolna w cytoplazmie tworząc pulę podjednostek wykorzystywanych do wzro­stu mikrotubul. Jest to odmienne od sytuacji z bardziej stabilnymi filamentami pośrednimi, gdzie podjednostki znajdują się prawie całkowicie w obrębie utworzonych filamentów. Względna niestabilność mikrotubul pozwala im na ustawiczne szybkie demontaż i montowanie w innych miejscach komórki.

Stałą przebudowę mikrotubul (np. wrzeciona podziałowego) można potwierdzić eksperymentalnie - jeśli komórka będąca w trakcie mitozy jest poddana działaniu leku kolchicyny, który wiąże się ściśle z wolnymi cząsteczkami tubuliny i zapobiega ich polimeryzacji w mikrotubule, wrzeciono mitotyczne szybko zanika i komórka zatrzymuje się w środku mitozy, niezdol­na do rozdziału swoich chromosomów na dwie grupy. To wskazuje, że wrzeciono mitotyczne jest utrzymywane poprzez stałą równowagę między wiązaniem i uwalnianiem podjednostek tubulinowych. Kiedy wiązanie tu­bulin zostaje zablokowane przez kolchicynę, uwalnianie tubulin trwa aż do zaniku wrzeciona.

Lek o nazwie taksol wykazuje odwrotne działanie na poziomie mole­kularnym. Wiąże się on ściśle z mikrotubulami i zapobiega uwalnianiu podjednostek tubulinowych. W tym czasie nowe podjednostki będą ciągle wiązane, co powoduje, że mikrotubule mogą rosnąć, ale nie są w stanie się skracać. Pokazuje nam to, że do pełnej funkcji wrzeciona mikrotubule muszą być zdolne zarówno do montażu, jak i demontażu.

Inaktywacja lub destrukcja wrzeciona mitotycznego ostatecznie zabija dzielącą się komórkę. Komórki nowotworowe, które dzielą się znacznie szybciej niż większość innych komórek organizmu, mogą być więc uśmier­cone wybiórczo przez leki antymitotyczne stabilizujące lub destabilizujące mikrotubule. Takie leki, wywodzące się z kolchicyny i taksolu, są używane w terapii klinicznej nowotworów.

Centrosom jest głównym ośrodkiem organizującym mikrotubule w komórkach zwierzęcych

Mikrotubule w komórkach tworzą się w wyniku wyrastania z wyspecjali­zowanych ośrodków, które kontrolują ich liczbę, umiejscowienie i orien­tację w cytoplazmie. W komórkach zwierzęcych takim miejscem jest centrosom, który jest typowo obecny w pobliżu jądra komórkowego. Organizuje on mikrotubule promieniście od jądra poprzez cytoplazmę. Centrosom składa się z pary centrioli ustawionych do siebie prostopadle i otaczającego je drobnoziarnistego materiału zwanego macierzą centrosomu. Centrosomy zawierają w macierzy setki struktur o kształcie pierścienia utworzonych przez γ-tubulinę. Każdy pierścień γ-tubulinowy służy jako punkt startowy (miejsce enukleacji) do wzrostu jednej mikrotubuli. Dimery αβ-tubuliny dołączają się do γ-tubulinowego pier­ścienia końcem “minus”, a wzrost nastę­puje tylko od strony końca plus, tj. końca skierowanego na zewnątrz centrosomu.

Centriole nie mają znaczenia w nukleacji mi­krotubul w obrębie centrosomu (do czego wystarczają same pierścienie γ-tubulinowe), a ich funkcja w tym regionie pozostaje nieznana, szczegól­nie że komórki roślinne ich nie mają.

Rosnące mikrotubule wykazują dynamiczną niestabilność

Mikrotubule są strukturami bardzo niestabilnymi, tzn. mogą się zmniejszyć się częściowo, a następnie, często również nagle, zacząć rosnąć od nowa lub też może zniknąć zupełnie i być zastąpiona przez nową mikrotubulę wy­rastającą z tego samego pierścienia γ-tubulinowego.

To szczególne zachowanie, znane jako dynamiczna niestabilność, wywodzi się z wewnętrznej zdolności cząsteczek tubuliny do hydrolizowa-nia GTP. Każdy wolny dimer tubulinowy zawiera jedną ściśle związaną cząsteczkę GTP, która jest hydrolizowana do GDP zaraz potem, gdy podjednostka zostanie dodana do rosnącej mikrotu­buli. Połączone z GTP cząsteczki tubulinowe są upakowywane mocno w ścianie mikrotubuli, natomiast cząsteczki tubuliny niosące GDP mają inną konformację i wiążą się ze sobą słabiej.

Jeśli polimeryzacja postępuje szybko, cząsteczki tubuliny są dodawane do końca mikrotubuli szybciej, aniżeli następuje hydroliza GTP. Powodu­je to, że mikrotubula jest złożona prawie w całości z podjednostek tubulina-GTP. Ponieważ podjednostki tubulina-GTP wiążą się silnie jedna z drugą, tworzą na końcu mikrotubuli rodzaj “czapeczki" - zwanej GTP cap - która zapobiega depolimeryzacji. W tej sytuacji mikrotubula bę­dzie kontynuować wzrost, ponieważ depolimeryzacja może zachodzić tyl­ko w wyniku uwalniania podjednostek na wolnym końcu. Jednakże z po­wodu przypadkowości procesów chemicznych może się czasami zdarzyć, że tubulina na wolnym końcu mikrotubuli hydrolizuje własny GTP, zanim przyłączy się następna tubulina, tak iż wolny koniec protofilamentu może zawierać nowe podjednostki tubuliny-GDP. To przechyla równowagę na korzyść demontażu. Ponieważ pozostała część mikrotubuli zawiera tubulinę-GDP, to raz rozpoczęta depolimeryzacja będzie miała tendencję do kontynuacji, często w katastrofalnym tempie; mikrotubule zaczynają się raptownie skracać i mogą nawet zupełnie zaniknąć. Cząstecz­ki tubuliny zawierające GDP uwolnione w wyniku depolimeryzacji mikrotubul dołączają do puli niespolimeryzowanych cząsteczek w cytozolu. Mogą one następnie wymienić związany GDP na GTP i w ten sposób stać się na nowo zdolne do połączenia z inną mikrotubulą, która jest właśnie w fazie wzrostu.

Konsekwencją dyna­micznej niestabilności jest to, że centrosom (lub inny ośrodek organizacji) stale wysuwa nowe mikrotubule w celach rozpoznawczych w różnych kie­runkach komórki, a następnie likwiduje je. Mikrotubula rosnąca z centrosomu na zewnątrz może być chroniona przed demontażem, jeśli jej koniec plus jest w jakiś sposób ustawicznie stabilizowany przez przyłączenie do innej czą­steczki lub struktury komórki. Jeśli mikrotubula jest stabilizowana po­przez przyłączenie do struktury występującej w bardziej odległym regio­nie komórki, to zapewnia ona względnie stabilne połączenie między tą strukturą a centrosomem. Centrosom można porównać do wędkarza zarzucającego wędkę; jeśli haczyk nie zostanie połknięty przez rybę, rybak ponownie zarzuca wędkę. Ale jeśli ryba chwyci, żyłka pozosta­je w miejscu łącząc rybę z wędkarzem. Ta prosta strategia przypadkowych poszukiwań i wybiórczej stabilizacji umożliwia centrosomowi i innym ośrodkom nukleacji mikrotubul utworzenie wysoko zorganizowanego systemu mikrotubul łączących określone części komórki.

Mikrotubule organizują wnętrze komórki

Komórki są zdolne do modyfikowania dynamicznej niestabilności swoich mikrotubul w szczególnych celach. Jeśli komórka wchodzi w stadium mitozy, mikrotubule stają się początkowo bardziej dynamiczne, balansując między wzrostem a skracaniem się o wiele częściej niż zwykle robią to mi­krotubule cytoplazmatyczne. Umożliwia to im szybki demontaż i ponow­ny montaż we wrzeciono mitotyczne. Z drugiej strony, kiedy komórka zróżnicowała się w wyspecjalizowany typ i ma określona strukturę, dynamiczna niestabilność jej mikrotubul jest zazwyczaj ograni­czona przez białka, które wiążą się z końcami mikrotubul lub wzdłuż ich przebiegu, co chroni przed demontażem. Ustabilizowane mikrotubule mogą służyć utrzymaniu organizacji komórki.

Najbardziej zróżnicowane komórki zwierzęce są spolaryzowane: np. komórki nerwowe, tworzące aksony z jednej strony, a dendryty z drugiej; komórki wyspecjalizowane w kierunku sekrecji mające aparat Golgiego usytuowany naprzeciw miejsca wydzielania itd. Polarność komórek jest odbiciem spolaryzowanego systemu mikrotubul w ich wnętrzu, który po­maga umieścić organelle w wymaganych miejscach w obrębie komórki i sterować ruchem między jedną częścią komórki a drugą. Na przykład, w komórce nerwowej wszystkie mikrotubule w aksonie są skierowane w tym samym kierunku, swoimi końcami plus ku zakończeniu aksonu. Wzdłuż tych wyznaczonych szlaków komórka jest zdolna do wysyłania “cargo" (ładunku), takiego jak pęcherzyki błoniaste czy białka sekrecyjne, które są wytwarzane w perykarionie, ale są potrzebne dużo dalej, na zakończeniu aksonu.

Niektóre rodzaje cargo są przesyłane z prędkością przekraczającą 10 cm/dzień, co jednak wciąż oznacza, że potrzeba na to tygodnia lub wię­cej czasu, aby cargo znalazło się na końcu długich aksonów, jakie wystę­pują u niektórych zwierząt. Taki transport wzdłuż mikrotubul jest jednak znacznie szybszy i bardziej wydajny niż wolna dyfuzja. Cząsteczki białka przemieszczające się na zasadzie wolnej dyfuzji mogą potrzebować roku, aby osiągnąć zakończenie długiego aksonu, jeśli w ogóle dotrą.

Mikrotubule w żywych komór­kach nie działają w izolacji. Ich funkcje, tak jak i różnych filamentów cy-toszkieletu, zależą od dużej różnorodności białek dodatkowych, które wiążą się z mikrotubulami i pełnią różne role. Niektóre białka łącząc się z mikrotubulami stabilizują mikrotubule zapobiegając ich demontażowi, inne natomiast wiążą mikrotubule z innymi strukturami komórki, w tym także z innymi typami filamentów wchodzących w skład cytoszkieletu. Stąd wszystkie składniki cytoszkieletu mogą wchodzić w interakcje, a ich funkcje mogą być skoordynowane. Mikrotubule wpływają również na roz­mieszczenie błon w komórce eukariotycznej, szczególnie za pośrednic­twem białek motorycznych towarzyszących mikrotubulom, które porusza­ją się wzdłuż mikrotubul. Białka motoryczne zużytkowują energię pochodzącą z hydrolizy ATP, aby transportować organelle, pęcherzyki czy inny materiał komórkowy wzdłuż szlaków utwo­rzonych w cytoplazmie przez filamenty aktynowe i mikrotubule.

Rzęski i wici zawierają stabilne mikrotubule przemieszczane przez dyneinę

Wiele mikrotubul w komór­kach jest stabilizowanych poprzez ich połączenie z innymi białkami. Stabilne mikrotubule są wyko­rzystywane przez komórki jako konstrukcje organelli ruchu, takich jak rzęski i wici.

Rzęski (cilia) są strukturami o średnicy ok. 0,25 nm, występującymi na powierzchni wielu rodzajów komórek eukariotycznych. Pojedyncza rzęska zawiera rdzeń ze stabilnych mikrotubul o specyficznym układzie (9 podwójnych mikrotubul na obwodzie rzęski i dwie pojedyncze w środku), wyrastających z umiejscowionego w cytoplazmie ciałka podstawnego (o układzie mikrotubul - 9x3) które jest ośrodkiem organizacyjnym dla rzęski. Cała rzęska jest otoczona przez błonę komórkową. Pierwotną funkcją rzęski jest przemieszczanie płynu ponad powierzchnią komórki lub nada­wanie ruchu komórce w płynie. Na przykład, niektóre pierwotniaki uży­wają rzęsek zarówno do wychwytywania cząstek pokarmowych, jak i do lokomocji. Na komórkach nabłonkowych wyścielających drogi oddecho­we człowieka olbrzymia liczba rzęsek (ponad miliard na cm²) przesuwa warstwy śluzu z wychwyconymi cząstkami kurzu i martwymi komórkami w kierunku gardła w celu połknięcia i - w konsekwencji - eli­minacji z organizmu. Rzęski na komórkach jajowodu powodują przepływ płynu, który pomaga przemieszczać jajo wzdłuż jajowodu.

Wić (flagellum), która jest napędem wielu pierwotniaków i plemników, przypomina rzęskę pod względem struktury wewnętrznej, ale jest zazwyczaj dużo dłuższa. Wici są przeznaczone do ruchu całej komórki..

Ruch rzęski lub wici jest rezultatem ślizganiem się jedna na drugiej mikrotubul obwodowych. Mikrotubulom towa­rzyszą liczne białka, które lokalizują się w miejscach usytuowanych regularnie wzdłuż całej długości pęczka mikrotubul. Niektóre z nich służą jako wiązania poprzeczne, aby utrzymywać wiązkę mikrotu­bul razem, inne natomiast wytwarzają siły powodujące zginanie się rzęski. Najważniejszym z tych białek towarzyszących jest motoryczne białko dyneina rzęskowa, która generuje ruch zginający rdzenia rzęski czy wici.

Rola mikrotubul:

• stanowią sztywny szkielet wewnętrzny warunkujący kształt komórek oraz możliwość jego zmiany,

• warunkują ruch pełzakowaty komórek (np. pseudopodia),

• wyznaczają płaszczyznę podziału komórki (pierścień preprofazowy),

• uczestniczą w transporcie np. ukierunkowywanie przemieszczania struktur komórkowych, ziaren wydzielniczych wzdłuż mikrotubul,

• wchodzą w skład wrzeciona podziałowego, a u roślin także cytokinetycznego,

• wchodzą w skład wici i rzęsek, budują kinetosom, centriolę i centrosom

Filamenty pośrednie

Filamenty pośrednie mają dużą wytrzymałość i ich główną funkcją jest umożliwienie komórce przeciwstawiania się mechanicznym stresom, któ­re pojawiają się, gdy komórka ulega rozciąganiu. Są nazywane “pośredni­mi", gdyż ich średnica (ok. 10 nm) mieści się między średnicą filamentów cienkich zawierających aktynę a średnicą grubszych filamentów miozynowych komórek mięśni gładkich, gdzie wykryto je po raz pierwszy. Filamenty pośrednie są najbardziej sztywnymi i wytrzymałymi ze wszystkich trzech typów filamentów tworzących cytoszkielet; gdy komórki są podda­wane działaniu stężonych roztworów soli i niejonowych detergentów, filamenty pośrednie pozostają, natomiast reszta cytoszkieletu komórki ulega zniszczeniu.

Filamenty pośrednie znajdują się w cytoplazmie większości, komórek zwierzęcych. Zazwyczaj tworzą sieć wewnątrz cytoplazmy, otaczając jądro komórkowe i rozciągając się aż do krańców komórki. Są często zakotwiczone w błonie komórkowej w miejscach połączeń mię­dzy komórkami. Filamenty pośrednie są również wykrywane w obrębie jądra komórkowego, gdzie sieć przez nie utworzona, zwana blaszką jądrową (ang. nuclear lamina), stanowi podstawę i wzmocnienie otoczki jądra we wszystkich komórkach eukariotycznych.

Filamenty pośrednie przypominają swoja strukturą linę składającą się z wielu długich ni­ci skręconych razem w celu zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie. Podjednostki filamentów pośrednich są wydłużonymi biał­kami włóknistymi, na którego końcu aminowym znajduje się globularna głowa a na końcu karboksylowym również globularny ogona. Środkowa część (domena) takiego wydłużonego białka, o charakterze α-helisy umożliwia parom białek filamentów pośrednich stworzyć stabilne dimery poprzez wzajemne owijanie się jeden wokół drugiego w tzw. konfigurację superhelisy. Dwa takie dimery łączą się poprzez wiązanie niekowalencyjne, aby utworzyć tetramer, a następnie tetramery wiążą się jeden z drugim, aby ostatecznie utworzyć podobny do liny filament pośredni.

Centralne, wydłużone domeny różnych białek tworzących filamenty pośrednie są podobne pod względem rozmiaru i sekwencji aminokwasów; stąd, kiedy upakowują się razem, zawsze tworzą filamenty o podobnej średnicy i wewnętrznej strukturze. Natomiast zadaniem globularnych do­men (głów i ogonów), które są eksponowane na powierzchni filamentu, jest przede wszystkim interakcja z innymi składnikami cytoplazmy. Do­meny globularne różnią się znacznie zarówno wymiarem, jak i sekwencją aminokwasów poszczególnych białek filamentów.

Filamenty pośrednie zabezpieczają komórki przed stresem mechanicznym

Filamenty pośrednie dominują szczególnie w obrębie cytoplazmy komó­rek narażonych na stresy mechaniczne. Występują w dużej liczbie, np. wzdłuż aksonów komórek nerwowych, stanowiąc znaczące wzmocnienie dla tych niezwykle długich i delikatnych wypustek komórkowych. Są one również liczne w obrębie komórek mięśniowych i nabłonkowych, któ­re są szczególnie narażone na mechaniczny stres, np. w skórze. W tych wszystkich komórkach filamenty pośrednie, poprzez napinanie się i roz­kładanie efektu miejscowo przyłożonych sił, zapobiegają pękaniu komórek i ich błon w odpowiedzi na rozciąganie.

Filamenty pośrednie znajdujące się w cytoplazmie można podzielić na trzy klasy:

1) Filamenty keratynowe w komórkach nabłonkowych;

2) Filamenty wimentynowe i filamenty wimentynopodobne w komórkach tkanki łącznej i mięśni oraz w komórkach glejowych układu nerwowego(filamenty glejowe z kwaśnych białek glejowych w astrogleju);

3) Neurofilamenty w aksonach komórek nerwowych.

Filamenty każdej klasy są utworzone przez polimeryzację odpowiednich białkowych podjednostek. Najbardziej urozmaiconą rodzinę podjednostek stanowią keratyny. Na przykład, różne zestawy keratyn są znajdywane w różnych nabłonkach — inne w nabłonku wyścielającym jelito, a inne w naskórkowej warstwie skó­ry. Specjalne keratyny występują we włosach, piórach lub pazurach. Filamenty keratynowe typowo spi­nają wewnątrz każdej komórki nabłonkowej poszczególne regiony błony komórkowej, a filamenty w przylegających do siebie komórkach nabłon­kowych są pośrednio złączone poprzez połączenia mechaniczne - desmosomy. Końce filamentów keratynowych są przyczepione do desmosomów i łączą się z in­nymi składnikami komórki poprzez domeny swoich kulistych głów i ogo­nów, które wystają ponad powierzchnię utworzonego filamentu. Ta kon­strukcja, uformowana z filamentów ułożonych równolegle do powierzch­ni nabłonka, jest bardzo wytrzymała na siły rozciągające skórę.

Gdy cytoplazmatyczne filamenty pośrednie przypominają liny, to po­średnie filamenty wyścielające i wzmacniające wewnętrzną powierzchnię błony jądrowej są zorganizowane w dwuwymiarową sieć. Fila­menty pośrednie w obrębie blaszki jądrowej są zbudowane z białek zwanych laminami. W odróżnieniu od bardzo stabilnych cytoplazmatycznych filamentów pośrednich znajdowanych w wielu komórkach, fi­lamenty pośrednie blaszki jądrowej ulegają demontażowi i formowaniu na nowo przy każdym podziale komórkowym, gdy otoczka jądra rozpada się podczas mitozy i następnie tworzy się na nowo w każdej komórce potomnej.

Mikrofilamenty aktynowe

Filamenty aktynowe są znajdowane we wszystkich komórkach eukariotycznych i są niezbędne do wykonywania wielu ruchów, szczególnie tych, które dotyczą powierzchni komórki. Na przykład, bez filamentów aktynowych komórka nie jest w stanie pełzać po powierzchni, pochłaniać dużych czą­stek przez fagocytozę lub dzielić się. Podobnie jak mikrotubule, liczne filamenty aktynowe są niestabilne, ale potrafią także tworzyć stabilne struktu­ry w komórkach, takie jak aparat kurczliwy mięśnia. Filamentom aktynowym towarzyszy duża liczba białek wiążących się z aktyną, które umożliwia­ją filamentom wykonywanie wielu funkcji w komórkach. Zależnie od ich połączeń z różnymi białkami filamenty aktynowe mogą tworzyć sztywne i względnie trwałe struktury, takie jak:

1) mikrokosmki umiejscowione na szczytowej powierzchni komórek rąbka szczoteczkowego wyścielającego je­lito,

2) małe pęczki kurczliwe w cytoplazmie, które są zdolne do skurczu i działają jak “mięśnie" komórki,

3) tymczasowe struktury takie jak uwypuklenia, które powstają na wiodącym końcu pełza­jącego fibroblastu,

4) pierścienie skurczowe, które dzielą cytoplazme na dwie części w momencie podziału komórki.

O tym, która z wielu form możliwej organizacji filamentów aktynowych ist­nieje w komórce, decyduje to, jaki rodzaj białek wiążących się z aktyną jest w danej komórce obecny.

Filamenty aktynowe są widoczne w mikroskopie elektronowym jako nitki o średnicy ok. 7 nm. Każdy filament jest skręconym łańcuchem identycz­nych globularnych cząsteczek aktyny, podobnie jak mikrotubule, mających strukturalną biegunowość, z końcem plus i koń­cem minus.

W komórce jest znacznie więcej pojedynczych filamen­tów aktynowych aniżeli mikrotubul. Całkowita długość wszystkich fila­mentów aktynowych w komórce jest co najmniej 30 razy większa niż cał­kowita długość wszystkich mikrotubul. Filamenty aktynowe rzadko wystę­pują w komórce pojedynczo, najczęściej są umiejscowione w poprzecznie powiązanych pęczkach i sieciach, które są znacznie silniejsze aniżeli poje­dyncze filamenty.

Aktyna i tubulina polimeryzują według podobnego mechanizmu

Filamenty aktynowe mogą rosnąć przez przyłączanie monomerów akty­nowych do każdego z końców, ale tempo wzrostu jest szybsze przy końcu plus niż przy końcu minus. Nagi filament aktynowy, podobnie jak mikrotubula, bez białek towarzyszących, jest z natury niestabilny i może ulegać demontażowi z obu końców. Każdy wolny monomer aktynowy niesie ści­śle związany ATP, który jest hydrolizowany do ADP wkrótce po przyłączeniu monomeru aktyny do filamentu. Podobnie jak w przypadku tubuliny-GTP, hydroliza ATP do ADP w filamencie aktynowym zmniejsza wytrzymałość połączeń między monomerami oraz stabilność polimeru. W ten sposób hydroliza nukleotydu ułatwia depolimeryzację, pomagając komórce w demontażu filamentów.

Podobnie jak to dotyczyło mikrotubul, zdolność do montażu i demon­tażu jest niezbędna do wielu funkcji wykonywanych przez filamenty akty­nowe, takich jak ich udział w ruchach komórki. Funkcja filamentów akty­nowych może być zakłócona eksperymentalnie przez toksyny grzybów -zarówno takie, które zapobiegają polimeryzacji aktyny, jak cytochalazyny, jak i takie, które stabilizują filamenty aktynowe zapobiegając depolimeryzacji, jak faloidyny. Dodanie cytochalazyny w małym stężeniu natychmiast zamraża ruch komórki, taki jak np. pełzający ruch fibroblastów. Stąd, funkcja filamen­tów aktynowych zależy od dynamicznej równowagi między filamentami aktynowymi a pulą monomerów aktyny, ponieważ typowy filament istnie­je tylko przez kilka minut od momentu uformowania.

Wiele białek wiąże się z aktyną i modyfikuje jej właściwości

W komórkach występuje duża liczba białek wiążących się z aktyną, wśród których należy wymienić:

• białka regulujące polimeryzację filamentów aktynowych, które utrzymują równowagę pomiędzy aktyną G ( niespolimeryzowaną) i aktyną F( zpolimeryzowaną)

• białka czapeczkowe wiążące się z końcem plus i zapobiegające dalszemu wzrostowi filamentów

• białka rozcinające, które tną istniejące filamenty na krótsze i regulują ich długość

• białka wiążące krzyżowo spinające krzyżujące się filamenty

• białka wiążące filamenty w pęczki, które zespalają leżące równolegle do siebie filamenty

• białka motoryczne (miozyny) , które wiążą i hydrolizują ATP, co dostarcza energię do ich ruchu wzdłuż filamentów aktynowych od końca(-) do końca (+). Cząsteczki miozyny jednym końcem ( tzw. głową) mogą oddziaływać z filamentem aktynowym a drugim końcem (ogonem) z innymi elementami komórki, np. błoną komórkową, pęcherzykami wewnątrzkomórkowymi czy innymi filamentami. Dzięki temu mogą przenosić organelle wzdłuż szlaków filamentów aktynowych lub powodować, że przylegające do siebie filamenty ślizgają się jeden po drugim w pęczkach skurczowych. Są więc one odpowiedzialne za zjawiska ruchu zarówno w komórkach nie mięśniowych jak i za skurcze mięśni.

W komórkach znajduje się również olbrzymia ilość innych białek wią­żących się z aktyną. Większość z nich wiąże się raczej z uformowanymi filamentami aktynowymi aniżeli z monomerami aktyny i kontroluje zacho­wanie filamentów. Na przykład, białka wiążące aktynę w pęczki utrzymują filamenty aktynowe razem w równoległych pęczkach w mikrokosmkach; białka wiążące poprzecznie trzymają razem filamenty aktynowe w żelopodobnej sieci w obrębie kory komórki, białka tnące filamenty, jak gelsolina, tną filamenty aktynowe na krótsze fragmenty i w ten sposób zmieniają żel aktynowy w bardziej płynną postać. Filamentom aktynowym mogą także towarzyszyć białka motoryczne tworząc pęczki skurczowe, jak to występuje w mięśniach. Filamenty mogą także służyć jako szlaki, wzdłuż których białka motoryczne transportują organelle; funkcja ta jest szcze­gólnie widoczna w komórkach roślinnych.

Pełzanie komórki zależy od aktyny

Wiele komórek porusza się raczej pełzając po powierzchniach niż pływa­jąc z użyciem rzęsek lub wici. Np. ameby pełzają nieustannie w po­szukiwaniu pożywienia, krwinki białe - granulocyty obojętno-chłonne (neutrofile) migrują z krwi do tkanek, gdzie “wyczuwają obecność" małych rozproszonych cząsteczek uwolnionych przez bakterie. Cząsteczki te są w końcu pochłaniane i niszczone przez neutrofile.

Do przemieszczana się komórki niezbędne są trzy współzależne procesy : 1) komórka wysuwa wypustki w kierunku ruchu; 2) wypustki te przywierają do powierzchni, po której komórka pełznie i 3) do takich miejsc zakotwiczenia jest podciąga­na pozostała część komórki, co przesuwa ją naprzód.

Wszystkie te trzy procesy wykorzystują aktynę, ale użyte sposoby są różne. Pierwszy etap — wypychania powierzchni komórki do przodu, jest kierowany przez polimeryzację aktyny. Prowadzący koniec pełzającego fibroblastu w hodowli regularnie wyciąga cienkie, blaszkowate lamellipodia, które zawierają gęstą, przestrzenną sieć filamentów ak­tynowych, zorientowanych w ten sposób, że większość filamentów ma swoje końce plus umiejscowione blisko błony komórkowej. Wiele komó­rek wysuwa także cienkie, sztywne wypustki zwane filopodiami, zarówno na końcu prowadzącym, jak i gdziekolwiek na swojej powierzchni. Te wypustki zawierają luźny pęczek 10-20 filamentów aktynowych, zorientowanych również w ten sposób, że ich końce plus są skierowane na zewnątrz. Zarówno lamellipodia, jak i filopo­dia tworzą się i zani­kają z dużą szybkością.

Kiedy lamellipodia i filopodia dotkną wybranego skrawka powierzchni, przylegają do niego: białka transbłonowe w ich błonie komórkowej, znane jako integryny, przywierają do cząsteczek zawartych w macierzy międzyko­mórkowej lub na powierzchni innej komórki, nad którą poruszająca się ko­mórka przepełza. Aby użyć tego zakotwiczenia do przemieszczenia swojego ciała do przodu, komórka robi teraz użytek z we­wnętrznego skurczu, żeby wywrzeć silę ciągnącą. Te procesy również zależą od aktyny, ale w inny sposób — poprzez interakcję filamen­tów aktynowych z białkami motorycznymi znanymi jako miozyny.

Białka motoryczne kierują wewnątrzkomórkowym transportem

W żywej komórce cytoplazma znajduje się w nieustannym ruchu dzięki obecności mikrotubul i filamentów aktynowych, wzdłuż których przemieszczane są organelle. To przemieszczanie się różnych organelli generowane jest przez białka motoryczne, które wiążą się z filamentami aktynowymi lub mikrotubulami i zużywają energię uzyskaną z hydrolizy ATP. Białka motoryczne łączą się jednocześnie z innymi składnikami ko­mórki i w ten sposób transportują je jako cargo wzdłuż filamentów.

Białka motoryczne, które wędrują wzdłuż cytoplazmatycznych mikrotubul, tworzą dwie rodziny: są to kinezyny, które przemieszczają się w kierunku końca plus mikrotubul (do powierzchni komórki), oraz dyneiny przemieszczające się w kierunku końca minus (w kierunku wnętrza komórki). Zarówno kinezyny, jak i dyneiny mają dwie globularne głowy wią­żące ATP i ogon. Głowy oddziałują na mikrotubule w stereospecyficzny sposób; tak więc np. kinezyna przyłączy się do mikrotubu­li, jedynie jeśli jest ona “skierowana" we właściwym kierunku. Ogon biał­ka motorycznego zazwyczaj wiąże się stabilnie z niektórymi składnikami komórki, takimi jak np. błoniaste pęcherzyki lub organelle. Kuliste głowy kinezyny i dyneiny są enzymami hydrolizującymi ATP (ATPazami). Ta reakcja dostarcza energii do cyklu zmian konformacyjnych w głowie, co umożliwia jej przesuwanie się wzdłuż mikrotubul poprzez cykl: wiązanie, uwalnianie i ponowne wiązanie z mikrotubulą.

Organelle są transportowane wzdłuż mikrotubul

Mikrotubule i towarzyszące im białka motoryczne odgrywają istotną rolę w ustalaniu pozycji obłonionych organelli w obrębie komórki eukariotycznej. Zarówno retikulum endoplazmatyczne, jak i aparat Golgiego są zależne od mikrotubul pod względem swego ustawienia i umiejscowienia. Błony retikulum endoplazmatycznego rozciągają się od miejsca połącze­nia z otoczką jądrową, ustawiając się wzdłuż mikrotubul, które sięgają od centrosomu aż do błony komórkowej. Kiedy komórka dojrzewa i retikulum endoplazmatyczne rozrasta się, kinezyny przycze­pione do zewnętrznej strony błony tego retikulum rozciągają go wzdłuż mikrotubul, napinając jak sieć. Dyneiny przeciągają aparat Golgiego wzdłuż mikrotubul, w przeciwną stronę ku środkowi komórki. W ten spo­sób są stworzone i utrzymywane lokalne różnice w rozmieszczeniu błon wewnętrznych, co warunkuje ich prawidłową funkcję.

Kiedy komórki są poddawane działaniu takich substancji jak kolchicyna, która powoduje demontaż mikrotubul, oba te rodzaje organelli drastycz­nie zmieniają swoje położenie. Retikulum endoplazmatyczne, zapada się do środka komórki, natomiast aparat Golgiego, rozpa­da się na drobne pęcherzyki, ulegające rozproszeniu wewnątrz cytoplazmy. Kiedy lek kolchicyna zostanie usunięta, organelle powracają do swoich pierwotnych pozycji, ciągnięte przez białka motoryczne przemieszczające się wzdłuż na nowo uformowanych mikrotubul. Prawidłowe ulokowanie tych organelli odbywa się za pośrednictwem zawartych w ich błonach białek receptorowych, które wiążą się z białkami motorycznymi — kinezynami dla retikulum endoplazmatycznego i dyneinami dla aparatu Golgiego.

JĄDRO KOMÓRKOWE

U Prokaryota inf. genetyczna w postaci pojedynczej, kolistej (zamkniętej) cząsteczki DNA znajduje się bezpośrednio w cytoplazmie i jest połączona z plazmalemmą w miejscu jej pofałdowania zwanym mezosomem. Eukaryota posiadają na terenie protoplazmy obszar oddzielony za pośrednictwem otoczki jądrowej zwany nukleoplazmą, zawierający główny zasób informacji genetycznej Strukturę tę określa się mianem jądra komórkowego, a w jego budowie można wyróżnić otoczkę jądrową, matrix, kariolimfę, chromatynę i jąderko.

Otoczka jądrowa składa się z 2 błon, zewnętrznej przylegającej do cytoplazmy oraz wewnętrznej przylegającej do nukleoplazmy. Między błonami występuje przestrzeń okołojądrowa. Obie błony stanowią przedłużenie błon ER a przestrzeń okołojądrowa jest połączona z jej kanałami. Na zew. błonie często znajdują się rybosomy Otoczka zanika w późnej profazie ulegając rozpadowi na pęcherzyki a odtwarzana jest w telofazie z udziałem ER. Przy wew. stronie otoczki znajduje się cienka warstwa zwana blaszką gęstą do której przylega chromatyna. Jest ona zbudowana z 3 rodzajów białek laminy A, B i C, które łączą się strukturalnie z białkami matriks, oraz łączą chromatynę z wew. błoną otoczki i podtrzymują kształt jądra. Błony zew. i wew. otoczki łączą się ze sobą tworząc pory. Prześwit porów, stanowiący kanały w otoczce ma kształt kolisty lub wielokątny. Na obu jego krawędziach tj. od strony nukleoplazmy i cytoplazmy, znajduje się po 8 symetrycznie rozmieszczonych ziarenek połączonych delikatnymi nićmi ze wspólnym ziarenkiem centralnym leżącym w prześwicie poru. Pory mogą znikać i powstawać na nowo a ich liczba jest proporcjonalna do aktywności transkrypcyjnej jądra.

Kariolimfa - jest najbardziej uwodnioną częścią jądra. Zawieszona jest w niej matriks, chromatyna, jąderka oraz składniki przejściowo występujące w jądrze jak np. różne rodzaje RNA oraz wiele białek rozpuszczalnych w tym liczne enzymy.

Matriks - stanowi białkowy szkielet wewnątrzjądrowy odpowiedzialny za utrzymanie struktury przestrzennej chromatyny. W obrębie matriks wyróżnia się trzy strukturalne komponenty: resztkowa otoczka jądrowa ( kompleksy porowe wraz z blaszką), włókienkowo - granularna matriks wewnątrzjądrowa oraz resztkowa struktura jąderka ( matriks jąderkowa ). W skład matriks jądrowej wchodzą białka (98%) oraz niewielkie ilości kwasów nukleinowych i fosfolipidów. Prawdopodobnie matriks determinuje skondensowane i luźne obszary chromatyny, jest miejscem replikacji DNA i interakcji wirusów, bierze udział w transkrypcji, metabolizmie i transporcie jądrowego RNA, w wiązaniu receptorów hormonów i karcinogenów.

Chromatyna- stanowi interfazową postać chromosomów. W jej skład wchodzą: DNA, histony, białka niehistonowe i RNA. Udział ilościowy składników zależy od zawartości DNA u danego gat. oraz stanu funkcjonalnego jądra.

DNA - jego zaw. jest różna u różnych gat. i nie jest skorelowana z liczbą chromosomów lecz ich łączną długością. Liczba cząsteczek DNA jest równa liczbie chromosomów, tak więc każdy chromosom buduje 1 cząsteczka DNA - teoria jednopasmowej budowy chromosomu. W skład DNA wchodzą sekwencje unikatowe - kodujące białka, występują w liczbie 2 kopii na genom diploidalny, rzadko jest ich więcej np. geny histonów , keratyny. Zawierają one odcinki kodujące fragm. cząstek białkowych tzw. eksony i rozdzielające je, nie ulegające translacji introny, oraz sekwencje powtarzalne do których zalicza się geny kodujące RNA nie ulegające translacji tj. rRNA, tRNA i 5S RNA ,występujące w liczbie od kilkuset do kilkunastu tysięcy kopii. Ponadto występuje tzw. satelitarny DNA nie ulegający transkrypcji. Jego zawartość stanowi stałą cechę genomu a charakteryzuje się on dużą zawartością krótkich odcinków o identycznej sekwencji nukleotydów. Stanowi on prawdopodobnie przerywniki między transkrybowanymi odcinkami DNA i uczestniczy w regulacji ekspresji genów.

Histony - zasadowe białka zawierające ponad 20% aminokwasów zasadowych, nieznaczne ilości cystyny i cysteiny, nie zawiera tryptofanu. W komórkach roślin i zwierząt występuje 5 rodzajów histonów, wyróżnionych na podstawie stosunku ilościowego lizyny do argininy (H1,H2A, H2B, H3,H4). Histony nie są specyficzne ani dla gatunku ani tkanki, ich ilość podwaja się w fazie S cyklu kom.

Białka niehistonowe - duża grupa białek o bardzo zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych i biologicznych. Ich ilość w jądrze jest zmienna i wydaje się być skorelowana z aktywnością metaboliczną. Obok wspólnych dla wszystkich tkanek komponentów występują polipeptydy specyficzne tylko dla tkanki, gatunku czy stanu funkcjonalnego jądra. Na podstawie właściwości dzieli się je na: a) białka enzymatyczne - enzymy związane z syntezą i przemianami kwasów nukleinowych oraz modyfikujące białka jądrowe b) białka regulatorowe - o charakterze pozytywnych i negatywnych efektorów transkrypcji - białka kontrolujące transkrypcję na poziomie enzymu i genu. Charakteryzują się znaczną niejednorodnością i molekularną specyficznością komórkową, tkankową i gatunkową, ulegają zmianom w fazach cyklu kom. i w trakcie różnicowania komórkowego i organogenezy c) białka strukturalne - nie są specyficzne tkankowo ani gatunkowo mają zdolność interakcji z histonami i DNA , stanowią strukturalny składnik chromatyny.

RNA - stanowi przejściowy składnik chromosomów - syntetyzowany na podstawie wzorca DNA transportowany jest do cytoplazmy. Wśród RNA wysokocząsteczkowych wyróżnia się heterogenny RNA, którego część stanowi mRNA oraz syntetyzowany w jąderku prerybosomowy RNA - prekursor rRNA. Wśród RNA o niskiej masie cząsteczkowej wyróżnia się frakcje przenikające do cytoplazmy np. tRNA i 5S RNA występujący w rybosomach, oraz frakcje pozostające w jądrze, pełniące prawdopodobnie funkcje w regulacji funkcji genów.

STRUKTURA CHROMATYNY

DNA występuje w formie upakowanej. W krańcowej postaci, w chromosomach metafazowych jego nić jest skrócona ok. 10000 razy. Jest to wynikiem przestrzennej organizacji strukturalnej uwarunkowanej przez histony i białka niehistonowe. Przyjmuje się 3 rzędy uporządkowania strukturalnego chromatyny:

1. Nukleosom - zawiera fragm. DNA (ok. 200 par zasad) który jest owinięty w postaci lewoskrętnej spirali wokół dyskowatego kształtu oktameru histonów (H2A,H2B,H3,H4)x2. Z ok. 200 par zasad w nukleosomie tylko 146 ściśle oddziaływuje z oktamerem tworząc cząstkę rdzeniową (rdzeń nukleosomu). Cząstki rdzeniowe łączą się ze sobą za pomocą łącznikowego DNA tworząc włókno nukleosomowe przypominające koraliki nanizane na nić. Strukturę nukleosomu stabilizują interakcje histon-histon pomiędzy histonami rdzenia oraz histon H1 spinający DNA wchodzący i schodzący z rdzenia.

2. Solenoid (superspirala) - jest to struktura wyższego rzędu będąca helikalną formą włókna nukleosomowego. Powstające włókno chromatynowe o średnicy ok. 30 nm i skoku 10 nm zawiera 6 nukleosomów na skręt. Upakowanie nukleosomów w solenoidzie pozwala na ok. 40-krotne skrócenie zawartego w nim DNA.

3. Struktury wyższego rzędu - kolejny stopień uporządkowania określany jako model promienistych pętli odpowiada ułożeniu włókna chromatynowego w pętle (domeny) zakotwiczone w białkowym rusztowaniu matriks lub białek stanowiących osiową podporę chromosomów. Różnice w wewnętrznej strukturze chromosomów interfazowych i metafazowych dotyczą stopnia ich upakowania.

RODZAJE CHROMATYNY

Ze względu na stan skupienia fibryl chromatynowych wyróżnia się chromatynę zwartą i luźną, zaś na podstawie jej aktywności genetycznej heterochromatynę i euchromatynę. Heterochromatyna jest to rodzaj chromatyny który nie ulega dekondensacji (wyjątek okres replikacji) i nie przekształca się w chromatynę luźną. Liczba i lokalizacja odcinków heterochromatynowych w obrębie chromosomów są stałą cechą genomu. Genetyczna determinacja heterochromatyny polega na tym, że zawiera ona satelitarny DNA, który nie ulega transkrypcji, jest to więc chromatyna nieaktywna genetycznie.

W przeciwieństwie do niej euchromatyna stanowi tę frakcję chromatyny która ulega całkowitej dekondensacji. Zawiera sekwencje unikatowe i powtarzalne, jest więc aktywna genetycznie Euchromatyna w wyniku kondensacji może przekształcić się w chromatynę zwartą nieaktywną w skutek niedostępności wzorca - DNA . Proces kondensacji euchromatyny jest odwracalny tj. chrom. zwarta nie będąca heterochromatyną może w wyniku dekondensacji przekształcić się w aktywną genetycznie chromatynę luźną. Ilość heterochromatyny i euchromatyny jest cechą gatunkową i nie ulega zmianie w procesie różnicowania komórkowego, natomiast zawartość chromatyny luźnej i zwartej w jądrach komórek tego samego organizmu może znacznie się różnić - zależy od aktywności transkrypcyjnej jądra.

JĄDERKO - powstają one w telofazie w miejscu przewężenia wtórnego chromosomu. Liczba chromosomów z przewężeniami wtórnymi tzw. jąderkotwórczych jest stałą cechą genomu. W jądrach interfazowych liczba jąderek może być mniejsza, gdyż często następuje zlewanie jąderek leżących blisko siebie. Odcinki chromosomów odpowiadające przewężeniom wtórnym noszą nazwę organizatorów jąderek - NOR. Zawierają one charakteryzujący się znaczną powtarzalnością sekwencji nukleotydów tzw. rDNA kodujący prerybosomowy RNA który przekształca się w rybosomowy RNA .

W budowie jąderka wyróżnia się: centra fibrylarne zawierające rDNA - są to jasne przestrzenie wypełnione mniej lub bardziej skondensowanymi fibrylami chromatynowymi, składnik fibrylarny - zawiera RNA i jest miejscem intensywnej transkrypcji RNA otacza on centra fibrylarne, występuje w postaci pasm lub zajmuje centralną część w jąderkach zwartych. Składnik granularny - zawiera ziarenka będące prekursorami rybosomów, składające się z rRNA i białek rybosomalnych. Wakuola jąderkowa występuje w jąderkach w których nastąpił gwałtowny eksport składnika granularnego jest to wolna przestrzeń z luźno leżącymi fibrylami i ziarenkami. Matrix jąderkowa - stanowi podłoże w którym rozmieszczone są składniki jąderka.

U roślin wyższych i w szybko rosnących kom. ssaków jąderka wykazują strukturę zwartą tj. skł. fibrylarny zajmuje centralną część a na jego peryferiach znajdują się liczne ziarenka. U większości ssaków jąderka zbudowane są ze splątanych pasm pomiędzy którymi znajdują się wolne przestrzenie o nieregularnym kształcie. Pasma te zwane nukleolonemami zbudowane są z materiału fibrylarnego i ziarnistego a jąderka takie określa się mianem nukleolonemowych.

Jąderka tkwią bezpośrednio w kariolimfie , wobec czego przemieszczające się do cytoplazmy podjednostki rybosomów ( ziarniste cząstki jąderka ) nie napotykają żadnej bariery ograniczającej ich migrację w obrębie jądra. Jąderko zawiera ponad 200 białek strukturalnych ( białka chromatyny NOR, białka cząstek prerybosomowych, białka rybosomowe, białka matriks), białka enzymatyczne (związane z syntezą i dojrzewaniem rRNA) oraz białka regulatorowe, kontrolujące ekspresję genów rRNA.

Śmierć komórki. Martwica i apoptoza

Śmierć komórki jest definiowana jako moment w którym zmiany w komórce osiągają tzw. punkt bez powrotu. Początkowo opisywano, że zmiany po osiągnięciu tego punktu bez względu na przyczynę przebiegają podobnie, czego wyrazem są podobne zmiany morfologiczne i proces ten nazwano martwicą. Jednakże przed ponad 20 laty opisano obraz procesu destrukcji komórki, który znacznie różnił się od klasycznej martwicy. Zjawisko to nazwano apopptozą (apoptosis). Apoptoza jest kontrolowanym procesem usuwania komórek w regulacji populacji komórkowych. Martwicę traktuje się jako morfologiczny obraz „prowokowanej” śmierci komórki, czyli spowodowanej czynnikami zewnątrzkomórkowymi. Apoptoza natomiast to morfologiczny obraz śmierci „programowanej”, czyli spowodowanej czynnikami wewnątrzkomórkowymi. Jest ona aktywnym, genetycznie zaprogramowanym procesem, który może być zapoczątkowany lub zahamowany przez różne czynniki zewnętrzne. Typowe dla apoptozy obrazy morfologiczne spotyka się zarówno w prawidłowych tkankach, podczas rozwoju i metamorfozy, w atrofiach i nowotworach, po napromieniowaniu, w hipertermii i po cytostatykach.

Porównanie martwicy i apoptozy: Normalna komórka w wyniku śmiertelnego uszkodzenia ulega obrzękowi, a następnie dochodzi do rozpadu organelli, rozerwania błon i rozlania zawartości martwej komórki do przestrzeni międzykomórkowych, czemu towarzyszy zwykle proces zapalny. Martwicy ulęgają całe grupy komórek. W przypadku apoptozy we wczesnych jej fazach dochodzi do kondensacji i brzeżnego ułożenia chromatyny, kondensacji cytoplazmy i miejscowego uwypuklenia się błony komórkowej. Komórka ulega fragmentacji na tzw. ciałka apoptyczne, zawierające czasem fragmenty chromatyny i zawsze nie zmienione organelle. Ciałka apoptyczne są fagocytowane przez inną komórkę tkanki. Apoptoza dotyczy pojedynczych komórek w tkance.

MITOCHONDRIA- organelle otoczone podwójną błoną, obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych za wyjątkiem niektórych patogennych ameb i erytrocytów.

Liczebność (skrajnie od 24 np. w plemnikach do 0.5 mln u ameby Chaos chaos) i struktura różna w różnych typach komórek, przeważnie proporcjonalna do intensywności oddechowej i zapotrzebowania na energię. Stosunkowo mała liczba (kilkaset) mitochondriów charakteryzuje komórki roślinne, niezróżnicowane komórki zwierzęce takie jak komórki nowotworowe, regenerujące, limfocyty, komórki naskórka. Szczególnie dużo (1000-2000) mitochondriów występuje w komórkach wątrobowych, okładzinowych gruczołów żołądkowych, kanalików nerkowych krętych i komórkach kory nadnerczy, komórkach mięśnia sercowego.

Wielkość mitochondriów jest również zróżnicowana i w komórkach ssaków wg różnych źródeł ich długość wynosi 0,5-9mm a średnica 0,2-2mm. Ani wielkość, ani kształt mitochondriów nie są stałe, lecz zmieniają się w różnych stadiach rozwojowych komórki, jak i w zależności od warunków metabolicznych.

Kształt mitochondriów jest zwykle okrągły lub owalny, bywają również mitochondria niciowate i rozgałęzione np. u jednokomórkowych wiciowców, glonów i drożdży Formy niciowate (o długości do 10mm) stwierdzono także w komórkach trzustki, wstawce plemnika a także komórkach wątrobowych. Ten typ mitochondriów powstaje na skutek ścisłego połączenia części powierzchni sąsiednich mitochondriów tworząc w ten sposób nić lub rozgałęzioną sieć. Niciowate mitochondria są przeważnie zorientowane wzdłuż mikrotubul, a występowanie tej formy wiąże się z przesyłaniem na odległość energii gradientu protonowego niezbędnej do wytworzenia ATP. Kształt mitochondriów nie jest stały.

Lokalizacja mitochondriów w komórce również nie jest stała. Lokalizują się one w miejscach zwiększonego zapotrzebowania na energię np. między fibrylami komórek mięśniowych, w aparacie kurczliwym mięśnia sercowego, u podstawy komórek nabłonka gruczołowego, w zakończeniach włókien nerwowych - synapsach, wzdłuż włókien wrzeciona cytokinetycznego, u podstawy witki w plemniku albo też lokalizują się w pobliżu substratów oddechowych - przy kroplach tłuszczu. Przemieszczają się w komórce w wyniku ruchów cytoplazmy lub dzięki związaniu się z elementami cytoszkieletu takimi jak mikrotubule.

BUDOWA MITOCHNDRUM

Mitochondrium otoczone jest podwójną błoną białkowo-lipidową. Pomiędzy obiema błonami występują strefy ścisłego kontaktu zwane miejscami kontaktowymi. Są to miejsca, przez które transportowane są do wnętrza mitochondrium prekursory białek. W miejscach tych skupione są białka zewnętrznej błony mitochondrialnej istotne dla translokacji prekursorów - białka receptorowe, białka kanałów błonowych.

Błona zewnętrzna jest podobna do błon endoplazmatycznego retikulum, ma charakter sita molekularnego i jest przenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych, które przepuszcza poprzez specjalne kanały. Błona ta zawiera enzymy metabolizmu tłuszczy ( synteza lipidów mitochondrialnych oraz przekształcanie substratów lipidowych do formy metabolizowanej w matriks) a jej enzymem markerowym (tj. charakterystycznym dla danej struktury, dzięki któremu można daną strukturę wykryć) jest oksydaza monoaminowa. W błonie tej zlokalizowane jest charakterystyczne dla niej białko transbłonowe - poryna. Cząsteczki tego białka tworzą kanały hydrofilne, tzw. pory wodne, przez które dyfundują cząsteczki o niskiej masie (do 5 kDa). Błona zewnętrzna zawiera również receptory rozpoznające białka cytoplazmatyczne transportowane do mitochondrium.

Błona wewnętrzna jest nieprzenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych - nawet dla małych jonów, jej przepuszczalność jest kontrolowana przez specyficzne nośniki i pompy. Przez błonę tą przenikają swobodnie jedynie tlen dwutlenek węgla, woda, amoniak, i substancje hydrofobowe. Transport substancji wytwarzanych np. w cyklu Krebsa czy też jonów sodu, wapnia, potasu i wodoru odbywa się za pośrednictwem specyficznych białkowych przenośników wbudowanych w błonę wewnętrzną, zwanych translokazami lub permeazami. Poza tymi białkami błona wewnętrzna zawiera wszystkie składniki związane z łańcuchem oddechowym oraz fosforylacja oksydacyjną. Błona wewnętrzna tworzy uwypuklenia zwane grzebieniami mitochondrialnymi. Uwypuklenia te mają zwykle kształt 1) blaszek (mitochondria lamelarne np. w komórkach wątroby i mięśni) częściowo lub całkowicie przecinających mitochondrium, 2) cewek (rurek - mitochondria tubularne np. u niektórych jednokomórkowych i tkankach steroidotwórczych u kręgowców). Grzebienie mitochondrialne są bardzo plastyczne i podatne na zmiany, ich liczba i kształt zmienia się podczas różnicowania komórki i jest proporcjonalna do intensywności oddychania (zapotrzebowania na ATP).

Na powierzchni błony wewnętrznej (od strony matriks) występują liczne cząstki uszypułkowane (buławkowate, grzybkowate), które są odpowiednikiem katalitycznej części kompleksu enzymatycznego ATPazy mitochondrialnej. Enzymem markerem tej błony jest dehydrogenaza bursztynianowa.

Wnętrze mitochondrium wypełnia matriks o charakterze białkowego żelu, której 50% stanowią białka głównie enzymatyczne (około 40 różnych enzymów, m.in. enzymy cyklu kwasów trójkarboksylowych, b-oksydacji kwasów tłuszczowych, syntezy DNA, RNA i białek, katabolizmu aminokwasów). Enzymem markerowym matriks jest syntetaza cytrynianowa występująca w cyklu Krebsa.

W matriks bezpośrednio jest zlokalizowany DNA mitochondrialny (=mtDNA) w formie pierścieniowej, niekiedy liniowej, w liczbie od 1 do kilku cząsteczek, przyczepionych do wewnętrznej błony mitochondralnej. mtDNA pozbawiony jest histonów, koduje rRNA, tRNA, niektóre enzymatyczne białka błon mitochondrialnych. Oprócz mtDNA, w mitochondriach niektórych grzybów i roślin wyższych występują plazmidy (w formie kolistej i liniowej), replikujące się niezależnie od mtDNA. Na terenie matriks występują również rybosomy - o stałej sedymentacji 70S i właściwościach podobnych do rybosomów prokariotycznych i plastydowych oraz ziarnistości fosforanu wapnia. Większość białek matriks jest syntetyzowana na terenie cytoplazmy na bazie genomu jądrowego. Z genomem mitochondrialnym jest związane u zwierząt dziedziczenie cytoplazmatyczne. DNA mitochondrialny charakteryzuje się małą liczbą sekwencji niekodujących.

Enzymy mitochondrialne

Z każdym przedziałem w mitochondrium są związane inne enzymy:

· błona zewnętrzna: oksydaza monoaminowa (marker), syntetazy acylo-CoA, oraz oksydoreduktazy.

· przestrzeń międzybłonowa: kinaza adenylowa (marker), kinaza nukleozydodifosforanowa.

· błona wewnętrzna - enzymy łańcucha oddechowego, syntetaza ATP, koenzym Q, cytochromy, ubichinon.

· matriks - enzymy cyklu kwasów trókarboksylowych, oksydacji kwasów tłuszczowych, syntezy DNA, RNA i białek.

FUNKCJE MITOCHONDRIÓW

Główną rolą mitochondriów jest dostarczanie komórkom energii w postaci ATP w procesie oddychania tlenowego. Na oddychanie komórkowe składają się 3 fazy: 1) glikoliza, 2) cykl kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa) i 3) łańcuch oddechowy. Pierwsza faza oddychania odbywa się na terenie cytoplazmy podstawowej natomiast dwie pozostałe w mitochondriach. Mitochondria mogą używać jako paliwa zarówno pirogronianu jak i kwasów tłuszczowych. Pirogronian jest dostarczany z glukozy i innych cukrów, a kwasy tłuszczowe pochodzą z tłuszczów. Obie cząsteczki paliwowe są transportowane przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, a następnie przekształcane przez enzymy umiejscowione w matriks mitochondrialnej do kluczowego intermediatu, jakim jest acetylo-CoA

W cyklu kwasów trójkarboksylowych, który zlokalizowany jest w matriks oraz na powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej, zachodzi całkowite utlenienie acetylo-CoA, jednak nie bezpośrednio, tylko w wielu etapach cyklu. Najpierw 2-węglowy fragment ulega kondensacji z 4-węglowym szczawiooctanem do 6-węglowego cytrynianu, cytrynian ulega kolejno dalszym przemianom w wyniku, których zachodzi dwukrotna dekarboksylacja i czterokrotna dehydrogenacja (odwodorowanie). Ostatecznie, odtworzony szczwiooctan łączy się z nową cząsteczką acetylo-CoA. W cyklu wytwarza się CO₂, uwalniany z komórki jako produkt uboczny, oraz powstają elektrony o wysokiej energii przenoszone przez zaktywowane cząsteczki nośnikowe, NAD⁺ i FAD⁺ . Te wysokoenergetyczne elektrony są z kolei przenoszone do wewnętrznej błony mitochondrialnej, gdzie wchodzą na łańcuch transportu elektronów; oddanie elektronów powoduje regenerację NAD⁺ i FAD⁺, cząsteczek niezbędnych do utrzymania ciągłości metabolizmu tlenowego. Następnie rozpoczyna się transport elektronów wzdłuż łańcucha.

Łańcuch transportu elektronów, który przeprowadza fosforylację oksydacyjną, występuje w błonie mitochondrialnej w wielu kopiach. Nazywany również łańcuchem oddechowym, składa się prawie z 40 białek, z których ok. 15 bierze bezpośredni udział w transporcie elektronów. Białka tworzące łańcuch oddechowy są pogrupowane w trzy duże enzymatyczne kompleksy oddechowe, z których każdy zawiera wiele różnych białek. W skład poszczególnych kompleksów wchodzą białka transbłonowe, które mocno osadzają kompleks w wewnętrznej błoni mitochondrialnej. Trzy enzymatyczne kompleksy oddechowe to 1) kompleks dehydrogenazy NADH. 2) kompleks cytochromów b-c₁ i 3) kompleks oksydazy cytochromowej. Każdy zawiera jony metali i grupy chemiczne, które formują drogę dla elektronów przechodzących przez dany kompleks. Te trzy kompleksy oddechowe są miejscami pompowania protonów; każdy z nich można sobie wyobrazić jako białkową maszynę pompującą protony w poprzek błony w czasie, gdy przez kompleks przechodzą elektrony.

Transport elektronów rozpoczyna się, gdy usunięty z NADH jon wodorkowy zostanie przekształcony w proton i dwa elektrony o wysokiej energii H: ^-Ⴎ H⁺ + 2e^-. Reakcja ta katalizowana jest przez dehydrogenazę NADH, pierwszy z enzymatycznych kompleksów oddechowych przyjmujących elektrony. Białka łańcucha oddechowego prowadzą elektrony tak, że przechodzą one kolejno od jednego kompleksu do następnego. W każdym z trzech kompleksów oddechowych elektrony poruszają się między atomami metali ściśle związanymi z białkami, przeskakując z jednego jonu metalu na następny. Natomiast między różnymi kompleksami są przenoszone przez cząsteczki, które dyfundują w dwuwarstwie lipidowej. Od dehydrogenazy NADH elektrony odbiera ubichinon, mała hydrofobowa cząsteczka rozpuszczalna w dwuwarstwie lipidowej, która jako jedyny przenośnik elektronów nie jest częścią białka. Ubichinon przenosi elektrony na kompleks cytochromów b-c₁. Stąd elektrony są odbierane przez kolejny ruchomy przenośnik - cząsteczkę cytochromu c - który przekazuje elektrony do kompleksu oksydazy cytochromowej, kończącej łańcuch oddechowy. Oksydaza cytochromowa przekazuje elektrony na tlen cząsteczkowy w reakcji 4e^- + 4H⁺ +O₂ Ⴎ 2H₂O.

Każde przeniesienie elektronu jest reakcją utleniania/redukcji. Elektrony będą spontanicznie przechodzić od cząsteczek, które mają małe powinowactwo do dostępnych dla nich elektronów do cząsteczek z dużym powinowactwem, tracąc część swojej energii swobodnej. W łańcuchu oddechowym przenośniki są ułożone według wzrastającego potencjału redoks ( coraz większe powinowactwo do przyjmowania elektronów), co umożliwia stopniowe uwalnianie energii zmagazynowanej w elektronach NADH i FADH₂. Komórka może wykorzystać większość energii przenoszonych elektronów dzięki posiadaniu białek, które potrafią pompować protony z na koszt transportowanych przez siebie elektronów. Energia uwalniana podczas transportu elektronów przez poszczególne kompleksy oddechowe służy do przemieszczania H⁺ w poprzek błony do przestrzeni międzybłonowej. W rezultacie korzystny energetycznie przepływ elektronów wypompowuje protony z matriks do przestrzeni międzybłonowej tworząc elektrochemiczny gradient protonowy w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Aktywne pompowanie protonów wytwarza gradient stężenia protonów (gradient pH, stężenie protonów w matriks jest ok. 10 razy mniejsze niż w przestrzeni międzybłonowej) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej oraz tworzy potencjał błonowy ( różnicę w rozmieszczeniu ładunków elektrycznych po dwóch stronach błony). Gradient pH i potencjał błonowy w wewnętrznej błonie mitochondrialnej mają ten sam kierunek i razem tworzą silny elektrochemiczny gradient protonowy, który stwarza bardzo korzystne warunki dla wejścia H+ z powrotem do matriks mitochondrialnej. Jednak wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla jonów i protony mogą przez nią przechodzić tylko w określonych miejscach, gdzie znajdują się dla nich kanały. Gradient jonowy wytworzony w poprzek błony jest formą magazynowania energii; energia ta może być wykorzystana do pracy użytecznej gdy jony mają możliwość przepływania przez błonę, zgodnie z ich gradientem elektrochemicznym.

Elektrochemiczny gradient protonowy wytworzony w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej jest używany w procesie fosforylacji oksydacyjnej do napędzania syntezy ATP. Działanie tego mechanizmu jest możliwe dzięki dużemu, związanemu z błoną enzymowi zwanemu syntazą ATP. Jest to duże białko składające się z kilku podjednostek. Wystająca z wewnętrznej błony w kierunku matriks duża część enzymu kształtem przypominająca główkę lizaka ( CF₁), jest przymocowana do transbłonowego kanału dla protonów (CF₀)za pomocą zbudowanego z wielu podjednostek „trzonka”. Enzym tworzy hydrofilową drogę w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, co pozwala na przepływ protonów zgodnie z ich gradientem stężeń. Energia strumienia przepływających protonów zostaje użyta przez katalityczną część syntazy do syntezy ATP z ADP i P_i . Syntaza ATP spełnia rolę turbiny, która umożliwia gradientowi protonowemu napędzanie produkcji ATP. Elektrochemiczny gradient protonowy jest wykorzystywany nie tylko do syntezy ATP, napędza również aktywny transport metabolitów pomiędzy matriks mitochondrialną a cytoplazmą

Zaproponowaną po raz pierwszy w latach 60. hipotezę zakładającą związek między transportem elektronów, pompowaniem protonów i syntezą ATP nazwano sprzężeniem chemiosmotycznym, ze względu na współdziałanie reakcji tworzących wiązania chemiczne podczas syntezy ATP ( „chemi”) z procesami transportu przez błony („osmotyczna” od greckiego osmos, tzn. „pchać”). Mechanizmy sprzężenia chemiosmotycznego są powszechne, a ich rodowód jest bardzo stary. Wykorzystują go zarówno bakterie jak i rośliny oraz zwierzęta.

Związki wysokoenergetyczne

Podstawowym związkiem wysokoenergetycznym w komórce jest ATP. ATP tworzy się głównie podczas fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, oraz w czasie fosforylacji substratowej (jak w glikolizie) i fosforylacji fotosyntetycznej w chloroplastach. Tworzenie ATP mitochondrialnego sprzężone jest z przemieszczaniem elektronów z cyklu Krebsa, mających wysoką energię, na kolejne akceptory elektronów. ATP powstały w łańcuchu oddechowym jest głównym źródłem dostępnej energii u wszystkich heterotrofów. W procesie glikolizy jedna cząsteczka glukozy dostarcza 2 cząsteczki ATP netto zaś podczas utlenienia jednej cząsteczki glukozy poczynając od glikolizy i kończąc na fosforylacji oksydacyjnej zysk netto wynosi ok. 30 cząsteczek ATP. Energia ta niezbędna jest do licznych procesów syntezy różnych substancji komórkowych, ruchu cytoplazmy, transportu, utrzymania organizacji złożonej struktury, regulacji hormonalnej. U zwierząt nakładu energii wymaga dodatkowo przewodnictwo w układzie nerwowym, praca mięśni, zjawiska bioluminescencji i inne. Dlaczego przemiany w komórce przebiegają tak złożonymi drogami? Utlenianie cukrów do CO₂ i wody z pewnością mogłoby przebiegać prościej z wykluczeniem cyklu kwasu cytrynowego i wielu etapów łańcucha oddechowego. Byłoby to jednak katastrofalne w skutkach dla komórki. Ogromna ilość energii swobodnej uzyskiwana podczas oddychania może być skutecznie wykorzystana tylko w małych porcjach. W skład szlaków utleniania biologicznego wchodzi wiele intermediatów, z których każdy niewiele różni się od poprzednika. Wskutek tego uwolniona energia zostaje rozłożona na porcje, które za pomocą reakcji sprzężonych mogą być skutecznie zamienione w wysokoenergetyczne wiązania takich cząsteczek, jak ATP i NADPH.

INNE FUNKCJE

1.Tworzenie acetylo-CoA i utrzymanie jego poziomu w komórce. W wyniku utleniania pirogronianu i b-oksydacji kwasów tłuszczowych powstają znaczne ilości acetylo-CoA. Związek ten jest kluczowy dla wielu procesów metabolicznych np. w cyklu krebsa w mitochondriach.

2. Synteza, rozkład i przemiany aminokwasów takie jak transaminacja, deaminacja, dekarboksylacja a także wymiana ich z cytoplazmą.

3. Współudział z glioksysomami w glukoneogenezie - w przemianie tłuszczów w cukrowce podczas kiełkowania nasion, w których materiałami zapasowymi są tłuszcze.

STRUKTURA WEWNĘTRZNA A AKTYWNOŚĆ ODDECHOWA

Na podstawie struktury wewnętrznej mitochondrium i jego aktywności oddechowej wyróżniono 6 stanów energetycznych, w tym wyróżnia się 2 skrajne stany (formy) metaboliczne: skondensowaną, charakteryzującą się znacznym zagęszczeniem matriks poprzez jej skurczenie, wywołane wolną energią pochodzącą bezpośrednio z łańcucha transportu elektronów. Przestrzenie wewnątrzgrzebieniowe (międzybłonowe) takich mitochondriów są poszerzone, przestrzeń wewnętrzna (matriks) jest obkurczona. Takie mitochondria zawierają mało ATP (ATP jest zużywany - defosforylowany do ADP) i występują w komórkach o wysokim poziomie oddychania. Przeciwstawną formą jest forma ortodoksyjna charakteryzująca się zwężoną przestrzenią wewnątrzgrzebieniową (międzybłonową) i dużą ilością jasnej (na zdjęciach z mikroskopu elektronowego) matriks. W stanie tym dochodzi do silnej energizacji błon przez silny przepływ elektronów, ADP jest fosforylowany do ATP. Mitochondria takie będą występowały w komórkach o zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię i małym zużyciu tlenu.

POCHODZENIE I POWSTAWANIE MITOCHONDRIÓW

Według hipotezy endosymbiozy mitochondria powstały w ewolucji z bakteryjnych endosymbiontów (prawdopodobnie bakterie ၡ-purpurowe) stopniowo integrowanych w komórkę gospodarza, która dostarczyła genom jądrowy, co miało miejsce prawdopodobnie 1mld lat temu. Wskazuje na to wiele podobieństw bakterii do mitochondriów: struktura genomu, rRNA, struktura genów kodujących białka transformujące energię, złożoność funkcjonalna. Zgodnie z tą hipotezą błona zewnętrzna mitochondriów jest ewolucyjnie błoną fagosomu, czyli pochodną błony komórkowej, zaś błona wewnętrzna reprezentuje błonę bakterii. Sfagocytowane bakterie- premitochondria- utraciły w czasie ewolucji komórek eukariotycznych większość swoich genów na rzecz gospodarza, zostały one wbudowane w genom komórki eukariotycznej.

Mitochondria, podobnie jak plastydy, pozostają w komórce półautonomiczne, zachowują odrębny genom ulegający replikacji i ekspresji, ale nie są zdolne do samodzielnego funkcjonowania. W komórkach eukariotycznych mitochondria namnażają się przez podział lub rzadziej pączkowanie

Aparat fotosyntetyczny Prokariota (bakterii i sinic) oraz glonów

Niektóre bakterie są autotrofami, ponieważ potrafią same wytwarzać związki organiczne na drodze foto- lub chemosyntezy. Chemoautotrofy wytwarzają związki organiczne z prostych związków nieorganicznych kosztem energii uzyskanej z utleniania substancji nieorganicznych, np. amoniaku, związków siarki, związków żelaza lub cząsteczkowego wodoru. Fotoautotrofy energię uzyskują ze światła. Istnieje pięć grup bakterii fotosyntetyzujących: sinice, zielone bakterie siarkowe, purpurowe bakterie siarkowe, zielone bakterie bezsiarkowe i purpurowe bakterie bezsiarkowe.

Fotosyntetyzujące prokariota nie posiadają odrębnych organelli komórkowych wyspecjalizowanych w przeprowadzaniu fotosyntezy, chociaż sam przebieg tego procesu jest bardzo podobny jak u roślin. Reakcje świetlne fotosyntezy zachodzą w systemie błon wewnętrznych, często powiązanych z plazmolemą, które zawierają zestawy barwników uczestniczących w pochłanianiu kwantów energii świetlnej, natomiast faza ciemna fotosyntezy przebiega w cytoplazmie podstawowej komórki.

Bakterie fotosyntetyzujące posiadają różnej wielkości i różnego kształtu struktury błoniaste położone w cytoplazmie komórki lub związane z plazmolemą. Struktury te, ze względu na zawarte w nich barwniki asymilacyjne, określa się czasem jako chromatofory (u bakterii purpurowych i siarkowych) lub jako tylakoidy ( sinice), bakterie zielone mają natomiast chlorosomy - błoniaste struktury uformowane w rurki zawieszone w cytoplazmie komórki. Chlorofil bakteryjny (bakteriochlorofil a, b, c, d, lub e), specyficzny dla różnych gatunków bakterii ma inne widmo absorpcji w porównaniu z chlorofilem glonów czy roślin wyższych. Najsilniej absorbuje on światło w części widma bliskiej podczerwieni, co pozwala bakteriom przeprowadzać fotosyntezę w świetle czerwonym, które ludzkim oczom wydaje się bardzo przyćmione lub prawie czarne. Dodatkowymi barwnikami fotosyntetycznymi u bakterii są karotenoidy np. chlorobakten, spirylloksantyna. Oprócz innych barwników uczestniczących w absorpcji światła, fotosynteza u bakterii ( za wyjątkiem sinic) różni się od fotosyntezy roślin wyższych i glonów brakiem wydzielania tlenu, gdyż nie zachodzi tu fotoliza wody. Donorem wodoru są proste związki nieorganiczne (np. H₂S ), zaś fotoreduktorem jest NAD a nie NADP.

U sinic występują pojedyncze tylakoidy mogące tworzyć najbardziej różnorodne układy. Układ tylakoidów jest zazwyczaj charakterystyczny dla gatunku. Sinice wykorzystują do fotosyntezy CO₂ i H₂O (fotoliza wody). Barwnikami fotosyntetycznymi są: chlorofil a ( występujący również u glonów i roślin wyższych) i ၢ-karoten a ponadto charakterystyczne dla sinic: fikobilina, fikocyjanina, allofikocyjanina i fikoerytryna. Barwniki fikobilinowe, nadające sinicom zabarwienie, skupione są w fikobilisomach przytwierdzonych do zewnętrznej powierzchni tylakoidów. Fikobilisomy są to ziarnistości zbudowane z białek i barwników fikobilinowych, które uczestniczą w absorpcji kwantów świetlnych i przekazywaniu energii stanu wzbudzonego na cząsteczkę chlorofilu fotoukładu II (PSII)

Glony, które są organizmami eukariotycznymi, posiadają wyspecjalizowane w przeprowadzaniu fotosyntezy, otoczone podwójną błoną struktury - chloroplasty, o kształtach i wielkości bardziej zróżnicowanych niż u roślin wyższych. W komórce glonu może występować od jednego dużego chloroplastu do kilkudziesięciu drobnych. Spotyka się wśród nich chloroplasty o kształtach wstęgowatych (Spirogyra), pojedynczych kubków (Chlamydomonas) lub gwiaździstych (Zygnema).

Od cytoplazmy chloroplasty glonów oddziela otoczka plastydowa zbudowana z dwóch błon, chociaż często są one otoczone dodatkowymi błonami, tzw. chloroplastową siateczką sródplazmatyczną. Wnętrze chloroplastu wypełnia stroma, zawierająca większość enzymów niezbędnych w procesie fotosyntezy, w której zawieszone są tylakoidy. Tylakoid to rodzaj spłaszczonego pęcherzyka otoczonego pojedynczą błoną białkowo-lipidową zawierającą barwniki fotosyntetyczne. Tylakoidy u glonów nie są zróżnicowane na tylakoidy gran i stromy, są one najczęściej pojedyncze i mogą tworzyć różne układy. Niekiedy tylakoidy mogą się na siebie nakładać tworząc stosy przypominające grana (zwłaszcza u zielenic, gdzie mogą występować nawet intergrana). Nie są to jednak typowe grana, takie jak występują u roślin wyższych, dlatego nazywane są pseudogranami. Na powierzchni tylakoidów, podobnie jak u sinic, mogą występować fikobilisomy ( głównie u krasnorostów).

Składnikiem charakterystycznym dla chloroplastów wielu glonów są pirenoidy - gęste ciałka o jednorodnej matriks utworzonej z białka o aktywności karboksylazy rybulozo 1,5-dwufosforanowej oraz kilku innych enzymów cyklu Calvina. Przez pirenoid mogą przechodzić tylakoidy. Wokół pirenoidów gromadzona jest skrobia, u okrzemek i brunatnic mogą być gromadzone tłuszcze.

Barwniki fotosyntetyczne glonów są bardzo zróżnicowane i często charakterystyczne dla danej grupy glonów. Najczęściej występują chlorofile: a, c, d, e; ၢ-karoten, fikobiliny, fukoksantyna, wioloksantyna.

Plastydy roślin wyższych

Terminem plastydy określa się dużą grupę organelli komórkowych, charakterystycznych dla komórek roślin wyższych, o zbliżonej budowie i bardzo zróżnicowanych funkcjach. Na podstawie funkcji, jaką pełnią w komórce oraz zawartości barwników plastydy dzieli się na: proplastydy, etioplasty, chloroplasty, leukoplasty, amyloplasty, proteoplasty, elajoplasty oraz chromoplasty. Poszczególne typy plastydów pełnią w komórce różne, wyspecjalizowane funkcje, jednak ich specjalizacja strukturalno-funkcjonalna nie jest nieodwracalna. Organella te charakteryzują się dużą plastycznością, a mianowicie poszczególne typy plastydów mogą w określonych warunkach przekształcać się w inny typ, i stąd nazwa plastydy. Pomimo różnic w budowie i funkcjonowaniu poszczególnych rodzajów plastydów, struktury te posiadają pewne cechy wspólne:

1. Od cytoplazmy oddziela je otoczka plastydowa, w skład której wchodzą dwie błony różniące się między sobą składem chemicznym i właściwościami fizycznymi. Właściwości półprzepuszczalne wykazuje tylko błona wewnętrzna, podczas gdy błona zewnętrzna jest przepuszczalna tylko dla związków drobnocząsteczkowych. Dominującym lipidem w błonie wewnętrznej jest monogalaktozylodiacyloglicerol, podczas gdy w błonie zewnętrznej - fosfatydylocholina. Na wewnętrznej błonie wykryto enzymy uczestniczące w syntezie kwasów tłuszczowych i galaktolipidów oraz śladowe ilości karotenoidów, głównie wiolaksantyny, natomiast sterole chloroplastowe wykryto tylko w błonie zewnętrznej. W błonie wewnętrznej zlokalizowane są różne przenośniki, które uczestniczą w wymianie substancji pomiędzy stromą a cytoplazmą. Wymiana substancji odbywa się na drodze dyfuzji ( głównie jony nieorganiczne ) albo przy udziale specyficznych przenośników (białek zlokalizowanych w wewnętrznej błonie otoczki). Błony otoczki uczestniczą aktywnie w transporcie białek plastydowych syntetyzowanych na rybosomach cytoplazmatycznych. Na powierzchni osłonki występują receptory określonych polipeptydów, które równocześnie współuczestniczą w transporcie tych polipeptydów do wnętrza plastydów. Większość białek chloroplastowych dostaje się do chloroplastów w formie prekursorowej; zmiany potranslacyjne, polegające na usuwaniu odcinków sygnałowych, zachodzą już w obrębie chloroplastu. Transport białek odbywa się w obecności ATP jako źródła energii. W pewnych miejscach obie błony otoczki stykają się ze sobą (miejsca adhezji), co zapewne ułatwia wymianę niektórych składników pomiędzy błonami.

2. Wnętrze plastydów wypełnia stroma, która jest roztworem wieloskładnikowym . Na elektronogramach wykazuje ona strukturę ziarnistą. Na terenie stromy można wyróżnić rybosomy, ziarna skrobi asymilacyjnej oraz plastoglobule, w których magazynowane są znaczne ilości lipidów, zwłaszcza chinonów.

Głównym składnikiem białek stromy jest karboksylaza/oksygenaza rybulozo- 1,5- bifosforanu. W stromie znajdują się także inne enzymy cyklu Calvina- Bensona oraz enzymy uczestniczące w metabolizmie węglowodanów, syntezie aminokwasów i białek, transkrypcji, syntezie wielu lipidów i poliprenoli oraz porfiryn. Poza tym na teranie stromy występują metabolity pośrednie wspomnianych szlaków przemian metabolicznych, kwasy nukleinowe oraz jony nieorganiczne.

3. Na terenie stromy plastydów występują: plastydowy DNA, różne formy RNA, rybosomy oraz enzymy uczestniczące w plastydowej transkrypcji, translacji i replikacji.

Pt-DNA - w każdym chloroplaście roślin wyższych znajduje się 20 - 60 identycznych cząsteczek kolistego DNA, którego nić ma długość 43 - 46 ၭm i zbudowana z ok. 120000 - 160000 par zasad. Na nici chloroplastowego DNA zlokalizowano geny kodujące chloroplastowy rRNA, różne rodzaje tRNA oraz ok. 120 różnych białek, w tym 28 związanych z procesami fotosyntezy, m.in. dużą podjednostkę karboksylazy/oksygenazy rybulozo-1,5-bifosforanu, trzy podjednostki CF₁, trzy podjednostki CF₀, trzy białka wchodzące w skład PS I, jedenaście białek PS II i trzy peptydy tworzące kompleks cyt.b₆/f. Chloroplastowy chromosom zawiera również wszystkie geny kodujące rybosomowy RNA, tRNA (~30), oraz białka rybosomowe i białka związane z procesami transkrypcji i translacji RNA.

Plastydowy DNA różni się pod niektórymi względami od jądrowego DNA, m.in. nie zawiera 5- metylocytozyny, pozbawiony jest histonów, a jego cząsteczka jest kolista (zamknięta), tak jak DNA Prokariota. Replikacja pt-DNA odbywa się przy udziale odpowiedniej polimerazy podobnie jak w jądrze. Plastydowe polimerazy RNA są odpowiedzialne za syntezę RNA na matrycy plastydowego DNA. Proces translacji odbywa się na plastydowych rybosomach typu 70 S, podobnie jak w komórkach prokariontów. Również czynniki inicjacji, elongacji i terminacji łańcuchów peptydowych przypominają swoimi cechami czynniki występujące w komórkach prokariontów.

Choć ilość DNA w plastydzie wystarcza na zakodowanie informacji o strukturze ok. 100 polipeptydów o przeciętnej masie 20 kD, to tylko mała część białek plastydowych jest kodowana i syntetyzowana na miejscu. Duża część jest syntetyzowana na rybosomach cytoplazmatycznych (80S) na podstawie informacji genetycznej zawartej w DNA jądrowym. Dlatego też plastydy określa się mianem organelli półautonomicznych (częściowo autonomicznych), gdyż pomimo tego, że posiadają własny, odrębny od jądrowego materiał genetyczny i aparat do jego replikacji, transkrypcji i translacji, to jednak większość białek budujących plastydy kodowana jest na DNA jądrowym i syntetyzowana na rybosomach cytoplazmatycznych.

Rybosomy plastydowe są typu 70S (takie jak prokariotyczne) i występują w postaci monomerów i polimerów (di- do oktamerów). Mogą być w stanie wolnym i związanym z błonami - w chloroplastach w stosunku 1:1. Prawdopodobnie tak jak w cytoplazmie, związanie polisomów z błonami warunkuje w jakiś sposób jakość syntetyzowanego białka. W rybosomach plastydowych rRNA jest podobny jak u Prokariota, tj. o stałej sedymentacji 16S i 23S. Białka rybosomalne plastydów syntetyzowane są w cytoplazmie i w plastydach. Syntezę białek odbywającą się przy udziale rybosomów plastydowych można hamować tymi samymi antybiotykami co syntezą białek organizmów prokariotycznych (chloramfenikol, streptomycyna)

Plastoglobule - występują we wszystkich typach plastydów, lecz ich wielkość i liczba może być różna. Zlokalizowane są w matriks, względnie w ciałach prolamellarnych w postaci kulistych, osmofilnych (na elektonogramach czarne duże kropki) nieobłonionych ciał. Ich głównymi składnikami są lipofilne plastochinony: plastochinon 45, plastohydrochinon, ၡ-tokoferol, ၡ-tokochinon małe ilości witaminy K oraz karotenoidy. Poszczególne składniki plastoglobul służą w czasie rozwoju plastydów do rozwoju ich aparatu fotosyntetycznego. Pastoglobule nagromadzają się też w degenerujących chloroplastach, magazynując składniki pochodzące z rozpadu błon tylakoidów.

Fitoferrytyna - jest kompleksem żelaza z białkiem stanowiąc nietoksyczną zapasową formę żelaza w komórce roślinnej. W plastydowej matriks fitoferrytyna występuje w postaci: gęstych i amorficznych agregatów, krystalicznych inkluzji oraz układów parakrystalicznych. Żelazo wchodzi w skład cytochromów i ferredoksyny a jego niedobór objawia się zahamowaniem fotosyntezy i zmianami barwy liści. Fitoferrytyna występuje głównie w proplastydach i etioplastach służąc do rozbudowy aparatu fotosyntetycznego.

4. Wszystkie plastydy nie powstają de novo, ale zawsze z podobnych sobie struktur. Zawiązki plastydów, w postaci proplastydów, przekazywane są z pokolenia na pokolenie przez komórkę jajową, a czasami i plemnik. Zwiększanie liczebności plastydów następuje przez podział plastydów już istniejących.

CHLOROPLASTY

Są to plastydy o zabarwieniu zielonym, które zawierają zielony barwnik chlorofil. Jest to jedyny typ plastydów zdolny do przeprowadzania fotosyntezy. U roślin wyższych, w każdej komórce miękiszu asymilacyjnego występuje 20 - 100 chloroplastów dyskowatego, soczewkowatego kształtu, o większej średnicy wynoszącej 4 - 7ၭm. Umiejscowione są tuż pod błoną komórkową, w cienkiej warstwie cytoplazmy, a ich położenie w komórce jest zmienne, zależne od natężenia promieniowania świetlnego i kierunku padania promieni.

Chloroplasty w swojej budowie posiadają elementy wspólne dla wszystkich plastydów a ich cechą charakterystyczną jest bardzo rozbudowany system błon wewnętrznych, zwany systemem lamellarnym, zawieszony w stromie. U roślin wyższych jest on zróżnicowany na lamelle gran i lamelle stromy. Podstawową jednostką tego systemu jest tylakoid, czyli rodzaj pęcherzyka lub dysku, który może występować tylko w obrębie granum (tylakoidy granowe) lub granum i stromy (tylakoidy stromy).

Błony tworzące tylakoidy zbudowane są zgodnie z ogólnym modelem błony biologicznej, tzn. globule białek integralnych o charakterze hydrofobowym lub amfipatycznym są zanurzone w podwójnej warstwie lipidowej, a na powierzchni znajdują się białka powierzchniowe o charakterze hydrofilnym. Dominującym składnikiem błon tylakoidów są białka, pełniące wiele rozmaitych funkcji. Do typowych białek powierzchniowych należy zaliczyć CF₁, plastocyjaninę (Cu- proteina) i częściowo ferredoksyny, czyli białka zawierające niehemowe żelazo i kwasolabilną siarkę. Lipidy tylakoidów stanowią 35-40% ich składu i są to głównie fosfolipidy (fosfatydyloglicerol, fosfatydylocholina, fosfatydyloinozytol, fosfatydyloetanoloamina), galaktolipidy oraz sulfolipidy. Dominującą grupą lipidów w błonach tylakoidów są galaktolipidy, które stanowią około 75%. Należą do nich monogalaktozylodiacyloglicerol i digalaktozylodiacyloglicerol. We frakcji lipidowej wykryto również takie składniki jak: plastochinon, ၡ-tokoferol, witaminę K i śladowe ilości steroli. Główną cechą lipidów chloroplastów, wyróżniającą je od pozostałych lipidów błon komórki, jest wysoki stopień nienasycenia ich kwasów tłuszczowych. Cecha ta, jak również znikoma ilość steroli sprawia, że błony tylakoidów należą do najbardziej płynnych spośród znanych błon biologicznych. Odgrywa to ważną rolę, ułatwiając przemieszczanie się agregatów białkowych w płaszczyźnie bocznej błony.

Charakterystycznym składnikiem błon tylakoidów są barwniki fotosyntetyczne, które są wbudowane w dwuwarstwę lipidową w postaci kompleksów z białkami integralnymi. Najbardziej powszechnym barwnikiem jest chlorofil, występujący w dwóch podstawowych odmianach a i b ( istnieją inne odmiany oznaczane literami od a do g). Ponadto występują barwniki pomocnicze, do których zalicza się karotenoidy - pomarańczowoczerwone karoteny oraz żółte i żółtopomarańczowe ksantofile. U glonów występują dodatkowo brunatna fukoksantyna oraz barwniki fikobilinowe, czerwona fikoerytryna i niebieska fikocyjanina. Barwniki fotosyntetyczne są umiejscowione w konkretnych strukturach i w określonym porządku. Dzięki temu komórki organizmów samożywnych są wyposażone w aparat zdolny do absorpcji światła słonecznego w zakresie całego widzialnego spektrum od 400 do 700 nm długości fali.

Chlorofil jest zbudowany z pięciopierścieniowej feoporfiryny, pochodnej porfiryny, w której centrum atomy azotu wiążą się z jonem Mg²⁺. Do feoporfiryny dołączony jest 20-węlowy alkohol - fitol. Hydrofobowy łańcuch fitolu nie uczestniczy w absorpcji światła, jego funkcja polega na kotwiczeniu cząsteczki chlorofilu w błonie.

Karotenoidy ( terpenoidy) i fikobiliny (zbudowane z 4 pierścieni pirolowych połączonych w układ liniowy, nie zawierają fitolu i magnezu) mają nieco inny zakres absorpcji światła niż chlorofil. Mogą one absorbować światło w zakresie nie pochłanianym przez chlorofil i następnie przekazywać energię stanu wzbudzonego na cząsteczkę chlorofilu, spełniając funkcję anteny. Karotenoidy pełnią ponadto funkcję ochronną w błonach fotosyntetycznych. Zabezpieczają one nienasycone kwasy tłuszczowe lipidów błon przed fotooksydacją

Chloroplasty i fotosynteza

Na świetle chloroplasty fotosyntetyzują wytwarza­jąc wówczas ATP i NADPH, które następnie — również wewnątrz tej organelli — są wykorzystywane do przekształcenia CO₂ w cukry. Te z kolei są eksportowane do cytozolu, gdzie służą jako źródło energii do syntezy ATP oraz jako substraty do wielu innych, koniecznych do życia komórki roślinnej, cząsteczek organicznych. Cukier jest także eksportowany do wszystkich tych komórek, które są pozbawione chloroplastów. Podobnie jak w przypadku komórek zwierzęcych, większość ATP występującego w cytozolu komórek roślinnych powstaje w mitochondriach w wyniku utleniania cukrów i tłuszczów.

Chloroplasty, podobnie jak mitochondria, przekształcają energię wykorzy­stując do tego celu gradient protonów i są zorganizowane według podobnego schematu jak mitochondria.

Istotną różnicą w organizacji wewnętrznej między mitochon­drium a chloroplastem jest to, że błona wewnętrzna otoczki chloroplastowej nie zawiera łańcucha transportu elektronów, a systemy zbierające energię świetlną, łańcuchy transportu elektronów oraz syntaza ATP znaj­dują się w błonie tylakoidowej — trzeciej błonie budującej system spłasz­czonych cystern zwanych tylakoidami. Tworzą one stosy, a przestrzeń wewnątrz każdego tylakoidu jest połączona z analogicznymi przestrzeniami innych tylakoidów, dlatego jest definiowana jako trzeci, wewnętrzny przedział, oddzielony od stromy błoną tylakoidu.

Reakcje, które zachodzą podczas fotosyntezy u roślin, można pogrupować w dwie główne kategorie.

1. W reakcjach fotosyntetycznego transportu elektronów (zwanych także reakcjami świetlnymi) energia światła słonecznego aktywuje (wzbu­dza) elektron w chlorofilu, umożliwiając ruch elektronu wzdłuż łańcucha transportu elektro­nów w błonie tylakoidu, podobnie jak wówczas, gdy elektron prze­mieszcza się wzdłuż łańcucha oddechowego w mitochondriach. Chlorofil uzyskuje swoje elektrony z wody (H₂O), dzięki czemu ja­ko produkt uboczny jest wydzielany O₂. Podczas transportu elektro­nu, ze stromy do wnętrza tylakoidu jest pompowany H⁺, co powo­duje powstanie elektrochemicznego gradientu stężenia protonów, stanowiącego siłę napędową do syntezy ATP w stromie. W końco­wym etapie tej serii reakcji elektrony o wysokiej energii (razem z H⁺) są przekazywane na NADP⁺, przekształcając go w NADPH.

2. W reakcjach wiązania węgla (zwanych także reakcjami ciemnymi) ATP i NADPH wytworzone w reakcjach fotosyntetycznego trans­portu elektronów służą odpowiednio jako źródło energii i siła re­dukcyjna do przekształcenia CO₂ w węglowodany. Reakcje wiązania węgla, które biorą początek w stromie chloroplastu i dalej biegną w cytoplazmie, wytwarzają sacharozę i wiele innych związków organicz­nych w liściach. Sacharoza jest eksportowana do innych tkanek za­równo jako źródło szkieletów węglowych (związków organicznych), jak i źródło energii niezbędnej do wzrostu rośliny.

Cząsteczki wzbudzonego chlorofilu skierowują energię do centrum reakcji

Światło widzialne jest formą promieniowania elektromagnetycznego zło­żonego z wielu fal o różnej długości, których zakres rozciąga się od fiole­tu (długość fali 400 nm) do dalekiej czerwieni (700 nm). Różny kolor światła jest wywołany przez fotony o różnej energii, przy czym światłu o większej długości fali odpowiada niższa energia. Tak więc fotony świa­tła czerwonego mają niższą energię niż fotony światła zielonego.

Kiedy światło słoneczne jest absorbowane przez cząsteczkę zielonego barwnika chlorofilu, wtedy jego elektrony wchodzą w interakcję z foto­nami światła i są przenoszone na wyższy poziom energetyczny. Elektrony w obszernej sieci występujących na przemian pojedynczych i podwójnych wiązań cząsteczki chlorofilu najsilniej absorbują światło czer­wone.

Wyizolowana cząsteczka chlorofilu jest niezdolna do przekształcania zaadsorbowanego światła w formę energii użyteczną dla układów żywych. Jest do tego zdolna jedynie wówczas, gdy jest związana (skompleksowana) z wła­ściwymi białkami i występuje jako integralny składnik błony. W roślinnych błonach tylakoidowych i w błonach fotosyntetyzujących bakterii, chlorofile absorbujące energię świetlną wchodzą w skład dużych i złożonych z wielu białek kompleksów zwanych fotosystemami. Część antenowa fotosystemu składa się z setek cząsteczek chlorofilu zbierających energię świetlną w po­staci wzbudzonych (obdarzonych wysoką energią) elektronów. Chlorofile te są usytuowane w taki sposób, że energia wzbudzenia elektronowego może przechodzić z jednej cząsteczki chlorofilu na inną tak, by ostatecznie zostać przekazana do przyległego, błonowego kompleksu białkowego — centrum reakcji. Tam energia ta jest wykorzystywana do wzbudzenia jednego elektro­nu w specjalnej parze cząsteczek chlorofilu a.

Centrum reakcji jest kompleksem transbłonowych białek i barwników organicznych stanowiącym serce fotosyntezy. Uważa się, że wykształciło się ono ponad 3,5 miliarda lat temu u prymitywnej bakterii fotosyntetyzującej. Specjalna para cząsteczek chlorofilu a w centrum reakcji działa jak pułapka dla wzbudzonych elektronów, ponieważ chlorofi­le te są usytuowane w taki sposób, aby przekazać elektron o wysokiej energii na dokładnie określoną, sąsiednią cząsteczkę w tym samym kom­pleksie białkowym. Przez szybkie wyprowadzenie wzbudzonego elektronu poza chlorofile, centrum reakcji przenosi go do środowiska, w którym jest on znacznie bardziej stabilny. Tym samym elektron jest dogodnie umiej­scowiony dla dalszych reakcji fotochemicznych, których zakończenie wy­maga więcej czasu. Tak więc cząsteczka chlorofilu znajdująca się w cen­trum reakcji traci elektron i przybiera ładunek dodatni. Chlorofil szybko odzyskuje elektron od przyległego donora i powraca do stanu pierwotnego. Później donor elektronu regeneruje się, uzyskując elektron wybity z wody, a wzbudzenie elektronowe jest przeno­szone na szlak transportu elektronów.

Synteza ATP i NADPH wymaga energii świetlnej

Do produkcji swoich składników ko­mórka potrzebuje nie tylko energii w postaci ATP, lecz także siły reduk­cyjnej w postaci przenośnika wodoru — NADPH. Ponie­waż pierwotną funkcją fotosyntezy jest synteza związków organicznych z CO₂, proces ten wymaga znacznych ilości zarówno ATP, jak i siły reduk­cyjnej. Zapotrzebowanie na siłę redukcyjną jest pokrywane dzięki tworze­niu NADPH z NADP⁺, z wykorzystaniem energii światła słonecznego do przekształcenia cechujących się niską energią elektronów wody w elektro­ny o wysokiej energii NADPH.

Fotosynteza w roślinach i sinicach prowadzi do powstania ATP i NADPH w procesie wymagającym dwóch fotonów światła. ATP jest syn­tetyzowany po absorpcji pierwszego fotonu, natomiast NADPH — drugie­go. Dwa fotosystemy (fotoukłady) pracują w seriach. W ogólnym zarysie wygląda to następująco: energia świetlna jest najpierw absorbowana przez jeden z fotosystemów (fotosystemem II), gdzie jest wykorzystany do wytworzenia elektronu o wysokiej energii, który zostaje przeniesiony poprzez łańcuch transportu elektronów w kierunku kolejnego fotosystemu. W czasie transportu wzdłuż łańcucha elektron napędza pompę protonową w błonie tylakoidu i tworzy gradient protonowy.

Osiągnąwszy kolejny fotosystem na szlaku transportu (fotosystem /), elektron wypełnia dodatnio naładowaną „dziurę" w centrum reakcji wy­tworzoną na skutek wybicia elektronu przez absorpcję drugiego fotonu światła. Ponieważ fotosystem I zaczyna działać na wyższym poziomie energetycznym niż fotosystem II, również kończy działalność na wyższym poziomie i dlatego jest zdolny podnieść elektrony na bardzo wysoki po­ziom niezbędny do przekształcenia NADP⁺ w NADPH.

W opisanym dotąd procesie elektron wybity z cząsteczki chlorofilu w centrum reakcji fotosystemu II zostaje przekazany do NADPH. Ten pierwotny elektron musi zostać zastąpiony innym, aby sys­tem mógł wrócić do stanu podstawowego (nie wzbudzonego). Elektron ten pochodzi z donora elektronu o niskiej energii, którym u roślin i sinic jest woda. Centrum reak­cji fotosystemu II obejmuje enzym rozszczepiający wodę, który przytrzy­muje atomy tlenu dwóch cząsteczek wody przy grupie atomów manganu w cząsteczce białka. W tym czasie enzym ten usuwa elektrony z wody. Służą one do wypełnienia dziury wywołanej wy­biciem elektronów z cząsteczek chlorofilu centrum reakcji przez kwanty światła. Po usunięciu czterech elektronów z dwóch cząsteczek wody (do czego potrzeba czterech fotonów), O₂ ulega uwolnieniu. Proces ten, funk­cjonujący przez miliardy lat, jest źródłem całego O₂ atmosfery ziemskiej.

Wewnątrz tylakoidu gromadzą się protony pochodzące z rozkładu wody oraz protony uwalniane w procesie utleniania plastochinolu przez kompleks cytochromów b₆f. Z kolei w stromie maleje stężenie protonów na skutek zredukowania cząsteczek plastochinonu i NADP⁺ do NADPH. Błona tylakoidów jest nieprzepuszczalna dla protonów i dzięki temu różnice w stężeniach protonów nie mogą się wyrównywać na drodze dyfuzji. Stroma przybiera odczyn zasadowy a wnętrze tylakoidów staje się kwaśne. Gradient protonów powstały w skutek asymetrycznego rozłożenia protonów jest siłą napędową procesu fosforylacji. Zlokalizowana w błonie tylakoidu syntaza ATP wykorzystuje ten gradient jako siłę napędową do syntezy ATP przebiegają­cej w tej części błony tylakoidu, która jest skierowana do stromy. Część CF₀ syntazy ATP tworzy kanał transbłonowy umożliwiający przemieszczanie się protonów z wnętrza tylakoidów do stromy, natomiast część CF₁ (umiejscowione na powierzchni błony) katalizuje tworzenie wysokoenergetycznych wiązań ATP. Fosforylacja fotosyntetyczna, która towarzyszy przemieszczaniu się elektronów z wody do NADP⁺, jest nazywana fosforylacją niecykliczną. Jeżeli natomiast zachodzi potrzeba zwiększenia stężenia ATP w stosunku do NADPH, komórka uruchamia cykliczny transport elektronów, w którym uczestniczy jedynie PS I. Proces ten nazywa się fosforylacją cykliczną, w której powstaje tylko ATP, nie tworzy się natomiast NADPH.

Wiązanie węgla

Atmosferyczny CO₂ ulega kondensacji z pochodną pięciowęglowego cukru rybulozo-1,5-bisfosforanem. Powstaje sześciowęglowy związek pośredni, który po przyłączeniu cząsteczki wody rozpada się na dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu. Ta reakcja, odkryta w 1948 roku, jest katalizowana w stromie chloroplastu przez duży enzym karboksylazę rybulozobisfosforanową (rubisco). Ponieważ enzym ten, w porównaniu z większością innych enzymów, należy do szczególnie wol­no działających (jego aktywność katalityczna wynosi trzy cząsteczki substratu na sekundę, natomiast „typowy" enzym katalizuje w tym czasie 1000 cząsteczek), więc jest potrzebna bardzo duża liczba cząsteczek rubisco. Karboksylaza rybulozobisfosforanowa stanowi często ponad 50% wszystkich białek chloroplastowych i jest powszechnie uważana za najob­ficiej reprezentowane białko w biosferze.

Reakcja wiązania CO₂ jest wysoce egzoergiczna, ale tylko dlatego, że w reakcji tej następuje ciągły dopływ bogatego w energię składnika — rybulozo-l,5-bisfosforanu, do którego jest przyłączana pojedyncza cząsteczka CO₂. Rozbudowany szlak metaboliczny, za pomocą któ­rego składnik ten jest regenerowany, wymaga zarówno ATP, jak i NADPH. Cykl wiązania węgla (inaczej cykl Calvina) jest procesem rozpoczynającym się i kończącym na rybulozo-l,5-bis-fosforanie. Na każde trzy cząsteczki dwutlenku węgla wchodzące do cyklu powstaje jedna nowa cząsteczka aldehydu 3-fosfoglicerynowego — trójwęglowego cukru stanowiącego produkt netto cyklu. Jest on następnie wyko­rzystywany do syntezy wielu innych cukrów i związków organicznych.

W cyklu wiązania węgla są zużywane trzy cząsteczki ATP i dwie czą­steczki NADPH na każdą cząsteczkę CO₂ przekształconą w węglowodan. Tak więc do wytworzenia cząsteczki cukru z CO₂ i H₂O są konieczne za­równo fosforan gromadzący energię w wiązaniach (w postaci ATP), jak i silą redukująca (jako NADPH).

Większość powstałego w chloroplastach aldehydu 3-fosfoglicerynowego jest transportowana do cytoplazmy i jest włączana w szlak glikolityczny, gdzie ulega przekształ­ceniu w pirogronian wykorzystywany w mitochondriach komórki roślinnej do wytwarzania ATP na drodze fosforylacji oksydacyjnej. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest także przekształcany w wiele innych metabolitów, z disacharydem, jakim jest sacharoza, włącznie. Sacharoza jest formą trans­portową cukrowca. W takiej postaci jest on bowiem głównie transporto­wany pomiędzy komórkami roślinnymi, podobnie jak glukoza jest trans­portowana wraz z krwią u zwierząt. Sacharoza wyeksportowana z liści jest dostarczana poprzez wiązki przewodzące do pozostałych organów rośliny.

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy, który pozostaje w chloroplastach, ulega przekształceniu na terenie stromy głównie w skrobię. Synteza skrobi jest regulowana; w czasie fotosyntezy jest wytwarzana i gromadzona na terenie stromy w postaci dużych ziaren. Powstaje ona z fosfoheksoz w sposób następujący:

glukozo- 6-P ႬႾႾႾႾႾႾႮ glukozo- 1-P

glukozo- 1-P + ATP ႬႾႾႾႾႾႾႮ ADP- glukoza +PP_i,

ADP- glukoza + akceptor ႬႾႾႾႾႾႾႮ glukozylo-akcptor + ADP.

Funkcję akceptora pełni łańcuch zbudowany z mniejszej liczby reszt glukozylowych.

Synteza skrobi odbywa się tylko w świetle, gdyż powstający w tych warunkach fosfoglicerynian stymuluje aktywność pirofosforylazy ADP- glukoza. Natomiast w ciemności proces ten jest zahamowany. W ciemności ziarna skrobi ulegają degradacji do związków drobnocząsteczkowych (fosfotriozy, fosfoglicerynian), które są odprowadzane do innych przedziałów komórki lub innych tkanek.

ASYMILACJA DWUTLENKU WĘGLA NA ŚWIETLE

Asymilacja dwutlenku węgla u roślin typu C₃

Do roślin typu C₃ należą gatunki u których pierwotnym akceptorem CO₂ jest rybulozo- 1, 5- bisfosforan, a pierwszymi produktami włączania CO₂ na świetle są związki trójwęglowe (fosfoglicerynian, aldehyd fosfoglicerynowy, fosfodihydroksyaceton ). W asymilacji CO₂ na świetle u roślin C₃ można wyróżnić trzy grupy reakcji enzymatycznych:

1. reakcje związane z wytwarzaniem trioz (aldehyd fosfoglicerynowy, fosfodihydroksyaceton )

2. reakcje odpowiedzialne za odtwarzanie pierwotnego akceptora tzn. rybulozo- 1, 5- bifosforanu,

3. reakcje związane z syntezą glukozy i skrobi asymilacyjnej.

Synteza trioz i odtwarzanie pierwotnego akceptora (cykl Calvina- Bensona ) odbywa się przy udziale wielu enzymów zlokalizowanych w stromie chloroplastu i kosztem dwóch produktów reakcji świetlnych fotosyntezy: NADPH i ATP. Wykazano, że asymilacja 1 cząsteczki CO₂ wiąże się z utlenieniem 2 cząsteczek NADPH i hydrolizą 3 cząsteczek ATP do ADP i fosforanu. W wyniku pobrania 3 cząsteczek CO₂ powstaje 6 fosfotrioz, przy czym 5 służy do odtworzenia akceptora, a tylko jedna jest wykorzystywana do syntezy skrobi asymilacyjnej.

Asymilacja dwutlenku węgla u roślin typu C₄

Roślinami C₄ nazywa się takie gatunki, u których pierwotnymi produktami wiązania CO₂ są związki czterowęglowe (szczawiooctan, asparaginian i jabłczan). U tych roślin funkcję pierwotnego akceptora pełni fosfoenolopirogronian, który ulega karboksylacji przy udziale karboksylazy fosfoenolopirogronianu. U roślin typu C₄ asymilacja CO₂ odbywa się w dwóch etapach rozdzielonych przestrzennie. W pierwszym etapie, zlokalizowanym w chloroplastach mezofilu, zachodzi karboksylacja fosfoenolopirogronianu do szczawiooctanu, który może ulegać enzymatycznej przemianie do asparaginianu lub jabłczanu. Powstałe kwasy czterowęglowe są transportowane do chloroplastów komórek pochwy wokółwiązkowej, gdzie ulegają dekarboksylacji. Uwolniony CO₂ rozpoczyna drugi etap, który przebiega analogicznie jak u roślin typu C₃ (cykl Calvina- Bensona ). W związku z takim przebiegiem asymilacji, u roślin tych występuje zjawisko dimorfizmu chloroplastów. W komórkach mezofilu występują chloroplasty drobne, z bardzo rozbudowanym systemem tylakoidów, w których powstają kwasy czterowęglowe. Nie występuje w nich skrobia ponieważ nie zachodzi tu jej synteza. W komórkach pochwy wokółwiązkowej występują chloroplasty większe, o zredukowanej liczbie gran, zawierające dużo ziaren skrobi, w których zachodzi dekarboksylacja kwasów czterowęglowych a uwolniony CO₂ wchodzi w cykl Calvina- Bensona, w wyniku którego tworzona jest skrobia asymilacyjna.

Asymilacja dwutlenku węgla u roślin kwasowych ( typu C₃- C₄).

Roślinami kwasowymi nazywa się niektóre gatunki gruboszowatych, u których sok wakuoli wykazuje dobowe zmiany kwasowości: w godzinach nocnych zwiększa się zawartość kwasów (spadek wartości pH do ok. 2), natomiast w ciągu dnia poziom kwasów obniża się przeszło 10-krotnie. Rośliny wykazujące tego typu zmiany należą głównie do rodziny Crassulaceae i dlatego nazywa się je często roślinami typu CAM (Crassulaceae Acid Metabolism ). Spadek wartości pH w soku wakuoli w nocy spowodowany jest gromadzeniem się głównie jabłczanu, który powstaje tak jak w komórkach mezofilowych roślin C₄, tzn. w ciemności zachodzi karboksylacja fosfoenolopirogronianu do szczawiooctanu, zaś w ciągu dnia dekarboksylacja a uwolniony CO₂ zostaje wykorzystany w cyklu Calvina- Bensona.

U roślin typu CAM włączanie CO₂ przebiega więc podobnie, jak u roślin C₄. Różnica polega na tym, że u roślin C₄ dwa etapy asymilacji rozdzielone są przestrzennie w obrębie blaszki liściowej, natomiast w roślinach te dwa etapy są rozdzielone czasowo: pierwszy przebiega w nocy, natomiast drugi - w dzień. Jest to wynik ewolucyjnego przystosowania się roślin gruboszowatych do kserotermicznych warunków; w godzinach nocnych aparaty szparkowe mogą pozostać otwarte (większa względna wilgotność powietrza), co sprzyja pobieraniu CO₂ z zewnątrz, natomiast w dzień uwalnianie CO₂ w procesie dekarboksylacji umożliwia przebieg fotosyntezy przy zahamowanym dopływie CO₂ z zewnątrz na skutek zamykania się aparatów szparkowych (w warunkach suchych aparaty szparkowe są zamknięte).

PROPLASTYDY

Proplastydy są to drobne, bezbarwne plastydy występujące tylko w tkance merystematycznej, które zapewniają ciągłość tych organelli z pokolenia na pokolenie oraz są prekursorami innych form plastydów w różnicującej się komórce. Podczas przekształcania się komórek merystematycznych w komórki dojrzałe, z proplastydów wykształcają się pozostałe typy plastydów występujące w tkankach stałych.

Najmłodsze formy proplastydów (inicjalne) są trudne do odróżnienia od promitochondriów, ponieważ są do nich bardzo zbliżone budową. Kształty proplastydów na przekrojach mogą być bardzo różne: od kolistych, elipsoidalnych do rozgałęzionych i pierścieniowatych. Składają się z otoczki oraz mało zróżnicowanej matriks a ich średnica wynosi 0,5 - 2,0 ၭm. U nieco starszych form proplastydów można wyróżnić rybosomy, obszary nukleoidopodobne, drobne spłaszczone pęcherzyki, ziarna skrobi, plastoglobule i fitoferrytynę. Proplastydy mają bardzo słabo rozwinięty system błon wewnętrznych, na który składają się pojedyncze inwaginacje (wpuklenia) wewnętrznej błony otoczki, drobne pęcherzyki będące prekursorami tylakoidów oraz rurkowate struktury przypominające na przekroju mikrotubule.

ETIOPLASTY

Etioplasty to plastydy o zabarwieniu żółtym, Stanowią przejściowe stadium rozwoju chloroplastów występujące wtedy, gdy tworzenie się chloroplastów z proplastydów jest przerwane brakiem światła. Występują więc np. w liściach etiolowanych roślin. Oprócz wszystkich składników, które występują w proplastydach, szczególnym elementem etioplastów jest ciało prolamellarne zawierające materiał budujący błony, jak również żółty barwnik protochlorofilid będący prekursorem chlorofilu. Ciało prolamellarne tworzy się z pęcherzyków odsznurowujących się od wewnętrznej błony otoczki i ma ostatecznie budowę krystaliczną, w której wyróżnić można pewne powtarzające się elementy - węzły zespolone w system tubul. Opisano dwa rodzaje podstawowych elementów budujących ciało prolamellarne: 1) sześcioramienną jednostkę tubularną i 2) czteroramienną jednostkę tubularną.

Dojrzałe etioplasty już po 2 godzinach oświetlania wiążą CO₂ i wydzielają O₂, natomiast młode etioplasty wymagają dłuższego oświetlania, do momenty wystąpienia pierwszych objawów aktywności fotosyntetycznej. Okres od wystawienia rośliny etiolowanej na światło do zapoczątkowania przez nią fotosyntezy obfituje w intensywne syntezy, którym towarzyszy przebudowa plastydu. Widoczną zmianą jest rozpad ciała prolamellarnego, który interpretowany jest jako proces odwrotny do jego tworzenia się, a więc przez fragmentacje na pęcherzyki, które spłaszczając się dają tzw. protylakoidy. Rozpad ciała prolamellarnego poprzedzony jest syntezą chlorofilu, która zależy od kompleksu protochlorofilidu z holochromem absorbującym światło. Światło jest więc niezbędnym warunkiem do przekształcenia protochlorofilidu w chlorofilid. Działając na roślinę cytokininami i giberelinami można uzyskać podobny efekt, nie można jednak zastąpić pełnego efektu oświetlenia. Tylko u roślin iglastych i pewnych mszaków przemiana protochlorofilidu w chlorofilid zachodzi w ciemności na drodze wyłącznie enzymatycznej.

LEUKOPLASTY

Do tej klasy plastydów zaliczamy plastydy występujące w tkankach stałych, nie zawierające barwników, o ubogiej strukturze wewnątrzbłoniastej, mające z reguły drobne ziarna skrobi. Takie leukoplasty występują np. w skórce łusek cebuli, w korze pierwotnej łodygi i korzenia. Pewne z nich będą mogły przekształcać się na świetle w chloroplasty (plastydy kory pierwotnej), inne nie (leukoplasty skórki łusek cebuli). Leukoplastami w ścisłym znaczeniu są więc plastydy nie gromadzące znacznych ilości materiałów zapasowych. Są one niewielkie (około 2*m.) i skupione zazwyczaj wokół jądra komórkowego. Wnętrze takiego leukoplastu wypełnia stosunkowo gęsta, w porównaniu do innych plastydów, stroma. Dojrzałe leukoplasty nie zawierają rybosomów, nie są zdolne więc do syntetyzowania białek. Białka leukoplastów są syntetyzowane na terenie cytoplazmy i następnie importowane do leukoplastu. Leukoplasty występują w wielu typach tkanek i komórkach roślinnych m.in. w komórkach kory pierwotnej łodygi i korzenia, epidermie i jej wytworach, gruczołach wydzielających olejki eteryczne i tkankach spichrzowych. Funkcja leukoplastów nie gromadzących materiałów zapasowych jest niejasna. Niekiedy leukoplasty produkują olejki eteryczne (np. w egzokarpie młodych owoców cytrusowych). Olejki te są mieszaninami związków z grupy monoterpenów tj. pochodnych izoprenu. Na terenie stromy leukoplastów może odbywać się synteza kwasów tłuszczowych.

AMYLOPLASTY

Amyloplasty powstają z proplastydów lub z przekształcenia dojrzałych form plastydów. Specjalizują się one w kierunku syntezy skrobi i odkładaniu jej jako zapasowej w postaci ziaren. Ziarna te powstają w wyniku nakładania się kolejnych warstw rozciągających otoczkę plastydu, który osiąga rozmiary przekraczające wielokrotnie jego pierwotną wielkość. Takie amyloplasty - ziarna skrobi występują w organach spichrzowych roślin takich jak bulwy, kłącza, bielmo, liścienie.

Skrobia jest polisacharydem, którego dwucukrowym monomerem jest maltoza hydrolizowana dalej do ၡ-D glukopiranozy. W skrobi występują dwie frakcje:

amylopektyna - 70% zawartości ziarna skrobi, nierozpuszczalna w wodzie, cząsteczki mają rozgałęzienia połączone z głównym łańcuchem wiązaniami (ၡ1Ⴎ6) glikozydowymi, J w KJ (płynem Lugola) wybarwia się na czerwono,

amyloza - 30 % zawartości skrobi, rozpuszczalna w wodzie, łańcuchy długie, proste, nie rozgałęziające się, wiązania glikozydowe typu (ၡ1Ⴎ4), traktowana płynem Lugola barwi się na niebiesko.

Formy morfologiczne ziaren skrobi różnią się kształtem, stopniem złożoności (pojedyncze, złożone), położeniem hilum (ośrodka - koncentryczne, ekscentryczne) i uwarstwieniem, które uwarunkowane jest różną gęstością optyczną zewnętrznej i wewnętrznej części warstwy.

Należy odróżnić pierwotną i wtórną syntezę skrobi oraz efekty tych dwóch procesów: skrobię asymilacyjną (w chloroplastach) od skrobi zapasowej (w amyloplastach).

CHROMOPLASTY

Chromoplasty uważa się za krańcowe stadium metamorfozy plastydów, chociaż niekiedy dojrzałe chromoplasty mogą odróżnicowywać w kierunku aktywnych fotosyntetycznie chloroplastów (n u owoców cytryny pozostających długo na drzewie). Zgromadzone w nich karotenoidy nie pełnią ani funkcji antenowej ani fotoochronnej. Chromoplasty mogą wykształcać się bezpośrednio z proplastydów, leukoplastów czy chloroplastów. Występują m.in. w żółtych liściach, organach związanych z rozmnażaniem, jak płatki okwiatu pełniące dzięki zabarwieniu rolę powabni przy zapylaniu, w owocach. Proces przekształcania się chloroplastów w chromoplasty w żółknących liściach zachodzi stopniowo. Można go również indukować przez odcięcie liści i inkubowanie ich w ciemności w wodzie. Podczas degeneracji chloroplastów obniża się poziom chlorofilu, białka i kwasów nukleinowych (chociaż DNA jest stabilny i występuje w chromoplastach). Tylakiody ulegają rozpadowi, a cały plastyd zmniejsza swoją objętość. Zwiększa się liczba i wielkość struktur kumulujących karotenoidy, które pochodzą z rozpadających się tylakoidów, jak i nowych syntez zachodzących w cytoplazmie przy udziale DNA jądrowego.

Chromoplasty są najbardziej heterogenną grupą plastydów . Na podstawie struktur w których kumulowane są barwniki, wyróżnia się następujące rodzaje chromoplastów:

chromoplasty globularne, które gromadzą karotenoidy w plastoglobulach. Są to chromoplasty najbardziej rozpowszechnione, występują np. w liściach tytoniu, pietruszki, płatkach tulipana,

chromoplasty błoniaste, które gromadzą karatenoidy w strukturach mielinopodobnych (płaskich błonach). Takie plastydy występują np. u narcyza, niektórych odmian dyni, czasem u pomidorów, w epidermie kolb obrazkowatych,

chromoplasty tubularne - karotenoidy zlokalizowane są w wydłużonych, nie rozgałęzionych tubulach, które na przekrojach poprzecznych są kanciaste. Ten typ chromoplastów występuje w owocach papryki i róży oraz płatkach kwiatów ogórka,

chromoplasty siatkowo-tubularne - barwniki występują w delikatnych, falistych czasami rozgałęziających się tubulach. Obecność takich plastydów opisano dotychczas jedynie w kolbie u Typhonium divaricatum,

chromoplasty krystaliczne w których przez intensywną akumulację określonego barwnika (ၢ-karoten, likopen) dochodzi do wytworzenia dużych kryształów barwnika: płytek, igiełek, form śrubowych. Takie plastydy występują w korzeniach różnych odmian hodowlanych marchwi, owocach pomidorów i liścieniach ogórków.

formy mieszane np. siatkowo- tubularne

Barwniki chromoplastowe nadają barwę organom roślinnym w którym występują co czyni je atrakcyjnymi dla zwierząt zapylających lub zjadających owoce i roznoszących nasiona. Jest to prawdopodobnie jedyna ich funkcja.

RETIKULUM ENDOPLAZMATYCZNE (siateczka śródplazmatyczna ,ER )

Odkryte przez K. R. Portera w 1945 roku. Jest to struktura błoniasta występująca we wszystkich komórkach jądrzastych. Błony budujące ER stanowią 50% wszystkich błon komórki a obszar przez nie ograniczony obejmuje ponad 10 % jej objętości. Jest ona utworzona ze spłaszczonych zbiorników (cystern) oraz bogato rozgałęzionych rurek (tubul) i pęcherzyków ograniczonych błoną i łączących się w jeden układ przestrzenny. Błony tworzące siateczkę są cieńsze od błony komórkowej i różnią się brakiem wyraźnej struktury trójwarstwowej. Zawierają one więcej białek i ogólnie więcej fosfolipidów, mniej cholesterolu i sfingomieliny. Lipidy siateczki zbudowane są z kwasów tłuszczowych średniej długości, w znacznym stopniu nienasyconych, co nadaje błonom znaczną płynność. Brak tu asymetrii lipidów i asymetrii jonowej typowych dla błony komórkowej (plazmolemy) oraz glikoproteidów powierzchniowych. Wyróżnia się siateczkę szorstką (ziarnistą) i gładką.

ER szorstkie występuje głównie w postaci cystern a gładkie utworzone jest przeważnie z rurek. Na zewnętrznej powierzchni siateczki ziarnistej znajdują się rybosomy. Wzajemny stosunek obu form siateczki jest zmienny i zależy od rodzaju procesów metabolicznych zachodzących aktualnie w komórce. Rybosomy nie są związane z ER na stałe. Dyfundujące rybosomy przyłączają się do błon ER wtedy gdy aktualnie syntezują białka które powinny być odseparowane błoną od składników cytoplazmy, bądź też zostać wbudowane w samą błonę. Po przemieszczeniu się peptydu lub jego wbudowaniu rybosomy odpadają od błon retikulum. Ponowne przyłączenie się dużych podjednostek rybosomów do ER następuje w tych samych miejscach, choć nie dotyczy tych samych rybosomów.

Główne procesy metaboliczne zachodzące w ER to :

1. Synteza i przemiany białek (białka wbudowywane w błonę, zapasowe, wydzielnicze i związane z procesami wydzielniczymi, odcięcie odcinka sygnałowego, N-glikozylacja peptydów, modyfikacje łańcuchów oligosacharydowych peptydów)

2. Synteza i przemiany lipidów (synteza trójglicerydów fosfolipidów, cholesterolu, nasycanie kwasów tłuszczowych)

3. Utlenianie alifatycznych i aromatycznych węglowodorów amin i sterydów.

4. Synteza hormonów sterydowych.

5. U roślin synteza kutyny, żywic i terpenów

6. Regulacja zawartości wapnia w cytoplazmie

7. Detoksykacja (poprzez acetylację, metylację, przyłączenie siarczanu, glikuronianu )

8. Tworzenie innych obłonionych struktur komórkowych jak: lizosomy, mikrociała, aparat Golgiego, wakuole, otoczka jądrowa.

APARAT GOLGIEGO (AG)

Wykryty przez Golgiego w 1898r w kom. mózgu sowy. W skład struktury aparatu Golgiego wchodzą cysterny i pęcherzyki. Podstawowym elementem struktury AG jest diktiosom. Składa się on ze spłaszczonych woreczków (cystern) ułożonych w formie stosu przypominającego głębokie talerze ustawione jeden na drugim dnem do góry. W komórkach ssaków diktiosom zawiera 5-8 cystern, w komórkach roślinnych i u organizmów niższych ich liczba może przekraczać 20.

Diktiosom ma kształt półksiężycowaty z powierzchnią wypukłą najczęściej zwróconą do jądra komórkowego (do wnętrza komórki), a powierzchnią wklęsłą w stronę błony komórkowej. Błony cystern mają zmienną grubość od 5 do 7,5 nm. Cysterny sprawiają wrażenie zapadniętych w części środkowej, ku obwodowi rozszerzają się workowato. Cysterny diktiosomu lokalizują się zwykle w pobliżu centrum organizacji mikrotubul. Mikrotubule biorą udział w utrzymywaniu stałego położenia cystern w diktiosomie. Cysterny diktiosomu oglądane z góry maja formę dysku (krążka) o średnicy 1ၭm. i nieciągłym perforowanym dnie. Otwory w dnie (fenestracje) występują najliczniej w obu skrajnych cysternach diktiosomu. Od części obwodowej cystern odchodzą kanaliki leżące głównie w płaszczyźnie łączącej ze sobą cysterny diktiosomu. Po stronie wypukłej i wklęsłej diktiosomu występują pęcherzyki o średnicy 30-50nm zwane mikropęcherzykami. W komórkach gruczołowych występują ponadto po stronie wklęsłej duże wakuole, tzw. makropecherzyki (wakuole wydzielnicze) o średnicy 500- 3000 nm. Wakuole te, po zagęszczeniu ich zawartości przekształcają się w ziarna wydzielnicze.

W diktiosomie wyróżnia się dwie powierzchnie (bieguny): powierzchnię bliższą (pow. cis lub formowania) po stronie wypukłej oraz powierzchnię dalszą (pow. trans lub dojrzewania) po stronie wklęsłej. Biegunowość AG wyraża się poza tym nierównomiernym rozmieszczeniem pęcherzyków na obu biegunach a także w odmiennym charakterze błon budujących cysterny bliższe i dalsze diktiosomu. Cysterny bliższe (biegun wypukły) swoją grubością, niewyraźną struktura trójblaszkową i zawartością lipidów przypominają błony siateczki śródplazmatycznej. Błony cystern po stronie wklęsłej diktiosomu są grubsze, zbudowane z dwóch warstw, składem bardziej przypominają plazmolemę.

Diktiosomy wystepuja w komórkach w liczbie 1 do 20, większa ich liczba cechuje komórki aktywnie wydzielające. Mnogie diktiosomy mogą łączyć się ze sobą za pośrednictwem części kanalikowej w jedną funkcjonalną całość.

Rola aparatu Golgiego:

1. Udział w procesach wydzielniczych:

• odbieranie z ER produktów syntezy w pęcherzykach transportujących,

• transformacja chemiczna np. wiązanie bałek z węglowodanami, łączenie polipeptydów,

• tworzenie obłonionych ziarnistosci wydzielniczych,

• zagęszczanie (zmniejszanie rozmiarów) ziaren wydzielniczych,

• przemieszczanie pęcherzyków z zawartością ku plazmolemie,

• wydzielanie na zewnątrz komórki na sygnał specyficzny (hormonalny) lub niespecyficzny.

1. Synteza i wydzielanie za pośrednictwem AG m.in.:

• białka pozakomórkowe (osocza, tk. np. łącznej: kolagen, elastyna),

• składniki ściany komórkowej (prekursory celulozy, prekursory pektyn - kwasy galakturonowe, hemicelulozy, kaloza, śluzy).

1. Regulacja gospodarki wodnej - osmoregulacja (budują wodniczki tętniące, hydatody).

2. Tworzenie lizosomow pierwotnych.

3. Detoksykacja np. u roślin usuwanie ołowiu i kumulowanie go w ścianie komórkowej

4. Udział w przepływie błon w komórce - od rejonu przejściowego ER odrywają się pęcherzyki transportujące składniki błon lub wydzielinę (pęcherzyki gładkie lub okryte) i zmierzają do bieguna cis AG i następnie do plazmolemy.

LIZOSOMY

Odkryte przez De Duve'a w 1955 roku. Występują w ilości od 20 (kom. wątroby ) do kilkuset na komórkę. Są to otoczone pojedynczą błoną pęcherzyki o średnicy 0,25 - 0,8 mm. Wnętrze lizosomów wypełniają enzymy hydrolityczne i kwaśna fosfataza (enzym markerowy). Zidentyfikowano 36 enzymów trawiących białka, kw. nukleinowe, wielocukry, lipidy, siarczany, fosforany. Enzymy lizosomów aktywne są przy pH 4-5 a praktycznie nie działają w pH cytoplazmy (6,8 - 7,.3 ). Wysokie stężenie protonów (100 x większe niż w cytoplazmie) utrzymywane jest dzięki pompie protonowej zależnej od ATP. Wyróżnia się lizosomy pierwotne, które powstają w postaci pęcherzyków odrywających się od gładkiego ER i AG, oraz lizosomy wtórne, powstające przez połączenie lizosomu pierwotnego ze strukturami obłonionymi, takimi jak fagosomy (powstające w procesie fagocytozy), endosomy (pinocytoza) lub cytosegregosomy (regiony komórki wydzielone błoną). Dzięki temu składniki zawarte w strukturach obłoniomych mogą ulec strawieniu. Lizosomy wtórne w których trawione są fragmenty cytoplazmy zwane są wakuolą autofagiczną lub cytolizomem.

Rola :

1. Trawienie materiałów z zewnątrz (heterofagia) pobranych na drodze fago- i pinocytozy

2. Trawienie komórek martwych, uszkodzonych, nieprawidłowych, w morfogenezie, metamorfozie np. u płazów, owadów; redukcja liczby komórek np. gruczołu mlecznego po zakończeniu laktacji.

3. Trawienie materiałów endogennych np. materiały zapasowe, w procesie przebudowy komórki

4. Wydzielanie enzymów trawiennych poza komórkę (do środowiska - grzyby, rośliny owadożerne)

5. Uaktywnianie wydzieliny np. hormonów.

PEROKSYSOMY

Peroksysomy są organellami powszechnie występującymi w komórkach roślinnych i zwierzęcych. Najczęściej spotykane są w hepatocytach i komórkach kanalików krętych nerki a w komórkach roślinnych w pobliżu mitochondriów i chloroplastów. Są strukturami kulistymi o średnicy 0,1-1,0 ၭm. Otoczone są pojedynczą błoną. Liczba ich waha się w komórkach wątroby od 350 do 800 (1-3% objętości cytoplazmy). U ssaków (z wyj. naczelnych) peroksysomy zawierają parakrystaliczny rdzeń zbudowany z równolegle ułożonych białkowych rurek. U innych kręgowców pod błoną peroksysomu często występuje płytka brzeżna. Peroksysomy roślinne są kształtem i wielkością zbliżone do peroksysomów zwierzęcych. W ich wnętrzu (macierzy) spotyka się często inkluzje krystaliczne, amorficzne lub włókienkowe, wykazujące aktywność katalazy.

W peroksysomach wykryto ok. 40 różnych enzymów biorących udział głównie w procesach utleniania komórkowego. W procesach tych wydzielane jest ciepło oraz jako produkt uboczny nadtlenek wodoru (toksyczny dla komórki), który jest rozkładany na miejscu przez katalazę.

Enzymy zawarte w peroksysomach to m.in.:

- katalaza (enzym markerowy peroksysomów)

- oksydazy (D-aminokwasów, L-ၡ-hydroksykwasów, moczanowa, hydroksykwasów, poliamin),

- ၢ-oksydacji kwasów tłuszczowych,

- transportu i aktywacji kw. tłuszczowych,

- biosyntezy cholesterolu.

Rola peroksysomów:

• udział w procesach utleniania komórkowego (oksydazy utleniają m.in. glikol, L-mleczan, kwas moczowy; katalaza rozkłada nadtlenek wodoru, utlenia etanol, kwasu mrówkowego, azotyny),

• ၢ-oksydacja kwasów tłuszczowych,

• biosynteza cholesterolu,

• udział w produkcji kwasów żółciowych,

• katabolizm puryn,

• udział w metabilizmie aminokwasów.

U roślin wyodrębnia się dwa typy peroksysomów o charakterystycznej lokalizacji i funkcjach: peroksysomy liści i glioksysomy występujące wyłącznie w komórkach nasion magazynujących tłuszcze. Glioksysomy zlokalizowane są w pobliżu ciał tłuszczowych. W trakcie kiełkowania lipidy przekształcane są na drodze przemian biochemicznych w dostępną dla rozwijającego się zarodka sacharozę. Proces ten obejmuje ၢ-oksydację kwasów tłuszczowych, cykl glioksalowy, cykl Krebsa i szlak glukoneogenezy. Peroksysomy fotosyntetyzujacych liści uczestniczą z kolei w egzoergicznych reakcjach szlaku glikolanowego. W czasie rozwoju kiełkującej rośliny i uzyskiwania zdolności do fotosyntezy glioksysomy przekształcają się w peroksysomy poprzez zmianę swojego składu enzymatycznego.

RYBOSOMY

Rybosomy to struktury zbudowane z RNA (rRNA) i białek. Występują w cytoplazmie wszystkich komórek w ilości od 100 000 do kilku milionów na komórkę. Rybosomy Prokariota różnią się nieco swoimi rozmiarami i składem od rybosomów Eukaryota.

Wartości charakteryzujące rybosom	Prokaryota		Eukaryota
Stała sedymentacji	70S		80S
Skład procentowy: białka	50%		35%
rRNA	50%		65%
Wartości charakteryzujące podjednostki rybosomu	Mała podjednostka	Duża podjednostka	Mała podjednostka	Duża podjednostka
Stała sedymentacji	30S	50S	40S	60S
Liczba białek	21	34	33	45
Rodzaje rRNA	16S RNA	23S RNA 5S RNA	18S RNA	28S RNA 5,8S i 5S RNA

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, większej i mniejszej stanowiących, odpowiednio 1/3 i 2/3 ich masy. Struktura rybosomu utrzymywana jest głównie dzięki siłom jonowym i wiązaniom wodorowym pomiędzy kwasami rybonukleinowymi a białkami. Do utrzymania struktury rybosomu i wzajemnego łączenia podjednostek niezbędne są jony Mg²⁺. Po zakończeniu translacji rybosomy rozpadają się na podjednostki (dysocjują). W procesie biosyntezy białka rybosomy mogą tworzyć struktury zwane polisomami (polirybosomy). Polisom (polirybosom), to zespół rybosomów połączonych ze sobą nicią mRNA otoczonego białkami. Liczba rybosomów w polisomie zależy od długości nici mRNA , która z kolei jest warunkowana długością syntetyzowanego łańcucha polipeptydowego. Polisomy mogą występować jako wolne w cytoplazmie lub związane z błonami siateczki śródplazmatycznej w postaci sznura korali, spirali lub rozety. Na polisomach cytoplazmy wytwarzane są białka, które pozostają w cytoplazmie, przemieszczają się do jądra, niekiedy do innych organelli (np. do peroksysomów lub mitochondriów). Natomiast na polisomach związanych z siateczką śródplazmatyczą syntetyzowane są białka, które oddzielane są błoną od zawartości cytoplazmy (białka wydzielnicze, enzymy lizosomowe) lub wchodzą w skład samych błon.

SUBSTANCJA MIĘDZYKOMÓRKOWA

Rośliny i zwierzęta rozwinęły swoją wielokomórkową organizację nieza­leżnie i ich tkanki są zbudowane na odrębnych zasadach. Zwierzęta są drapieżcami w stosunku do innych żyjących stworzeń, dlatego też muszą mieć tkanki zdolne do szybkiego ruchu, a komórki tworzące te tkanki muszą mieć zdolność do tworzenia i prze­noszenia sił mechanicznych oraz szybkiej zmiany kształtów. Rośliny nato­miast są osiadłe, ich tkanki są mniej lub bardziej sztywne, mimo że ko­mórki rozpatrywane pojedynczo są delikatne i kruche.

Wytrzymałość tkanki roślinnej jest warunkowana obecnością ścian ko­mórkowych tworzących rodzaj pudełek, które otaczają, chronią i nadają kształt każdej komórce tej tkanki. Ściana komórkowa jest wytworem protoplastu, odkładanym na powierzchni błony komórkowej. Ściana komórkowa zatem jest swego rodzaju substancją międzykomórkową u roślin Komórka kontroluje skład ściany, która może być gruba i twarda, jak w drewnie, lub cienka i giętka, jak w liściu. Ogólny schemat budowy tkanki jest jednak u roślin zawsze taki sam, komórki łącza się w tkankę za pośrednictwem ścian komórkowych.

Tkanki zwierzęce są bardziej różnorodne. Podobnie jak tkanki roślin­ne składają się z substancji międzykomórkowej oraz z komórek, lecz składniki te są zorganizowane na wiele różnych sposobów. W niektórych tkankach, np. w kościach i ścięgnach, substancja międzykomórkowa jest obfita i mechanicznie bardzo wytrzymała, w innych, np. w mięśniach lub na­skórku, substancja międzykomórkowa jest bardzo skąpa a napięcia mechaniczne przenosi cytoszkielet ko­mórek.

Tkanka łączna zwierząt składa się głównie z substancji międzykomórkowej

U zwierząt wyróżnia się cztery główne typy tkanek: tkankę łączną, tkankę nabłonkową, tkankę nerwową i tkankę mięśniową. Jednak zasadnicza różnica w budowie w stosunku do pozostałych tkanek dotyczy tkanki łącznej. W tkankach łącznych substancja międzykomórkowa jest obfita i przenosi siły mechaniczne. W innych tkankach, takich jak nabłon­ki, substancja międzykomórkowa jest skąpa, a komórki są połączone ze sobą bezpośrednio i same przenoszą siły mechaniczne.

Tkanki łączne zwierzęce są ogromnie zróżnicowane. Mogą być one mocne i elastyczne jak ścięgna lub skóra właściwa; twarde i spoiste jak kość; sprężyste i amortyzujące uderzenia jak chrząstka lub miękkie i przej­rzyste jak substancja galaretowata wypełniająca wnętrze oka. We wszystkich tych przykła­dach większość masy tkanki jest zajęta przez substancję międzykomórko­wą, a komórki wytwarzające tę substancję są w niej rozproszone jak ro­dzynki w cieście. Ponadto we wszystkich wymienionych tkan­kach łącznych wytrzymałość na rozciąganie jest zapewniona przez białko włókienkowe - kolagen, a nie przez polisacharydy, jak w przypadku ro­ślin. Różne odmiany tkanki łącznej zawdzięczają swój specyficzny charak­ter posiadanemu rodzajowi kolagenu, jego ilości, i co najważniejsze innym cząsteczkom, które są tam wplecione w różnych proporcjach.

Kolagen zapewnia wytrzymałość na rozciąganie w zwierzęcych tkankach łącznych

Kolagen został wykazany we wszystkich organizmach wielokomórkowych i występuje w wielu odmianach. Ssaki mają ok. 20 genów kolagenu kodu­jących różne jego typy potrzebne w poszczególnych tkankach. Kolageny są głównymi białkami w kościach, ścięgnach i skórze (skóra garbowana jest wyprawionym = zdenaturowanym kolagenem); stanowią one 25% całej masy białek w or­ganizmie ssaków — więcej niż jakiekolwiek inne białko.

Charakterystycznymi cechami typowej cząsteczki kolagenu jest jej dłu­gość, sztywność oraz trójniciowa, skręcona struktura, w której trzy łańcu­chy polipeptydowe są nawinięte wokół siebie na kształt superhelikalnej liny. Cząsteczki te są następnie złożone w uporządkowane poli­mery, włókienka kolagenowe - cienkie nitki o średnicy 10-300 nm i długości wielu mikrometrów, które mogą się łączyć w jeszcze grub­sze włókna kolagenowe.

Komórki znajdujące się w tkance łącznej, wytwarzające substancję mię­dzykomórkową, nazywamy różnie, zależnie od tkanki; w skórze, ścięgnach i wielu innych tkankach łącznych nazywamy je fibroblastami; w kości nazywamy je osteoblastami. Wytwarzają one zarówno kolagen, jak i inne składniki substancji międzykomórkowej. Prawie wszystkie te czą­steczki są syntetyzowane wewnątrz komórek i wydzielane na drodze egzocytozy. Na zewnątrz komórki są one montowane w wielkie, spójne agrega­ty. Jeżeli agregaty te powstawałyby jeszcze przed wydzieleniem, komórki zablokowałyby się własnymi produktami. W przypadku kolagenu komórka omija to niebezpieczeństwo dzięki wydzielaniu cząsteczek kolagenu w formie prekursorowej, zwanego prokolagenem, z dodatkowymi peptydami na koń­cach cząsteczki, zapobiegającymi agregacji we włókienka kolagenowe. Zewnątrzkomórkowy enzym - kolagenaza - odcina końcowe peptydy, co pozwala agregować cząsteczkom dopiero w przestrzeni pozakomórkowej.

U niektórych ludzi występuje genetyczny defekt kolagenazy powodują­cy nieprawidłowe składanie włókienek kolagenowych. W rezultacie, skó­ra i różne inne tkanki łączne mają zmniejszoną wytrzymałość i wykazują niezwykłą rozciągliwość.

Komórki wydzielają i organizują kolagen

Aby móc spełniać swoje funkcje, włókienka kolagenowe muszą być pra­widłowo zorganizowane. W skórze na przykład, są one splecione na wzór wikliny, a w sąsiadujących pokładach mają różny przebieg, tak aby tkan­ka była wytrzymała na rozciąganie w różnych kierunkach. W ścięgnach przymocowujących mięśnie do kości biegną one w rów­noległych pęczkach wzdłuż głównej osi rozciągania.

Tkanka łączna kontroluje rozmieszczenie kolagenu, częściowo przez odkładanie go w zorientowany sposób, częściowo dzięki późniejszej rearanżacji jego ułożenia. Podczas rozwoju tkanki fibroblasty „opracowują" kolagen, który same wydzielają; pełzają po nim i wciągają go — pomaga­jąc mu w upakowaniu w struktury błoniaste lub w tworzeniu włókien. Np. gdy fibroblasty zmieszano z przypadkowo rozrzuconą siecią włókienek kolagenowych tworzącą żel w płytce hodowlanej, fibroblasty pociągały tę sieć i wyciągały kolagen po­wodując jego zbijanie się. Jeżeli dwa małe kawałki tkanki embrionalnej, zawierającej fibroblasty, zostaną umieszczone daleko od siebie na żelu kolagenowym, to żel ten organizuje się w zbite pasmo ukierunkowanych włókien łączących oba fragmenty. Fibroblasty wywędrowują z obu fragmentów wzdłuż ukierunkowanych włókien kolagenowych. W ten sposób fibroblasty mają wpływ na wiązkę włókien kolagenowych, a włókna kolagenowe z kolei wpływają na rozmieszczenie fibroblastów. Fibroblasty prawdopodobnie odgrywają ważną rolę w tworzeniu długo­trwałego uporządkowania substancji międzykomórkowej wewnątrz orga­nizmu, tworząc np. ścięgna lub mocne, zbite blaszki tkanki łącznej otacza­jące i łączące ze sobą większość narządów.

Integryny łączą substancję międzykomórkową z cytoszkieletem wewnątrz komórek

Jeżeli komórki umieści się na podłożu z substancji międzykomórkowej, to będą one pełzać, co oznacza, że potrafią przytwierdzać się do tej substan­cji. Komórki nie przytwierdzają się dobrze do samego kolagenu. Łączenie to zapewnia fibronektyna, inne białko substancji międzykomórkowej. Je­den fragment fibronektyny łączy się z kolagenem, a inny fragment tworzy miejsce wiązania dla komórki.

Komórka wiąże się ze specyficznymi miejscami na fibronektynie za po­mocą transbłonowego białka receptorowego, zwanego integryną. Domena zewnątrzkomórkowa integryny przyłącza się do fibronektyny, a domena znajdująca się w cytoplazmie, wiąże filamenty aktynowe. W ten sposób, za­miast rozerwania błony komórkowej w czasie naprężeń między komórką a substancją międzykomórkową, cząsteczka integryny przenosi napięcie z kolagenu na cytoszkielet. Komórki mięśniowe w podobny sposób łączą swoje aparaty kurczliwe z substancją międzykomórkową ścięgien, umożliwiając im dużą odporność na siły mechaniczne.

Żel polisacharydowy i białkowy wypełnia wolne przestrzenie i zapobiega kompresji

Kolagen zapewnia wytrzymałość na rozciąganie, a inne rodzaje makro­cząsteczek w substancji międzykomórkowej zwierząt, pełniące funkcje pomocnicze, zapobiegają kompresji i służą do wypełniania wolnych prze­strzeni. Są to proteoglikany, białka pozakomórkowe związane ze specjal­ną grupą złożonych, ujemnie naładowanych polisacharydów, glikozo-aminoglikanów (GAG). Proteoglikany różnią się bardzo długością, kształtem i budową chemiczną. Najczęściej wiele łańcuchów cząsteczek GAG jest dołączonych do pojedynczego rdzenia białkowego, który może być z kolei połączony swoim końcem do innej cząsteczki GAG, tworząc olbrzymie, przypominające szczotkę do butelki makroczą­steczki, mające masę cząsteczkową wielu milionów Da.

W zbitych, zwartych tkankach łącznych, takich jak ścięgno i kość, część cząsteczki GAG ma małą masę cząsteczkową i substancja międzykomór­kowa składa się prawie w całości z kolagenu (lub, w przypadku kości, ko­lagenu i kryształów fosforanów wapnia). W innej skrajności substancja galaretowata wewnątrz oka składa się prawie w całości z jednego szcze­gólnego typu GAG i wody, z niewielką ilością kolagenu. Ogólnie, GAG są silnie hydrofilowe i zwykle przybierają mocno wydłużone konfiguracje, które zajmują dużą objętość w stosunku do ich masy. Formują one żele nawet w bardzo małym stężeniu, ich silny ładunek ujemny przyciąga kationy, takie jak Na⁺, które są silnie aktywne osmotycznie, co powoduje wiązanie dużej ilości wody w substancji międzyko­mórkowej. Zwiększa to ciśnienie osmotyczne, które jest wyrównywane przez napięcie we włóknach kolagenowych, zmieszanych z proteoglikanami. Gdy substancja międzykomórkowa jest bogata w kolagen, a w jego oczkach znajdują się duże ilości cząsteczek GAG, to ciśnienie osmotycz­ne i wyrównujące napięcie są olbrzymie. W ten sposób substancja między­komórkowa jest twarda, sprężysta i oporna na ściskanie. Taki charakter ma na przykład substancja międzykomórkowa chrząstki pokrywająca staw kolanowy, która może utrzymać nacisk setek kilogramów na centymetr kwadratowy.

Proteoglikany, oprócz zwy­czajnego wytwarzania uwodnionej przestrzeni wokół komórek mogą tworzyć żele o różnych oczkach i ładunku, i działają jak filtry regulujące przechodzenie cząsteczek przez środowisko zewnątrzkomórkowe. Mogą one wiązać czynniki wzrostu i inne białka służące jako sygnały międzyko­mórkowe. Mogą blokować lub pobudzać przemieszczanie komórek i wskazywać im drogę. Tymi różnymi sposobami składniki substancji międzykomórkowej wpływają na zachowanie się komórek, często tych samych komórek, które ją wytworzyły.

TRANSPORT BIAŁEK

W miarę wzrostu komórek zachodzącego w ich cyklu życiowym, organelle błonowe po­większają się przez wbudowywanie nowych cząsteczek a jeśli komórka dzieli się, to orga­nelle również się dzielą i rozdzielane są do dwóch komórek potomnych. Wzrost organelli wymaga dostawy nowych lipidów do rozbudowy błony i odpo­wiednich białek, zarówno białek błonowych, jak i rozpuszczalnych, wypełniających wnętrze organelli. Nawet w komórkach, nie dzielących się, białka muszą być ustawicznie i precyzyjnie dostarczane do organelli, za­równo aby wymienić zdegradowane biał­ka organelli jak i zapewnić ciągłość wydzielania. Głównym problemem w rozbudowie i utrzymaniu organelli bło­nowych jest jak kierować nowo wytworzone białka do właściwej im organelli.

Białka tworzone w cytozolu są dostarcza­ne do różnych miejsc w komórce według specyficznych sygnałów zawar­tych w ich sekwencji aminokwasowej. Gdy białko znajdzie się pod właści­wym adresem, wnika do organelli.

Import białek do organelli jest zapewniony przez różne mechanizmy

Synteza wszystkich białek w komórce rozpoczyna się na rybosomach w cytozolu, w tym również rybosomach związanych z ER. Wyjątek stanowią nieliczne białka mitochondrialne i chloroplastowe, które są syntetyzowane na rybosomach wewnątrz tych organelli; jed­nak większość białek mitochondriów i chloroplastów jest tworzona w cytozolu i następnie importowana. Los cząsteczki białka syntetyzowanej w cytozolu zależy od jego sekwencji aminokwasowej, mogącej zawierać sygnał sortujący, kierujący białko do określonej organelli, w której jest ono po­trzebne. Białka, które takiego sygnału nie mają, pozostają stale w cytozo­lu. Różne sygnały sortujące kierują białka do jądra, mitochondriów, chloroplastów, peroksysomów i do ER.

Głównym problemem dla organelli błonowej importującej białko z cy­tozolu lub innej organelli jest przeprowadzenie białka przez błony, które są normalnie nieprzepuszczalne dla hydrofilowych makrocząste­czek. Uzyskuje się to drogami różnymi dla różnych organelli, przy czym wszystkie one wymagają nakładu energii.

1. Białka przechodzące z cytozolu do jądra są transportowane przez pory jądrowe, przenikające wewnętrzną i zewnętrzną błonę jądro­wą. Pory działają jak selektywne bramki, które aktywnie transportu­ją specyficzne makrocząsteczki, ale zarazem umożliwiają swobodną dyfuzję mniejszych cząsteczek.

2. Białka przechodzące z cytozolu do wnętrza ER, mitochondriów, chloroplastów lub peroksysomów są transportowane poprzez błonę organelli przez translokazy bialek mieszczące się w błonie. Odmiennie niż przy przej­ściu przez pory jądrowe, cząsteczka transportowanego białka musi się najpierw rozfałdować, aby „prześliznąć się" przez błonę. Bakterie mają w swej błonie komórkowej podobne translokazy białek.

3. Białka przemieszczające się od ER dalej oraz z jednego przedziału systemu błon wewnętrznych do przedziału drugiego są transporto­wane przez pęcherzyki transportujące, zawierające białek pochodzących z wewnętrznej przestrzeni, przedziału wyjściowego (np. ER), gdy odpączkowują od jego błony. Następnie pęcherzyki wprowadzają ten ładunek do drugiego przedziału, gdy ich błona ulega fuzji z błoną tego przedziału. W procesie tym przekazy­wane są również błonowe lipidy i białka.

Sekwencje sygnałowe kierują białka do właściwego przedziału

Typowy sygnał sortujący w białku jest ciągłym odcinkiem sekwencji amino­kwasów, zazwyczaj o długości 15-60 aminokwasów. Ta sekwencja sygna­łowa jest często (ale nie zawsze) usuwana z dojrzałego białka, gdy tylko spełniła swą funkcję sortującą. Sekwencje sygnałowe są zarazem niezbędne i wystarczające do skierowania białka do poszczególnej organelli. Sekwencje sygnałowe kierujące do tego samego przedziału mogą się między sobą bardzo różnić, chociaż mają tę samą funkcję.

Białka wnikają do jądra przez pory jądrowe

Otoczka jądrowa we wszystkich komórkach eukariotycznych jest per­forowana dzięki obecności porów jądrowych, przez które wszystkie cząsteczki wchodzą do jądra lub go opuszczają. Ruch po­przez pory zachodzi w obu kierunkach: nowo powstałe białka przeznaczo­ne do jądra wchodzą od strony cytozolu a cząsteczki mRNA i podjednostki rybosomowe, są eksportowane na teren cytoplazmy.

Por jądrowy jest dużą, skomplikowaną strukturą złożoną z ok. 100 róż­nych białek. Każdy por zawiera jeden lub więcej wypełnionych wodą kanałów, przez które swobodnie i nieselektywnie mo­gą przechodzić jedynie małe, rozpuszczalne w wodzie cząsteczki. Jednak większe cząsteczki (takie jak wszystkie RNA i białka) oraz kom­pleksy makrocząsteczek nie mogą przejść przez pory, jeśli nie niosą odpo­wiedniego sygnału sortującego. Sekwencję sygnałową (o nazwie sygnał lo­kalizacji jądrowej), która kieruje białko z cytozolu do jądra, tworzą zazwy­czaj jedna lub dwie krótkie sekwencje zawierające kilka dodatnio nałado­wanych reszt lizyny lub argininy.

Pierwszy etap oddziaływania nowo powstałego białka przeznaczonego do umiejscowienia w jądrze wymaga współdziałania innych białek cytozolowych. Te cytozolowe białka, o nazwie receptory importu jądrowego wią­żą się z sygnałem lokalizacji jądrowej i pomagają w jego wprowadzeniu do poru, oddziałując z włókienkami poru. Przyszłe białko ją­drowe zostaje następnie aktywnie przeniesione do jądra w procesie zużywającym energię hydrolizy GTP. Struktura środka poru jądrowego działa jak ściśle dopasowana przesłona fotograficzna; otwiera się ona tylko na tyle, aby umożliwić przejście kompleksu białkowego. Następnie recepto­ry importu jądrowego powracają do cytozolu, także przez por, i będą uży­wane ponownie.

Pory jądrowe transportują białka w ich całkowicie sfałdowanej konfor­macji i przenoszą składniki rybosomowe jako cząstki zespolone, co odróż­nia ten mechanizm transportu od mechanizmów wprowadzających białka do innych organelli.

Białka ulegają rozfałdowaniu przed wejściem do mitochondriów i chloroplastów

Zarówno mitochondria jak i chloroplasty zawierają własne genomy i wytwarzają kilka własnych białek, jednak większość ich białek jest kodowana przez geny jądrowe i importowana z cytozolu. Białka te mają zazwyczaj przy swym końcu N (aminokwasowym) sekwencję sygnałową, która umożliwia im wejście albo do mitochondrium, albo do chloroplastu. Białka są przeprowadzane równocześnie po­przez obie błony, wewnętrzną i zewnętrzną, w miejscach wyspecjalizowa­nych, w których obie błony są w ścisłym kontakcie ze sobą.

Tuż przed translokacją białko ulega rozfałdowaniu, a po translokacji zostaje odcięta sekwencja sygnałowa. Białka chaperony od strony wnętrza organelli pomagają przy przeniesieniu białka poprzez obie błony i przy ponownym sfałdowaniu biał­ka, gdy tylko znajdzie się ono w matriks organelli. Następny transport do poszczególnych miejsc w obrębie organelli, takich jak błona wewnętrzna, przestrzeń międzybłonowa lub błona tylakoidu, zazwyczaj wymaga obec­ności w białku dalszego sygnału, o nazwie sygnał sortujący, który zostaje odsłonięty często dopiero po odcięciu pierwszej sekwencji sygnałowej.

Wzrost i podtrzymanie struktury oraz funkcji mitochondriów i chloroplastów wymaga importu do ich błon nie tylko nowych białek ale i nowych lipidów. Uważa się że większość fosfolipidów błonowych jest importowana z ER, które stanowi główne miejsce syntezy lipidów w komórce. Fosfolipidy są transportowane do mitochondriów i chloroplastów przez hydrofilne białka przenoszące lipidy, które wyjmują cząsteczkę fosfolipidu z jednej błony i przekazują ją do innej.

Do retikulum endoplazmatycznego białka wchodzą w trakcie swojej syntezy

Retikulum endoplazmatyczne (ER) jest w komórce eukariotycznej naj­bardziej rozwiniętym systemem błonowym. Wszystkie białka przeznaczone do aparatu Golgiego, endosomów, lizosomów i błony komórkowej początkowo wnikają z cytozolu do ER. Poszczególne białka, które raz już weszły do światła ER lub do błony ER, nigdy do cytozolu nie powracają. Będą one przenoszone przez pęcherzyki transportujące z orga­nelli do organelli, a także z organelli do błony komórkowej.

Z cytozolu są przenoszone do ER dwa rodzaje białek:

1) białka roz­puszczalne, przechodzące w całości przez błonę ER i uwalniane do świa­tła ER;

2) przyszłe białka transbłonowe, przechodzące przez błonę ER tylko częściowo i ulegające w niej zakotwiczeniu.

Białka rozpuszczalne są przeznaczone albo do wydzielenia na powierzchni komórki, al­bo do pozostania w świetle organelli. Białka transbłonowe albo pozosta­ją w błonie ER, albo przechodzą (wraz fragmentami błony) do błon innych organelli bądź do błony komórkowej. Wszystkie te białka są początkowo kierowane do ER przez sekwencję sygnałową dla ER, będącą odcinkiem 8 lub więcej aminokwasów hydrofobowych, który bierze udział w procesie translokacji przez błony.

Odmiennie od białek wchodzących do jądra, mitochondriów, chloroplastów i peroksysomów większość białek wnikających do ER rozpoczyna przejście przez błonę ER, nim zostanie zakończona synteza całego łańcu­cha polipeptydowego. Możliwe jest to tylko wtedy, gdy rybosom syntety­zujący białko jest przyłączony do błony ER.

Tak więc w cytozolu istnieją pozornie dwie odrębne populacje rybosomów. Rybosomy związane z błoną, przyczepione do cytozolowej strony bło­ny ER (i zewnętrznej błony jądrowej), syntetyzujące białka przeznaczone do translokacji do ER, i wolne rybosomy, nie przyczepione do żadnej błony i syntetyzujące wszystkie inne białka zakodowane w jądrowym DNA. Oba te typy rybosomów są strukturalnie i funkcjonalnie identyczne, a różnią się tylko rodzajem białek, które w danym momencie wytwarzają. Gdy rybosom syntetyzuje białko zawierające sekwencję sygnałową dla ER, sekwencja ta kieruje rybosom do błony ER. W miarę translacji cząsteczki mRNA wiąże się z nią wiele rybosomów, tworząc polirybosom. W przypadku cząsteczki mRNA kodującej białko z sekwencją sygnałową dla ER, polirybosom zostaje sczepiony z błoną ER przez rosnące łańcuchy polipeptydowe, które zostają wprowadzane do wnętrza błony.

Białka rozpuszczalne są uwalniane do światła ER

Sekwencja sygnałowa kierująca białko do ER jest doprowadzana do błony ER przez dwa elementy molekularne. Są to: 1) cząstka rozpozna­jąca sygnał (SRP) - obecna w cytozolu i wiążąca sekwencję sygnałową dla ER, oraz 2) receptor SRP, umieszczo­ny w błonie ER.

Związanie sekwencji sygnałowej syntetyzowanego białka z SRP powoduje przyha­mowanie syntezy aż do momentu, gdy rybosom i zwią­zana z nim SRP połączą się z receptorem SRP w błonie ER. Po związaniu ze swym re­ceptorem, SRP pozostaje przy błonie krótki czas, potrzebny na odszukanie przez sekwencję sygnałową tworzonego białka, kanału translokacyjnego w błonie ER, i dopiero wtedy powraca do cytoplazmy; w tym momen­cie synteza białka zostaje wznowiona, a polipeptyd zostaje przesuwany jak nić do światła ER poprzez kanał translokacyjny w błonie. Tak wiec SRP i receptor SRP działają jako molekularne układy dopasowu­jące rybosomy (które syntetyzują białko zawierające sekwencje sygnałową dla ER) z dostępnymi w ER kanałami translokacyjnymi.

Z chwilą gdy kompleks rybosom-mRNA-SRP został przyłączony do błony ER, sekwencja sygnałowa, pełni dodatkową funkcje otwarcia ka­nału translokacyjnego i pozostaje związana z kanałem, w czasie gdy reszta łańcucha białka jest przesuwana poprzez błonę. W pewnych etapach translokacji sekwencja sygnałowa zosta­je odcięta przez peptydazę sygnałową występującą od strony wnętrza ER. Peptyd sygnałowy opuszcza wtedy kanał translokacyjny i ulega szybkiej degradacji do aminokwasów. Skoro tylko koniec C białka przejdzie przez błonę, białko zostaje w całości uwolnione do światła ER.

Sygnały start i stop wyznaczają ustawienie białka transbłonowego w dwuwarstwie lipidowej

Nie wszystkie białka wnikające do ER są uwalniane do jego światła (wnętrza); nie­które z nich pozostają zakotwiczone w błonie ER jako białka transbłonowe. Proces translokacji tych białek jest bardziej skomplikowany niż w przypadku białek rozpuszczalnych, ponieważ pewne części łańcucha polipeptydowego muszą być przeprowadzone na drugą stronę dwuwarstwy lipidowej, a inne nie.

W najprostszym przypadku, jakim jest białko transbłonowe o pojedyn­czym segmencie transbłonowym, sekwencja sygnałowa przy końcu N za­początkowuje translokację tak jak przy białkach rozpuszczalnych. Jed­nakże proces przenoszenia zostaje zatrzymany przez dodatkową sekwen­cję hydrofobowych aminokwasów — sekwencję stop-transfer znajdującą się na dalszym odcinku łańcucha polipeptydowego. Ta druga sekwencja zostaje przez przemieszczenie boczne (w płaszczyźnie błony) uwolniona z kanału translokacyjnego do dwuwarstwy lipidowej, gdzie tworzy α-helisę zakotwiczającą białko w błonie. Równocześnie sekwencja sygnałowa przy końcu N zostaje również przesunięta z kanału do dwuwarstwy lipido­wej i odcięta. W wyniku tego przemieszczane białko staje się białkiem transbłonowym o określonej orientacji — koniec N jest po stronie wnętrza ER, a koniec C po cytozolowej stronie dwuwarstwy lipidowej. Białko transbłonowe raz wprowadzone do błony nie może zmienić swojej orientacji, która zostaje zachowana podczas wszelkich dalszych procesów powstawania i fuzji pęcherzyków.

W pewnych białkach transbłonowych do rozpoczęcia translokacji przez błonę używana jest sekwencja umieszczona na wewnętrznych, a nie końco­wych odcinkach łańcucha polipeptydowego; sekwencja taka nie jest później usuwana. Taki system występuje w tych białkach transbłonowych, których łańcuch polipeptydowy przechodzi przez dwuwarstwę lipidową wielokrot­nie np. białka kanałów wapniowych, receptorów np. acetylocholiny czy rodopsyny.

Wniknięcie do ER jest zazwyczaj pierwszym etapem wędrówki białka do innego miejsca przeznaczenia, którym, przynajmniej początkowo, jest apa­rat Golgiego. Transport z ER do aparatu Golgiego i z aparatu Golgiego do innych przedziałów systemu błon wewnętrznych przebiega przez ciągłe pączkowanie i fuzję pęcherzyków transportujących. Drogi transportu prowadzonego przez pęcherzyki transportujące sięgają, albo od ER do błony komórkowej, albo od błony komórkowej do lizosomów. W czasie gdy białka i lipidy są trans­portowane wzdłuż tych dróg na zewnątrz, wiele z nich ulega różnego typu modyfikacjom chemicznym, takim jak dodanie bocznych łańcuchów cukrowcowych (zarówno do białek, jak i lipidów) i powstawanie wiązań dwusiarczkowych stabilizujących strukturę białek.

Większość białek ulega w ER kowalencyjnej modyfikacji

Większość białek jest po wejściu do ER modyfikowana chemicznie np. przez tworzenie wiązań dwusiarczkowych. Wiązania te, pomagają w stabilizacji struktury tych białek, chronią je przed degradacją enzymatyczną bądź zmianami pH.

Wiele białek wchodzących do światła ER lub do błony ER jest tam za­mienianych w glikoproteiny, przez kowalencyjne przyłączenia krót­kich bocznych łańcuchów oligosacharydowych. Ten proces glikozylacji jest prowadzony przez enzymy glikozylujące, znajdujące się w ER, a nieobec­ne w cytozolu. Oligosacharydy przyłączone do białek pełnią różne funkcje zależnie od rodzaju biał­ka. Mogą one ochraniać białko przed degradacją, przetrzymywać białko w ER, dopóki nie zostanie ono właściwie sfałdowane, lub też pomagać we wprowadzeniu białka do odpowiedniej organelli, służąc jako sygnał trans­portowy przy pakowaniu danego białka do odpowiednich pęcherzyków transportujących. Oligosacharydy, gdy znajdują się na powierzchni komór­ki, wchodzą w skład glikokaliksu - warstwy osłaniającej komórki i uczestniczącej w rozpoznawaniu jednej komórki przez in­ną, współtworząc tak zwany kod powierzchniowy komórki (układ antygenów zgodności tkankowej).

W obrębie ER boczne łańcuchy oligosacharydowe powstają przez dołączenie od razu, w całości rozgałęzionego „drzewka” oli­gosacharydowego, zawierającego 14 cukrów. Oligosacharydy są początkowo przyłączane do tkwiącego w błonie ER bardzo specyficznego lipidu o na­zwie dolichol i dopiero później przeniesione do amidowej grupy asparaginowej reszty białka, natychmiast gdy ta reszta wyłoni się do światła ER podczas translokacji. Dołączenie oligosacharydu zachodzi w pojedynczej reakcji enzymatycznej katalizowanej przez enzym błonowy, którego miejsce aktywne jest eksponowane w błonie ER od wnętrz cystern; to wyjaśnia, dlaczego białka cytozolowe nie są glikozylowane tą drogą. Takie przyłą­czenie łańcuchów grup oligosacharydowych do grupy NH₂ asparaginy w białku określa się jako wiązanie N-glikozydowe; jest ono najczęstszym typem wiązania występującym w glikoproteinach.

Wyjście z ER jest kontrolowane, aby zapewnić poprawną jakość wyprowadzanego białka

Pewne białka powstające w ER mają w nim zostać i tam działać. Utrzymy­wane są w ER (i wracają do ER, jeśli umknęły do aparatu Golgiego) przez czteroaminokwasową sekwencję przy końcu C, zwaną sygnałem po­zostawania (retencji) w ER, który jest rozpoznawa­ny przez błonowe białko receptorowe w ER i w aparacie Golgiego. Jed­nak większość białek wchodzących do ER jest przeznaczona do innych miejsc - są one pakowane w pęcherzyki transportujące, które odpączkowują z ER i ulegają fuzji z aparatem Golgiego, przy czym wyjście z ER jest wysoce selektywne. Białka nieprawidłowo sfałdowane pozostają aktywnie przytrzymane w ER przez związanie z białkowymi chaperonami znajdującymi się w świetle ER. Integracja z chaperonami przytrzymuje białka w ER aż do uzyskania odpowiednie­go sfałdowania; jeśli ono nie nastąpi, białka ulegną degrada­cji. Na przykład, cząsteczki przeciwciał są tworzone z czterech łańcuchów polipeptydowych, które w ER układają się w kompletną cząsteczkę przeciwciała. Przeciwciała złożone tylko częścio­wo zostają zatrzymane w ER, dopóki nie połączą się wszystkie cztery łań­cuchy polipeptydowe; każda cząsteczka przeciwciała nie ułożona w kom­pleks ulega w końcu degradacji. W ten sposób ER kontroluje jakość bia­łek, które eksportuje do aparatu Golgiego.

Jednakże czasem ten mechanizm kontroli jakości może być dla organi­zmu szkodliwy. Na przykład, mutacja wywołująca mukowiscydozę, prowadzi do powstania białka trans­portowego błony komórkowej, które jest nieco źle sfałdowane i jest z tego powodu zatrzymywane w ER. Białko takie funkcjonowałoby zupełnie prawidłowo, gdyby dotarło do bło­ny komórkowej. Zatrzymanie białka w ER prowadzi do rozwoju wyniszczającej choroby.

Białka są dalej modyfikowane i sortowane w aparacie Golgiego

Aparat Golgiego (AG) jest zazwyczaj umieszczony blisko jądra komórkowego, a w komórkach zwierzęcych także blisko centrosomu. Stanowi zbiór spłaszczonych woreczków błonowych (cystern) ułożonych jak stos talerzy. Każdy taki stos (diktiosom) zawiera 3-20 cystern. Ilość diktiosomów w komórce jest bardzo zmienna i zależy od typu komórki; niektóre zawie­rają tylko jeden duży diktiosom, inne zaś setki małych diktiosomów.

Każdy AG ma dwie różne strony: wejściową, czyli cis, i wyjścio­wą, czyli trans. Strona cis jest zorientowana ku ER, natomiast strona trans — ku błonie komórkowej. Najbardziej zewnętrzna cysterna każdej strony jest częścią sieci powiązanych między sobą błonowych rurek i pęcherzyków. Rozpuszczalne białka i błona wchodzą do sieci cis Golgiego poprzez pęcherzyki transportujące pochodzące z ER. Białka wędrują przez kolejne cysterny poprzez pęcherzyki transportujące, które odrywają się od jednej cysterny i łączą przez fuzję z następną. Białka opuszczają sieć trans Golgiego w pęcherzykach transportujących, kierowanych albo do po­wierzchni komórki, albo do innych przedziałów.

Uważa się, że obie brzeżne sieci strefy Golgiego cis i trans są istotne dla sortowania białek. Białka wchodzące do sieci cis mogą albo przechodzić dalej przez cysterny Golgiego, albo — jeśli mają sygnał retencji w ER —powrócić do ER. Białka występujące w strefie trans są sortowane według swego przeznaczenia albo do lizosomów, albo do powierzchni komórki.

Wiele grup oligosacharydowych dodanych do białek w ER ulega dal­szym modyfikacjom w aparacie Golgiego.

TRANSPORT PĘCHERZYKOWY

Białka wydzielnicze są uwalniane z komórki w drodze egzocytozy

We wszystkich komórkach eukariotycznych zachodzi stały przepływ pę­cherzyków, które pączkują z sieci trans AG i ulegają fuzji z błoną ko­mórkową.

Ten szlak konstytutywnej egzocytozy (wydzielanie ciągłe, niezależne od bodźców zewnętrznych) działa w sposób ciągły i dostarcza nowo powstałe lipidy i białka do błony komórkowej; jest to droga zapew­niająca wzrost błony komórkowej w czasie powiększania się komórek przed ich podziałem. Niesie ona również w procesie wydzielania (sekrecji), białka, które mają być wydzielone na zewnątrz. Pewne wydzielone białka przywierają do powierzchni komórki i stają się powierzchniowymi białkami błony komórkowej, niektóre są wbudowywane w substancję międzykomórkową, a jeszcze inne dyfundują do płynu, między­komórkowego, aby odżywiać inne komórki lub stanowić dla nich sygnały.

Poza drogą konstytutywnej egzocytozy działającej we wszystkich ko­mórkach eukariotycznych w sposób ciągły, istnieje droga egzocytozy regu­lowanej (wydzielanie okresowe, zachodzące pod wpływem bodźców), która funkcjonuje tylko w komórkach wyspecjalizowanych w wydzielaniu. Wyspecjalizowane komórki wydzielnicze wytwarzają duże ilości szczególnych produktów, takich jak hormony, śluz lub enzymy trawienne, które są magazynowane w pęcherzykach wydzielniczych. Pęcherzyki wydzielnicze odpączkowują z sieci trans AG i nagromadza­ją się w pobliżu błony komórkowej. Ulegają one fuzji z błoną komórkową i uwalniają swą zawartość na zewnątrz tylko wtedy, gdy komórka zostanie pobudzona przez sygnał zewnątrzkomórkowy. Na przykład, wzrost stężenia glukozy we krwi jest dla komórek trzustki sygnałem do wydzielenia hormonu insuliny.

Białka przeznaczone do pęcherzyków wydzielniczych są sortowane i pa­kowane w sieci trans AG. Białka wędrujące tą drogą mają właściwości wywołujące ich agregację w warunkach jono­wych panujących w sieci trans AG (środowisko kwaśne i wysoki po­ziom Ca²⁺). Zagregowane białka są rozpoznawane przez nieznany me­chanizm i pakowane do pęcherzyków wydzielniczych, które odrywają się od strefy trans. Białka wydzielane w drodze konstytutywnej nie agregują i dlatego są automatycznie przenoszone do błony komórkowej przez pę­cherzyki transportujące drogi konstytutywnej. Selektywna agregacja po­zwala na gęste upakowanie białek wydzielniczych w pęcherzykach wydziel­niczych, do stężeń 200 razy większych niż stężenie niezagregowanych bia­łek w świetle cystern AG. Zawartość takich pęcherzyków jest zagęszczana a ich rozmiar ulega zmniejszeniu - przekształcają się w ziarna wydzielnicze. To umożliwia komórkom wydzielniczym szybkie wydzielenie wielkich ilości białka, gdy zostaną do tego pobudzo­ne.

Gdy pęcherzyk wydzielniczy lub pęcherzyk transportujący ulega fuzji z błoną komórkową i wyładowuje swą zawartość w drodze egzocytozy, je­go błona staje się częścią błony komórkowej. Aczkolwiek powinno to znacznie zwiększyć powierzchnię błony komórkowej, zwiększenie takie jest tylko przejściowe, ponieważ składniki błony są usuwane z innych ob­szarów powierzchni w drodze endocytozy prawie tak samo szybko, jak zostały one dodane przez egzocytozę. To usuwanie błony przywraca zarów­no lipidy, jak i białka pęcherzyków błonowych do sieci trans AG, gdzie mogą być użyte ponownie.

Wyróżnia się dwa główne typy endocytozy na podstawie wielkości po­wstających pęcherzyków endocytotycznych. Pinocytoza („picie przez ko­mórkę") — to wchłanianie płynu i cząsteczek przez małe pęcherzyki (o średnicy < 150 nm). Fagocytoza („jedzenie przez komórkę") — to wchłanianie dużych cząstek, np. mikroorganizmów i szczątków komórko­wych, przez duże pęcherzyki - fagosomy (o średnicy > 250 nm). O ile wszystkie komórki eukariotyczne ustawicznie wchłaniają płyn i czą­steczki przez pinocytozę, o tyle duże cząstki są wchłaniane głównie przez wyspecjalizowane komórki fagocytujące, np. makrofagi.

Wyspecjalizowane komórki fagocytujące wchłaniają duże cząstki

U pierwotniaków fagocytoza jest formą pobie­rania pokarmu; duże cząstki, np. bakterie, są pobierane do fagosomów, które następnie łączą się przez fuzję z lizosomami, gdzie cząstki pokarmu ulegają strawieniu. W organizmach wielokomórkowych tylko nieliczne komórki mogą wchłaniać duże cząstki. W jelicie zwierząt duże cząstki po­karmowe muszą zostać najpierw rozłożone przez enzymy zewnątrzkomórkowe do pojedynczych cząsteczek, zanim będą mogły być pobrane przez komórki absorpcyjne, wyścielające jelito.

Niemniej jednak, fagocytoza jest u większości zwierząt procesem waż­nym dla celów innych niż odżywianie. Najbardziej wydajnie jest prowadzo­na przez komórki fagocytujące, takie jak makrofagi, szeroko rozpowszechnione w tkankach i pewne krwinki białe. Komórki fagocytujące bro­nią organizm przed infekcją, wchłaniając atakujące mikroorganizmy. Aby jakaś cząstka została wchłonięta przez makrofaga lub krwinkę białą, musi wpierw zostać związana do jej powierzchni i uaktywnić jeden z wielu receptorów powierzchniowych, który zaindukuje wysuwanie pła­towatych wypustek błony komórkowej, zwanych pseudopodiami, które ota­czają bakterie i łączą się na swoich końcach tworząc fagosom. Komórki fagocytujące odgrywają również ważną rolę w usuwaniu mar­twych i uszkodzonych komórek oraz szczątków komórkowych. Na przy­kład makrofagi wchłaniają każdego dnia ponad 10¹¹ naszych zużytych ery­trocytów.

Płyn i makrocząsteczki są pobierane na drodze pinocytozy

Komórki eukariotyczne ustawicznie wciągają małe fragmenty swojej bło­ny komórkowej w postaci drobnych pęcherzyków pinocytotycznych, które później wracają do powierzchni komórki.

Na przykład makrofag w każdej godzinie wchłania ilość płynu odpo­wiadającą 25% jego własnej objętości. Oznacza to, że wchłania on co mi­nuta 3% swojej błony komórkowej, co odpowiada wchłonięciu 100% bło­ny w ciągu pół godziny. Ponieważ całkowita powierzchnia i objętość komórki pozostają podczas tego procesu niezmienione, jest oczywiste, że tyle samo błony jest dodawane do powierzchni komórki przez fuzję pę­cherzyków przy egzocytozie, ile jest usuwanych w drodze endocytozy.

Pinocytoza jest zazwyczaj przeprowadzana przez dołki i pęcherzyki opłaszczone klatryną,. Po oderwaniu się od błony komórkowej pęcherzyki okryte klatry­ną szybko zrzucają swój płaszcz i łączą się przez fuzję z endosomem. Dołki opłaszczone po inwaginacji tworzą pęcherzyki opłaszczone, zamy­kające w sobie część płynu zewnątrzkomórkowego, wraz z rozpuszczonymi w nim substancjami i następnie wprowadzają je do endosomu. To pobieranie płynu jest w zasadzie zrównoważone utratą płynu zachodzącą podczas egzocytozy.

Endocytoza przebiegająca z udziałem receptorów stanowi specyficzną drogę prowadzącą do wnętrza komórek zwierzęcych

Pinocytoza, nie jest procesem wybiórczym. Pęcherzyki endocytotyczne po prostu zamykają w sobie jakiekol­wiek cząsteczki przypadkowo obecne w płynie zewnątrzkomórkowym i przenoszą je do wnętrza komórki. Jednak w większości komórek zwie­rzęcych pinocytoza prowadzona poprzez pęcherzyki okryte klatryną sta­nowi równocześnie efektywną drogę pobierania z płynu zewnątrzkomór­kowego specyficznych makrocząsteczek (ligandów). Te ostatnie wiążą się z komple­mentarnymi receptorami na powierzchni komórki i wnikają do wnętrza komórki jako kompleksy makrocząsteczek z receptorami, zawarte w pęcherzykach zamkniętych klatryną. Proces ten — nazywany endocytozą kierowaną receptorami (receptorową) — stanowi selektywny mechanizm zagęszczają­cy, który w porównaniu ze zwykłą pinocytozą zwiększa ponad 1000 razy wydajność pobierania określonych makrocząsteczek. W konse­kwencji nawet te składniki płynu zewnątrzkomórkowego, które występu­ją w niewielkim stężeniu, mogą być wchłonięte bez pobierania odpowied­nio dużej ilości płynu zewnątrzkomórkowego. Ważnym przykładem endocytozy kierowanej przez receptory w komórkach zwierzęcych jest pobie­ranie cholesterolu, potrzebnego do wzrostu błon.

Cholesterol jest bardzo trudno rozpuszczalny i transportowany w krwiobiegu w postaci związanej z białkami jako cząstki o nazwie lipoproteiny o malej gęstości, czyli LDL (ang. low-density lipoproteins). Cząstki LDL wiążą się z receptorami umieszczonymi na powierzchni komórki, a tak powstałe kompleksy są wchłaniane na drodze endocytozy kierowanej przez receptory i doprowadzane do endosomów. Wnętrze endosomów jest bardziej kwaśne niż otaczający je cytozol lub płyn zewnątrzkomórkowy i to kwaśne środowisko powoduje oddysocjowanie cząstek LDL od ich receptorów. Receptory powracają w pęcherzykach transportujących do błony komórkowej, gdzie są używane ponownie, natomiast cząstki LDL są dostarczane do lizosomów. W lizosomach cząstki LDL są rozkładane przez enzymy hydrolityczne; cholesterol zostaje uwolniony i przechodzi do cytozolu, skąd jest pobierany podczas syntezy nowych fragmentów błony. Receptory LDL są z powierzchni komórki stale wycofywane do wnętrza komórki i ulegają recyklizacji, niezależnie od tego, czy są związane z LDL.

Ta droga pobierania cholesterolu jest przerwana u osób, które odzie­dziczyły uszkodzony gen kodujący białkowy receptor LDL. W pewnych przypadkach receptorów w ogóle brakuje, a w innych są obecne, ale nie­funkcjonalne. Ponieważ w każdym z tych przypadków komórki nie są zdolne do pobierania LDL, u osób takich cholesterol akumuluje się we krwi, powodując predyspozycję do powstania arteriosklerozy. Większość tych osób umiera wcześnie na zawał, powodowany zaczopowaniem tętnic zaopatrujących serce.

Innymi makrocząsteczkami (ligandami) wchłanianymi przez komórkę są np. transferyna (glikoproteina osocza krwi transportująca do komórek żelazo), witellogenina (forma prekursorowi białek żółtka w jajach), czynniki wzrostowe, hormony polipeptydowe (np. insulina), wirusy, toksyny bakterii.

Endocytozą za pośrednictwem receptorów jest używana też do pobie­rania wielu innych istotnych metabolitów, takich jak witamina B₁₂ i żela­zo, których komórka nie może pobrać mechanizmami transportu błonowego. Zarówno witamina B_I2, jak i żelazo wnika­ją do niedojrzałej krwinki czerwonej jako kompleksy z białkiem. Tą drogą są wchłaniane również liczne receptory powierzchniowe, które wią­żą zewnątrzkomórkowe cząsteczki sygnałowe; niektóre przez recyklizację powracają do błony komórkowej do powtórnego użycia, inne natomiast są degradowane w lizosomach. Niestety, endocytoza przebiegająca za po­mocą receptorów może być wykorzystana przez wirusy; tą drogą wchodzą do komórki wirusy grypy, a także wirus HIV.

Makrocząsteczki doprowadzone przez endocytozę są sortowane w endosomach

Materiał zewnątrzkomórkowy pobrany w drodze pinocytozy jest szybko przenoszony do endosomów - złożonego zespołu połą­czonych ze sobą cewek błonowych i większych pęcherzyków. Wyróżnia się dwa zespoły endosomów: endosomy wczesne, leżące tuż pod błoną komórkową, oraz endosomy późne - w pobliżu jądra. Wnętrze przedziału tworzonego przez endosomy ma od­czyn kwaśny (pH 5-6) dzięki działaniu w błonach tych organelli protono­wej ATPazy transportującej, która pompuje H⁺ z cytozolu do światła en­dosomów.

Przedział utworzony przez endosomy jest głównym miejscem sortowa­nia na prowadzącej do wnętrza komórki drodze endocytozy, tak jak sieć trans AG pełni tę funkcję w prowadzącej na zewnątrz drodze sekrecyjnej. Kwaśne środowisko w endosomach odgrywa kluczową rolę w pro­cesie sortowania, zmuszając wiele receptorów do uwolnienia związanego z nimi cargo (ładunku). Drogi, którymi będą wędrowały receptory po wejściu do en­dosomów, różnią się w zależności od typu receptora:

1) większość wraca do tej samej domeny błony komórkowej, z której przybyły, jak to jest w przypadku receptora LDL,

2) pewne wędrują do lizosomów, gdzie ulegają degradacji,

3) niektóre są przemieszczane do odmiennych domen błony komórkowej, przenosząc przez to swoje car­go cząsteczek z jednej przestrzeni zewnątrzkomórkowej do drugiej — w procesie zwanym transcytozą.

Cząsteczki cargo, które pozostają związane ze swoimi receptorami, dzielą los tych receptorów. Te, które oddysocjowują od swoich recepto­rów w endosomie, są skazane, wraz z większością zawartości endosomu, na destrukcję w lizosomach.

Lizosomy są głównym miejscem trawienia wewnątrzkomórkowego

Wiele cząsteczek zewnątrzkomórkowych wchłoniętych przez ko­mórki kończy swą drogę w lizosomach. Podobnie jak inne organelle komórkowe, lizosomy mają zarówno specyficzny zestaw enzymów, jak i specyficzną błonę ograniczającą. Bło­na lizosomów zawiera białka transportujące, które umożliwiają przenie­sienie końcowych produktów trawienia makrocząsteczek, takich jak ami­nokwasy, cukry i nukleotydy — do cytozolu, gdzie mogą być użyte przez komórkę lub skąd mogą być wydalone poza obręb komórki. Błona ta, po­dobnie jak błona endosomów, zawiera ATPazę transportującą H⁺, która pompuje H⁺ do wnętrza lizosomu, podtrzymując kwaśne pH jego wnętrza. Większość białek błony lizosomu jest niezwykle silnie glikozylowana, a cukry, które pokrywają większość powierzchni białek skiero­wanych do światła lizosomu, ochraniają te białka przed strawieniem przez proteazy lizosomowe.

Wyspecjalizowane enzymy trawienne i białka błon lizosomu są syntety­zowane w ER i transportowane przez aparat Golgiego do jego sieci trans. Podczas pobytu w ER i sieci cis AG enzymy zostają oznakowane specyficzną ufosforylowaną grupą cukrową (mannozo-6-fosforan) tak, iż dochodząc do sieci trans AG są rozpoznawane przez odpowiedni re­ceptor mannozo-6-fosforanu, a przez to wysortowane i upakowane do pę­cherzyków transportujących, które odpączkowują i dostarczają swą za­wartość do lizosomów poprzez późne endosomy.

W zależności od swego pochodzenia materiały docierają do lizosomów różnymi drogami. Cząstki zewnątrzkomórkowe są po­bierane do fagosomów, które ulegają fuzji z lizosomami, oraz że płyn ze-wnątrzkomórkowy i makrocząsteczki są pobierane do mniejszych pęche­rzyków - endosomów biorących udział w endocytozie receptorowej i dostarczających swą zawartość do lizosomów. Komórki mają również dodatkową dro­gę dostarczania materiałów do lizosomów, używaną do degradacji zuży­tych części samej komórki. Proces rozpoczyna się prawdopodobnie otoczeniem organelli przez błony pochodzące z ER, co tworzy cytosegregosom, który następnie ulega fuzji z lizosomom tworząc autofagosom.

Pęcherzyki transportujące przenoszą białka rozpuszczalne i błony między przedziałami

Ruch pęcherzyków między przedziałami syste­mu błon wewnętrznych odbywa się albo na zewnątrz komórki (transport anterogradowy = droga sekrecyjna, kończąca się wydzieleniem niesionych przez pęcherzyk białek na zewnatrz) albo też do wnętrza komórki (transport retrogradowy = droga endocytozy odpowie­dzialna za wchłanianie i degradację cząsteczek spoza komórki, prowadzi od błony komórkowej, do lizosomów).

Aby przeprowadzić swą funkcję właściwie, każdy pęcherzyk transportu­jący, który odpączkowuje z danego przedziału, musi zabrać ze sobą tylko białka odpowiednie dla przedziału docelowego i musi ulec fuzji tylko z od­powiednią błoną docelową. Na przykład, pęcherzyk niosąc cargo (ładu­nek) z aparatu Golgiego do błony komórkowej nie może przyjąć białek, które mają pozostać w aparacie Golgiego i może ulec fuzji tylko z błoną ko­mórkową, a nie z błoną jakiejkolwiek innej organelli. Biorąc udział w tym ustawicznym przepływie składników błonowych, każda organella musi za­chować swą własną odrębność, to jest swój własny wyróżniający skład bia­łek i lipidów. Wszystkie te procesy rozpoznawania się zależą od białek zwią­zanych z błoną pęcherzyków transportujących.

Pączkowaniem pęcherzyków kieruje układ białek opłaszczających

Pęcherzyki odpączkowujące z błon mają zazwyczaj na swojej cytozolowej powierzchni charakterystyczny płaszcz białkowy i dlatego nazwano je pę­cherzykami opłaszczonymi. Po ukończeniu pączkowania płaszcz zosta­je utracony, co pozwala błonie pęcherzyka oddziaływać bezpośrednio z błoną, z którą ma się złączyć przez fuzję. Istnieje kilka rodzajów pęche­rzyków opłaszczonych, różniących się składem białkowego płaszcza. Uważa się, że płaszcz ma przynajmniej dwie funkcje: formuje bło­nę podczas tworzenia pęcherzyka i współdziałania przy wychwytywaniu czą­steczek, które mają być dalej transportowane.

Najlepiej zbadane są pęcherzyki, których płaszcz tworzy głównie biał­ko klatryna; są to pęcherzyki okryte klatryną. Odpączkowują one zarówno z apara­tu Golgiego w skierowanej na zewnątrz drodze sekrecyjnej oraz z błony komórkowej w skierowanej do wewnątrz drodze endocytozy. Na przy­kład, przy błonie komórkowej każdy pęcherzyk powstaje początkowo ja­ko dołek oplaszczony klatryną. Cząsteczki klatryny układają się na cytozolowej powierzchni błony w rodzaj koszyka, który kształtuje błonę w pę­cherzyk. Wokół szyjki głęboko wpuklonej błony tworzy się pierścień z dynaminy, małego białka wiążącego GTP. Następnie dynamina hydrolizuje związany z nią GTP, co powoduje obciśnięcie pierścienia, a przez to oderwanie pęcherzyka od błony. W transporcie pęcherzyko­wym biorą również udział inne rodzaje pęcherzyków transportujących o odmiennych białkach opłaszczających. Powstają one w podobny sposób i przenoszą charakterystyczne dla siebie zestawy cząsteczek pomiędzy ER, aparatem Golgiego i błoną komórkową.

Sama klatryna nie odgrywa żadnej roli w wychwytywaniu specyficznych cząsteczek przeznaczonych do transportu. Funkcję tę w pęcherzykach opłaszczonych klatryną pełni odmienna klasa białek opłaszczających, o nazwie adaptyny, zarówno wiążących płaszcz z błoną pęcherzyka, jak i poma­gających w selekcji cząsteczek, które mają być transportowane. Cząsteczki przeznaczone do transportu (cargo = ładunek) mają specyficzne sygnały transportu, które są rozpoznawane przez receptory cargo, znajdujące się w błonie przedziału wyjściowego. Adaptyny pomagają w wychwyceniu określonych cząsteczek cargo przez przechwytywanie receptorów cargo i połączonych z nimi cząsteczek cargo. W ten spo­sób wyselekcjonowany zestaw cząsteczek ładunku, związanych ze swoimi specyficznymi receptorami, zostaje wprowadzony do wnętrza każdego no­wo powstającego pęcherzyka opłaszczonego klatryną.

Odmienna klasa pęcherzyków opłaszczonych, o nazwie pęcherzyki opłaszczone białkami COP, bierze udział w przenoszeniu cząsteczek po­między ER a aparatem Golgiego oraz między poszczególnymi strefami aparatu Golgiego.

Niektóre typy pęcherzyków opłaszczonych

Typ pęcherzyka opłaszczonego	Białka płaszcza	Pochodzenie	Przeznaczenie
Okryty klatryną	klatryną + adaptyna 1	aparat Golgiego	lizosom (poprzez endosomy)
Okryty klatryną	klatryną + adaptyna 2	błona komórkowa	endosomy
Okryte białkami COP	białka COP	ER, cysterna Golgiego aparat Golgiego	aparat Golgiego cysterna Golgiego, ER

Specyficzność przywierania pęcherzyków do błony zależy od białek SNARE

Pęcherzyk transportujący, który oderwał się od błony, musi odnaleźć swą drogę do właściwego celu, gdzie przekaże swą zawartość. Jeśli odległość jest mała — tak jak między ER a aparatem Golgiego — pęcherzyk prze­mieszcza się w drodze prostej dyfuzji. Jeśli odległość jest duża — taka jak od aparatu Golgiego do zakończenia aksonu komórki nerwowej — pę­cherzyki są transportowane aktywnie przez białka motoryczne, które po­ruszają się wzdłuż włókienek cytoszkieletu.

Gdy pęcherzyk transportujący osiągnie swą docelową organellę, musi ją rozpoznać i związać się z nią. Tylko wtedy może nastąpić fuzja błony pę­cherzyka z błoną docelową i wyładowanie niesionego cargo. Wszystkie typy pęcherzyków transportujących w komórce mają na swej powierzchni znaczniki molekularne, które identyfikują pęcherzyk zależnie od jego po­chodzenia i zawartości. Znaczniki te muszą zostać rozpoznane przez kom­plementarne receptory na powierzchni odpowiedniej błony docelowej, łącznie z błoną komórkową. Uważa się, że w rozpoznawaniu pęcherzyków bierze udział rodzina pokrewnych sobie białek transbłonowych o nazwie SNARE (ang. SNAP receptors). Białka SNARE pęcherzyków (nazywane v-SNARE) są specy­ficznie rozpoznawane przez komplementarne białka SNARE na cytozolowej powierzchni błony docelowej (nazywane t-SNARE). Uwa­ża się, że każda organella i każdy typ pęcherzyka transportującego niesie specyficzne dla siebie białka SNARE, a poprawność fuzji pęcherzyka z właściwą błoną jest zapewniona oddziaływaniem pomiędzy komplemen­tarnymi białkami SNARE.

Po rozpoznaniu przez pęcherzyk transportujący jego błony docelowej i przywarciu do niej, przekazanie ładunku do nowego przedziału wymaga fuzji pęcherzyka z błoną tego przedziału. Fuzja nie tylko dostarcza zawar­tość pęcherzyka do wnętrza docelowej organelli, ale również wbudowuje błonę pęcherzyka do błony organelli. Jednakże fuzja nie zawsze następu­je zaraz po przywarciu obu błon i często musi oczekiwać na specyficzny sygnał uruchamiający. O ile przywarcie (dokowanie) wymaga tylko dosta­tecznego zbliżenia błon pozwalającego na interakcję białek wystających z błon obu spotykających się struktur, o tyle proces fuzji wymaga kontaktu znacznie bliższego, na odległość mniejszą niż 1,5 nm. Aby to nastąpiło, niezbędne jest usunięcie wody z hydrofilowych powierzchni błon, proces energetycznie bardzo niekorzystny. Jest więc wielce prawdopodobne, że fuzja błon w komórce jest katalizowana przez wyspecjalizowane białka tworzące w miejscu fuzji kompleks fuzyjny, który właśnie umożliwia przekroczenie takiej bariery energetycznej.

1

---