LOKALIZACE METABOLICKÝCH DRAH

LOKALIZACE
METABOLICKÝCH DRAH
Srovnání prokaryot a eukaryot
Prokaryota
Eukaryota
Organismy
Eubakterie a archebakterie
Houby, rostliny, živočichové
Velikost
1-10 mm
10-100 mm
Organizační struktura
Jednobuněčné
Jednobuněčné nebo vícebuněčné
Organely, cytoskelet, dělící aparát
Neexistují
Existují, komplikovaný, specializovaný
DNA: syntéza, zrání
Malá, kruhová, žádné introny, plazmidy
Velká, v buněčném jádře, mnoho intronů
RNA: syntéza, zrání
Jednoduchá, v cytoplazmě
Komplikovaná, v buněčném jádře
Proteiny: syntéza, zrání
Jednoduchá, spojená se syntézou RNA
Komplikovaná, v cytoplasmě a na drsném ER
Metabolismus
Aerobní a anaerobní, velmi adaptabilní
Převážně aerobní, rozdělený do kompartmentů
Endocytóza a exocytóza
Ne
Různé formy
Struktura živočišné buňky
U člověka – nejméně 200 různých druhů buněk
Endozomy, exozomy – měchýřovité vezikuly, které se účastní výměny látek mezi buňkou a jejím okolím
Rozdíl mezi živočišnou a rostlinnou buňkou
Živočišná buňka
Rostlinná buňka
Struktura bakteriální buňky
E. coli – bílkoviny tvoří 55% sušiny buňky, 250 000 proteinů, průměrná
velikost 40 kDa
V eukaryotní buňce se počet bílkovin odhaduje na několik miliard
Bakteriální buňka
Cytoplasma
• hustě naplněna makromolekulami → gelovitá konzistence →
nepatrné vzdálenosti mezi makromolekulami
• všechny molekuly jsou v pohybu (hadovitý) → bílkoviny jsou
pomalé – 5 nm za 1ms
Funkce cytoplazmy
• Cytoplazma zaujímá 50 % objemu buňky
• Ústřední reakční prostor buňky
Reakční dráha
Funkce
Translace
Syntéza proteinů na ribozomech
Glykolýza
Glukoneogeneze
Štěpení glukózy na pyruvát nebo
laktát
Syntéza glukózy
Syntéza mastných kyselin
Syntéza palmitátu z acetyl-CoA
Pentózový cyklus
Tvorba NADPH, vzájemná přeměna
hexóz a pentóz
Ukládání glukózy jako glykogenu
Metabolismus glykogenu
Buněčné jádro
• Největší organela – 10-20 mm
• Procesy – ukládání, replikace a exprese genetického materiálu
• Každá buňka 1 jádro (chybí v erytrocytech, myocyty – svalová
vlákna – více jader)
• Jaderný obal - na vnitřní straně vnitřní membrány bílkovinná
vrstva (jaderné lamininy) → zakotvení jaderných struktur
- vnější membrána (přechází v ER)
• Nukleoplasma – obsahuje DNA
• Chromatin – tvoří jaderná DNA s histony a strukturními
bílkovinami
• Jadérko – jeho DNA obsahuje kopie genů rRNA
Funkce buněčné jádra
• Replikace
• Transkripce
• Zrání hnRNA,
pre-tRNA
• Transport
proteinů z
cytosolu (např.
histony, DNA a RNA
polymerasy a další)
• V jadérku
tvorba
prekurzorů
ribozomů
• Biosyntéza
NAD+ z NMN+
Funkce buněčné jádra
Reakční dráha - funkce
Replikace
Transkripce
Zrání hnRNA, pre-tRNA
Transport proteinů z cytosolu (např. histony, DNA a RNA polymerasy a
další)
V jadérku tvorba prekurzorů ribozomů
Biosyntéza NAD+ z NMN+
Transport mezi buněčným jádrem a cytoplasmou
• Nutný přísun energie GTP
• Jaderné póry – 1000-10000 tvořeny nukleoporiny (proteiny)
Struktura mitochondrie
• Organely o velikosti bakterií → 1-2 mm
• Velký počet – cca 2000, tj. 25% objemu buňky
Membrána obsahuje kardiolipin,
nemá cholesterol
Funkce mitochondrie
Funkce mitochondrie
Reakční dráha - funkce
Oxidativní fosforylace – dýchací řetězec, ATPasa – hlavní produkce
ATP
Citrátový cyklus
Pyruvátdehydrogenasa
Močovinový cyklus
Syntéza hemoglobínu
Zásobník vápenatých iontů
Plasmatická membrána
Plasmatická membrána
Funkce plasmatické membrány
Reakční dráha - funkce
Ohraničení a izolace buněk a organel
Kontrolovaný transport látek
Příjem extracelulárních signálů
Enzymatická katalýza
Interakce s ostatními buňkami
Ukotvení cytoskeletu
Endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát
Endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát
• Drsné ER – ribozomy na membráně – proces translace
• Hladké ER – bohaté na enzymy
• dílčí reakce lipidového metabolismu a biotransformace,
• jeho podíl je malý
• pouze u buněk s aktivním lipidovým metabolismem (např.
hepatocyty) větší zastoupení
• Golgiho aparát uzavřený systém membránových cisteren –
postranslační modifikace proteinů, transport modifikovaných
proteinů i lipidů
Hladké endoplazmatické retikulum
Reakční dráha - funkce
Syntéza lipidů např. fosfolipidů
Některé kroky syntézy cholesterolu
Enzymy biotransformace (v jaterních buňkách) (účast cytochromu
P450 – hlavní molekuly hladkého ER)
Zásobárna vápenatých iontů
Hydrolýza glukosa-6-fosfátu na glukózu (glukozo-6-fosfatasa)
Třídění bílkovin
• Eukaryotická buňka obsahuje 1010 proteinových molekul
• Transport z místa syntézy do místa působení
• Póry
• Transportní komplexy (mitochondrie)
• Váčky (endozomy, exozomy)
• Signální sekvence – určující místo transportu
Třídění bílkovin
• Začíná na volných ribozomech v cytoplazmě
• Cytoplazmatická dráha – proteiny bez signálního peptidu pro ER
• Translokační signály – transport do mitochondrií, buněčného
jádra a peroxisomů
• Sekretorická dráha – proteiny se signálním peptidem pro ER
• Dodatečné signální sekvence a oblasti
• Proteiny se „stop-transfer-sekvencemi“ – integrální součást
membránových proteinů ER
• Cestou vesikulárního transportu – součást dalších organel
• Z Golgiho aparátu do lysozomu
Syntéza bílkovin na drsném ER
SRP – signál rozlišující částice
Stop-protein-signál
• odpovídající hydrofóbní úsek zůstává v membráně
• vzniká integrální membránový protein → vznik proteinu s mnoha
membránovými helixy
Třídění bílkovin
Translokační signály
Signální peptidy – krátké úseky na N nebo C konci nebo uvnitř
peptidového řetězce
Signální oblast – místa na povrchu bílkovin tvořená různými úseky
peptidového řetězce nebo různými řetězci
Strukturní signály – interakce s receptory – selektivní transport
proteinů, aktivace enzymů modifikujících proteiny
Glykosylace protinů ER a Golgiho aparát
Zrání bílkoviny
Proteiny pro sekretorickou dráhu se v ER musí sbalit do nativní formy
Chaperony
• speciální proteiny, které v buňce pomáhají skládat většinu bílkovin
do jejich správného prostorového uspořádání.
• V ER je BiP (binding protein) – stabilizace proteinu
• Proteindisulfidizomerasa – nastavení rovnováhy mezi spárovanými a
nespárovanými cysteinovými zbytky
• Většina vazen trans- konformace vazby u Pro (cis nebo trans) –
prolin-cis-trans-izomerasa
Zrání bílkoviny
Chaperony
• speciální protein, který v buňce pomáhá (a kontroluje) skládat
většinu bílkovin do jejich správného prostorového uspořádání.
• není součástí výsledného proteinu, po vykonání své činnosti se
odpojí
• některé z nich jsou ATPasy, které se váží k proteinům, a tím
umožňují jejich uvolnění
• k významným molekulárním chaperonům patří tzv. proteiny
tepelného šoku (heat shock proteiny)
Zrání bílkoviny
Hsp70
• se vážou na hydrofobní části právě vznikajících (syntetizovaných)
proteinů a stabilizují je v nesbaleném stavu, proteiny pak snadněji
procházejí membránami
• stimulují export proteinů z buněk, podílí se na konformaci
replikačních komplexů, podporují odbourávání poškozených proteinů
• ke správně sbaleným proteinům se nevážou
• samotná vazba probíhá "ATP-dependentním způsobem„
• chaperon napřed naváže ATP
• je schopen reagovat s pomocným proteinem, díky jeho
přítomnosti se ATP hydrolyzuje na ADP+Pi
• získaná energie umožní vazbu na nesbalený protein
• protein se uvolní, když nová molekula ATP nahradí na chaperonu
ADP, což zařizuje další pomocný protein
Zrání bílkoviny
Hsp60
• podporují sbalování produkovaných proteinů
• zúčastňují se sbalování fágového virionu
• stabilizují proteiny určené k exportu do mezimembránového
prostoru
• nesbalené proteiny přijímají od hsp70
• špatně sbalené proteiny umí opět rozbalit
• proteiny sbalují pomocí zvláštní kapsy, do které protein umístí.
• Chaperonům hsp60 se také říká „chaperoniny“
Zrání bílkoviny
Hsp90
• váže se na steroidní receptory
• inhibuje aktivitu tyrozinkinasy
Hsp100
• se mnoho neví
• pravděpodobně pracují podobně jako hsp60
• vytvářejí také kapsu
Zrání bílkoviny
Zrání bílkoviny
Lysozomy
• Velikost – 0,2-2 mm
• Tvar - rozmanitý, jednoduchá
membrána,
• Počet - stovky
• Aktivní membránové pumpy
poháněné ATP
• pH je 4,5-5 (kyselejší než
cytoplazma – „žaludek buňky“
• 40 druhů hydrolas (hlavní je
kyselá fasfatasa)
• pH optimum hydrolas je cca 5
Tvorba lysozomů
Funkce lysozomů
• Primární lysozomy jsou váčky
obsahující hydrolasy, ale
nikoliv materiál k trávení
• Sekundární lysozomy jsou
větší a obsahují hydrolasy
spolu s materiálem, který
právě zpracovávají.
• Terciární lyzozomy
(postlysozomy, reziduální
tělíska) obsahují zbytky
materiálu, který již nelze
rozložit.
• Jejich obsah může být pomocí exocytózy vyloučen z buňky a
terciární lyzozom tak zanikne. Nestrávený materiál se ale může
hromadit v buňce a v mikroskopickém obrazu buňky je patrný jako
hnědočerveně zbarvený pigment lipofuscin.
Peroxisomy
•
•
•
•
•
•
Velikost – 0,2-0,5 mm
Ve všech buňkách
Počet – v jaterních buňkách cca 400
Vznikají na ER
Mohou se dělit
Účastní metabolických drah a slouží buňce k likvidaci jedovatých
substancí.
Funkce peroxisomy
Reakční dráha - funkce
Oxidativní štěpení lipidových metabolitů a některých AK
Krácení velmi dlouhých a větvících se MK
Štěpení cholesterolu, tvorba žlučových kyselin
Syntéza plasmalogenů
Detoxifikace glyoxylátu – přeměna na glycín
Rozklad neutrálních a bazických D-aminokyselin
Hydrolýza lipofilních epoxidů
Oxidativní likvidace acetylcholinu
Rozklad purínů
Detoxikace kyslíkových radikálů (peroxid vodíku, superoxidy a
epoxidy)
Funkce peroxisomy
Funkce peroxisomy
Funkce peroxisomy
Návaznost metabolických drah v průběhu fotorespirace
chloroplast  peroxisom  mitochondrie
Glyoxysomy (rostlinné buňky)
Specializované peroxisomy, kde probíhá odbourávání mastných kyselin
b-oxidace a glyoxalátový cyklus
Glyoxysom
Olejová tělíska
Lokalizace – zejména semena
Plastidy (rostlinné buňky)
Vzhled
 lipoproteinové organely obsahující vlastní DNA a
ribozomy
 dvě membrány + stroma
Vznik
 diferenciace proplastidů (0,2-1 mm)
 v mladých meristematických regionech
(20 proplastidů/buňku)
 uvnitř je stroma (granulární)
 obsahují ribosomy
 DNA vlákna (3 nm)
 váčky se zásobní bílkovinou
 vnitřní membrána je trochu vchlípena
Vznik plastidů
Funkce plastidů
• Zásobní organely
• Účast na metabolických dějích (biosyntéza chlorofylu,
karotenoidů, purinů, pyrimidinů, mastných kyselin)
• Redukce anorganických sloučenin NO3- a SO42-
Možnost dělení
 příčné
Typy plastidů
 Leucoplast (bezbarvý) – zásobní plastid

Amyloplast

Elaioplast

Proteinoplast
 Etioplast
 Chloroplast (zelený)
 Chromoplast (barevný)
LEUKOPLAST
Popis




neobsahují pigmenty
dvě obalové membrány
husté stroma
velmi málo vnitřní membrány a ribosomů
Funkce – syntéza:
 monoterpenů (součástí esenciálních olejů) - využití ve
farmakologii );
Hladké ER
 škrobu (amyloplast),
 lipidů (elaioplast),
Leukoplast
 proteinů (proteinoplast)
Lokalizace
 blízkost hladkého ER,
které se podílí na syntéze
lipidů
AMYLOPLAST
Popis
 nepigmentované plastidy s granulemi škrobu
Výskyt
 zejména v zásobních orgánech
Škrobová zrna
CHROMOPLAST
Barva
žlutá, oranžová, červená - přítomnost karotenů a xantofylů
(zbarvení ovoce, květin, kořenů)
Příprava
přímo z proplastidů nebo rediferenciace z chloroplastu (rajče)
Vývoj
 indukce enzymů biosyntézy karotenoidů
 inaktivní enzymy ve stroma
 aktivní enzymy jen v membráně,
lokalizované lipofilní prekurzory karotenů
kde jsou
ETIOPLAST
Výskyt
 v bílých nebo světle žlutých etiolovaných listech
 chybí chlorofyl
 vývoj za tmy nebo slabého světla
Produkce
 chlorofylových prekursorů - protochlorofyllid (po osvícení syntéza chlorofylu)
 ukládá membránové lipidy ve formě membránových struktur prolamelární tělíska (75% lipidů)
 po osvícení tvorba thylakoidů
CHLOROPLAST
Tvar
 diskovitý (5 -10 mm x 3 - 4 mm)
Množství
 rozdílné - palisádová mesofylní buňka – 20 chloroplastů
 40 až 500 000 chloroplastů na 1 mm2 listu
Struktura
 dvojitá membrána
• vnější - je hladká,vztah k ER
 nespecifické póry – prostupnost iontů a metabolitů do 10 kDa
do mezimembránového rpostoru
• vnitřní - přechází do lamelového systému tylakoidů (vzájemně
propojených),
 permeabilní pro O2, NH3,nedisociované monokarboxylové
kyseliny, ostatní látky přes specifické transportery
 stroma s enzymy fotoasimilačního cyklu
Struktura chloroplastů
• mezilamelární prostor
• vnitřní strana lamel ( část elektronového transportních řetězce)
• strana lamel přivrácena stromatu (tvorba ATP)
tylakoidy
(plošné měchýřky)
grana
diskovité tylakoidy (počet - až 40, vliv
světelných podmínek)
intergrana
tylakoidy stromatu
Struktura chloroplastů
Funkce chloroplastů
Výskyt
 v zelených rostlinách
Obsah
 vlastní genom - dvouřetězcová DNA, cirkulární chromosom
 nutná aktivita chloroplastového i jaderného genomu
 RUBISCO - malé podjednotky - kodovány jaderným genomem,
velké podjednotky - chloroplastová DNA
Funkce
 ukládání metabolických rezerv (škrobová zrna, tukové
globule, membránové struktury bohaté na bílkoviny)
 syntéza škrobu
 intenzivní fotosyntéza
Cytoskelet
je dynamický systém proteinových vláken a tubulů, jejichž hlavní
funkcí je transport látek a buněčných komponent, opora buňky a
účast na jejím dělení
Cytoskelet je tvořen proteiny:
1. mikrotubulů (z tubulínu): 25 nm
2. středních filament (též intermediární filamenta) (z keratinu): 10-12
nm
3. mikrofilament (z aktinu): 5-8 nm
Každý z nich má poněkud specifickou funkci, nicméně všechny tři složky
spolu navazují těsné vztahy a vzájemně se na sebe vážou
Asociace dalších proteinů
• dyneiny a kineziny pro mikrotubuly
• myosin pro mikrofilamenta.
Cytoskelet - mikrofilamenta
• G-aktin monomer (42 kDa) → F-aktin – polymer
• Účast ATP při polymeraci, ATP v F-aktinu se hydrolyzuje na ADP –
enzymová funkce aktinu
• Polarita F-aktinu
• Proteiny asociované s aktinem – profilin, vilin, fragin… → kontrolují
funkci aktinu
Cytoskelet - intermediální filamenta
• Mechanicky odolné, stabilní struktury
• Dodávají buňce pevnost a vyrovnávají tlaky, které působí na buňky
• Polymerace: bílkovinné monomery se stáčejí v dimery, které se
splétají v tetramery, které se paralelně řadí do provazcovité
(spirálovité) struktury IMF
• 5 proteinových tříd: cyklokeratiny, dezmin, kyselý fibrilární
gliaprotein, neurofilamenta, jaderné laminy
• Proteinové monomery se téměř nevyskytují volné
• Tvorba je řízena fosforylací/defosforylací
Cytoskelet - intermediální filamenta
Cytoskelet - tubulíny
•
•
•
•
•
•
•
•
Nerozvětvené tubuly s pevnou stěnou
Průměr 25 nm (tloušťka stěny 5 nm)
Složené z tubulinů - heterodimer tvořený α- a β- tubulinem
Polymerace: tubulinové podjednotky tvoří šroubovici (13 cirkulárně
seskupených tubulinových molekul) a tubulinové molekuly
polymerují (GTP) v spirálovitě uspořádaná protofilamenta - stěna
mikrotubulu
Proteiny asociované s mikrotubuly: doprovodné proteiny – (MAPs) –
regulace polymerace a depolymerace + molekulové motory
(KINESINY, DYNEINY) - intracelulární transport
Funkce mikrotubulů: změny a udržování tvaru buněk, intracelulární
transport, pohyb chromosomů
Výskyt mikrotubulů: centrioly, mitotické vřeténko, bičík (flagella)
Tvorba je řízena fosforylací/defosforylací
Cytoskelet - tubulíny
Cytoskelet
• Paprskovité uspořádání z centrální struktury v blízkosti jádra
• Ve spojení s dyneinem a kineinem vykonávají mechanickou práci
(transport mitochondrií, pohyb řasinek epitel plic, bičíku spermií
Cytoskelet
Cytoskelet
Cytoskelet
Cytoskelet
Funkce cytoskeletu
Funkce
• Vytváří mechanickou kostru buňky
• Dává tvar
• Navzájem propojuje membrány a organely
• Má dynamické vlastnosti
• Je hnací silou pohybu živočišných buněk
• Motorické proteiny
• Komunikační struktura
• Organely mohou vlivem motorických proteinů putovat podél
filament
Motorické proteiny
• Molekulární motory („nanomotory“) – přeměňují chemickou energii
na mechanickou
• Energie nukleosidtrifosfátů, energie chemických gradientů
• Příklady:
1. ATPasa
2. Ribosomální elongační faktory
3. RNA a DNA polymerasa
4. Motorické proteiny cytoskeletu – myoziny, kineziny, dyneiny
• Motorické proteiny cytoskeletu
1. svalová kontrakce,
2. intracelulární transport,
3. endocytoza a exocytoza,
4. dělení buněk
Motorické proteiny
Tansport nákladu podél
aktinových filament
Tansport nákladu podél
mikrotubulů
Tansport nákladu podél
mikrotubulů
Motorické proteiny
• xxx