6) intracelulární transport

Jaké jsou dvě formy organizace chemických reakcí v buňce?

Soustředění enzymů do proteinových komplexů a soustředění metabolických dějů do organel.

Jaké jsou výhody kompartmentalizace v buňce?

- V buňkách probíhá mnoho protichůdných chemických procesů, jejich oddělení zabrání chaosu.

- Vytvoření vhodného chemického mikroprostředí pro daný typ chemických procesů (řeší pomalost difúze substrátů, obsah iontů, pH) – reakce probíhají snadněji a rychleji.

- Izolace potenciálně nebezpečných rozkladných dějů

- Dělba práce mezi organelami

Které organely obsahují hydrolytické enzymy?

Lysosomy.

Které organely obsahují oxidativní enzymy?

Peroxisomy.

Jaký je rozdíl mezi cytoplazmou a cytosolem?

Cytoplazma zahrnuje cytosol a organely, zatímco cytosol je omezen plazmatickou membránou.

Nevýhody kompartmentalizace

- Dělba práce má mnoho výhod, ale také různé nároky.

- Biosyntéza organel

- Nutnost koordinace

- Třídění proteinů pro různé destinace...

Membránové organely - Prokaryotická buňka:

bez specializovaných vnitřních oddílů – jediný oddíl obklopený membránou = cytosol

Membránové organely - Eukaryotická buňka

- bohatě strukturována do samostatných oddílů s vyhraněnou funkcí

- Vysoká organizace na podbuněčné úrovni

- Další organizační (nadbuněčné) úrovně: buňky – tkáně – orgány – orgánové systémy - organismy

Cytoplazma

tekutina složená z cytosolu a organel (vše mezi plazmatickou membránou a jádrem)

Cytosol

omezen plazmatickou membránou a vnějším povrchem organel

Evoluce organel

- Předchůdci prvních eukaryot: mikroorganismy podobné bakteriím (žádné vnitřní membrány)

- Plazmatická membrána zřejmě zajišťovala všechny membránové funkce (vč. syntézy ATP)

- Umožněno malou velikostí původních buněk

- Velké eukaryotické buňky jsou závislé na vnitřních membránách

vznik membrány jádra, ER, GA, endozomů a lysozomů

- atrně vznikly vchlípením plazmatické membrány

- Vzájemná komunikace prostřednictvím váčků

- Vchlipování membrány pozorováno u dnešních fotosyntetizujících bakterií

vznik mitochondrií a chloroplastů

- Mitochondrie a chloroplasty mají vlastní DNA – podobnost s bakteriálním genomem

- Patrně se vyvinuly z bakterií pohlcených primitivními eukaryotickými buňkami

- Nezapojí se do vezikulárního transportu

Zvětšování organel

- Běžné v průběhu buněčného cyklu

- Přidávání nových molekul: přísun lipidů a proteinů

- Nutnost správného třídění materiálu

Třídění proteinů

- Nastává po dokončení nebo v průběhu jejich syntézy

- Posttranslační transport z cytosolu do mitochondrií, chloroplastů, peroxisomů, vnitřního prostoru jádra

- Kotranslační transport přes ER do Golgiho aparátu, lysosomů, endosomů, jaderné membrány, plazmatické membrány, extracelulárního prostoru

Jaké jsou tři hlavní mechanismy importu proteinů do organel?

- Syntéza všech proteinů začíná na ribozomech cytosolu (s výjimkou několika mitochondriálních a chloroplastových proteinů)

- Do vnitřního prostoru jádra: přes jaderné póry

- Do mitochondrií, chloroplastů, peroxisomů: přes proteinové translokátory

- Do ER, Golgiho aparátu, endosomů, lysosomů, membrán, vnějšího prostoru: vezikulárním transportem

Translokace proteinů z cytosolu do organel

- Import proteinů do organel určuje adresová sekvence – 15-60 aminokyselin - je součástí proteinu

- u ER zvaná signální sekvence

- Po navedení proteinů do cílových struktur odštěpena

- Absence adresové sekvence: protein zůstává v cytosolu

- Umělá výměna adresové sekvence mění lokalizaci proteinu

Jaderná membrána

• Dvě vrstvy

  • Vnitřní: vazebná místa pro chromozomy a jadernou laminu

  • Jaderná lamina: síť proteinových vláken poskytující vnitřní oporu

  • Vnější: složením velmi příbuzná membráně ER, ve kterou přechází

  • perinukleární prostor kontinuálně přechází v lumen ER

Jak probíhá transport jadernými póry?

- Pór prostupuje vnější i vnitřní jadernou membránou

- Funguje jako selektivní branka, která aktivně přenáší specifické makromolekuly a zároveň umožňuje volnou difúzi menších molekul oběma směry

- Z cytosolu do jádra: jaderné proteiny, transkripční faktory, atd.

- Z jádra do cytosolu: RNA, ribosomální podjednotky (nesestřižená pre-mRNA jádro neopouští)

- Větší molekuly a makromolekulární komplexy nemohou póry přecházet bez signálu (tzv. jaderného lokalizačního signálu, NLS)

- Na NLS se vážou pomocné cytosolové proteiny (importiny), které navádějí protein k póru a zajišťují jeho translokaci

- Nutná energetická podpora hydrolýzou GTP

- Importiny se pórem vracejí do cytosolu

Struktura jaderného póru

- Velký počet proteinových vláken na obou stranách póru

- Vlákna neomezují průchodnost

- Nevyžadována změna konformace přenášených molekul

Co je signální sekvence pro ER?

15-60 aminokyselinová sekvence, která určuje transport proteinu do endoplazmatického retikula.

export RNA z jádra

- rRNA, tRNA, mRNA vznikají v jádře, ale fungují v cytoplazmě

- Jadernou membránou prostupují póry, nutná energie

- Přenášené RNA se spojují s proteiny obsahujícími adresovou sekvenci pro export z jádra

- Translokace membránou probíhá v komplexu s proteiny (exportiny)

translokace do mitochondrií a chloroplastů

- Obě organely specializovány na syntézu ATP

- Vymezeny vnitřní a vnější membránou

- U chloroplastů navíc třetí membránový systém – thylakoidní membrána

- Proteiny importované z cytosolu mají na N-konci adresovou sekvenci k přesunu dochází ve speciálních místech vzájemného dotyku membrán

- Během transportu se proteiny rozvíjejí

- Adresová sekvence se odštěpuje signální peptidázou

- Obnovení konformace uvnitř organely napomáhají chaperony

Endoplazmatické retikulum

- Cytoplazmatický systém membránově uzavřených tubulů a váčků

- Napojení na jadernou membránu

- Největší organela většiny eukaryotických buněk (10% celkového objemu)

- Tvoří přibližně polovinu všech buněčných membrán

Hladké ER

Není spojeno s ribozomy, tvorba a odbourávání cukrů

• Metabolismus cholesterolu a lipoproteinů

• Detoxifikační reakce

• Místo syntézy membránových a zásobních lipidů, a dalších lipofilních sloučenin (steroidů)

• Zásobárna Ca2+

Drsné ER

Na vnějším povrchu pokryto ribozomy, které syntetizují proteiny pro ER, Golgiho aparát, lysosomy, plazmatickou membránu a sekreční proteiny

Vstup proteinů do endoplazmatického retikula

- Nastává ještě před dokončením jejich syntézy - kotranslačně

- Podmínkou je přítomnost signální sekvence pro ER na N-konci

- Spojen s translací

- Ribozom syntetizující příslušný protein musí být v kontaktu s membránou ER

- Vznikající protein proniká membránou ER a nemůže se vrátit zpět do cytosolu

Z cytosolu se do ER přenášejí 2 druhy proteinů:

- rozpustné: jsou do lumen ER přeneseny úplně (určeny k sekreci nebo pro lumen ER nebo jinou organelu spojenou se sekreční drahou)

- Membránové: zůstávají zanořeny v membráně ER (transmembránové proteiny ER, jiných organel nebo plazmatické membrány)

Proteosyntéza na ribozomech drsného ER

- Volné a ribozomy vázané na ER jsou nerozlišitelné, liší se jen proteiny, které zrovna syntetizují

- Syntéza všech proteinů je zahájena na volných ribozomech

- Signální sekvence na N-konci vznikajícího polypeptidu přitahuje ribozom k drsnému ER

- Signální sekvenci tvoří krátký úsek hydrofobních AK, který se odštěpuje během přenosu do lumen ER

Navádění ribozomů k membráně ER

- Zapojeny jsou nejméně dva proteiny:

- SRP („signal recognition particle“) - přítomen v cytosolu

- Váže se k signální sekvenci

- Receptor pro SRP

- Zanořen v membráně ER

- Přitahuje komplex ribozom/peptid/SRP k membráně ER

Přenos proteinů do ER

- Translací vzniká polypeptidový řetězec se signální sekvencí na N-konci

- Signální sekvence je rozeznána a vázána SRP

- Zpomalení syntézy daného proteinu

- Komplex SRP-ribozom se váže k receptoru SRP v membráně ER

- Po uvolnění SRP (recyklace) signální sekvence otvírá translokační kanál, kterým se protein přesunuje přes membránu

- Zároveň se obnovuje jeho syntéza

- Po splnění své naváděcí role je signální sekvence odštěpena signální peptidázou

Syntéza transmembránových proteinů

- Nepřecházejí do lumen úplně, ale zůstávají zanořeny v membráně ER

- Translokace je přerušena pomocnou sekvencí hydrofobních aminokyselin, která ukotvuje protein v membráně (sekvence zastavující přenos)

- Po odštěpení signální sekvence a umístění proteinu v lipidové dvojvrstvě proteosyntéza pokračuje na cytosolové straně membrány

Vezikulární transport

- Obousměrný dopravní systém mezi ER a plazmatickou membránou

- Zajištěn váčky, které pučí z membrán a zase s nimi fúzují

- Forma komunikace mezi vnitřkem buňky a okolím

- Sekreční dráha (z ER -> GA ->) a endocytóza (do buňky)

Sekreční dráha:

ER – Golgi – lysosom/membrána

- Biosyntéza proteinů, vstup do ER

- Přesun do Golgiho aparátu k buněčnému povrchu nebo přes endosomy k lysosomům

- Vstup proteinů do ER je hlavní křižovatkou v dopravě proteinů eukaryotickou buňkou

Endocytická dráha:

- membrána - lysosom

- Molekuly z vnějšího prostředí uzavřeny do váčků plazmatické membrány

- Přesun k raným endosomům a lysosomům

- Při „dálkovém“ transportu jsou váčky vedeny pomocnými proteiny, které se pohybují podél vláken cytoskeletu, jinak difúze

- Hydrolytické enzymy v lysosomech zajistí rozklad přijatého materiálu

transportní váčky

- Malé organely vymezené lipidovou membránou, které se pohybují buňkou

- Zajišťují přepravu materiálu mezi oddíly sekreční/endocytické dráhy

- Molekuly se dostávají do váčků odvozených z vnitřních organelových membrán (ER, Golgi) (sekreční dráha) nebo z plazmatické membrány, která zaškrcením obklopuje část mimobuněčného prostoru (endocytóza)

- Náklad se vyloží v jiném buněčném oddílu splynutím membrány váčku s membránou cílové organely nebo membránou plazmatickou

- Systém je využíván membránovými lipidy i protein

Specifita váčků

- Přijímají jen proteiny určené pro příslušný cíl

- Fúzují jen s příslušnou cílovou membránou

- Podmínka: každá organela udržuje identitu – má charakteristické zastoupení proteinů a lipidů v plazmatické membráně

- Mezi organelami zajišťují kyvadlovou dopravu různé typy váčků, každý z nich nese specifický náklad

Vchlipování váčků

- Poháněno skládáním proteinového pláště

- Specifický proteinový plášť obklopuje váčky na cytosolové straně

- Po ukončení vchlípení váček plášť ztrácí (usnadnění následné fúze s membránou cílové organely)

- Existují různé typy opláštěných váčků se specifickými obaly

Dvě hlavní funkce plášťů:

- Tvarování membrány do váčku

- Zachytávání molekul určených k transportu

Co jsou klathrinové váčky?

• nejlépe popsanél

• Pučí z Golgiho aparátu v rámci sekreční dráhy a z plazmatické membrány na počátku endocytické dráhy

• Hlavní plášťový protein – klathrin

• Molekuly klathrinu se na cytosolové straně membrány skládají do sítě

• Membránu tak nutí k zaškrcení do podoby váčku

• Klathrinové váčky pučící z vnitřního povrchu plazmatické membrány kožních buněk

• Vazbu klathrinu k membráně zajišťují adaptiny

• Malý GTP-vázající protein dynamin se obtáčí kolem vchlípeného váčku

• Hydrolýzou GTP se dynamin utáhne a odškrtí váček od membrány

Specifita klathrinových váčků

- Vyplývá z existence specifických transportních signálů na molekulách určených k přepravě a receptech v membráně, které k nim mají afinitu

- Receptory pro molekuly nákladu jsou ve spojení s klathrinem prostřednictvím adaptinu

Typy váčků

- klathrinové s nejméně dvěma typy adaptinu

- Váčky COP („coat proteins“ - coatomer COPI, COPII)

Pohyb váčků

- Na krátké vzdálenosti (ER - Golgi): prostá difúze

- Delší vzdálenosti (Golgi – plazmatická membrána u velkých buněk): využití motorových proteinů pohybujících se podél vláken cytoskeletu

Rozeznání cílové struktury

- Zprostředkováno molekulárními značkami, které transportní váčky nesou na svém povrchu

- Označují původ váčku a náklad

- Tyto značky musí být rozeznány receptory na cílových membránách

- Klíčovými složkami jsou transmembránové proteiny SNARE

- Proteiny SNARE váčků (v-SNARE; vesicle) interagují s komplementárními proteiny SNARE na povrchu cílových membrán (t-SNARE; target)

- Každá organela má svou typickou variantu proteinu SNARE

Splynutí membrán

• SNARE zajišťují rozpoznání, nikoliv fúzi

• Ke splynutí membrán nedochází okamžitě po navázání váčku

• Požadováno velmi těsné přiblížení

• Z hydrofilního povrchu membrány musí být odstraněna voda (energeticky nevýhodné)

• Fúze katalyzována zvláštními proteiny, které se musí seskupit do komplexu a zajistit energeticky náročnou fúzi

Sekreční dráha

• Zajišťuje uvolnění materiálu do mimobuněčného prostředí (exocytózu)

• Proteiny, lipidy a sacharidy určené k sekreci procházejí drahou ER Golgiho aparát – plazmatická membrána

• Průběžná modifikace přenášených molekul, např. v lumen ER dochází díky oxidaci postranních řetězců cysteinu k tvorbě disulfidových můstků (v redukujícím prostředí cytosolu k této modifikaci nedochází)

• V Golgiho aparátu – proteolýza, glykosylace..

• Následkem je vyšší stabilita molekul a odolnost ke změnám pH ve vnějším prostředí

Řízená sekrece z buňky

funguje jen v buňkách zaměřených na sekreci (např. hormonů, trávicích enzymů, atd.)

• Transportní váčky se zvětšují v sekreční váčky

• Sekreční váčky se shromažďují v blízkosti plazmatické membrány

• Přenášená molekula se uvolní jen po přijetí signálu

• Signál je zachycen receptorem

• Přijetí signálu vyvolá exocytózu

Konstitutivní (neřízená) sekrece

• Neustálý proud váčků, které pučí z Golgiho aparátu a plazmatickou membránou (základní dráha exocytózy)

• Dodává nově tvořené lipidy a proteiny do plazmatické membrány

• Zodpovídá za růst plazmatické membrány před buněčným dělením

• Sekretované proteiny přilnou k membráně z vnějšku nebo se stávají součástí extracelulární matrix

• Běžná u všech buněk eukaryot

Endocytické dráhy

- Způsob příjmu kapaliny spolu s molekulami z vnějšího prostředí

- Pro malé molekuly využívají všechny eukaryotické buňky

- Příjem velkých částic nebo celých buněk zajišťují specializované fagocytické buňky

Průběh endocytózy:

- Obklopení pohlcovaného materiálu plazmatickou membránou

- Vchlípení membrány dovnitř buňky spolu s pohlcovaným materiálem

- Odškrcení membrány a vznik nitrobuněčného endocytického váčku

- Předání pohlceného materiálu lysosomům, kde je stráven

- Metabolity vzniklé trávením v lysosomu se přenášejí do cytosolu, kde je buňka může dále využít

Jaké typy endocytózy existují?

- Dle velikosti endocytických váčků

- Fagocytóza: trávení velkých částic, např. mikroorganismů a zbytků buněk prostřednictvím velkých váčků zvaných fagosomy

- Pinocytóza: pohlcování kapaliny a molekul malými váčky

Fagocytické buňky pohlcují velké částice

• Ochrana proti infekci

• Zajištují např. makrofágy, neutrofily

Mechanismus fagocytózy:

• Na povrch infekční částice se vážou protilátky

• Infekční částice s navázanými protilátkami se váže na povrch fagocytické buňky a aktivuje ji

• Následkem je tvorba listovitých výběžků plazmatické membrány – pseudopodií, které částici pohltí

• Vzniká fagosom

Lysosomy: organely pro buněčné trávení

• Membránové váčky s hydrolytickými enzymy

• Zajišťují řízené nitrobuněčné trávení původně mimobuněčných materiálů a opotřebovaných organel

Lysosomy: trávení zajišťují enzymy

• Obsahují asi 40 typů hydrolytických enzymů (kyselé hydrolázy) odbourávajících proteiny, nukleové kyseliny, oligosacharidy a fosfolipidy

• Optimální aktivita v kyselém prostředí (pH 5), které je udržováno uvnitř lysosomů – bezpečnost pro cytozolové struktury

• Kyselé pH udržuje vodíková pumpa poháněná ATP, která do lysosomu čerpá H+

• Složky lysosomální membrány jsou chráněny před vlastními enzymy glykosylací

Lysosomy odbourávají materiál z různých zdrojů

• Větší extracelulární částice jsou přijímány fagosomy, které s lysosomy fúzují

• Extracelulární kapalina je přijímána menšími endocytickými váčky, které je předávají lysosomům přes endosomy

• Lysosom někdy tráví i složky vlastní buňky (autofagie)

Jaký je význam SRP v procesu transportu proteinů?

SRP navádí ribozom k membráně ER.

Co je úlohou Golgiho aparátu v buňce?

Úprava, třídění a transport proteinů.

Jaký je proces fagocytózy?

Pohlcování velkých částic makrofágy a neutrofily.

Jaké enzymy se nacházejí v lysosomech?

Hydrolytická enzymy (kyselé hydrolázy), odbourávající biomolekuly.

Jak se v buňkách transportují proteiny?

Pomocí transportních váčků nebo translokátorů.

Jaký je úkol membránové pumpy v lysosomech?

Udržovat kyselé pH pro optimální aktivitu enzymů.

Co je autofagie?

Proces, kdy lysosomy tráví vlastní složky buňky.

Jak se proteiny importují do mitochondrií?

Přes proteinové translokátory.

Jaké signály jsou potřebné k transportu váčků?

Specifické transportní signály na povrchu váčků.

Jak funguje exocytóza?

Uvolnění sekrečních vesikul z buňky po signalizaci.

Jaké je rozdělení organel v prokaryotických buňkách?

Nemají specializované oddíly, cytosol je jediným oddílem.

Jaký je úkol chaperonů v transportních procesech?

Pomoc při obnovení konformace proteinů uvnitř organel.

Jak se udržuje identita organel?

Každá organela má specifické proteiny a lipidy v membráně.

Kde se nachází signální sekvence na proteinech pro ER?

Na N-konci proteinu.

Jak se přenáší metabolity z lysosomů do cytosolu?

Po trávení se uvolňují do cytosolu, kde jsou dále využity.

Shrnutí

• Vnitřní prostor eukaryotických buněk je bohatě strukturován

• Do každého oddělení buňky se transportují specifické proteiny

• Dopravu zajišťují transportní váčky nebo proteinové translokátory

• Materiály přijímané z mimobuněčného prostředí jsou přenášeny k lysosomům, kde jsou podrobeny enzymatickému rozkladu