Biologie
4. Membránové organely I.
Doc. RNDr. Jan Hošek, Ph.D.
hosek@mail.muni.cz
Ústav molekulární farmacie
FaF MU
2
Strukturní organizace eukaryotické buňky
o každá buňka je složitý hierarchický
systém
o hlavními stavebními prvky jsou proteiny,
nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy
o jejich prostorovou organizací vznikají
buněčné organely
o samy organely mají víceúrovňovou
organizaci
3
Rozdělení buněčných struktur
o membránové struktury
o fibrilární struktury
o genofory
o základní cytoplazma
o ribozómy
o buněčné inkluze https://www.osmosis.org/answers/eukaryotic-cell
Čím se liší eukaryota od prokaryot?
Rychlé připomenutí…
PROKARYOTA EUKARYOTA
Stavba buňky jednoduchá komplikovaná
Jádro
nemají jádro
(pouze nukleoid)
mají plnohodnotné
jádro
Chromosom
pouze jeden
kruhový
jeden i více lineárních
Geny bez intronů
obsahují introny a
exony
Kompartmentace /
Organely
pouze
nemembránové
membránové i
nemembránové
4
https://eluc.ikap.cz/verejne/lekce/2
5
Rostlinná buňka Živočišná buňka
6
Kompartmentace – teorie endosymbiózy
7
Proč buňka potřebuje organely?
o Organely udržují různé koncentrace látek různých částech buňky.
Nejvíc důležité je udržování gradientů koncentrace iontů na protilehlých
stranách mebrány. Ve správný okamžik pak buňka může spustit influx
nebo transport.
o Každý biochemický proces je výhodné
udržet ve specifickém prostředí a za
určité koncentrace. Šlo by to i bez nich,
energetické a metabolické přeměny by
nebyly tak efektivní nebo by byly pomalé
a nebo by některé vůbec biochemicky
nemohly probíhat. Odpadní látky by také
zbytečně interagovali s DNA a jinými
užitečnými molekulami uvnitř buňky.
pH v buňce
8
Buňka jako město či továrna
https://www.biologyexams4u.com/2022/12/cell-city-analogy-learn-cell-parts.html
https://prezi.com/
hqun2aj4kqa5/cell-
analogy-a-factory/
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Metabolická síť organel
o Každá organela má svoji úlohu
o Mezi organelami probíhá
intenzivní výměna látek a energie
https://www.healthknot.com/cellular_metabolism.html
24
Endoplasmatické retikulum (ER)
o Výrobní linka buňky
o vícekrát stočený membránový
list, který vytváří uzavřený vak,
endoplasmatické lumen
o Spojené s jadernou
membránou
o Membrána ER tvoří více jak
50 % membránových struktur
v buňce
o Lumen ER zaujímá až 10 %
objemu buňky
https://micro.magnet.fsu.edu/cells/endoplasmicreticulum/endoplasmicreticulum.html
Jaderný
pór
Jaderná
membrána
cysterny
Ribosomy
ER lumen
Drsné ER
Hladké ER
25
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK56312
6/figure/article-28660.image.f1/
https://www.histology.leeds.ac.uk/cell/cell_organelles.php
26
Funkce ER
o ústřední role v syntéze lipidů, proteinů, steroidů
o biosyntéza a metabolizace vlastních látek a xenobiotik
o usnadňuje vytvoření správné terciární nebo kvartérní struktury proteinů
o transportní systém – distribuce proteinů do cytoplasmy nebo organel
o udržování osmotického tlaku
o skladování a depozice Ca2+ iontů
o chemická modifikace proteinů
• tvoří se disulfidové můstky oxidací cysteinových párů postranních řetězců
o tvorba glykoproteinů kovalentním napojením krátkého oligosacharidového
postranního řetězce – dokončuje se v GA
o prekurzor oligosacharidu je napojován O- nebo N-vazbou na molekulu
proteinu
o výstup proteinu je kontrolován = nesprávně sbalený protein je zadržen
chaperonem nebo degradován
27
Schématické znázornění funkcí ER
detoxifikační
enzymy
Ca2+
Ca2+
cholesterol
steroidní
hormony
toxin - lipid
toxin - voda
COO-
COO-
NH2
NH2
transmembránový
protein
špatně sbalený
enzymy syntézy
steroidů
složky lipidů
syntéza
orientace
lumen ER
ER membrána
rozpustný
protein
Glykosylace
S-S můstky
chaperony
SRP Sec61 translokátor, SRP receptor
pučící tělíska
transport do GA
28
DOI: 10.1016/j.biocel.2011.10.012
29
ER – syntéza proteinů
o V ER jsou tvořeny extracelulární proteiny a proteiny vázané
na membránu
o Proteosyntéza zažíná v cytoplasmě
o Proteiny jsou tvořeny ribosomy na drsném ER
o Post-translační úpravy v ER – tvorba disulfidických můstků
a zahájení glykosylace (ta pokračuje v GA)
https://www.zoology.ubc.ca/~berger/B200sample/unit_8_protein_processing/er_targeting/lect27.htm
30
ER – syntéza lipidů
o Lipidy vznikají v hladkém ER ve spolupráci s dalšími organelami
o V ER se vytváří i zásobní lipidové kapky speciálním procesem
vychlípením a odškrcením segmentu membrány ER do cytoplasmy
https://www.intechopen.com/online-first/82195
31
ER – detoxifikace metabolitů a xenobiotik
o Hlavně hladké ER hepatocytů
o Nejdůležitější je skupina cytochromů P450
• Oxidoreduktázy P450 jsou velmi důležité enzymy pro farmakologii známe několik podtypů, podtyp
3A4 a 2C9 metabolizuje většinu léčiv a řadu toxinů a xenobiotik (např na polárnější molekuly pro
snadnější vyloučení z těla)
• P450 se podílí i na metabolismu a syntéze řady důležitých látek, např. vitamíny, cholesterol,
žlučové kyseliny, steroidní hormony,…
https://doi.org/10.1124/dmd.112.048991
32
ER → Sarkoplasmatické retikulum (SR)
o Sarkoplasmatické retikulum = ER ve svalových buňkách
o SR uvolní Ca2+ ionty a zahájí svalový stah
https://www.austincc.edu/apreview/PhysText/Muscle.html
33
https://www.austincc.edu/apre
view/PhysText/Muscle.html
34
Golgiho aparát (GA) – I.
o Komplex tzv. dyktiozómů, shluků cisteren a
váčků (vezikulů) (3 až 10 váčků)
o Nacházejí se poblíž jádra a ER
o Sakuly - zploštělé váčky rozšiřující se od
centrální části směrem k okraji
o Vezikuly – měchýřky obsahující proteiny
vyprodukované v drsném ER, obsah
odevzdávají cis-straně GA se kterou
splývají
o Kondenzující vakuoly – vezikuly obsahující
zpracované proteiny a odškrcující se z
trans-strany GA odkud putují k plasmatické
membráně kde exocytózou vylučují svůj
obsah do extracelulárního prostředí
sakuly
kondenzující
vakuoly
vezikuly
cis strana
trans strana
35
Golgiho aparát (GA) – II.
o Dyktiozómy jsou navzájem propojené a
zpravidla na straně přivrácené k jádru (cis
strana) neustále přijímají váčky odštěpené od
ER a intenzívně odštěpují váčky naplněné
různými buněčnými sekrety (trans strana)
By OpenStax - https://cnx.org/contents/FPtK1zmh@8.25:fEI3C8Ot@10Version
8.25 from the TextbookOpenStax Anatomy and PhysiologyPublished May 18,
2016, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64286585
36
Funkce GA
o Transport a přechovávání látek
o Posttranslační úpravy proteinů
• Nejčastěji glykosylace, fosforylace, sulfatace,
specifická proteolýza
o Syntéza polysacharidů a
imunoglobulinů
o Tvorba váčků (sekrečních granul)
využívaných při exocytóze
o Vzniká zde materiál pro tvorbu buněčné
stěny
o Tvorba a diferenciace lysozómů
o Reparace buněčných povrchů
o Tvorba vakuol
© 2009 Nature Publishing Group Xu, D. & Esko, J. D. A Golgi-on-achip
for glycan synthesis. Nature Chemical Biology 5, 612–613 (2009)
37
https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63772-7.00017-8
38
Exosomy, endosomy a lysosomy
o Organely/váčky s
recyklační funkcí
o Exosomy – transportují
materiál vně buňku
o Endosomy - transportují
materiál do buňky
o Lysosomy – organely
štěpící fagocytovaný
obsah
https://doi.org/10.3390/ijms24021337
39
DOI: 10.3389/fimmu.2014.00518
40
Exosomy – buněční popeláři
o Vezikuly, které pomáhají odstraňovat zplodiny buněčného metabolismu
o Vznikají splynutím buněčné membrány a vnitřních částí buňky
o Exosomy jsou součástí mezibuněčné komunikace
41
Nové funkce exosomů
o Mohou mezi buňkami přenášet proteiny,
nukleové kyseliny, lipidy a metabolity
o antigen prezentující buňky sdílejí
patogeny, které jsou v exozómech
zachyceny = zesílení imunitní odpovědi
o některé exozómy např. na svém povrchu
vystavují Fas ligand, který po vazbě na Fas
receptor (známý také jako „receptor smrti“),
iniciuje apoptózu
o mRNA přenášená exozómem může být v
cílové buňce přeložena do polypeptidu
Biogenesis and secretion of exosomes. The secretion of exosomes
involves two invaginations of the plasma membrane. Intercellular
communication mediated by circulating exosomes occurs through
endocytosis, ligand–receptor interaction, and membrane fusion.
Components such as proteins, nucleic acids, lipids, and
metabolites are delivered by exosomes from the source to target
cells [33]. Proteins located in the plasma membrane, including
CD63, CD9, CD81, TSG101, and Alix, are commonly used as
markers for exosomes [26].
https://www.mdpi.com/2073-4409/12/2/311
42
Exosomy jako nosiče léčiv pro imunoterapii nádorů
o Extracelulární exosomy a
mikročástice imunitních buněk
mohou ovlivňovat progresi nádoru
https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.09.028
43
Recyklace membránových proteinů
o Fosfolipidy plasmatické
membrány a membránové
proteiny mohou být recyklovány
o V endosomu jsou modifikovány
fosfolipidy, které slouží jako
značky pro recyklaci/degradaci
PI3P
PI3,5P
PI4P
PI3P
https://doi.org/10.1038/nature16868
44
Peroxisomy
o Jenoduché organely schopné se sami „dělit“
o Proteiny se do peroxisomů dostávají z cytoplasmy, kde je
tvoří volné ribosomy
o Funkce:
• Oxidace různých substrátů → inaktivace toxinů, beta-oxidace
mastných kyselin
• Detoxikace kyslíkových radikálů (peroxid vodíku, superoxidy a
epoxidy) → kataláza
• Prvních kroky syntézy glycerolipidů či plasmalogenů
• Tvorba žlučových kyselin, dolicholu a cholesterolu
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9930/