Buňka - vscht.czold-biomikro.vscht.cz/vyuka/b1/Markova-04-Bunka... · 2016-10-06 · Morfologie buňky 4/2 cytologie - struktura a funkce buněk (z řec. kytos – buňka) jednobuněčné

Buňka struktura, nemembránové útvary

Biologie I 4. přednáška

Morfologie buňky

4/2

cytologie - struktura a funkce buněk (z řec. kytos – buňka)

jednobuněčné organismy prokaryota eukaryota mnohobuněčné organismy eukaryota specializované buňky

Cam

pbell b

iolo

gy 1

0ed (

Reece J

B,

Urr

y L

A,

Cain

ML, W

asserm

an S

A,

Min

ors

ky P

V,

Jackson R

B,

Pears

on E

ducation, 2014,

ISBN

978-0

-321-7

7565-8

)

Morfologie buňky

4/3

základní charakteristiky

velikost prokaryota (bakterie, sinice) desetiny až jednotky mm eukaryota nejčastěji 10 – 100 mm výjimky – až desítky cm

sklerenchymatické buňky nervové buňky jednobuněčná řasa Caulerpa ptačí vejce

…

tvar membránový váček kulovitý buňky obvykle jiný než kulovitý tvar ovlivnění tvaru: buněčná stěna

vnitřní prostředí (cytoskelet, spektrin) okolními buňkami v tkáních a pletivech funkčními adaptacemi

Morfologie buňky

4/4


bakterie živočišná buňka rostlinná buňka

Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

Morfologie buňky

4/5


neutrofil a erythrocyt

neuron (Purkyňova b.)

prvok Paramecium

řez stonkem rostliny

bakterie Bdelovibrio bacteriovorus

Evoluce eukaryotní buňky

4/6

Organismy lze rozdělit do 3 domén Kořen leží mezi doménou Bacteria a doménami Eukarya / Archaea Eukarya a Archaea tvoří monofyletickou skupinu


4/7

Horizontální přenos genů společně s evolucí spletitá síť řada genů energetického metabolismu v říši Eukarya má „bakteriální původ“ - hypotézy chiméry


4/8

Endosymbiotický původ mitochondrií a chloroplastů


4/9

Endosymbiotický původ mitochondrií a chloroplastů


4/10


4/11

Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - syntrofická hypotéza - vodíková hypotéza

Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006


4/12

Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - syntrofická hypotéza

v konzorciu došlo k pohlcení archebakteriální buňky buňkou (buňkami) bakteriální(mi) archebakterie nebyla strávena, ale její DNA byla „využity“ pro vznik jádra vysvětluje dvojvrstevnou jadernou membránu do jisté míry významnou podobnost archeí a eukaryot na molekulární úrovni

Akumulace kyslíku v prostředí si žádala u patrně anaerobní dávné eukaryoty syntrofii s aerobem, a jeho pohlcením vzniká mitochondrie

Složité životní cykly a „sociální“ chování d-proteobakterií mohlo být předpokladem vzniku mnohobuněčných eukaryot.

Zusman a kol., Nat. Rev. Microbiol. 5:862-872, 2007

Myxococcus xanthus


4/13

Hypotézy vzniku eukaryotní buňky - vodíková hypotéza

archaea s předchůdcem mitochondrie

v konzorciu došlo k pohlcení bakteriální buňky (a-proteobakterie produkující H2) buňkou archebakterie (H2 utilizující) bakterie nebyla strávena, ale stala se předchůdcem: mitochondrií (respirace, + 36 ATP / glukosa) … vlastní DNA hydrogenosomů (?, + 2 ATP / glukosa) … některé vlastní DNA mitosomů (?, + 2 ATP / glukosa, -2 NADPH) … bez DNA jádro a současně (?) i endoplasmatické retikulum vznikalo invaginací cytoplasmatické membrány

Boxma a kol., Nature, 434:74-79, 2005

endosymbiotický methanogen (archaea)

hydrogenosom


4/14

Jak se z archey stala eukaryota (PhAT hypotéza)

1. archeabakteriální předchůdce schopný syntetizovat všechny proteiny charakteristické

pro eukaryotu

2. ztráta buněčné stěny vývoj cytoskeletárního systému pro zachování tvaru buňky

3. primitivní fagocytosa vývoj cytoskeletu umožnil fagocytózu, tím možnost

horizontálního přenosu genů – vznik mozaikového genomu, rychlá evoluce

4. vznik primitivního jádra vznik ochranné membrány kolem genetické informace na zachování integrity, snižování rychlosti evoluce, některé fagocytované a-protobakterie nemusely být stráveny, ale mohly symbioticky fungovat a poskytovat hostiteli výhodu

5. zvětšování jádra, symbióza s předchůdci mitochondrií symbiotická protobakterie se redukuje do závislé

organely, přenos některých genů do hostitelova genomu, zvětšování genomu i buňky, rekombinace a duplikace genů, vznik nových proteinových struktur

J. Martijn and T.J.G. Ettema, Biochem. Soc. Trans. 41: 451–457, 2013


4/15

vznik plastidů – autotrofní eukaryota

Buňka – asymetrie struktur

4/16

asymetrie membrán – ve složení lipidů - orientací proteinových složek - v povrchových modifikacích asymetrie buňky – omezení volného pohybu membránových proteinů - funkční polarizace buňky

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o. Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)


4/17

asymetrie buňky – omezení volného pohybu membránových proteinů - funkční polarizace buňky střevní epitel - protein A: import živin z lumen protein B: export látek do tkání a krve

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.


4/18

asymetrie buňky – omezení volného pohybu membránových proteinů


samovolné složení

do větších agregátů

(bakteriorhodopsin

z Halobacterium

salinatum)

připojení

k buněčnému

kortexu uvnitř

buňky

připojení na

extracelulární

matrix

interakce

s povrchovými

proteiny

sousední buňky

Nemembránové buněčné útvary spoje živočišných buněk

4/19 Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.


4/20

http://www.slideshare.net/aljeirou/cell-junctions


4/21

těsné spoje



4/22

adhezní spoje



4/23

desmosom



4/24

mezerový spoj



4/25

hemidesmosom

vazba na extracelulární matrix

http://xtal.cicancer.org/research.html

Mezibuněčná hmota živočišných buněk

4/26

základem jsou kolageny a glykosaminoglykany (GAG, volné nebo jako proteoglykany) kolagenové fibrily: pevnost v tahu GAG: gelovitá výplň – odolnost vůči tlaku Pojiva – masivní matrix nese hlavní mechanickou zátěž Epithely – hlavní mechanickou zátěž nese cytoskelet a mezibuněčné spoje, matrix v menší míře - tvoří „podložku“ epitelu, tzv. bazální laminu



4/27 Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN 978-0-321-77565-8)

Fibroblasty v pojivové tkáni

Fibroblasty obklopený kolagenovými fibrilami


4/28

bazální lamina

Buněčná stěna rostlin

4/29

vrstvy celulosových fibril (ve vrstvě paralelně, vrstvy oproti sobě posunuty o určitý úhel) vrstvy jsou spojeny hemicelulosami a prostoupeny pektiny pektiny tvoří střední lamelu mezi 2 sousedními buňkami stěna buněk na povrchu těla rostliny prostoupena kutinem (vosk, brání odparu vody)


4/30

růst buněčné stěny

►apozice = přikládání nových vrstev celulosových fibril ke stávajícím dostředivě - většina buněk v pletivu odstředivě - buňky volné (pyl, výtrusy) - buňky částečně volné (pokožkové, trichomy) ►intususcepce = integrace nových bloků vrstvených celulosových fibril do stávající stěny při zvětšování plochy stěny (rostoucí buňky) ►impregnace stěny: druhotné ukládání dalších organických látek (hemicelulosy, pektiny, kutin, suberin, lignin, chitin, pigmenty, třísloviny) jež mají ochrannou a zpevňující roli ►inkrustace stěny: ukládání anorganických látek (např. hydratovaný SiO2)


4/31

růst buněčné stěny

Celulosa synthasa -hexamer (syntéza 6 celulos) tvořící větší komplexy (rozety) -membránový protein a interakce s mikrotubuly určuje orientaci celulosových vláken ve vrstvě


4/32

plasmodesmata obdoba mezerových spojů v živočišných buňkách složitější – musí procházet ještě buněčnou stěnou komunikace mezi buňkami, průchod malých iontů a molekul často součástí i tubulární útvar – desmotubulus – vzniká z hladkého endoplazmatického retikula


Nemembránové buněčné útvary cytoplasma

4/33

vnitřní prostředí buňky rosolovitý materiál, základní složkou je voda cytosol hlavní složka, bezbarvý koloidní roztok 90% voda a ve vodě rozpustné malé molekuly (cukry, aminokyseliny, nukleotidy, rozpuštěné plyny, …) velké molekuly (proteiny, nukleové kyseliny) cytoskelet organely membránové struktury se specializovanými funkcemi (mitochondrie, lysosomy, chloroplasty, …) inkluze zásobní látky, sekundární produkty, pigmenty, … nemusí být vždy například glykogenové granule v játrech, lipidové kapénky v buňkách tukové tkáně, pigmentové granule ve vlasových buňkách, …

Nemembránové buněčné útvary cytoskelet

4/34

pouze eukaryota napomáhá podpírat velký objem cytoplasmy zodpovědný za pohyb (pohyb buněk, změny tvaru buněk) organizuje pohyb objektů uvnitř buněk

Cam

pbell b

iolo

gy 1

0ed (

Reece J

B,

Urr

y L

A,

Cain

ML, W

asserm

an S

A,

Min

ors

ky P

V,

Jackson R

B,

Pears

on E

ducation,

2014,

ISBN

978-0

-321-7

7565-8

)

Nemembránové buněčné útvary cytoskelet

4/35

mikrotubuly mikrofilamenta střední filamenta

struktura duté trubice dvě propletená aktinová vlákna fibrilární proteiny stočené do provazců

průměr 25 nm (15 nm dutina) 7 nm 8 – 12 nm

proteiny tubulin (dimer, a- a b- tubulin) aktin keratiny a další

hlavní funkce udržení tvaru buňky (proti tlaku),

buněčný pohyb, pohyb

chromosomů při buněčném

dělení. pohyb organel

udržení tvaru buňky (v tahu),

změny tvaru buňky, svalové stahy,

pohyb po podkladu, dělení

živočišných buněk, fagocytosa

udržení tvaru buňky (v tahu), zakotvení

jádra a některých dalších organel,

tvorba jaderné laminy

mikrofotografie s

fluorescenčně

značeným

cytoskeletem

Nemembránové buněčné útvary cytoskelet – střední filamenta

4/36

nejpevnější z cytoskeletárních vláken důležitá mechanická opora buněk (bodové namáhání rozkládají do prostoru) Cytoplazmatická tvoří cytoplazmatickou síť obklopující jádro a zasahující až k periferiím buňky, kde jsou často zakotvena na membránových proteinech (spojnících) Jaderná vytváří dvojrozměrnou síť zpevňující jadernou membránu Stavba základní monomerní podjednotky: centrální část fibrilární velmi podobná u všech typů (dvě tvoří helix helixů) globulární „hlavičky“ a „konce“ - liší se velikostí a aminokyselinovým složením jsou specifické pro určitou tkáň (4 typy, specifické pro epitely, pojiva a svaly, neurony, jádra)


4/37

monomer helix helixů (dimer) dimery se k sobě přikládají tetramery tvoří oktamery a vytváří se vlákno středního filamenta



4/38

Alb

ert

s a

kol.:

Zákla

dy b

uněčné b

iolo

gie

, 1998;

© E

spero

Publishin

g, s.r

.o.

polypeptidy lokalizace

jaderné laminy A, B, C jaderná lamina (vnitřní část jaderného obalu)

vimentinu podobné

vimentin buňky mezenchymatického původu

desmin svaly

gliální fibrilární kyselý protein gliové buňky (astrocyty a některé Schwannovy buňky)

periferin některé neurony

epiteliální keratiny typu I (kyselé)

buňky epitelu a útvary od nich odvozené (vlasy, nehty) keratiny typu II (neutrální a bazické)

v axonech neurofilamentové proteiny neurony

hlavní typy proteinů ve středních filamentech v buňkách obratlovců

keratinová filamenta v epitelových buňkách

puchýře vznikající v pokožce s mutantním keratinem

neurofilamenta v axonu plektin prokřižující různé části cytoskeletu

Nemembránové buněčné útvary cytoskelet – mikrotubuly

4/39

zásadní organizující funkce - určují pozice membránových buněčných organel - řídí transport uvnitř buňky v mitóze vytváří dělící vřeténko mohou vytvářet struktury umožňující pohyb buňky - řasinky - bičíky jsou polarizovanou strukturou vyrůstají z organizačního centra – centrosomu lokalizovaného poblíž jádra směrem k periferii buňky




duté trubice z tubulinu tubulin = heterodimer 2 globulárních proteinů, a-tubulinu a b-tubulinu dva konce - minus konec zakotvený na centrosomu - plus konec na kterém dochází k růstu nebo zkracování mikrotubulu stabilita je ovlivněna řadou přídatných proteinů vážících se především na plus konec



centrosom obsahuje dvě centrioly (9 trojic krátkých mikrotubulů) asi 100 různých proteinů na povrchu nukleační místa tvořená kruhy g-tubulinu odtud vychází mikrotubuly


4/42

růst a zkracování mikrotubulů

Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN 3-13-100372-3) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

rychlý růst i zkracování (regulovaný děj) schopnost prodlužovat pouze tubulin s navázaným GTP po hydrolýze GTP na GDP má tubulin tendenci z konce mikrotubulu odpadat

rostoucí mikrotubulus polymerace GTP-tubulinu rychlejší než hydrolýza GTP zkracující se mikrotubulus hydrolýza GTP rychlejší než přísun nových GTP-tubulinů



selektivně řízená stabilizace

pomocí přídatných (čapkovacích) proteinů vážících se na + konec umožňuje buňku polarizovat

význam: např. intracelulárni transport



molekulové motory - transport

Dynein směrem k minus konci (k centriole poblíž jádra) Kinesin směrem k plus konci (k periferii buňky) Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace motoru a tím k jeho posunu po vláknu mikrotubulu

Motory - vazebné místo pro mikrotubulus - specifické vazebné místo pro protein značkující transportovaný objekt (transmembránový protein v membránovém váčku)



Kinesiny

Dyneiny



Co všechno se může pohybovat? membránové váčky celé organely např.: specifické receptory v membráně ER interagují s kinesiny rozprostření ER

od povrchu jádra až k periferii receptory v membráně Golgiho útvaru interagují s dyneinem lokalizace organely směrem k centromeře

celé buňky - bičíky – spermie, prvoci

- řasinky – výstelka vejcovodu – pohyb vajíčka



Pohyb řasinek a bičíků

mikrotubulu pevně spojeny spojníkovými proteiny pohyb dyneinu indukuje pnutí a následný ohyb bičíku uvolnění vrací bičík zpět

Nemembránové buněčné útvary cytoskelet – mikrofilamenta

4/48

Nesvalová: důležitá pro buněčný pohyb - pohyb po podkladu - pohlcování částic fagocytozou - dělení živočišné buňky - pohyb cytoplasmy - kontrola růstu buňky – pylová láčka a kořenové vlásky

- pohyb chloroplastů v buňce – ochrana před poškozením nadměrným zářením

mohou vytvářet stabilní struktury - mikrovilli v mikroklcích = stabilizace tvaru Svalová: sarkomery – myofibrily – kosterní svalová buňka



4/49

tvořena monomery globulárního aktinu podobně jako u mikrotubulů plus a minus konec interagují s celou řadou aktin-vazebných proteinů, které regulují stabilitu a vzájemné uspořádání mikrofilament mikrofilamenta jsou zakoncentrována poblíž cytoplazmatické membrány ve vrstvě tzv. buněčného kortexu (výztuha plazmatické membrány) mohou zasahovat do cytoplasmy a tvořit 3D síť (vždy propojeny aktin-vazebnými proteiny)

monomer aktinu

aktinové mikrofilamentum


4/50

Růst a zkracování filament na obou koncích (na plus konci je rychlejší polymerace) prodlužování pouze aktin s navázaným ATP, po hydrolýze má tendenci odpadat


polymerizace z monomerů in vitro polymerizace z monomerů in vitro s

přidanými filamenty

nukleace

„treadmilling“


4/51

pohyb na základě mikrofilament


svaly

améboidní pohyb buněk

pohyb cytoplasmy v buňce


4/52

proteiny interagující s mikrofilamenty


- ovlivňují rychlost polymerace (+ profilin , - thymosin) - chrání konce (Arp komplex) - nukleace růstu filament (formin) - zpevňují vlákna, prokřižují je (filamin, fimbrin, a-aktinin, tropomyosin, spektrin) - destabilizace vláken (cofilin) - molekulové motory (myosin)


4/53

mikrofilamenta v živočišné buňce


lamelipodia a filopodia se tvoří orientovanou polymerací aktinu „průzkum“ a pohyb buňky po podložce

polarita aktinového mikrofilamenta a orientované prodlužování jsou určeny organizačním centrem, kterým jsou aktin-vazebné proteiny interagující s plus koncem filamenta minus konce jsou zakotvené na kortex


4/54

Buněčný kortex tvořený spektrinem zakotveným prostřednictvím spojníků na transmembránové proteiny je dále zesílen mikrofilamenty



4/55

pohyb živočišné buňky po podložce


Extracelulární matrix / Povrch jiné buňky

transmembránové proteiny integriny zprostředkují pevné spojení s nosičem



myosiny - aktin-vazebné proteiny Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace myosinu a tím k jeho posunu po vláknu Myosiny I - globulární aktin-vazebná doména (také váže a hydrolyzuje ATP) - fibrilární část vážící se ke specifickým proteinům plazmatické membrány nebo membránových váčků Myosiny II - vytváří dimery z monomerů podobných myosinům I (dimerizace prostřednictvím helixu helixů fibrilární části) - nejhojněji zastoupeny ve svalových buňkách


4/57

aktin-myosinový komplex



4/58

aktin-myosinový komplex


princip: ● navázání ATP ● uvolnění ATP-myosinu z vazby na mikrofilamentum ● hydrolýza ATP ● změna konformace myosinu = změna polohy oproti vláknu ● navázání ADP-myosinu na následující aktinovou molekulu ● uvolnění ADP ● návrat do původní konformace vyvolává tah = pohyb


4/59

aktin-myosinový komplex vnitrobuněčný pohyb – jiné myosiny než myosin II


Nemembránové buněčné útvary cytoskelet – prokaryota


FtsZ – prokaryotní cytoskeletální protein Vysoce konzervovaný, nalezen v bakteriích, plastidech a mitochondriích Nezbytný pro dělení bakterií, plastidů i mitochondrií Podobnost s tubulinem Štěpí GTP, schopnost samouspořádávání se do prstencových útvarů FtsZ endosymbiotických organel kódován genomem eukaryotické buňky

Nemembránové buněčné útvary proteasomy

4/61

proteinové komplexy, velikost podobná malé podjednotce ribosomu funkce – degradace nefunkčních polypeptidů a nežádoucích proteinů typické pro eukaryoty a archaebakterie, v prokaryotech pouze aktinomycety podílí se na buněčném cyklu, regulaci růstu u rostlin, apoptóze, odpovědi na buněčný stres, imunitní odpovědi organismu, … degradované proteiny značené ubikvitinem (eukaryota), SAMP (small archaeal modifier protein, archaea) nebo Pup (proakryotic ubiquitin- like protein, aktinomycety)

Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN 978-1-259-18813-8)

Nemembránové buněčné útvary prokaryotní mikrokompartmenty

4/62

u některých prokaryot, částice podobné virionům mikrokompartmenty ohraničené proteinovým obalem enkapsulujícím enzymy shodné obalové proteiny, kódované v operonu společně s enzymy daného mikrokompartmentu, obal selektivně propustný

Yeates TO, Crowley CS, Tanaka S. Bacterial Microcompartment Organelles: Protein Shell Structure and Evolution. Annual Review of Biophysics. 2010;39:185-205. doi:10.1146/annurev.biophys.093008.131418.

různé metabolické funkce: karboxyzomy – fixace CO2, v cyanobakteriích a

chemoautotrofních bakteriích, obsahují enzym RUBISCO

Pdu mikrokompartment – utilizace propandiolu,

komplex enzymů, zabránění pronikání toxického propionaldehydu do cytosolu, u mnoha lidských patogenů (Salmonella, Listeria, …)

Eut mikrokompartment – v enterobakteriích, utilizace

ethanolaminu, vznik indukován přítomností ethanolaminu v prostředí, ochrana před acetaldehydem

Nemembránové buněčné útvary prokaryotní mikrokompartmenty

4/63

Yeates TO, Crowley CS, Tanaka S. Bacterial Microcompartment Organelles: Protein Shell Structure and Evolution. Annual Review of Biophysics. 2010;39:185-205. doi:10.1146/annurev.biophys.093008.131418.

proteasomy – stejně jako v eukaryotních buňkách, pouze v

aktinomycetách a archaebakteriích

fykobilisomy – nadmolekulové proteinové komplexy v cyanobakteriích a

červených řasách, navázané na fotosyntetickou lamelu, slouží jako ekvivalent anténního systému, hlavní složnou fykocyanin a fykoerythrin

chlorosomy – anténní systémy v zelených fotosyntetizujících bakteriích

elipsovité, obklopené jednovrstevnou membránou, navázané na vnitřní stranu plasmatické membrány u fotosyntetických center, 200 – 250 kopií v buňce

plynové váčky (plynové vakuoly) – u vodních prokaryot a halofilních

archaeí, válcovité, stlačitelné, obklopené velmi tenkou membránou

magnetosomy – hlavně Gram-negativní vodní bakterie, orientace podle

magnetického pole, obsahují krystaly magnetitu

intracytoplasmické membrány – metanotrofy, fotosyntetizující bakterie,

cyanobakterie, nitrifikující bakterie a další, různá morfologie, na periferii i u středu buňky, vzniklé invaginací plasmatické membrány, zajišťují dostatečný povrch membrány pro metabolické procesy planktomycety – říše v doméně Bacteriae, mnoho znaků podobných eukaryotám – stavba buněčné stěny, způsob dělení, jednoduchá membrána kolem chromosomu, …

Documents

Buňka - vscht.czold-biomikro.vscht.cz/vyuka/b1/Markova-04-Bunka... · 2016-10-06 · Morfologie buňky 4/2 cytologie - struktura a funkce buněk (z řec. kytos – buňka) jednobuněčné