2. ćwiczenia - biosynteza białek, mitochondria i cytoszkielet PDF

Preview

Summary

notes about proteins, mitochondria...

Description

BIOLOGIA KOMÓRKI - ćw. 2.

BIOSYNTEZA BIAŁEK, MITOCHONDRIA I CYTOSZKIELET I Biosynteza białek TRANSKRYPCJA - początek biosyntezy - zachodzi na terenie jądra komórkowego i polega na przepisaniu informacji genetycznej z DNA na RNA - zachodzi zgodnie z zasadą komplementarności - substratem do syntezy RNA są trifosfonukleotydy, - syntezę RNA katalizuje polimeraza RNA - powstały RNA nosi nazwę mRNA, który wywędrowuje z jądra do cytoplazmy, gdzie bierze udział w translacji po uprzedniej modyfikacji postranskrypcyjnej TRANSLACJA - drugi etap biosyntezy białka - proces syntezy łańcucha polipeptydowego białek na matrycy mRNA - w jego wyniku dochodzi do ostatecznego przetłumaczenia informacji genetycznej zawartej pierwotnie w kodzie genetycznym DNA na konkretną strukturę białka, zależną od uszeregowania aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, - odbywa się w cytoplazmie lub na błonach szorstkiej siateczki śródplazmatycznej - katalizowana przez rybosom obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA - translacja składa się z czterech faz: a. aktywacji b. inicjacji c. elongacji d. terminacji rybosomy - służą do syntezy białek w ramach translacji i są zbudowane z rRNA i białek- tworząc rybonukleoproteidy - katalityczna aktywność rybosomu związana jest właśnie z zawartym

Jana

w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji - pojedynczy rybosom składa się z 2 podjednostek: małej i dużej. - podjednostki rybosomu są ze sobą połączone tylko podczas translacji - aby w trzecim etapie translacji (elongacja) mogło dojść do powstania wiązania peptydowego pomiędzy aminokwasami potrzebne jest właściwe ustawienie przestrzenne - jest to możliwe dzięki trzem charakterystycznym miejscom wiązania aminoacylo-tRNA : - aminoacylowe A → dochodzi do przyłączenia nowych aminoacylo-tRNA - peptydowe P → tutaj znajduje się peptydylo-tRNA (tRNA z dołączonym łańcuchem peptydowym) - wyjścia E → z tego miejsca wolny tRNA opuszcza rybosom i wraca do cytoplazmy tRNA i aminoacylo-tRNA - zespół rybosomów połączonych nicią matrycową (mRNA) stanowi polirybosom zwany inaczej polisomem tRNA - transportujący, transferowy RNA (z ang. transfer RNA) - cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA), których zadaniem jest przyłączanie wolnych aminokwasów w cytoplazmie i transportowanie ich do rybosomów, gdzie w trakcie procesu translacji zostają włączone do powstającego łańcucha polipeptydowego, - cechuje je wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów, występują w komórkach w stanie wolnym bądź też związane ze specyficznym aminokwasem - w tRNA można wyróżnić specyficzne miejsca odpowiedzialne za funkcje - sekwencja antykodonowa rozpoznaje komplementarny tryplet nukleotydów tworzących kodon, na cząsteczce mRNA (w taki sposób następuje odczyt informacji genetycznej)

Jana

kompleks tRNA - aminokwas - nosi nazwę aminoacylo-tRNA - nukleotyd adeninowy - na końcu 3′ jest połączony wiązaniem estrowym z odpowiednim aminokwasem - cząsteczka aminoacylo-tRNA bierze bezpośredni udział w procesie tłumaczenia informacji genetycznej zawartej w sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów w syntetyzowanym białku

a. aktywacja - właściwy aminokwas jest dołączany do właściwego tRNA za pomocą wiązania estrowego - taki zespół określa się mianem aminoacylo-tRNA b. inicjacja - przyłączenie mRNA (przy końcu 5') do mniejszej podjednostki rybosomu (40S) w obecności inicjatorowego tRNA, czyli metionylo-tRNA - następnie mRNA przesuwa się względem kompleksu mała jednostka rybosomowa-tRNAMet tak długo, aż na wysokości antykodonu tRNAMet znajdzie się kodon startowy (AUG, tzw. Kodon start, kodujący metioninę) - następuje dołączenie dużej podjednostki rybosomu - cały kompleks gotowy do elongacji c. elongacja - mRNA ustawiony w taki sposób, że trójka AUG znajduje się na wysokości miejsc P, w nim zaś jest aa-tRNA Met - w wolne miejsce A wchodzi odpowiedni aa-tRNA pasujący do kolejne trójki kodującej na mRNA - dochodzi do zerwania wysokoenergetycznego wiązania między metioniną a tRNA i powstaję połączenie grupy karboksylowej metioniny do kolejnego aminokwasu dostarczonego w miejsce A rybosomu przez aminoacylo tRNA - wcześniej odczytany aminokwas występuje jeszcze w postaci związanej z tRNA - w miejscu P rybosomu, tzn. jeśli pierwszym kodonem jest AUG, drugim CAC, a trzecim UUU będziemy mieli do czynienia

Jana

z następującymi zmianami na terenie rybosomu: - do dostarczonej jako drugiej w kolejności histydyny przyłącza się inicjacyjna metionina. Na tRNA histydynowym (w miejscu A) tworzy się dipeptyd Met-His i przesuwa się w miejsce P - do przyłączonej jako trzeciej fenyloalaniny grupą karboksylową przyłączy się dipeptyd Met-His i powstanie trójpeptyd Met-His-Phe, przemieszczany jak poprzednio w miejsce P Tak więc, wydłużanie się łańcucha polipeptydowego polega na przyłączaniu kolejnych aminokwasów na jego C-końcu. Elongację łańcucha polipeptydowego umożliwiają tzw. czynniki elongacyjne m.in. eEF1 (odpowiedzialne za dostarczanie aminoacylo tRNA), oraz eEF2 odpowiedzalny za translokację tj. przeniesienie z mca A na m-ce P odbywającą się kosztem energii z GTP.

d. terminacja - translacja kończona jest w miejscu, w którym wystąpi jeden spośród trzech kodonów terminacyjnych tzw. kodonów "stop" (UAG, UGA, UAA) - wymienione trójki nukleotydowe rozpoznawane są w odróżnieniu do całej reszty nie przez amino-acylo tRNA, a przez tzw. czynnik uwalniający eRF - czynnik ten aktywuje enzym rozcinający wiązanie między polipeptydem a cząsteczką tRNA, która dostarczyła ostatniego aminokwasu, czego skutkiem jest uwolnienie łańcucha polipeptydowego

Jana

II Mitochondria - mitochondria są organellami komórkowymi występującymi we wszystkich eukariotycznych komórkach (za wyjątkiem niektórych patogennych ameb i erytrocytów) ponieważ to w nich powstaje większość komórkowego ATP - liczebność w poszczególnych typach komórek wykazuje znaczne różnice i jest morfologicznym odzwierciedleniem zapotrzebowania energetycznego - w większości komórek jest ich kilkaset lecz może ich być nawet od 24 (plemniki) do 0,5 mln (ameba Chaos chaos) - stosunkowo mała liczba (kilkaset) mitochondriów charakteryzuje kom. roślinne, niezróżnicowane komórki zwierzęce takie jak nowotworowe, regenerujące, limfocyty, naskórka, tłuszczowe - szczególnie dużo (1000-2000) mitochondriów występuje w komórkach wątrobowych, okładzinowych gruczołów żołądkowych, kanalików nerkowych krętych i komórkach kory nadnerczy, komórkach mięśnia sercowego

Jana

Rozmieszczenie - położenie mitochondriów jest podporządkowane pewnym regułom - czynniki wpływające na ich rozmieszczenie: a. kierunek transportu substancji w obrębie cytoplazmy b. bliskie sąsiedztwo substancji zapasowych, które mogą służyć jako źródło substratów do utleniania przez mitochondria c. lokalne zapotrzebowanie na energię d. obecność wyspecjalizowanych struktur, przesuwających mitoch. w dane miejsce Typy mitochondriów - w utrwalonych komórkach obserwuje się przynajmniej 3 zasadnicze typy mitochondriów: a. wydłużone(nitkowate) kanaliki nerkowe, komórki pęcherzykowe trzustki b. ziarniste oocyty, komórki wątroby c. rozgałęzione komórki nerwowe - ze względu na rodzaj grzebieni dzielimy je na: a. lamelarne - grzebienie w formie fałdów b. tubularne - grzebienie w formie rurek Bez utrwalania, przyżyciowo ich kształt zależy od białek szczepiających i rozszczepiających, co ma wpływ na ich przyjmowane konformacje przestrzenneusieciowane lub nitkowate. W zmianach w usieciowaniu pośredniczą białka szczepiające rozszczepiające (FZO- Fuzzy Onion Protein oraz DrP- DynaminRelated Protein) Funkcje -

β-oksydacja kwasów tłuszczowych ostatnie etapy syntezy hormonów steroidowych udział w regulacji poziomu Ca2+ w komórce produkcja ciepła (specjalne mitochondria w komórkach tkanki tłuszczowej brunatnej) - udział w procesie apoptozy Budowa - typowe mitochondrium jest zbudowane z dwóch systemów błon ograniczających

Jana

jego wnętrze, które przez analogię do macierzy cytoplazmy komórki i na podobieństwo funkcjonalne i chemiczne nazywamy macierzą mitochondrialną - mitochondrium można sobie wyobrazić jako dwa błoniaste woreczki, włożone jeden w drugi, przy czym woreczek wewnętrzny jest wielokrotnie większy od zewnętrznego i aby się w nim zmieścić, musiał się pofałdować, a jego fałdy są zanurzone w macierzy mitochondrium - błona zewnętrzna mitochondrium nie leży bezpośrednio na błonie wewnętrznej, ale jest od niej oddzielona przestrzenią peryferyczną(międzybłonową) - błona wewnętrzna wytwarza grzebienie różnej długości i różnym ułożeniu, które mogą ulegać zmianie w zależności od stanu funkcjonalnego - błona grzebieni ogranicza przestrzeń wewnętrzną grzebieni Błona zewnętrzna - jest podobna do błon endoplazmatycznego retikulum - ma charakter sita molekularnego - przenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych, które przepuszcza poprzez specjalne kanały - zawiera enzymy metabolizmu tłuszczy (synteza lipidów mitochondrialnych oraz przekształcanie substratów lipidowych do formy metabolizowanej w matriks) - jej enzymem markerowym (tj. charakterystycznym dla danej struktury, dzięki któremu można daną strukturę wykryć) jest oksydaza monoaminowa - zlokalizowane są w niej jest charakterystyczne dla niej białko transbłonowe tworzące układ importu mitochondrialnego tzw. TOM - 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

- białka specyficzne dla błony zewnętrznej: a. cytochrom b5 b. enzymy odpowiedzialne za wydłużanie kwasów tłuszczowych c. transferaza fosfoacyloglicerolu d. monoaminooksydaza e. NADH-reduktaza cytochromu c f. nukleozydodifosfokinaza g. fosfolipaza A h. heksokinaza II Błona wewnętrzna

Jana

- jest nieprzenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych - nawet dla małych jonów - jej przepuszczalność jest kontrolowana przez specyficzne nośniki i pompy - swobodnie przenikają jedynie tlen CO2, woda, amoniak, i substancje hydrofobowe - transport substancji wytwarzanych np. w cyklu Krebsa czy też jonów Na, Ca, K 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) - w błonie wewnętrznej występuje kompleks białkowy tzw. TIM odpowiedzialny za importowanie białek do wnętrza mitochondrium - białka specyficzne dla błony wewnętrznej: a. dehydrogenaza cholinowa b. koenzym Q c. cytochrom b,c1 i aa3 d. dehydrogenaza kwasu bursztynowego e. oksydaza cytochromowa f. dehydrogenaza NADH g. acylotransferaza karnitynowa h. przenośniki jonów wapniowych i. przenośniki ADP i ATP - przestrzeń peryferyczna, rozdzielająca błonę zewnętrzną od wewnętrznej, zawiera między innymi charakterystyczne enzymy,kinazy nukleotydowe: a. kreatynową

Jana

b. adenylanową c. difosfatazę nukleozydowa

Macierz mitochondrialna - miejsce przebiegu procesów związanych z utlenianiem kwasów trikarboksylowych, replikacji DNA mitochondrialnego i transkrypcji i translacji genomu mitochondrialnego - posiada: a. kompleks dehydrogenazy pirogronianowej b. enzymy cyklu kwasów trikarboksylowych c. dehydrogenazę glutaminową d. dehydrogenazę asparaginową e. kompleks enzymów utleniających kwasy tłuszczowe f. enzymy cyklu mocznikowego g. cząsteczki NADH h. nukleotydy adeninowe i. enzymy importujące białka z cytoplazmy

Procesy zachodzące w mitochondrium: -

glikoliza cykl kwasów karboksylowych (Krebsa) łańcuch oddechowy beta-oksydacja kwasów tłuszczowych ostatnie etapy syntezy hormonów sterydowych transaminacja aminokwasów deaminacja aminokwasów dekarboksylacja aminokwasów współudział w glukoneogenezie

Jana

Genom mitochondrialny 1. DNA mitochondrialny(mtDNA) - u człowieka zawiera 16 569 par zasad(liczba bardzo mało w porównaniu z ich liczbą w przeciętnym chromosomie eukariontów) - koduje 22 rodzaje tRNA, 2 r-RNA, 13 mRNA - każdy RNA zawiera informację dla białek o ponad 50 aminokwasach - jest on pętlowy, pozbawiony histonów, ok. 80 % to odcinki kodujące, w kilku przypadkach kod genetyczny mtDNA różni się od uniwersalnego - w pojedynczym mitochondrium jest kilkanaście kopii DNA a. mt-mRNA b. mt-tRNA c. mitochondrialne rybosomy (55S) Kod genetyczny mitochondrialnego DNA różni się od uniwersalnego zapisu: UGA – kodon STOP w mitochondriach oznacza tryptofan, AUA – koduje metioninę zamiast izoleucyny, AGA, AGG - kodujące argininę w mitochondriach oznaczają sygnał STOP. Cechą charakterystyczną mtDNA jest również duże zagęszczenie kodowanych odcinków. Tzw. pętla D (ang. D-loop) jest jedynym fragmentem niezawierającym genów. Zachodzi w niej inicjacja transkrypcji. Odcinek ten zawiera dwa hiperzmienne obszary, które różnią się między sobą u poszczególnych osobników. Właściwość ta wykorzystywana jest w genetyce populacyjnej i medycynie sądowej. DNA mitochondrialny posiada mało sprawny system naprawczy i z tego powodu mutuje o wiele szybciej. Powstające zmiany mogą powodować zaburzenia funkcji fizjologicznych mitochondriów i prowadzić do występowania chorób, których objawy związane są przeważnie z tkankami o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym - mięśniowej i nerwowej. Jednak ze względu na losową segregację mtDNA mogą dotyczyć właściwie wszystkich tkanek i narządów – szpiku kostnego, gruczołów i in.. Wielu chorobom towarzyszy zatem występowanie wielu różnych objawów klinicznych, które dodatkowo mogą się też różnić stopniem nasilenia u poszczególnych członków rodziny.

Jana

mtDNA

Jądro

- koduje nieliczne białka

- koduje większość białek

- 1000 kopii w komórce

- 2 Kopie w diploidalnej komórce

- geny transkrybowane jako polycistron

- geny są regulowane niezależnie

- transkrypcja i translacja w mitochondriach

- białka zawsze są reimportowane po translacji z cytoplazmy

Powstawanie mitochondrium - nie są one wytwarzane w komórkach lecz wszystkie pochodzą od mitochondriów komórek macierzystych - w każdej komórce eukariotycznej znajdują się mitochondria, które dzielą się autonomicznie niezależnie od niej - materiał genetyczny obecny w mitochondriach dziedziczy się inaczej niż ten zawarty w jądrach komórkowych - geny jądrowe (DNA) otrzymujemy po obojgu rodzicach, podczas gdy DNA mitochondrialny (mtDNA) tylko po matce - tylko kobieta przekazuje swój mtDNA potomkom (w komórce jajowej) - mimo że w plemniku znajduje się zarówno DNA genomowy (jądrowy), jak i mitochondria, mężczyzna niemal nigdy nie przekazuje następnym pokoleniom mtDNA - zatem kobiety, które nie mają córek, nie przekazują go następnym pokoleniom.

Zanikanie - degradacja mitochondriów nie jest rzadkim zjawiskiem - występuję podczas autofagii czyli trawieniu przez komórkę obumarłych lub uszkodzonych elementów jej struktury - występuje ona u wszystkich jądrowców i ma miejsce zarówno w komórkach zdrowych, jak i patologicznych - zanikanie mitochondriów występuje także podczas procesu linienia u owadów

Jana

oraz po zaindukowaniu apoptozy

III Cytoszkielet - sieć włóknistych struktur białkowych w dzięki którym organella i substancje nie pływają swobodnie, ale zajmują pewne przypisane sobie miejsca Cytoszkielet tworzą włókienka (filamenty) aktynowe, czyli mikrofilamenty, mikrotubule zbudowane z tubuliny oraz filamenty pośrednie. Filamenty aktynowe są strukturami statycznymi, zaś mikrotubule są tworami dynamicznymi, kurczącymi się i wydłużającymi dzięki działalności białek motorycznych. Szkielet komórki wcale nie jest sztywny, tylko elastyczny - potrafi się szybko przebudowywać zgodnie z potrzebami komórki. Funkcje: - nadawanie kształtu i utrzymywanie kształtu komórki - utrzymywanie prawidłowej struktury tkanej (jeśli naciśnie się na skórę, to komórki naskórka nie rozlatują się na wszystkie strony między innymi dlatego, że cytoszkielet je usztywnia i łączy ze sobą) - poruszanie się komórek (np. w pełzaniu komórek układu odpornościowego i w fagocytozie) - skurcz mięśni - udział w podziałach komórek (niektóre leki przeciwnowotworowe, np. taksol, niszczą szybko dzielące się komórki nowotworowe uniemożliwiając prawidłowe działanie cytoszkieletu) - transport pęcherzyków i organelli przez cytoplazmę - przekazywanie informacji między komórkami - utrzymywanie polarności komórek

Jana

- ruch rzęsek i wici - udział w apoptozie - genetycznie programowanym samobójstwie komórek.

Wśród białek towarzyszącym białkom cytoszkieletu można wyróżnić: a) białka łączące b) białka czapeczkujące c) białka motoryczne d) białka stabilizujące e) białka rozcinające Są one odpowiedzialne za wszystkie funkcje oraz właściwości białek cytoszkieletu

Elementy cytoszkieletu: Mikrofilamenty -

inaczej filamenty aktynowe cienkie włókienka zbudowane z aktyny pojedyncza cząsteczka aktyny jest białkiem o kształcie zbliżonym do kulki każdy mikrofilament składa się z wielu cząsteczek aktyny połączonych w dwa wzajemnie owinięte wokół siebie łańcuchy - mikrofilamenty mają średnicę około 5-9nm i są dość giętkie i krótsze od mikrotubul (innego składnika cytoszkieletu) - przez cały czas są dynamicznie przebudowywane przez komórkę na zasadzie polimeryzacji (przyłączania nowych cząsteczek aktyny do mikrofilamentu) i depolimeryzacji (odłączania aktyny od włókienka) - przejawia się to na różne sposoby, między innymi przez zmiany kształtu powierzchni komórki

Jana

- większość filamentów aktynowych tworzy sieć pod błoną komórkową, w tak zwanej warstwie korowej cytoplazmy ale mikrofilamenty - pojedyncze lub połączone w sieci albo wiązki - można znaleźć też w innych częściach komórki - mniej więcej połowa cząsteczek aktyny swobodnie pływa w cytoplazmie jako monomery (pojedyncze cząsteczki), druga połowa jest wbudowana w mikrofilamenty. Wytwarza: - mikrokosmki - małe i duże pęczki kurczliwe w cytoplazmie - uwypuklenia w postaci filopodiów czy lamelipodiów - pierścienie kurczliwe - włókna naprężeniowe Filamenty pośrednie - włókienka o średnicy około 10 nanometrów - tworzą nieregularną, rozgałęzioną sieć w cytoplazmie (taka sieć często jest szczególnie gęsta dookoła jądra komórki - jest ich szczególnie dużo w komórkach narażonych na szarpanie i miażdżenie przez siły mechaniczne (na przykład w komórkach naskórka) - są twarde i nadają komórkom sztywność - można je porównać do twardych, grubych, mocno naprężonych lin - właśnie do tych opornych na odkształcenia włókienek najlepiej pasuje sztywna nazwa 'cytoszkielet' - białka tworzące filamenty pośrednie nie mają kulistego kształtu - ich cząsteczki najczęściej są wydłużone i przypominają włókienka, które łączą się w dłuższe warkocze białkowe - w skład filamentów pośrednich wchodzi wiele różnych białek - należy tu wspomnieć o laminach tworzących filamenty pośrednie pokrywające od wewnątrz otoczkę jądrową - inne filamenty pośrednie mogą być utworzone np. przez keratyny - białka usztywniające komórki nabłonkowe Filamenty pośrednie dzielimy na: 1) Filamenty cytoplazmatyczne: a) keratynowe (zasadowe i kwaśne) b) wimentynowe i wimentynopodobne

Jana

c) neurofilamenty. 2) Filamenty jądrowe

Mikrotubule - puste w środku rurki zbudowane z białka - tubuliny - komórka wytwarza dwa główne rodzaje tego białka: alfa- i beta-tubulinę - alfa-tubulina łączy się z beta-tubuliną tworząc hete...