5/13/2016

1

Biologia komórki

Komórkowa budowa organizmów. Porównanie komórek prokariotycznych i

eukariotycznychOrganella komórkowe

Organizmy modelowe

Drosophila melanogasterAnaliza genetyczna jest bardzo szybka i prosta, tylko cztery pary chromosomów, rozmnażają się bardzo szybko, czas generacji - około tygodnia, potomstwo wytwarzane w jednej generacji jest

bardzo liczne.

Caenorhabditis elegansBardzo łatwy w hodowli. Hermafrodyta

ma ściśle tylko 959 komórek somatycznych

MyszTworzenie modeli chorób genetycznych

człowieka

Xenopus levisDuże jaja, łatwo indukować

rozmnażanie

Arabidopsis thalianaKrótki cykl życiowy, mały genom

5/13/2016

2

• 1838 teoria komórkowa M.J.Schleiden i T. Schwann

Teoria komórkowa

1. Komórka stanowi jednostkę struktury, funkcji i organizacji

wszystkich żywych organizmów.2. Komórka pozostaje odrębna

jednostką budulcową is a distinct entity 3. Komórki, podobnie jak kryształy

tworzą się spontanicznie

•1855 R. Virchow rozszerzenie teorii komórkowej "Omnis cellula e cellula„ -Każda komórka powstaje z innej żywej

komórki.

Dwa typy organizmów-dwa typy komórek:

• PROKARIOTYCZNE

• EUKARIOTYCZNE

•Proste komórki, bez organelli.•Bakterie i Archeony są

prokariotycznymi komórkami 10 do100 razy mniejszymi niż komórki

zwierzęce lub roślinne

•Mają „właściwe jądro” i inne organella – przedziały komórkowe,

np. mitochondria, etc.•Wiele wielokomórkowych

organizmów jest eukariontami.•Niektóre jednokomórkowe

organizmy są też eukariontami: np. Protista

Błona komórkowa jest płynną mozaiką

Wiele składników błonowych jest w stanie

ciągłej dynamicznej płynności, niektóre

składniki błon zmieniają się szybciej niż inne

model płynnej mozaiki,

najbardziej uniwersalny.

„płynne morze dwuwarstwy lipidowej w którym pływają

góry lodowe molekuł białkowych”

Błony komórkowe nie są homogenneSkładniki błon otaczające organelle wewnątrzkomórkowe oraz błona komórkowe różnią się

od siebie. Systemy te tworzą przedziały wewnątrzkomórkowe, utrzymujące różnice pH i składu jonowego w poszczególnych częściach komórki,

Komponenty błonowe są asymetryczne.Proporcje i typy lipidów w warstwach wewnętrznej i zewnętrznej błony komórkowej są odmienne. Białka błonowe są rozmieszczone w lipidach asymetrycznie i mają wyraźnie

zdefiniowane domeny zewnętrzne i wewnętrzne

Błona komórkowa(półprzepuszczalna, asymetryczna, dynamiczna, płynna)

5/13/2016

3

ER jest miejscem wejścia dla białek /przeznaczonych dla ER i innych organelli/

Poszczególne białka, które weszły do ER są przenoszone pęcherzykami transportującymi z organelli do organelli i

do plazmalemmy

Transport białek z cytozolu do ER •Stosy spłaszczonych woreczków błonowych/cystern/

•Ilość AG w komórce zależy od typu komórki

•w komórkach wydzielniczych (hepatocyty, komórki trzustki) – liczne

warstwy

•w fibroblastach – kilka warstw

Aparat Golgiego

Procesy biologiczne zachodzące w AG•Glikozylacja białek i lipidów

•Glikozylacja i składanie proteoglikanów

•Sortowanie przed transportem

Każdy stos AG ma dwie strony: wejściową CIS /fuzja pęcherzyków/wyjściową TRANS /pączkowanie pęcherzyków/• Polarność procesów

biologicznych• Powierzchnia cis /Mannozydaza I

– łańcuchy bogate w mannozę są przycinane/

• Cysterny środkowe /Transferaza I przenoszona jest N-acetyloglukozamina/

• Powierzchnia trans /Dodawanie reszt galaktozydazy

• Białka po stronie trans są sortowane wg. przeznaczenia /lizosomy, plazmalemma/

Transport z ER do AG i dalej przebiega przez ciągłe pączkowanie i fuzję pęcherzyków transportujących Z ER do AG – dyfuzja; dalej transport dzięki białkom motorycznym,

poruszanie wzdłuż włókien cytoszkieletu

Kontrola sekrecji różnego typu białek w aparacie Golgiego

1. Stymulowane do sekrecji, 2. przeznaczone do ECM, 3. białka enzymów lizosomalnych,

5/13/2016

4

Lyzosomy• Organella otoczone pojedyncza błoną, zmienne w kształcie, są „śmietnikiem”

komórki, • *Tu zachodzi wewnątrzkomórkowe trawienie – hydroliza białek, kwasów

nukleinowych, złożonych cukrów, fosfolipidów,• *Degradują np. bakterie wchłonięte do komórki na drodze fagocytozy (pierwotne

lizosomy),• *Trawią „zużyte” organella, błony ER otaczają mitochodrium tworząc pęcherzyk,

który łączy się z pęcherzykiem zawierającym enzymy lizosomalne (wtórne lizosomy)

*

**

*

**

Lizosomy - struktury odpowiedzialne za trawienie białek•Mechanizm receptor – ligand

•Specyficzne enzymy – hydrolazy•Trawienie białek, lipidów, węglowodanów i kwasów nukleinowych

•Niskie pH

*

Biologia komórki

Cytoplazma i Cytoszkielet

Cytoplazma a składniki cytozolu:

• Węglowodany (cukry proste, skrobia)• Lipidy (tłuszcze, oleje, woski, fosfolipidy, steroidy)• Białka• Kwasy nukleinowe (DNA, RNA)

Wszystkie składniki mają pewne wspólne cechy:*Zbudowane są jedynie z kilku makroelementów: C, H, O, N, P*Budowa powtarzających się modułów*Ich funkcja zależy od struktury lub struktura/kształt determinuje funkcję

5/13/2016

5

Ruchliwośćzdolność żywych systemów do wykonywania mechanicznej pracy kosztem metabolicznej energii

Cytoszkielet cytoplazmatyczny system białkowych filamentów

w cytoplazmie tylko komórek eukariotycznych

Funkcja

1. rusztowanie wewnątrzkomórkowe komórki,2. organizacja przestrzenna składników komórki

3. ruch wewnatrzkomórkowy, np. transport organelli, cząsteczek pomiędzy organellami, rozdzielenie chromosomów podczas mitozy, rozdzielenie komórek zwierzęcych i roślinnych podczas cytokinezy,

4. ruch komórek w środowisku, 5. skurcze komórek mięśniowych,

6. ruch wici i rzęsek

Cytoszkielet i ruch komórki Elementy cytoszkieletu:

mikrofilamenty – 5-7 nm średnicy,

filamenty pośrednie –10 nm średnicy

mikrotubule – 25 nm średnicy

Polimeryzacja i depolimeryzacja mikrotubul Funkcja mikrotubul

• Cytoszkielet komórki,• Ruch chromosomów,• Cytokineza w komórkach roślinnych.• Budowa wici i rzęsek,• Transport pęcherzyków.

MTOC

5/13/2016

6

Dynamika mikrotubul Cytokineza w komórce roślinnej

Mikrotubule stabilne

Aksonema wici/rzęski

Białka motoryczne

5/13/2016

7

Filamenty pośrednie

•Włókna białkowe o średnicy około 10 nm,

•Są wytrzymałe,

•Zabezpieczają komórkę przed stresem mechanicznym,

•Przypominają linę złożoną z wielu skręconych nici,

•Nie biorą udziału w ruchu,

•Są bardziej stabilne niż mikrofilamenty i mikrotubule.

Filamenty pośrednie

Białka współdziałające z filamentami pośrednimi Filamenty aktynowe

5/13/2016

8

-Filamenty aktynowe mają średnicę około 7 nm.

-Jednostką strukturalną jest globularna G-aktyna.

-Filamenty aktynowe składają się z dwóch łańcuchów G-aktyny skręconych wokół siebie.

-Mają biegun „+” i „-”

-Do polimeryzacji konieczna hydroliza ATP

Białka wiążące się z aktyną

Podstawą ruchu jest:1) proces polimeryzacji i depolimeryzacji mikrotubul i mikrofilamentów

a także

2) współdziałanie tych elementów cytoszkieletu z białkami motorycznymi, które przeksztalcają energię chemicznązmagazynowaną w ATP w energię mechaniczną.

Prokaryota Eukaryota

1. 1-10m 10-100m2. beztlenowce tlenowce3. brak organelli organella4. kolista DNA liniowe DNA5. głównie kodujące wiele niekodujących regionów6. RNA i białka w komórce RNA w jądrze, białka w cytop7. brak cytoszkieletu cytoszkielet8. podział-przewężenie mitoza, mejoza9. gł jednokomórkowce gł wielokomórkowce

5/13/2016

9

Biologia komórki

Elementy macierzy zewnątrzkomórkowej

Programowana śmierć komórki/Apoptoza

Macierz zewnątrzkomórkowa (ECM)

• ECM- ściana u bakterii, roślin i grzybów• ECM u zwierząt substancja między

komórkowa wpływa na rozwój, kształt, uczestniczy w procesach różnicowania i i morfogenezy

Ściana komórki bakteryjnej

Np.. Bacillus subtilis

Np. Escherichia coli

Intensywność zabarwienia gram+ zależy od grubości i usieciowienia ściany

LPS – lipopolisacharydyPoryny - w zewnętrznej błonieLipoproteiny - w zewnętrznej błonie

5/13/2016

10

Współdziałanie z cytoszkieletem – mikrotubule określają kierunek ruchu cząsteczek syntazy celulozy

ściana

cytoplazma mikrotubule cytoszkieletu

syntaza celulozy

mikrofibryla celulozy

Budowa ściany komórkowejCeluloza, hemicelulozy, inne cukry, pektyny

- hemiceluloza

Hemicelulozy są bardzo podobne strukturalnie do celulozy dlatego też tworzą z mikrofibryllami celulozowymi połączenia niekowalencyjne; stąd nazywa się je często glikanami wiążącymi

Macierz zewnątrzkomórkowa (ECM)ECM zbudowana

jest z:• Glikozaminoglikanów

(GAGs),- pochodnych kwaśnych polisacharydów. GAGs nie występują samodzielnie tylko w postaci proteoglikanów, - kowalencyjnie związanych z białkami rdzeniowymi

• Białek kolagenowych i• Niekolagenowych:,

elastyna, fibronektyna, laminina; Najbardziej typowa ECM tkanki łącznej

Proteoglikan• To białko bogate w serynę połączone z setkami

kwaśnych, z resztami siarczanowymi GAGs

5/13/2016

11

Kolagen –składnik ECM• Białko włókniste,

trójłańcuchowe, skręcone w potrójną helisę, bogaty w prolinę, hydroksyprolinę i glicynę

• Jest przynajmniej 12 typów kolagenu,

• Typ I, II i III są najbardziej powszechne i tworzą podobne włókna, Typ IV – tworzy dwuwymiarowe retikulum i jest głównym składnikiem błony podstawnej,

• Kolagen występuje (najczęściej - 90%) w formie kolagenu I, – w skórze, kościach i wielu innych.

kolagenLaminina

• Jest białkiem niekolagenowym ECM i głównym składnikiem błony podstawnej,

• Jest trimerem w kształcie szabli o dł. 100nm, poprzez ramiona i oraz łączących się z innymi cząsteczkami lamininy i receptorami komórkowymi

Nidogen/entaktyna

•150kDa glikoproteina z trzema domenami, nie jest konieczny dla tworzenia się BP, ale potrzebny dla jej prawidłowej funkcji,

•Nidogen tworzy mosty pomiędzy warstwami lamininy i kolagenu IV, tworząc struktury trzeciorzędowe, promuje adhezję komórkową

Perlekan

•Proteoglikan (400kDa)z trzema łańcuchami siarczanu heparanu, łączy kolagen, lamininę i nidogen, ale dokładna jego rola nie jest całkiem jasna,

Szczególny typ kolagenu, nie tworzący włókienek a stanowiący główny składnik błony

podstawnej to kolagen IV• Łańcuchy polipeptydowe

kolagenu IV są większe niż innych kolagenach i splatają się w heliksową tripletową pałeczkę każda z globularna głową i potrójnym ogonkiem,

• Kolagen IV tworzy sieć

5/13/2016

12

Komórki wiążą się z ECM poprzez fibronektynę lub

lamininę.

Fibronektyna pochodzi od fibrynogenu i umożliwia podobny stopień lepkości do ECM jak płytki krwi

łączące się ze sobą

Biologia komórki

Chloroplasty

ChloroplastyEwolucyjny transfer genów do jądra spowodował, że ponad 90% białek (około 3000 ) kodowana jest przez genom jądrowy.Dlatego tez konieczny jest import białek z cytoplazmy do chloroplastu

5/13/2016

13

Import białek chloroplastowych

1. Postranslacyjny2. Białka syntetyzowane są w formie prekursorów z N-

końcem3. N-koniec jest „kodem pocztowym, odcinanym podczas

transportu, zwanym często peptydem tranzytowym.4. Chaperoniny wiążą się z prekursorem przez i po translokacji

przez błonę. Chaperoniny z grupy Hsp70 utrzymują stan białek częściowo sfałdowany w cytoplazmie, a cpn60 –głównie w stromie

5. ATP i GTP jest konieczne do translokacji przez błonę.

6.Receptory importu i kompleksy translokacyjne (Tocs Tics) łączą się w otoczce w miejscach styku obu błon.

Białka zewnetrznej błony - TocsBiałka wewnętrznej błony: TiCs

7. Po zakończeniu importu specyficzne endoproteazy w stromie odcinają sekwencje tranzytowe

8. Kierowanie białek do błony tylakoidu i do lumen Są indywidualne różnice pomiędzy transportem i

zespalaniem się białek o podobnej lokalizacji w błonie

Powtórzenie

5/13/2016

14

Jak dzielą się plastydy?

Podział plastydu nie jest sprzężony z podziałem komórki, żaden z tych procesów nie inicjuje drugiego, ale oba są

nadrzędnie kontrolowane.Dwuetapowy podział plastydu:

podział nukleoidui

plastydokineza

Przykłady jednokomórkowych glonów, które były początkowo modelem badań podziału chloroplastu

Cyanidioschyzon merolaeRekonstrukcja podziału komórki

•homologiczne do bakteryjnych,•kodowane przez jądro, •lokalizowane podczas podziału chloroplastu w płaszczyźnie równikowej,•podobne do tubuliny

Białka FtsZ-1 i Fts-2

U Arabidopsis

Pierścień FtsZbiorący udział w podziale chloroplastu

5/13/2016

15

Różnice pomiędzy białkami FtsZ-1 i FtsZ-2, tworzacymi pierścien FtsZ

• FtsZ-1 i FtsZ-2 różnice w pojedynczych resztach aminokwasowych

• FtsZ-2 ma krótki C-końcowy motyw podobny do bakteryjnego, prawdopodobnie oddziałuje z białkiem ARC6, które stabilizuje FtsZ filamenty in vivo

• FtsZ1 tworzy in vitro, w obecności GTP kompleksy filamentów widoczne w ME

• FtsZ-2 tworzy in vitro formy agregatów widoczne w ME

PD – pierścień, pośredniczący w podziale chloroplastu zbudowany z dynaminy

• Dynaminy - rodzina GTP-az, zdolnych do samołączenia się w pierścień.

• W chloroplastach modelowego Cyanidoschyzon merolae dynamina łączy się w pierścień PD o grubości około 5 nm,

• U Arabidopsis białko podobne do dynaminy, kodowane przez gen ARC5

Copyright ©2003 American Society of Plant Biologists

Eckardt,N. A. Plant Cell 2003;15:577-579

Dynamina - tworzy pierścień podczas podziału chloroplastu u Cyanidioschyzon Hipotetyczny model podziału plastydu

1. Łączenie się FtsZ-1 i FtsZ-2 2 pierścień, bierze w tym udział tez MinD, MinE, ARC3 i ASRC6,2. Tworzenie się PD pierścienia wewnętrznego, a potem zewnętrznego, białka PDV1 i PDV2 łączą białka dynaminy (ARC5) w pierścień w płaszczyźnie równikowej chloroplastu

5/13/2016

16

?

1. FtsZ -pierścień; zbudowany z białka podobnego do tubuliny tworzące pierścieniową strukturę po stronie stromy, geny homologiczne do bakteryjnych; u Arabidopsis dwie rodziny genów: FtsZ1i FtsZ2.

2. PD-pierścień; zbudowany z białka dynaminy, podobnego do aktyny, Pierścień zakłada się od strony cytoplazmy i prawdopodobnie także od strony stromy; geny eukariotyczne.

W mitochondriach wydaje się, że dynamina bierze udział w podziale; nie ma natomiast FtsZPrawdopodobnie u przodków mitochondriów i chloroplastów podział odbywał się za pomocą FtsZ oraz dynaminy

PodsumowanieMechanizm podziału chloroplastu za pomocą: FtsZ pierścienia i PD pierścienia oraz wspomagających białek

Dziedziczenie plastydów u większości gatunków odmatecznie, rzadziej od obojga

rodziców

Dziedziczenie plastydówu większości gatunków odmatecznie, rzadziej od

obojga rodziców•Mechanizmy determinujące określona segregację plastydów: degradacja ptDNA w zygocie, degradacja ptDNA już w czasie spermatogenezy, w czasie podziału różnicującego, zapłodnienia, po zapłodnieniu

Mechanizmy, które eliminują chloroplasty przed lub po zapłodnieniu:

niekorzystne rozmieszczenie przestrzenne,degradacja (trawienie) DNA,

mała ilość cytoplazmy – chloroplastów,mała ilość kopii DNA w chloroplaście

5/13/2016

17

Biologia komórki

Mitochondria

Mitochondria

Reakcja całkowitego spalania glukozy do

CO2 i H2O

C6H12O6 + 6O2 ----- 6CO2 + 6H2O

•Mitochondria są organellami występującymi u większości Eukaryota

•Są miejscem, w którym zachodzi cykl Krebsa i transport elektronów wytwarzających energię w procesie oddychania tlenowego

•Są dziedziczone głównie odmatecznie podczas rozmnażania płciowego u większości kręgowców i roślin wyższych.

•Ze względu na sposób dziedziczenia materiał genetyczny jest niezwykle użyteczny w określaniu linii dziedziczenia organizmów.

Schemat procesów zachodzących w mitochondriach

5/13/2016

18

•Mitochondrialny DNA jest mały (1.65 kb) w komórkach zwierzęcych, u innych gatunków może być kilkakrotnie, większy.

•Roślinne mtDNA jest bardzo zmienne w wielkości, w zależności od gatunku: Arabidopsis mtDNA -200 kb.Pozostała informacja jest importowana z jądra.

mtDNARóżnice w mt kodzie genetycznym

• Mała zmienność kodu genetycznego świadczy o tym, że mitochondria powstały bardzo wcześnie w toku ewolucji, z jednego przodka.

• Znane są wyjątki od standardowego=uniwersalnego kodu genetycznego

• Wyjątki są znane wśród jednokomórkowych Eukaryota, niektórych grzybów i Prokaryota. Głównie - to modyfikacja kodonu stop: UAA, UAG i UGA

serine

Stop

Stop

Common Meaning

Stop

CandidaA yeast

Euplotes octacarinatusA ciliate

ParameciumA ciliate

OrganismTetrahymena thermophila

A ciliate

leucine

cysteine

glutamine

Modified Meaning

CUG

UGA

UAA UAG

Codon/sUAA UAG

glutamine

StopMycoplasma capricolumA bacteria tryptophanUGA

Neutral Non-polar, Polar

Kompleksy łańcucha transportu elektronów

5/13/2016

19

Sekwencje tranzytowe Transport białek do mitochondriów

Transport białka do matriksTransport białek do mitochondriów

Matrix

Przestrzeń międzybłonowa

Wewnętrzna błonaZewnętrzna błona

5/13/2016

20

Transport białek do mitochondriów

Matrix

Przestrzeń międzybłonowa

Wewnętrzna błonaZewnętrzna błona

Transport białka do przestrzeni perimitochondrialnej

Transport białka do przestrzeni perimitochondrialnej

PD

W mitochondriach wydaje się, że dynamina bierze udział w podziale; nie ma natomiast FtsZ

5/13/2016

21

Geneza FtsZ pierścienia, PD (plastydowego) i MD

(mitochondrialnego) pierścienia

Mitochondria utraciły pierścień FtsZ (z wyjątkiem prymitywnych, np Cyanidioschyzon merolae), w

przeciwieństwie do chloroplastów, które mają obie formy pierścienia:

PD i FtsZ.

Podział struktury mitochondrium

Mitochondria

• Są dziedziczone głównie odmatecznie podczas rozmnażania płciowego u większości kręgowców i roślin wyższych.

• Ze względu na sposób dziedziczenia materiał genetyczny jest niezwykle użyteczny w określaniu linii dziedziczenia organizmów.

Dziedziczenie mitochondriówu większości gatunków odmatecznie, rzadziej od obojga

rodziców

5/13/2016

22

Pochodzenie Eukaryota Endosymbioza

Czy chloroplasty i mitochondria są rzeczywiście bakteryjnymi symbiontami?

Podstawy teorii endosymbiozy•Mitochondria i chloroplasty mogą tworzyć się tylko z już istniejących - brak jest genów organellowych kodujących część własnych białek,•Mitochondria i chloroplasty mają własny zestaw genów znacznie bardziej zbliżonych do Prokaryota niż Eukaryota, ale liczba tych genów jest znacznie mniejsza niż u Prokaryota; np.Synechocystis(cyanobacteria) –3200 genów•Mitochondria i chloroplasty mają własną maszynerię syntezy białek znacznie bardziej przypominającą Prokaryota niż Eukaryota

•Chloroplasty pochodzą od Cyanobacteria, Mitochondria pochodza od -Proteobacteria, zostały „wchłonięte na drodze fagocytozy” przez prymitywne komórki setki milionów lat temu.•Nie zostały strawione, dostarczają produktów fotosyntezy (Cyanobacteria); lub tlenu (- Proteobacteria)•Wewnętrzna błona jest własną błona bakterii a zewnętrzna oryginalną błoną fagocytarną.

Cechy organelli podobne do bakteryjnych

• Wielkość i morfologia często podobna,

• Otoczone podwójną błoną: zewn., jak się przypuszcza pochodzi od „gospodarza” z inwaginacji błony gospodarza „endocytującej” bakterię; wewn. błona jest własną błoną cytoplazmatyczną bakterii,

• Koliste małe DNA (z niewielką liczbą białek), podobne do bakteryjnego,

• Rybosomalne RNA przypomina rRNA Eubacteria,

• Transkrypcja genów rRNA rozpoczyna się w miejscach promotorowych przypominających promotory bakteryjne.

• Hybrydyzacja DNA i RNA z chloroplastu i Cyanobacteria, podobnie w przypadku -bakterii i mitochondriów

5/13/2016

23

Cechy organelli podobne do bakteryjnych cd.

• Wiele homologów genów bakteryjnych,• Chloroplasty syntetyzują białka przy użyciu własnych rybosomów o

wielkości rybosomów Prokaryota i o takich samych podjednostkach,

• Wrażliwość na te same inhibitory i antybiotyki: chloramphenicol, streptomycyna, erytromycyna

• Niektóre enzymy, np. transportu elektronów (ATP-aza) występują wyłącznie u Prokaryota, chloroplastów i mitochondriów. Rozpuszczalne białka enzymatyczne, np. cyklu Krebsa – podobne do prokaryotycznych,

• System transportu przez błony przypomina bakteryjny.• Podział chloroplastu przypomina „przewężenie” bakteryjne,

• Podobne są białka pomocnicze, głównie chaperoniny

W czym organella NIE przypominają bakterii

• Chloroplasty nie zawsze mają kształt i wielkość bakterii,

• Ilość DNA w chloroplastach jest znacznie mniejsza niż u Prokaryota, zbyt mało genów, aby syntetyzować własne białka,

• Podział i rozmieszczenie chloroplastów w komórkach potomnych są ściśle kontrolowane przez komórki eukaryotyczne,

• ChlDNA ma introny, których nie ma w genach typowych Eubacteria. Introny te są inne niż jądrowe (tak więc ich pochodzenie musi być inne).

5/13/2016

24

Ciekawe współczesne przykłady endosymbiozyElysia chlorotica - morski ślimak fagocytuje chloroplasty glonu Vaucheria litorea, „wchłaniając” je do cytoplazmy komórek epitelialnych,

•przez prawie rok może żyć mając jedynie światło i CO2.

•symbiont wydziela fotosyntetycznie tlen, transport elektrony przez PSI i II , bez żadnego dodatkowego źródła pożywienia dla mięczaka.

•wszystko to odbywa się bez jądra glonu!!!

Elysia chloroticaDlaczego transfer genów nie zawsze był łatwy i

nie został skończony?1. Pewne białka nie mogłyby być translokowane z

cytoplazmy do plastydu,np. Różne mechanizmy transportu białek z jądra do organelli uniemożliwiają przepływ genów z chloroplastów do jądra.

2. Genomy organellowe różnią się od siebie w różnych grupach systematycznych. Jeśli wszystkie pochodzą od wspólnego przodka, wiele genów musiałoby wędrować pomiędzy chloroplastami a jądrem wielokrotnie.

3. Pozostawienie niektórych genów w organellowym genomie umożliwia szybką regulację ekspresji np. w odpowiedzi na zmianę potencjału redox.

Filogeneza sekwencji rDNA potwierdza obecnie najbliższe pokrewieństwo

Cyanobacteria i plastydów

oraz

Alfa-Proteobacteria i mitochondriów

Teoria kompartmentacji - teoria konkurencyjna do endosymiozy

Eukaryota powstały z Prokaryota na drodze kompartmentacji - wpuklania się błony plazmatycznej.•ER, Golgi, błona jądrowa, lyzosomy•Chloroplasty i mitochondria -kompartmentacja plazmidów wewnątrz wpukleń błony komórkowej

5/13/2016

25

Biologia komórki

Programowana śmierć komórki/Apoptoza

APOPTOZA = PROGRAMOWANA ŚMIERĆ KOMÓRKOWA = ŚMIERĆ SAMOBÓJCZA

Każda komórka żyje i umiera

50 – 70 mld komórek umiera każdego dnia

w organizmie dorosłego człowieka

PCD eliminuje komórki podczas rozwoju

zarodkowego i z różnych tkanek dorosłego

organizmu, zachowując odpowiednią liczbę

komórek w tkankach

„za odkrycie genetycznej regulacji rozwoju organów i programowaną śmierć komórkową”

Nagroda Nobla z Fizjologii i Medycyny 2002

•Sydney BrennerAnglikBerkeley, CA, USA

H. Robert HorvitzAmerykaninCambridge, MA, USA

John E. SulstonAnglikCambridge, UK

Nobliści zidentyfikowali kluczowe geny regulujące rozwój i śmierć modelowego organizmu Caenorhabditis elegans i stwierdzili, że

istnieją odpowiadające im geny u człowieka

Dlaczego komórki ulegają programowanej śmierci -śmierci samobójczej?

W dojrzałych tkankach stałe odtwarzanie komórek. np.: komórek krwi, komórek nabłonkowych

Proces eliminacji komórek podczas rozwoju embrionalnego, np:a. Resorbcja ogona kijanki podczas metamorfozy żaby,b. Zanikanie tkanki pomiędzy palcami u płodu,c. Eliminowanie „nadmiaru” komórek w podczas tworzenia się synaps w

trakcie rozwoju mózgu

Niszczenie komórek, które zagrażają integralności organizmu, np.:a. Niszczenie komórek zainfekowanych np. przez wirusy

5/13/2016

26

Programowana śmierć komórkowa u zwierząt

Obecnie wyróżnia się trzy morfologiczne typy programowanej śmierci komórki występujące u zwierząt: (1) apoptoza, (2) autofagia i (3) nie lizosomalna śmierć komórkowa (van Doorn i wsp., 2005).

Podział ten został dokonany na podstawie dwóch kryteriów: A) przebiegu procesu PCD. B) czy zawartość komórki, która ulega programowanej śmierci, jest trawiona przez otaczające komórki czy przez komórkę obumierającą. Za trawienie zdegradowanych pozostałości komórki u zwierząt odpowiadają lizosomy, zawierające w swoim wnętrzu różne enzymy hydrolityczne.

Przebieg apoptozy

Szlak receptorowy (zewnętrzny)

Receptory śmierci:(FAS, TNF-R, etc)

FAS ligand

TNF

Domeny śmierci

Białka adaptorowe

Pro-kaspaza 8 (nieaktywna) Kaspaza 8 (aktywna)

Pro-kaspaza wykonawcza (nieaktywna)Wykonawcza kaspaza (aktywna)

Śmierć

DISC – death-inducing signaling complex

DISC – death-inducing signaling complex

Przebieg apoptozySzlak mitochondrialny (wewnętrzny)

Mitochondria

Uwolnienie cytochromu c

Pro-kaspaza 9

Pro-kaspaza wykonawcza 3

Kaspaza wykonawcza 3 proteoliza białek, aktywacja nukleaz etc.

Śmierć

BAXBAKBOKBCL-XsBADBIDB IKBIMNIP3BNIP3

BCL-2BCL-XLBCL-WMCL1BFL1DIVANR-13I inne białka

Białka pro-apoptotyczne

Białka anty-apoptotyczne

Kaspazy – faza wykonawcza apoptozy• proteazy cysteinowe, tną białka przy kwasie

asparaginowym

• występują w cytoplazmie w formie proenzymów

• poznano dotychczas 14 kaspaz inicjujące apoptozę - kaspaza 2, 8, 9, 10 egzekutory apoptozy - kaspaza 3, 6,7

• Prowadzą do zmian morfologicznych i biochemicznych materiału genetycznego

• Tną białka wszelakiego typu

• Kaspaza 9 + Apaf-1 + cytochrom c= Apoptosom

Kaskada kaspaz - Kaspazy uaktywniają następne kaspazy

5/13/2016

27

Programowana śmierć komórki/apoptoza jest procesem silnie konserwowanym ewolucyjnie

Dlaczego PCD u roślin może być/jest różne od PCD u zwierząt?

• A. Inne wzory rozwoju organizmów roślinnych niż zwierząt

• B. Inna struktura i metabolizm komórek roślinnych (obecnośc plastydów, ściany komórkowej wakuoli) inne hormony i mechanizmy regulacji hormonalnej

PROGRAMOWANA ŚMIERĆ KOMÓRKOWA U ROŚLIN

PCD u roślin nie zawsze pozostaje pod kontrolą tych samych genów apoptotycznych funkcjonujących u

zwierząt• Ad 1)Apoptoza - dotychczas nie opisano programowanej śmierci komórki roślinnej,

będącej prawdziwą apoptozą. (ciałka apoptotyczne?. fagocytowanie fragmentów cytoplazmy przez sąsiednie komórki?) Powodem jest występowanie ściany komórkowej oraz brak odpowiednich komórek mających zdolność do fagocytozy.

Ad 2) Autofagia - megaautofagia. Organellum, będącym odpowiednikiem lizosomów u zwierząt podczas megaautofagii są wakuole lityczne gromadzące głównie enzymy hydrolityczne. Podobnie jak u zwierząt zwiększenie przepuszczalności lub po prostu pęknięcie tonoplastu (błony wakuoli) doprowadza do uwolnienia zgromadzonych enzymów, które degradują organella i składniki komórkowe. Dochodzi też do kurczenia się cytoplazmy, co powoduje, że błona komórkowa ulega oddzieleniu się od ściany komórkowej.

Śmierć wielu komórek i tkanek jest warunkiem rozwoju roślin wyższych• w organach wegetatywnych• w organach generatywnych

PROGRAMOWANA ŚMIERĆ KOMÓRKOWA (PCD) U ROŚLIN

5/13/2016

28

Programowana śmierć komórki zwierzęcej

internukleosomalna fragmentacja nDNA

Programowana śmierć komórki roślinnej

internukleosomalna fragmentacja nDNA

Elektroforeza DNA „laddering” („drabinka”)

Reakcja TUNEL(Terminal deoxynucleotidyl transferase – mediated dUTP nick end in situ labelling method,

Elektroforeza pojedynczych komórek (Comet assay)

Czy PCD u roślin przebiega inaczej niż u zwierząt?

Leśniewska, Praca doktorska, 1999

Programowana śmierć komórki zwierzęcejkondensacja chromatyny

Programowana śmierć komórki roślinnejkondensacja chromatyny

Kondensację chromatyny po działaniu środków fotodynamicznych

Kondensacja chromatyny w komórkach mezofilu grochu

Simeonova et al. 2004, Protoplasma 223: 143-153

Czy PCD u roślin przebiega inaczej niż u zwierząt?

Czy PCD u roślin przebiega inaczej niż u zwierząt?Programowana śmierć komórki zwierzęcej

Proteazy cysteinowe =kaspazy,zaangażowane w fazę wykonawczą

apoptozy.

Według przyjętej klasyfikacji kaspazami są proteazy cysteinowe hydrolizujące wiązania peptydowe wyłącznie po kwasie asparaginowym, zaangażowane głównie w PCD u zwierząt

Programowana śmierć komórki roślinnej

Proteazy kaspazopodobne= „kaspazy roślinne” zaangażowane w PCD,•niektóre wykazują aktywność kaspaz,•inne przypominają kaspazy strukturą lub sekwencją aminokwasów

„kaspazy roślinne” nie są więc zaliczane do kaspaz.

PCD u roślin vs PCD u zwierząt

• PCD-aktywna, regulowana genetycznie forma śmierci komórki, słabiej poznana u roślin niż u zwierząt,

• Różne formy PCD: u zwierząt, głównie apoptoza, czasem autofagia, u roślin nie zachodzi apoptoza, często autofagia i inne,

• Przebieg PCD: – Internukleosomalna fragmentacja DNA oraz kondensacja chromatyny -

wyznacznikami PCD zarówno u roślin jak i zwierząt,– Kaspazy u zwierząt, u roślin -kaspazo-podobne proteazy,– Mitochondria są czasem, ale nie zawsze zaangażowane w PCD u roślin,– U zwierząt białka z rodziny Bcl-2, ich homologów nie znaleziono u roślin ,– W ER znaleziono wiele wspólnych mediatorów PCD roślin i zwierząt,

Zarówno u roślin jak i zwierząt różnorodność szlaków genetycznych zaangażowanych w różne formy PCD często się nakłada prowadząc ostatecznie do specyficznej odpowiedzi.

5/13/2016

29

Transport białka do przestrzeni perimitochondrialnej Geneza FtsZ pierścienia, PD (plastydowego) i MD

(mitochondrialnego) pierścienia

Mitochondria utraciły pierścień FtsZ (z

wyjątkiem prymitywnych, np Cyanidioschyzon

merolae), w przeciwieństwie do

chloroplastów, które mają obie formy pierścienia:

PD i FtsZ.

Podział struktury mitochondrium Pochodzenie Eukaryota Endosymbioza

Czy chloroplasty i mitochondria są rzeczywiście bakteryjnymi symbiontami?

5/13/2016

30

•Chloroplasty pochodzą od Cyanobacteria, Mitochondria pochodza od -Proteobacteria, zostały „wchłonięte na drodze fagocytozy” przez prymitywne komórki setki milionów lat temu.•Nie zostały strawione, dostarczają produktów fotosyntezy (Cyanobacteria); lub tlenu (- Proteobacteria)•Wewnętrzna błona jest własną błona bakterii a zewnętrzna oryginalną błoną fagocytarną.

Cechy organelli podobne do bakteryjnych

• Wielkość i morfologia często podobna,

• Otoczone podwójną błoną: zewn., jak się przypuszcza pochodzi od „gospodarza” z inwaginacji błony gospodarza „endocytującej” bakterię; wewn. błona jest własną błoną cytoplazmatyczną bakterii,

• Koliste małe DNA (z niewielką liczbą białek), podobne do bakteryjnego,

• Rybosomalne RNA przypomina rRNA Eubacteria,

• Transkrypcja genów rRNA rozpoczyna się w miejscach promotorowych przypominających promotory bakteryjne.

• Hybrydyzacja DNA i RNA z chloroplastu i Cyanobacteria, podobnie w przypadku -bakterii i mitochondriów

Cechy organelli podobne do bakteryjnych cd.

• Wiele homologów genów bakteryjnych,• Chloroplasty syntetyzują białka przy użyciu własnych rybosomów o

wielkości rybosomów Prokaryota i o takich samych podjednostkach,

• Wrażliwość na te same inhibitory i antybiotyki: chloramphenicol, streptomycyna, erytromycyna

• Niektóre enzymy, np. transportu elektronów (ATP-aza) występują wyłącznie u Prokaryota, chloroplastów i mitochondriów. Rozpuszczalne białka enzymatyczne, np. cyklu Krebsa – podobne do prokaryotycznych,

• System transportu przez błony przypomina bakteryjny.• Podział chloroplastu przypomina „przewężenie” bakteryjne,

• Podobne są białka pomocnicze, głównie chaperoniny

W czym organella NIE przypominają bakterii

• Chloroplasty nie zawsze mają kształt i wielkość bakterii,

• Ilość DNA w chloroplastach jest znacznie mniejsza niż u Prokaryota, zbyt mało genów, aby syntetyzować własne białka,

• Podział i rozmieszczenie chloroplastów w komórkach potomnych są ściśle kontrolowane przez komórki eukaryotyczne,

• ChlDNA ma introny, których nie ma w genach typowych Eubacteria. Introny te są inne niż jądrowe (tak więc ich pochodzenie musi być inne).

5/13/2016

31

Nephroselmis - Endosymbiont Hateny – zielony wiciowiec, z typowo zorganizowanym genomem chloroplastowym

Ciekawe współczesne przykłady endosymbiozyElysia chlorotica - morski ślimak fagocytuje chloroplasty glonu Vaucheria litorea, „wchłaniając” je do cytoplazmy komórek epitelialnych,

•przez prawie rok może żyć mając jedynie światło i CO2.

•symbiont wydziela fotosyntetycznie tlen, transport elektrony przez PSI i II , bez żadnego dodatkowego źródła pożywienia dla mięczaka.

•wszystko to odbywa się bez jądra glonu!!!

Elysia chlorotica

Dlaczego transfer genów nie zawsze był łatwy i nie został skończony?

1. Pewne białka nie mogłyby być translokowane z cytoplazmy do plastydu,np. Różne mechanizmy transportu białek z jądra do organelli uniemożliwiają przepływ genów z chloroplastów do jądra.

2. Genomy organellowe różnią się od siebie w różnych grupach systematycznych. Jeśli wszystkie pochodzą od wspólnego przodka, wiele genów musiałoby wędrować pomiędzy chloroplastami a jądrem wielokrotnie.

3. Pozostawienie niektórych genów w organellowym genomie umożliwia szybką regulację ekspresji np. w odpowiedzi na zmianę potencjału redox.

Teoria kompartmentacji - teoria konkurencyjna do endosymiozy

Eukaryota powstały z Prokaryota na drodze kompartmentacji - wpuklania się błony plazmatycznej.•ER, Golgi, błona jądrowa, lyzosomy•Chloroplasty i mitochondria -kompartmentacja plazmidów wewnątrz wpukleń błony komórkowej