Biologia komórki@Yale
Zawartość wykładu
Organelle związane z błoną
Komórki eukariotyczne zawierają zbiory białek, które funkcjonują jako jednostka zwana organellami. Niektóre z tych organelli są otoczone błoną o strukturze podobnej do błony komórkowej, ale o innym składzie białek i fosfolipidów.
Organelle związane z błoną oferują komórkom eukariotycznym kilka korzyści. Po pierwsze, komórki mogą koncentrować i izolować enzymy i reagenty w mniejszej objętości, zwiększając w ten sposób szybkość i wydajność reakcji chemicznych. Po drugie, komórki mogą zamknąć potencjalnie szkodliwe białka i cząsteczki w organellach związanych z błoną komórkową, chroniąc resztę komórek przed ich szkodliwym działaniem. Na przykład lizosom, który jest organellą związaną z błoną, zawiera wiele enzymów trawiących białka, kwasy nukleinowe i lipidy. Gdyby enzymy te zostały uwolnione do cytozolu, mogłyby przeżuć białka, kwasy nukleinowe i lipidy komórki, prowadząc do jej śmierci. Błona otaczająca lizosom utrzymuje te enzymy trawienne z dala od reszty komórki.
Mikrotubulowa organizacja cytoplazmy
Organy i białka zwykle nie są przypadkowo rozmieszczone w całej komórce, ale są organizowane poprzez lokalizowanie ich w regionach, w których są potrzebne. Komórka wykorzystuje mikrotubule i białka motoryczne, aby pomóc w lokalizacji organelli. Mikrotubule są długimi włóknami rozciągającymi się w cytoplazmie. Dwa rodzaje białek motorycznych, kinezyny i dyneiny, chodzą wzdłuż mikrotubul i wytwarzają siłę, która ciągnie organelle przez cytoplazmę.
Mikrotubule są polimerami heterodimeru tubuliny alfa i beta. Tubulina polimeryzuje w liniowe protofilamenty, a mikrotubula zawiera 13 protofilamentów ułożonych w cylinder z pustym rdzeniem. Mikrotubule są spolaryzowane na koniec minusowy i koniec plusowy. Mikrotubule rosną od swoich końców plusowych poprzez dodawanie kolejnych podjednostek tubuliny. Końce minusowe mikrotubul są niestabilne i są stabilizowane przez białka w centrum organizacyjnym mikrotubul (MTOC). Jeśli MTOC znajduje się w centrum komórki, mikrotubule promieniują na zewnątrz swoimi dodatnimi końcami w kierunku błony plazmatycznej
Kineiny i dyneiny chodzą wzdłuż mikrotubul, wykorzystując energię z hydrolizy ATP. Obie grupy białek zawierają domeny motoryczne, które wiążą się z mikrotubulami i hydrolizują ATP. Domeny motoryczne generują ruch wzdłuż mikrotubul. Większość kinin porusza się w kierunku końca plusowego mikrotubul, podczas gdy dyneina w kierunku końca minusowego. Daje to komórkom dwa narzędzia do kontrolowania rozmieszczenia organelli wzdłuż mikrotubul. Kinezyny i dyneiny zawierają również domenę wiążącą ładunek, która łączy je z różnymi organellami. Kinezyny stanowią dużą rodzinę białek, a domena wiążąca ładunek jest najbardziej rozbieżna, co pozwala różnym członkom rodziny kinezyn wiązać się z różnymi organellami. Dyneina jest dużym kompleksem kilku białek i sposób wiązania ładunku jest mniej jasny.
Filamenty aktynowe również wspomagają transport materiału komórkowego, ale na znacznie krótszych dystansach niż mikrotubule. Filamenty aktynowe są polimerem aktyny, która jest małym, globularnym białkiem. Filament aktynowy jest spiralnym układem aktyny i podobnie jak mikrotubule ma koniec plusowy i minusowy, przy czym filamenty rosną łatwiej od ich końców plusowych. Filamenty aktynowe nie mają rozległych kontaktów bocznych jak mikrotubule i są zwykle znacznie krótsze niż mikrotubule. Filamenty aktynowe mają tendencję do lokalizowania się w pobliżu błony komórkowej, gdzie zapewniają wsparcie strukturalne.
Miozyny są klasą białek motorycznych, które mogą generować siłę wzdłuż filamentów aktynowych. Niektóre miozyny biorą udział w kurczeniu się komórek (tj. kurczeniu się mięśni), podczas gdy inne wspierają ruch i pozycjonowanie organelli. Miozyny klasy V biorą udział w transporcie organelli w kilku różnych typach komórek. Podobnie do struktury kinezyny, miozyny klasy V zawierają domenę motoryczną, która wiąże się z filamentami aktynowymi i wykorzystuje energię hydrolizy ATP do poruszania się wzdłuż filamentów. C-końcówka miozyny V wiąże organelle.
Do transportu i pozycjonowania organelli komórki często wykorzystują zarówno mikrotubule, jak i filamenty aktynowe. Mikrotubule, kinezyny i dyneiny są wykorzystywane do przemieszczania organelli na duże odległości (kilka mikronów lub więcej), podczas gdy filamenty aktynowe transportują organelle na małe odległości (np. w pobliżu błony plazmatycznej). Często organelle zawierają więcej niż jeden typ białek motorycznych (np. kinezynę i miozynę V), aby umożliwić komórkom wykorzystanie obu zestawów włókien do pozycjonowania organelli.
Sekwencje sygnałowe
Aby utrzymać tożsamość i funkcję różnych organelli i błony plazmatycznej, komórki muszą kierować specyficzne białka do organelli i innych przedziałów wewnątrzkomórkowych. Większość z tych białek zawiera krótką sekwencję, zwaną sekwencją sygnałową, która określa ich wewnątrzkomórkową lokalizację. Sekwencje sygnałowe mogą być zlokalizowane w dowolnym miejscu w białku, ale często znajdują się na N-końcu. Sekwencje sygnałowe, które kierują białka do tego samego organelle, często nie mają tej samej sekwencji pierwotnej. Zwykle to ogólne właściwości biochemiczne sekwencji decydują o tym, czy kieruje ona białko do organelle. Sekwencje sygnałowe są używane do importu zarówno białek rozpuszczalnych, jak i integralnych białek błonowych.
Import białek do organelli związanych z błonami
Ponieważ błony otaczające organelle ograniczają przepływ białek, organelle wykształciły różne mechanizmy importu białek z cytoplazmy. Większość organelli zawiera zestaw białek błonowych, które tworzą pory. Por ten pozwala na przejście białek z odpowiednią sekwencją sygnałową. Niektóre pory (ER, mitochondria) mogą pomieścić tylko białka niefałdowane, podczas gdy inne pory (jądro, peroksysomy) pozwalają na przejście białek sfałdowanych.
Celowanie białek do retikulum endoplazmatycznego
Białka przeznaczone do sekrecji, błony plazmatycznej lub innej organelli szlaku sekrecyjnego są najpierw wprowadzane do ER. Większość białek przekracza ER w sposób ko-translacyjny, będąc syntetyzowanymi przez rybosomy na ER. Zarówno białka rozpuszczalne (białka, które rezydują w świetle organelli lub są wydzielane), jak i integralne białka błonowe są kierowane do ER i translokowane za pomocą tego samego mechanizmu.
Sekwencja sygnałowa dla białek ER zwykle znajduje się na N-końcu. Cz±steczka rozpoznaj±ca sygnał (SRP), kompleks złożony z 6 białek i jednego RNA, wi±że sekwencję sygnałow± natychmiast po jej przetłumaczeniu. SRP oddziałuje również z rybosomem i zatrzymuje translację. Na powierzchni błon ER znajduje się receptor dla SRP. Receptor SRP rekrutuje SRP, powstające białko ER i rybosom do ER. Receptor SRP uwalnia SRP z sekwencji sygnałowej i pozwala na kontynuowanie translacji na błonie ER.
Ribosomy na błonie ER wiążą się z białkiem translokatorem. Translokator jest białkiem transmembranowym, które tworzy por wodny. Por ten jest kanałem, przez który nowo zsyntetyzowane białka ER będą translokowane przez błonę ER. Translokacja białka ER generuje „siłę”, która popycha białko ER przez kanał.
Białka rozpuszczalne są całkowicie translokowane przez kanał; sekwencja sygnałowa pozostaje w kanale i jest rozszczepiana od reszty białka przez proteazę w świetle ER.
Białka błony wewnętrznej zawierają sekwencję przeniesienia stopu poniżej sekwencji sygnałowej. Sekwencja przeniesienia stopu wstrzymuje translokację przez kanał, a część białka po sekwencji przeniesienia stopu przebywa poza ER. Integralne białka błonowe mogą być translokowane w taki sposób, że ich N-końcówka lub C-końcówka znajduje się w świetle ER. Białka, których C-terminus znajduje się w świetle, mają zwykle wewnętrzną sekwencję sygnałową. Translokator wydaje się otwierać z jednej strony, aby umożliwić białkom błony integralnej dyfuzję do otaczającej je dwuwarstwy lipidowej.
Niektóre białka przecinają błonę kilkakrotnie i te białka zawierają po sekwencji przeniesienia stopu sekwencję przeniesienia startu, która ponownie inicjuje translokację białka przez kanał. Białko z sekwencj± sygnałow±, stop-transferem i start-transferem obejmowałoby błonę dwukrotnie z pętl± rezyduj±c± w cytozolu lub ¶wiatle. Aby wygenerować białko, które obejmuje błonę kilka razy, białko potrzebowałoby kilku sekwencji naprzemiennego transferu stopu i startu.
Po wejściu do ER białka składają się w swoje trójwymiarowe struktury. Istnieje kilka mechanizmów pomagających w składaniu białek, w tym chaperony i glikozylacja. ER zawiera również mechanizmy, które pomagają białkom, które nie zdołają się złożyć.
Celowanie białek do mitochondriów
Mimo że mitochondria posiadają swój własny genom, większość białek mitochondrialnych jest kodowana przez geny jądrowe, co wymaga mechanizmu celowania i importowania tych białek do mitochondriów. Podobnie jak białka importowane do ER, białka mitochondrialne zawierają sekwencję sygnałową, która kieruje je do mitochondriów. W przeciwieństwie do białek ER, białka mitochondrialne są importowane post-translacyjnie. Ponieważ białka muszą być rozłożone, aby translokować się przez kanały w błonie mitochondrialnej, białka mitochondrialne są utrzymywane w stanie rozłożonym w cytozolu przez chaperony.
Import białek do mitochondriów jest podobny do importu do ER, ale jest skomplikowany przez obecność dwóch błon wokół mitochondriów. Białka mitochondrialne mog± znajdować się w błonie zewnętrznej, wewnętrznej, przestrzeni międzybłonowej lub macierzy (przestrzeń wewn±trz błony wewnętrznej), dlatego mitochondria posiadaj± translokatory, które umożliwiaj± przechodzenie białek przez błonę zewnętrzn± i wewnętrzn±. Kompleks TOM pośredniczy w przechodzeniu przez błonę zewnętrzną, podczas gdy kompleks TIM pośredniczy w przechodzeniu przez błonę wewnętrzną.
Translokacja białek do mitochondriów
Sekwencja sygnałowa, która kieruje białka do macierzy, zwykle znajduje się na N-końcu. Sekwencja sygnałowa jest rozpoznawana przez białka w kompleksie TOM. Kompleks TOM przekazuje białko do przestrzeni błony wewnętrznej, gdzie kompleks TIM w błonie wewnętrznej przekazuje białko do macierzy. Kompleksy TOM i TIM często współpracują ze sobą w celu translokacji białka przez obie błony. Translokacja przez błony mitochondrialne jest zależna od energii. Chaperony w obrębie macierzy pomagają „przeciągnąć” białko przez błonę wewnętrzną i wymagają hydrolizy ATP do działania. Białka są składane wewnątrz macierzy.
Białka skierowane do błony wewnętrznej wykorzystują podobny mechanizm jak białka macierzy, ale zawierają sekwencję przeniesienia stopu rozpoznawaną przez kompleks TIM. Białka skierowane do błony zewnętrznej są translokowane przez błonę zewnętrzną do przestrzeni międzybłonowej, a następnie importowane do błony zewnętrznej przez translokator SAM. Białka skierowane do przestrzeni międzybłonowej są częściowo wprowadzane do błony wewnętrznej, a następnie rozszczepiane przez proteazę i uwalniane do przestrzeni błony wewnętrznej.
Import i eksport białek jądrowych
W przeciwieństwie do ER i mitochondriów, jądro importuje przede wszystkim białka rozpuszczalne. Ponadto, białka często przemieszczają się między jądrem a cytoplazmą, a komórka wykorzystuje import/eksport jądrowy do regulacji kilku krytycznych szlaków biochemicznych. Jądro jest otoczone dwiema błonami i osadzone w tych błonach są tysiące porów jądrowych, przez które białka i inne makrocząsteczki (RNA, rybosomy) wchodzą i wychodzą z jądra. Pory jądrowe są stabilizowane w błonach przez laminy, sieć cytoszkieletową, która stanowi podłoże dla wewnętrznej błony jądrowej i zapewnia jej strukturalne wsparcie. Por jądrowy ogranicza przepływ materiału w zależności od jego wielkości: rzeczy mniejsze niż ~ 30 kD swobodnie dyfundują przez por, ale duże cząsteczki potrzebują sposobu, aby dostać się do środka i wydostać się na zewnątrz. Białka, które wędrują do jądra zawierają sygnał importu jądrowego, a te, które muszą opuścić jądro zawierają sekwencję eksportu jądrowego.
Odróżnianie cytoplazmy od nukleoplazmy
Aby wygenerować ukierunkowany transport białek do i z jądra, białka muszą wiedzieć, czy znajdują się w cytoplazmie czy wewnątrz jądra. Do rozróżniania między jądrem a cytoplazmą komórki używają małego białka wiążącego GTP o nazwie Ran. Jak wszystkie białka wiążące GTP, Ran istnieje albo w stanie związanym z GTP, albo w stanie związanym z GDP. Dwa białka katalizują przełączanie pomiędzy tymi stanami. Ran-GAP (GTPase activating protein) katalizuje hydrolizę GTP generując Ran-GDP. Ran-GEF (guanine nucleotide exchange factor) katalizuje uwolnienie GDP i ponowne zwi±zanie GTP, generuj±c Ran-GTP. Ran-GAP lokalizuje się po cytoplazmatycznej stronie porów jądrowych, podczas gdy Ran-GEF wiąże się z chromatyną i dlatego lokalizuje się w jądrze. W rezultacie większość Ran w jądrze jest związana z GTP, a większość Ran w cytoplazmie jest związana z GDP.
Import jądrowy
Receptory (importyny) wiążą sekwencje importu jądrowego w białkach. Importyny oddziałują również z filamentami, które rozciągają się od cytoplazmatycznej strony porów jądrowych. Dzięki nieznanemu mechanizmowi, importyny zwi±zane z ładunkiem poruszaj± się przez pory j±drowe. Wewnątrz porów kompleks importyna-ładunek napotyka Ran-GTP. Ran-GTP odłącza importyny od ładunku, uwalniając białka ładunku do pracy w jądrze.
Eksport jądrowy
Wiele białek, które dostają się do jądra, musi być eksportowanych do cytoplazmy (np. importyny). Białka te zawierają sekwencję eksportu jądrowego, która oddziałuje z receptorem zwanym eksportyną. Ran-GTP wiąże się do tego kompleksu eksporteryna-ładunek i stabilizuje interakcję. Kompleks eksporteryna-ładunek-RanGTP przemieszcza się przez por (mechanizm niejasny), gdzie napotyka Ran-GAP po stronie cytoplazmatycznej. Ran-GAP przekształca Ran-GTP w Ran-GDP powodując dysocjację eksportyny od jej ładunku.
Import białek do peroksysomów i zespół Zellewegera
Peroksysomy są małymi organellami (~ 1 µm średnicy), które pełnią wiele funkcji dla komórek. Peroksysomy metabolizują szkodliwe substancje chemiczne (fenole, formaldehyd, etanol), metabolizują kwasy tłuszczowe i katalizują etap w syntezie plazmalogenu, który jest lipidem występującym w mielinie.
Białka skierowane do peroksysomów zawierają sekwencję sygnałową, która jest rozpoznawana przez rodzinę białek zwanych białkami Pex. Niektóre z tych białek Pex wiążą się z sekwencjami sygnałowymi, podczas gdy inne do porów w błonie peroksysomów, które umożliwiają wejście białek peroksysomów.
Komórki, które zawierają mutacje w białkach Pex nie mogą importować białek do peroksysomów i w konsekwencji w tych komórkach brakuje peroksysomów. Mutacje w białkach Pex są związane z zespołem chorób zwanych zespołem Zellewegera. W zespole Zellewegera niemowlętom brakuje napięcia mięśniowego i często zdolności do ssania. Niemowlęta wykazują również nieprawidłowości czaszkowo-twarzowe i powiększoną wątrobę. Rokowanie dla niemowląt cierpiących na zespół Zellewegera jest złe – większość z nich nie przeżywa dłużej niż rok.
Ponieważ peroksysomy przyczyniają się do syntezy lipidów znajdujących się w mielinie, pacjenci z chorobą Zellewegera często wykazują słabą mielinizację neuronów. Mielinizacja jest krytyczna dla funkcji neuronów w przewodzeniu sygnałów do komórek docelowych.