Membrane u stanici. Endomembranski sustav = endomembrane. Razlikuju se prema: Izv. prof. dr. sc. Lidija Šver. Razlika u odnosu proteina i lipida

Transcript

1 Membrane u stanici Endomembranski sustav, organeli stanice Izv. prof. dr. sc. Lidija Šver Razlikuju se prema: debljini molekulskom sastavu (i fosfolipida i proteina i ugljikohidrata) metaboličkom ponašanju (uloga) Razlika u odnosu proteina i lipida Endomembranski sustav = 100 Protein Lipid endomembrane Regulira promet proteina i obavlja metaboličke funkcije u stanici povezanost fizička prijenos membranskih dijelova kretanjem membranskih mjehurića 0 membrana mijelina membrana eritrocita membrana unutrašnja sarkoplazmatskog membrana retikumuma mitohondrija 1 : 5 1 : 1 2 : 1 3 : 1 Odnos protein : lipid

2 Endomembranski sustav + stanična membrana (jednostruka) + jezgrina ovojnica (dvije membrane, dvostruka) + endoplazmatska mrežica (ER; jednostruka) + Golgijev aparat (GA; jednostruka) + lizosomi (jednostruka) + peroksisomi (jednostruka) + tonoplast (jednostruka membrana vakuola) + sekrecijski mjehurići (vezikule) Ostale membrane Mitohondrij (dvije membrane; unutarnja i vanjska) Plastidi (dvije membrane; unutarnja i vanjska) Eukarioti grč. eu,, dobar + karyon,, jezgra jezgra jasno izražena; omeđena jezgrinom ovojnicom u u citoplazmi brojni organeli omeđeni membranom Organel plastidi (kloroplast) Glavni organeli eukariotske stanice Glavna uloga fotosinteza Struktura (odjeljak odvojen membranom) dvostrukom Organizam biljke, protisti Napomena vlastita DNA; endosimbioza pravi organel endoplazmatska mrežica (retikulum; ER) translacija i nabiranje novosintetiziranih proteina (zrnati ER), sinteza lipida (glatki ER) jednostrukom svi eukarioti Zrnati ER sustav plosnatih vrećica na koje su vezani ribosomi; glatki ER je izgrađen od sustava cjevčica Golgijevo tijelo (aparat; GA) sortiranje i modifikacija proteina jednostrukom svi eukarioti cis-strana (konveksna) smještena najbliže zrnatom ER, trans-strana (konkavna) najudaljenija od zrnatog ER

3 Glavni organeli eukariotske stanice Manji organeli eukariotske stanice Organel Glavna uloga Struktura (odjeljak odvojen membranom) Organizam Napomena Organel Glavna uloga Struktura (odjeljak odvojen membranom) Organizam mitohondrij vakuola jezgra (nukleus) proizvodnja energije pohrana, homeostaza održavanje (replikacija) DNA, transkripcija u RNA dvostrukom jednostrukom dvostrukom većina eukariota eukarioti svi eukarioti vlastita DNA; endosimbioza pravi organel sadrži većinu genoma akrosom autofagosom omogućuje probijanje membrane jajne stanice mjehurić koji odvaja citoplazmatski sadržaj i organela za razgradnju jednostrukom jednostrukom glikosom odvijanje glikolize jednostrukom većina životinja (spermiji) sve eukariotske stanice neki protozoa (Trypanosoma) glioksisom pretvorba masti u šećere jednostrukom biljke hidrogenosom proizvodnja molekularnog vodika, acetata, CO 2 i ATP dvostrukom (pretpostavka da je evoluirao od mitohondrija) neki jednostanični eukarioti (anaerobni trepetljikaši, Trichomonadida) i gljive Manji organeli eukariotske stanice Makromolekule/čestice eukariotske stanice Organel lizosom Glavna uloga razgradnja makromolekula (proteina i polisaharida) Struktura (odjeljak odvojen membranom) jednostrukom Organizam većina eukariota melanosom pohrana pigmenta jednostrukom životinje mitosom nije razjašnjeno dvostrukom peroksisom transportni mjehurići (vezikule) razgradnja metaboličkog vodik peroksida jednostrukom neki jednostanični eukarioti svi eukarioti transport jednostrukom svi eukarioti Makromolekule/ čestice centriol/centrosom Glavna uloga Struktura Organizam organizacija citoskeleta prilikom diobe stanice protein, mikrotubuli trepetljike/bičevi pokretanje protein, mikrotubuli očna pjega detektira svjetlost, omogućava fototaksiju životinje životinje, protisti, neke biljke zelene alge i drugi jednostanični fotosintetski organizmi (Euglena) miofibril mišićna kontrakcija snop vlakana životinje jezgrica (nukleolus) proizvodnja ribosoma protein-dna-rna većina eukariota ribosom translacija RNA u proteine RNA-protein eukarioti i prokarioti

4 Eukariotska stanica: biljna Eukariotska Eukar iotska stanica: animalna ENDOPLAZMATSKA MREŽICA (retikulum) (ER) Zrnati ER Jezgra (nukleus) Jezgrina ovojnica Jezgrica (nukleol) Glatki ER Jezgra (nukleus) Endoplazmatska mrežica (retikulum) (ER) Zrnati ER Centrosom Kromatin Bič (flagelum) Jezgrina ovojnica Jezgrica (nukleol) Kromatin Glatki ER Ribosomi (male smeđe točke) Plazmatska membrana Centrosom CITOSKELET Središnja vakuola Tonoplast Golgijevo tijelo (aparat) (GA) Mikrofilamenti Mikrofilamenti Intermedijarni filamenti Intermedijarni filamenti Ribosomi Mikrotubuli Mikrovili Golgijevo tijelo (aparat) (GA) Peroksisom Mitohondrij Lizosom U animalnoj, ali ne u biljnoj stanici: Lizosomi Centrioli/centrosom Bičevi (osim u nekih spermalnih stanica biljaka) Citoplazma želatinozna poluprozirna tekućina ispunjava većinu stanica mjesto gdje se odvija većina stanične aktivnosti sve funkcije vezane za stanično širenje, rast i replikaciju odvijaju se u citoplazmi stanice tri dijela: citosol organeli uklopine (inkluzije) CITOSKELET Mikrotubuli Mitohondrij Peroksisom Plazmatska membrana Kloroplast Stanična stijenka Stanična stijenka susjedne stanice Plasmodezmije U biljnoj, ali ne u animalnoj stanici: Plastidi (kloroplast) Središnja vakuola i tonoplast Stanična stijenka Plazmodezmiji Citosol poluprozirna tekućina u kojoj su uronjeni ostali elementi citoplazme čini oko 70% stanice sastoji se od vode, otopljenih iona, malih molekula i velikih organskih molekula topivih u vodi (primjerice, proteini čine 20 do 30 % citosola). ph humanog citosola je oko 7,0 (dakle, neutralan), dok ph izvanstanične tekućine iznosi oko 7,4

5 Citosol Uklopine također sadrži i citoskelet koji daje oblik stanici, omogućava njeno gibanje i gibanje organela u prokariota (nemaju membranama odvojene odjeljke = organela) svi metabolički procesi se odvijaju u citosolu u biljaka, citosol može biti reduciran zbog velike središnje vakuole koja zauzima većinu unutrašnjeg staničnog volumena netopive tvari kemijske tvari koje se koriste kao hranjive tvari (kapljice masti, škrobna zrnca, glikogen) sekrecijski produkti i pigmentna zrnca (granule) i kristalične uklopine nukleohijaloplazma = KARIOPLAZMA = NUKLEOPLAZMA citosol unutar jezgre, bez elemenata citoskeleta (mikrofilamenata i mikrotubula) stroma kloroplasta matriks mitohondrija Sadrži glavninu genskog materijala stanice jezgrina ovojnica okružuje jezgru i odvaja njen sadržaj (kromatin i nukleoplazmu)) nukleoplazmu od citoplazme Jezgra Jezgra Jezgra 1 µm Jezgrica Kromatin Jezgrina ovojnica: Unutrašnja membrana Jezgra 1 µm Vanjska membrana Jezgrine pore Kompleks pora Zrnati ER Površina jezgrine ovojnice (TEM). 1 µm Ribosom 0.25 µm 1 µm 0.25 µm Kompleks pora (TEM). Uvećana slika jezgrine ovojnice Jezgrina fibrozna lamina (TEM).

6 Jezgrine pore Dvostruka membrana Karioplazma (matriks jezgre) Jezgrine pore Unutrašnja membrana Vanjska membrana Dijafragma Anulus (prsten) Fibrozna lamina (polipeptidi LAMINI) Perinuklearni prostor (međumembranski prostor: nm) Endoplazmatska mrežica (retikulum; ER) mjesto biosinteze u stanici Endoplazmatska atska mrežica Glatki ER Hrapavi (zrnati) ER Jezgrina ovojnica ER lumen Cisterne Ribosomi Transportni mjehurići Glatki ER Prijelazni ER Hrapavi ER 200 µm čini više od polovicu ukupnih membrana u većini eukariotskih stanica nadovezuje se na vanjsku membranu jezgrine ovojnice

7 Ribosomi: tvornice proteina u stanici Ribosomi Ribosomi Ribosomi ER Citosol čestice izgrađene od ribosomske RNA i proteina provode sintezu proteina Endoplazmatska mrežica (ER) Slobodni ribosomi ribosomi prokariota = 70 S ribosomi eukariota = 80 S Ribosomi vezani na ER S = svedberg nije SI jedinica tehnički mjera vremena, i definira se kao točno sekundi daje mjeru veličine čestica na temelju njihove stope putovanja u epruveti pod učinkom velike gravitacijske sile 0.5 µm ER i ribosomi (TEM). Shema ribosoma Velika podjedinica Mala podjedinica Funkcije ER Polisom (poliribosom) Ribosomi Hrapavi (zrnati) ER ima vezane ribosome proizvodi proteine i membrane, koje se po stanici raspodjeljuju transportirani u mjehurićima izdvajanje bjelančevina namijenjenih izlučivanju ili uporabi unutar stanice početno glikoliziranje proteinskih lanaca kojima su oligosaharidi vezani na N-kraju sinteza fosfolipida, udruživanje lanaca višelančanih bjelančevina neke posttranslacijske promjene tek sintetiziranih polipeptida

8 Zrnata (hrapava) endoplazmatska mrežica (retikulum) Bjelančevine sintetizirane u stanici mogu ostati u citoplazmi ili se izlučiti iz nje i tako sudjelovati u različitim aktivnostima stanice Odredišta bjelančevina sintetiziranih u zrnatom ER pohranjivanje unutar stanice (npr. u lizosomima i specifičnim zrncima leukocita), privremeno pohranjivanje bjelančevina za izlučivanje (npr. u gušterači i u nekim endokrinim stanicama), ugrađivanje u druge membrane (npr. integralni proteini) Ribosomi Funkcije ER Glatki ER nema vezane ribosome sinteza lipida, steroidnih hormona metabolizam ugljikohidrata uklanjanje otpadnih tvari (detoksikacija: oksidacija, konjugacija i metilacija alkohola i otrova) razgradnja glikogena u stanicama jetre (glukoza-6-fosfataza) pohrana kalcija (sarkoplazmatska mrežica - odcjepljivanje i otpuštanje iona Ca 2+ ) Cisterne ER Sarkoplazmatskaatska mrežica (retikulum);sr posebni oblik glatke endoplazmatske mrežice u stanicama mišićnog tkiva razlikuje se od glatkog ER prema proteinima u membrani koja omeđuje unutrašnji prostor (lumen) osnovna funkcija je pohranjivanje i pumpanje kalcijevih iona SR sadrži veliku količinu Ca 2+ iona koji su pohranjeni i oslobađaju se prilikom depolarizacije mišićne stanice Mikrosomi mjehurići nastali raspadanjem endoplazmatske mrežice tijekom procesa homogenizacije koji prethodi diferencijalnom centrifugiranju ili centrifugiranju po gradijentu gustoće izraz se ne smije upotrebljavati za nedirnutu stanicu Prof. dr. sc. Lidija Šver Glatki (nema vezanih ribosoma) Hrapavi (vezani ribosomi)

9 Smještaj u stanici GOLGIJEVO TIJELO Golgijevo tijelo centar za primanje i otpremu tvari Golgijevo tijelo (aparat); GA prihvaća većinu transportnih mjehurića koje otpušta hrapavi ER čine ga spljoštene membranske vreće koje nazivamo cisterne (diktiosomi) i mjehurići koje otpušta polarnost građe (cisterne, mjehurići i vakuole) i funkcije Funkcija: modifikacija produkata hrapavog ER proizvodnja određenih makromolekula (polisaharidi)

10 Golgijevo tijelo Polarnost strukture i funkcije Golgijeva tijela kondenzacijske vakuole i trans GA mreža trans cisterne cis strana oblikujuća, konveksna (uz hrapavi ER) prijenosni mjehurići središnje cisterne trans strana zriobena, konkavna (prema plazmatskoj membrani) kondenzacijske vakuole središnje cisterne cis cisterne cis GA mreža Funkcije Golgijeva tijela U Golgijevu tijelu (aparatu) završavaju se posttranslacijske izmjene proizvoda koje je stanica sintetizirala glikoziliranje, sulfatiranje, fosforiliranje i ograničena proteoliza bjelančevina raspodjeljuju se za izlučivanje početak omatanja s membranom koncentriranje i pohranjivanje proizvoda za izlučivanje cis strana GA (strana za primitak 6 Mjehurići također transportiraju određene proteine natrag u ER Prof. dr. sc. Lidija Šver Golgijevo tijelo Golgijevo tijelo (aparat); GA 1 Prijenosni mjehurići koji se kreću od ER prema GA 5 Mjehurići transportiraju specifične proteine natrag do novije GA cisterne 2 Mjehurići se spajaju da bi stvorili nove cis Golgijeve cisterne Cisterne 3 Sazrijevanje cisterna: Golgijeve cisterne kreću se u smjeru od cis- prema trans strani 4 Mjehurići se stvaraju i napuštaju GA noseći specifične proteine do drugih mjesta u stanici ili do plazma membrane da bi se izlučili iz stanice trans strana GA (strana za otpremu ) Cisterne Golgijevo tijelo (TEM) µm

11 LIZOSOMI vrećice (mjehurići) promjera od 0,05 do 0,5 µm omeđene jednostrukom membranom i ispunjene hidrolitičkim enzimima nastaju pupanjem Golgijeva tijela sadržavaju velik broj različitih hidrolitičkih enzima (više od 40) Lipaze - razgrađuju lipide Karbohidraze, razgrađuju ugljikohidrate (npr. šećere) Proteaze, razgrađuju proteine, Nukleaze, razgrađuju nukleinske kiseline, Fosfataze, razgrađuju monoestere fosfatne kiseline najčešći su enzimi kisela fosfataza, ribonukleaza, deoksiribonukleaza, katepsini (proteaze), sulfataze, lipaze i β- glukuronidaza enzimi nastaju u hrapavoj ER, a modificiraju se u GA za lizosome se preraspodjeljuju oni enzimi koji imaju oligosaharid s manoza-6-fosfatom lizosomski enzimi djeluju kod niskog ph (4,8) LIZOSOM Lizosomi: probavni odjeljci stanice Jezgra 1 µm Glavna funkcija je unutarstanično probavljanje može probaviti sve vrste makromolekula razgrađuje makromolekule koje su: unešene u stanicu fagocitozom ili pinocitozom (strane makromolekule; heterofagija) nastale raspadom staničnih organela (vlastite makromolekule; autofagija) Primarni lizosom (promjer 0,05 µm) još nije uključen u probavu Sekundarni lizosom (promjer 0,2 do 2 µm) nakon spajanja s mjehurićem u FAGOSOM Lizosom Lizosom sadrži aktivne hidrolitičke enzime Primarni lizosom Plazma membrana Hranidbena vakuola stapa se s primarnim lizosomom Probavni enzimi Hranidbena vakuola Sekundarni lizosom = FAGOLIZOSOM = FAGOSOM Hidrolitički enzimi razgrađuju fagocitiranu česticu Probava Fagocitoza: lizosom probavlja makromolekule unijete u stanicu

12 Lizosom koji sadrži dva oštećena organela 1 µ m Fragment mitohondrija Fragment peroksisoma Primarni lizosom Lizosom se stapa s mjehurićem koji sadrži oštećen organel Hidrolitički enzimi probave sastavnice organela Sekundarni Probava Mjehurić koji sadrži lizosom = oštećeni mitohondrij AUTOFAGOSOM Autofagija: lizosom razgrađuje oštećene organele Lizosoma ima u gotovo svim animalnim stanicama (u biljnim ih nema; vakuola), ali su osobito brojni u stanicama koje fagocitiraju (npr. makrofagi, neutrofilni leukociti) Probavljeni ostaci difuzijom izlaze u citoplazmu Dio neprobavljenih ostataka se izbacuje iz stanice, a dio ostaje u vakuolama neprobavljeni ostaci u pojedinačnim vakuolama = rezidualna tjelešca neprobavljeni ostaci u nakupinama vakuola = lipofuscin ili pigment starenja Peroksisomi omeđeni jednostrukom membranom gotovo okrugli organel promjera od 0,5 do 1,2 µm često ima granularnu (zrnatu) ili kristalnu jezgru koja je vjerojatno gusta nakupina enzima

13 Peroksisomi za razliku od lizosoma, peroksisomi NE nastaju pupanjem endoplazmatske mrežice rastu ugrađivanjem proteina i lipida nastalih u citosolu na slobodnim ribosomima (poliribosomi) samoreplicirajući; svoj broj povećavaju podjelom na dva kada dostignu određenu veličinu Lipidni dvosloj Membrana Kristalni nukleoid oksidaze mokraćne kiseline Kloroplast Peroksisom Kristalična uklopina Mitohondrij 1 µm Peroksisomi sadrže enzime koji oksidiraju supstrat pri čemu nastaje vodikov peroksid (H 2 O 2 ) kao nusprodukt RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 Vodik-peroksid (H 2 O 2 ) nastao u metaboličkim reakcijama u peroksisomu je štetan, ali ovaj organel sadrži enzim katalazu koji promijeni (konvertira) H 2 O 2 u vodu 2H 2 O 2 2H 2 O +O 2 Također, katalaza koristi vodik-peroksid da bi oksidirala druge supstrate: H 2 O 2 + R H 2 R + 2H 2 O Peroksisomi u stanicama jetre i bubrega detoksiciraju alkohol (25% etanola se oksidira u acetaldehid) i druge štetne tvari Peroksisomi Glavna uloga peroksisoma je razgradnja molekula masnih kiselina, u procesu nazvanim beta-oksidacija Tim procesom masne kiseline gube po 2 atoma ugljika pri čemu nastaje acetil-koenzim A (acetil-coa), koji se, zatim, transportira natrag u citosol i koristi u procesu staničnog disanja U životinjskim stanicama, beta-oksidacija se može također odvijati i u mitohondriju. U stanicama kvasaca i biljaka ovaj proces se isključivo odvija u peroksisomu. Prve reakcije u nastajanju plazmalogena u životinjskim stanicama također se odvijaju u peroksisomima. Plazmalogen je najčešći mijelinski fosfolipid. Nedostatak plazmalogena uzrokuje abnormalnosti u mijelinizaciji živčanih stanica - mnogi peroksisomalni poremećaji uzrokuju neurološke bolesti Peroksisomi također imaju važnu ulogu u proizvodnji žučnih kiselina. Kristalična uklopina morskog puža Gibulla umbilicalis U U nekih vrsta, ali ne u čovjeka, postoji i kristalni nukleoid, koji se sastoji od oksidaze mokraćne kiseline.

14 Glioksisomi specijaliziran peroksisomi u biljnim stanicama u spremišnim masnim tkivima sjemenki biljaka sadrži enzime koji pretvaraju masne kiseline u šećere, proces koji omogućuje pohranjivanje energije u uljima sjemenke do trenutka kada će biti sposobna proizvoditi vlastiti šećer fotosintezom enzimi glioksalatnog ciklusa, katalaze i β- oksidacije masnih kiselina Sekrecijski mjehurići... vezikule, zrnca U stanicama koje luče neki proizvod sekrecije (sekret) Promjer 0,2 do 2 µm Sadržaj zrnaca (nukleotidi, proteini, glikozaminoglikani) i do 200 puta gušći od sadržaja ER Zimogena zrnca sekrecijski mjehurići koji sadrže prekursore probavnih enzima Vakuola Vakuole mnogonamjenski odjeljci stanice jednostruka membrana u stanicama biljaka ili gljiva jedna ili više vakuola više funkcija u animalnim stanicama hranidbene vakuole nastale fagocitozom u jednostaničnih eukariotskih organizama, Protista kontraktilne vakuole ispumpavaju višak vode iz stanica protista

15 Uloga vakuola u biljnim stanicama mjesto za čuvanje organskih tvari (proteina) i vode glavno odlagalište anorganskih iona (K + i Cl - ioni) odlagalište metaboličkih nusprodukata (ergastički produkti) pomaže u zaštiti biljke od predatora tako što se u njima pohranjuju otrovne ili životinjama neukusne tvari uloga u rastu biljnih stanica; stanice se izdužuju tijekom života jer se u njihovim vakuolama nakuplja voda koja omogućuje stanici da postane veća Jezgra Stanična stijenka Kloroplast Središnja vakuola Citosol Središnja vakuola Tonoplast 5 µm Kontraktilna valukola - osmoregulacija u papučice (Paramecium) Kontraktilna vakuola 1 Jezgrina ovojnica spojena je s hrapavim ER koji se kontinuirano nastavlja na glatki ER Jezgra Hrapavi ER 2 Membrane i proteini nastali u ER prenose se prijenosnim mjehurićima do Golgijeva tijela Glatki ER Jezgrina ovojnica cis GA Kontraktilna vakuola (puna) Kontraktilna vakuola (prazna) Vakuola izbacuje vodu 3 Iz GA pupaju transportni mjehurići te kondenzacijske vakuole iz kojih će nastati lizosomi i vakuole trans GA Plazma membran a 4 Lizosomi dostupni za stapanje s drugim mjehurićima 5 Transportni mjehurići 6 nose proteine do plazmatske membrane da bi izlučili sadržaj (sekrecija) Plazmatska membrana širi se stapanjem mjehurića, a proteini se izluče iz stanice

16 Izvanstanični (ekstracelularni) matriks (ECM) tvore ga glikoproteini i druge makromolekule uloga u pričvršćivanju stanica (adheziji) za površinu, međusobno, kao i za pokretanje Kolagen Fibronektin Plazmatska membrana Integrin IZVANSTANIČNA TEKUĆINA CITOPLAZMA Mikrofilamenti Proteoglikanski kompleks Integrini Polisaharidna molekula Ugljikohidrat Proteinska osnova Proteoglikanska molekula Odjeljak/ makromolekula karboksisom klorosom Prokariotski odjeljci/makromolekule Glavna uloga Struktura Organizam fiksacija ugljika fotosinteza odjeljak odvojen proteinskim omotačem light harvesting complex bič kretanje protein, filament magnetosom nukleoid magnetska orijentacija održavanje (replikacija) DNA, transkripcija u RNA anorganski kristali, lipidna membrana DNA-protein neke bakterije zelene sumporne bakterije neki prokarioti i eukarioti magnetotaktične bakterije prokarioti plazmid razmjena DNA kružna DNA neke bakterije ribosom tilakoid translacija RNA u proteine fotosinteza RNA-protein fotosustavi (proteini i pigmenti) eukarioti i prokarioti većina cijanobakterija