Κυτταρικά οργανίδια Μορφολογία-Σύσταση-Λειτουργία Πεφάνη Δάφνη Επίκουρη καθηγήτρια, Ιατρική σχολή ΕΚΠΑ Μιχαλακοπούλου 176, 1 ος όροφος
Κυτταρικά οργανίδια-ενδοκυττάρια διαμερίσματα-διαλογή πρωτεϊνών -(23/10) κυτταρικά οργανίδια- δομή και λειτουργία του πυρήνα -(6/11) Ενδοκυττάρια διαμερίσματα και διαλογή πρωτεϊνών -(8/11) Ενδοκυττάρια διαμερίσματα και επικοινωνία-μεταφορά πρωτεϊνών με κυστίδια
Οργανίδιο Στη Βιολογία με τον όρο οργανίδιο (organelle) χαρακτηρίζεται οποιοδήποτε μέρος του κυττάρου που παρουσιάζει συγκεκριμένο δομικό ή λειτουργικό ρόλο όπως για παράδειγμα το μαστίγιο ή ένα μιτοχόνδριο.
ΤΥΠΙΚΟ ΖΩΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ 1. Πυρηνίσκος 2. Πυρήνας 3. Ριβόσωμα 4. Κυστίδιο 5. Αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο 6. Σωμάτιο Golgi 7. Κυτταρικός σκελετός 8. Λείο ενδοπλασματικό δίκτυο 9. Μιτοχόνδριο 10. Κενοτόπιο 11. Κυτταρόπλασμα 12. Λυσόσωμα 13. Κεντροσωμάτιο.
Μεμβρανικά οργανίδια Κλειστά διαμερίσματα που δημιουργούνται από τις μεμβράνες του κυττάρου στα οποία ομάδες ενζύμων λειτουργούν χωρίς να επηρεάζονται από αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε άλλα διαμερίσματα.
Η κυτταρική μεμβράνη αποτελείται από πρωτεΐνες και λιπίδια, κυρίως φωσφολιπίδια
Μεμβρανικά Οργανίδια Πυρήνας (nucleus) Ενδοπλασματικό δίκτυο (Endoplasmic Reticulum) Σύστημα Golgi Λυσοσωμάτια (Lysosomes) Ενδοσωμάτια (Endosomes) Υπεροξεισωμάτια (Peroxisomes) Μιτοχόνδρια (mitochondria) Χλωροπλάστες (chloroplasts)
Διατομή ζωικού κυττάρου στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Ενδομεμβρανικό σύστημα Πυρήνας (nucleus) Ενδοπλασματικό δίκτυο (Endoplasmic Reticulum) Σύστημα Golgi Λυσσοσώματα
Προέλευση των μεμβρανικών οργανιδίων Πυρηνική μεμβράνη και ενδοπλασματικό δίκτυο
Προέλευση των μεμβρανικών οργανιδίων Μιτοχόνδρια- θεωρία της ενδοσυμβίωσης
ΠΥΡΗΝΑΣ-ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τόπος αντιγραφής του DNA και μεταγραφής του DNA σε hnrna (πρόδρομη μορφή με εσώνια) Παραγωγή ριβοσωμικού RNA Περιβάλλεται από διπλή μεμβράνη, «τον πυρηνικό φάκελο» Η εξωτερική πυρηνική μεμβράνη αποτελεί συνέχεια του ΕΔ Επικοινωνεί με το κυτταροδιάλυμα με «τους πυρηνικούς πόρους» οι οποίοι διατρυπούν το περίβλημα
Κύρια χαρακτηριστικά του πυρήνα Χρωματίνη (ευχρωματίνη και ετεροχρωματίνη) Πυρηνόπλασμα Πυρηνίσκος
Χρωματίνη Χρωματίνη Σύμπλεγμα χρωμοσωμικού DNA μαζί με πρωτεΐνες και RNA Πυρηνικές πρωτεΐνες: ιστόνες και μη ιστόνες ετεροχρωματίνη ευχρωματίνη πυρηνίσκος
Πυρηνίσκος Πυρηνικό σωματίδιο (οργανίδιο) χωρίς μεμβράνη: Περιοχή οργάνωσης του ριβοσωμικού DNA (ribosomal DNA) και παραγωγής του rrna Καταλαμβάνει μέχρι και το 25% του όγκου του πυρήνα Ινώδης περιοχή Ινώδης περιοχή : Μεταγραφή του ριβοσωμικού RNA Κοκκιώδης περιοχή : Σύνδεση πρόδρομων ριβοσωμάτων Κοκκιώδης περιοχή
Πυρηνίσκος Η σχέση της ινώδους και της κοκκιώδους περιοχής είναι δυναμική κυριαρχεί η κοκκιώδης περιοχή σε ενεργούς πυρήνες Το μέγεθος και ο αριθμός των πυρηνίσκων διαφέρει ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο και τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου Ώριμες μορφές ριβοσωμάτων δεν έχουν απομονωθεί στον πυρηνίσκο Η τελική ωρίμανση φαίνεται να πραγματοποιείται κάπου ενδιάμεσα της πορείας προς το κυτταρόπλασμα, πιθανότατα κοντά στους πυρηνικούς πόρους
Πυρηνίσκος H οργάνωση των πυρηνίσκων γίνεται από τους οργανωτές του πυρηνίσκου που εδράζονται σε ειδικά τμήματα των ακροκεντρικών χρωμοσωμάτων 13, 14,15, 21,22 Οι οργανωτές πυρηνίσκου περιέχουν τα γονίδια του ριβοσωμικού RNA (rrna) Το rdna παράγει το ριβοσωμικό RNA το οποίο μαζί με τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες συναρμολογούν τις ριβοσωμικές υπομονάδες
To ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει 150-200 γονίδια που εδράζονται στους οργανωτές του πυρηνίσκου στα ακροκεντρικά χρωμοσώματα Γονιδιακή επέκταση για να καλυφθούν οι μεγάλες ανάγκες για παραγωγή ριβοσωμάτων
Συναρμολόγηση του ριβοσώματος Τα τελικά στάδια της ωρίμανσης συμβαίνουν στο κυτταρόπλασμα με αποτέλεσμα το σχηματισμό των 40S και 60S υπομονάδων Οι ριβοσωμικές πρωτεΐνες εισάγονται στο πυρηνίσκο και συναρμολογούνται στο pre-rna πριν την επεξεργασία του Τα πρόδρομα ριβοσώματα σχηματίζονται από το rrna, 5S rrna και τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες
Ριβοσωμοπάθειες (Ribosomopathies) Γενετικές διαταραχές κατα τις οποίες προκαλούνται αλλαγές στη δομή και ή λειτουργεία των ριβοσωμάτων
Πυρηνόπλασμα Αποτελεί μια άμορφη μητρική ουσία που αποτελείται κυρίως από πρωτεΐνες με ενζυμική δράση, μεταβολίτες και ιόντα. Το πυρηνόπλασμα περιέχει μια συνεχή ινιδώδη δομή, η οποία αποτελεί τον πυρηνικό σκελετό, τμήμα του οποίου είναι ο ινώδης υμένας(πυρηνικός υμένας), που συντηρεί το σχήμα του πυρήνα. Ο ινώδης υμένας του πυρήνα είναι ένα δίκτυο πρωτεϊνικών νηματίων ο οποίο επενδύει την εσωτερική πυρηνική μεμβράνη. Συντίθεται από τρεις πρωτεΐνες που ονομάζονται λαμίνες Α, Β και C, οι οποίες οργανώνονται σε νημάτια και σχηματίζουν ένα τετραγωνισμένο δικτυωτό σκελετό κάτω από την πυρηνική μεμβράνη.
Συμμετέχουν στη συγκρότηση του πυρηνικού φακέλου, την οργάνωση της χρωματίνης, την αντιγραφή και επιδιόρθωση του DNA
H πυρηνική λάμινα Η εσωτερική πυρηνική μεμβράνη περιέχει αρκετές διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, όπως είναι η εμερίνη και ο υποδοχέας της λαμίνης Β (LBR, Lamin B Receptor), που αλληλεπιδρούν με τις λαμίνες του πυρήνα. Οι λαμίνες και οι πρωτεΐνες που συνδέονται με αυτές αλληλεπιδρούν επίσης με τη χρωματίνη.
Μοντέλο συναρμολόγησης των λαμινών Τα πολυπεπτίδια λαμίνης σχηματίζουν διμερή στα οποία οι κεντρικές περιοχές α-έλικας δύο πολυπεπτιδικών αλυσίδων τυλίγονται η μία γύρω από την άλλη. Στην περαιτέρω συναρμολόγηση μπορεί να συνεισφέρουν η κατά σειρά σύνδεση των διμερών, με την οποία σχηματίζονται γραμμικά πολυμερή, και η πλευρική σύνδεση των πολυμερών, με την οποία σχηματίζονται δομές υψηλότερης οργάνωσης.
Λαμινοπάθειες Γενετικές διαταραχές που προκαλούνται απο μεταλλάξεις στα γονίδια των Λαμινών. Οι μεταλλάξεις μπορεί να επηρεάζουν τον πολυμερισμό των λαμινών έιτε την σύνδεση τους με τον πυρηνικό φάκελο με αποτέλεσμα την μειωμένη στατθερότητα του πυρηνικού φακέλου σε ιστους που υπόκυνται μηχανικές πιέσεις όπως είναι ο μυικός ιστός, τα οστά, το δέρμα και ο συνδετικός ιστός. Παραδείγματα τέτοιων ασθενιών:
Πυρηνικός φάκελος Εξωτερική μεμβράνη: συνέχεια της μεμβράνης του ΕΔ Εσωτερική μεμβράνη:πρωτεΐνες για την πρόσδεση των χρωμοσωμάτων
Πυρηνικός πόρος
Πυρηνικός πόρος
Μοντέλο συμπλόκου πυρηνικού πόρου
Μεταφορά μέσω των πυρηνικών πόρων
Η μεταφορά των πρωτεϊνών στον πυρήνα απαιτεί ενέργεια
Είσοδος πρωτεϊνών μέσω του πυρηνικού πόρου Αναγνώριση της αλληλουχίας πυρηνικού εντοπισμού από έναν μεταφορέα πυρηνικής μεταφοράς (ιμπορτίνη) Το σύμπλοκο πρωτεΐνης -ιμπορτίνης προσδένεται στις πρωτεΐνες του πυρηνικού πόρου στα κυτταροπλασματικά ινίδια Μεταφορά με διαδοχική πρόσδεση σε πρωτεΐνες που βρίσκονται στο εσωτερικό του πόρου Στην πυρηνική πλευρά του πόρου το ιμπορτίνης- πρωτεΐνης διασπάται από το RAN-GTP και η πρωτεΐνη απελευθερώνεται στο εσωτερικό του πυρήνα Το σύμπλοκο ιμπορτίνης /RAN-GTP εξάγεται και πάλι από τον πυρήνα και η ιμπορτίνη απελευθερώνεται μετά από υδρόλυση του GTP σε GDP
Η ενέργεια για την πυρηνική μεταφορά προέρχεται από την υδρόλυση του GTP H σύνδεση του συμπλόκου υποδοχέα-ιμπορτίνης με το RAN- GTP έχει σαν αποτέλεσμα την απελευθέρωση της μεταφερόμενης πρωτεΐνης στον πυρήνα Κατά την εξαγωγή του συμπλόκου ιμπορτίνης /RAN, βοηθητικές πρωτεΐνες ενεργοποιούν την RAN και υδρολύει το GTP σε GDP Το RAN-GDP αποδεσμεύεται από την ιμπορτίνη, η οποία είναι έτοιμη να φορτώσει την επόμενη πρωτεΐνη.
Έξοδος πρωτεϊνών μέσω του πυρηνικού πόρου Σήμα πυρηνικής εξόδου : περιλαμβάνει υδρόφοβα αμινοξέα (συχνά λευκίνες) To RAN-GTP δεσμεύεται στο σύμπλοκο εξπορτίνηςφορτίου και μετακινείται μέσω του πυρηνικού πόρου στο κυτταρόπλασμα όπου η μεταφερόμενη πρωτεΐνη απελευθερώνεται. Στο κυτταρόπλασμα το GTP υδρολύεται σε GDP με αποτέλεσμα την επανείσοδο του RAN στον πυρήνα όπου το GDP ανταλλάσσεται με GTP. Ενώ οι ιμπορτίνες εξαρτώνται από το RAN-GTP για να αποδεσμεύσουν το φορτίο του, Οι εξπορτίνες χρειάζονται το RAN-GTP για να δεσμεύσουν το φορτίο τους. Ειδικές πρωτεΐνες μετακινούν mrna προς το κυτταρόπλασμα αφού ολοκληρώσουν της μεταμεταγραφικές τροποποιήσεις. Η πρωτεΐνη RAN εμπλέκεται και σε αυτή τη μεταφορά
Κυτταροπλασματικά οργανίδια
Το ενδοπλασματικό δίκτυο Συνεχές δίκτυο σωληνοειδών και επίπεδων κυστικών σχηματισμών, που αποτελείται από διπλές λιπιδικές πρωτεϊνικές μεμβράνες και βρίσκονται μέσα στο κυτταρόπλασμα. Το μεγαλύτερο μεμβρανικό οργανίδιο-συνολική επιφάνεια 6 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με την κυτταρική μεμβράνη Αποτελεί το σημείο εισόδου στο ενδομεμβρανικό σύστημα- μετά την είσοδο τους στο ΕΔ, οι πρωτεΐνες δεν θα επανέλθουν στο κυτταροδιάλυμα Είναι η σημαντικότερη θέση σύνθεσης νέων μεμβρανών στο κύτταρο.
Ενδοπλασματικό δύκτιο (α) Αδρό ΕΔ: -Φυσική συνέχεια του πυρηνικού φακέλου -Σύνθεση, τροποποίηση και διανομή πρωτεϊνών -Φέρει προσκολλημένα ριβοσώματα -Στον αυλό του ΕΔ εισάγονται οι πρωτεΐνες που παράγονται στα ριβοσώματα
Eλεύθερα ριβοσώματα: Οι πρωτεΐνες που συντίθενται σε αυτά παραμένουν στο κυτταροδιάλυμα είτε μεταφέρονται στον πυρήνα, τα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες Μεμβρανοσύνδετα ριβοσώματα: Μετάγονται στο ΕΔ και είτε κατακρατούνται εκεί είτε μεταφέρονται σε άλλα μεμβρανικά οργανίδια ή μέσω εκκριτικών κυστιδίων στο εξωτερικό του κυττάρου
(β) Λείο ΕΔ: μεταβολικές αντιδράσεις ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο: μεταβολισμός υδατανθράκων, σύνθεση φωσφολιπιδίων, αδρανοποίηση φαρμάκων -Δεν φέρει ριβοσώματα -Δεν συνδέεται άμεσα με τον πυρηνικό φάκελο -Σωληνοειδής μορφή
Σωμάτιο Golgi cis-golgi trans-golgi
Σωμάτιο Golgi Αποτελείται από στοίβες πεπλατυσμένων μεμβρανικών ασκών που συνδέονται με την κυτταροπλασματική μεμβράνη. Η μια πλευρά του που βρίσκεται κοντά στο ενδοπλασματικό δίκτυο ονομάζεται σχηματίζουσα ή cis πλευρά. η άλλη από την οποία εκκρίνονται τα νεοσχηματιζόμενα εκκριτικά κυστίδια είναι κοίλη και ονομάζεται ώριμη ή trans πλευρά. Αποδέχεται και συχνά τροποποιεί χημικά τα μόρια που συντίθενται στο ενδομεμβρανικό δίκτυο, για να τα κατευθύνει κατόπιν προς το εξωτερικό του κυττάρου ή σε άλλα σημεία του κυττάρου.
Η κυριότερη λειτουργία του σωματίου είναι να επεξεργάζεται και να πακετάρει μακρομόρια, ιδιαίτερα πρωτεΐνες και λιπίδια, που συντίθενται στο κύτταρο. Οι πρωτεΐνες αφού υποστούν τροποποιήσεις βγαίνουν από την trans πλευρά. Σχηματίζει τα "εκκριτικά" κυστίδια, τα οποία κινούνται προς την περιφέρεια του κυττάρου και μπορούν να βγουν από το κύτταρο με εξωκύττωση. Έχει και αποθηκευτικό ρόλο Σωμάτιο Golgi Επιτρέπει τη σύνθεση απλών μορίων σε πιο σύνθετα, όπως για παράδειγμα τη συνένωση υδατανθράκων και πρωτεϊνών σε γλυκοπρωτεΐνες.
Υπεροξειδιοσώματα μικρά κυστίδια στο εσωτερικό των κυττάρων που περιέχουν ένζυμα για ποικίλες διεργασίες -συμμετέχουν στην αποδόμηση των λιπιδίων μέσω οξείδωσης -παραγωγή του H 2 O 2 από οξειδάσες -αποικοδόμηση του H 2 O 2 σε O 2 και H 2 O από την καταλάση Τα συναντάμε κυρίως σε κύτταρα του ήπατος και στα νεφρά Σύνδρομο Zellweger αποτελεί μία υπεροξειδιοσωματική ασθένεια που παρουσιάζεται στον άνθρωπο και προκαλείται από λάθη στην εισαγωγή και κατανομή των ενζύμων με αποτέλεσμα τη συσσώρευση λιπιδίων στα κύτταρα
Λυσσοσώματα Βασική λειτουργεία τους η ελεγχόμενη ενδοκυττάρια πέψη εξωκυτταρικών υλικών ή φθαρμένων οργανιδίων του ίδιου του κυττάρου αλλά και μικροοργανισμών Tο όξινο εσωτερικό περιβάλλον τους, με pη περίπου ίσο με 5, είναι απαραίτητο για τη δράση των υδρολυτικών ενζύμων Περιέχει μία αντλία Η + για την διατήρηση του όξινου ph.
Λυσσοσώματα Τα λυσοσώματα περιέχουν πολλές διαφορετικές όξινες υδρολάσες, οι οποίες είναι ενεργές στο όξινο ph που διατηρείται στο εσωτερικό του λυσοσώματος, αλλά όχι και στο ουδέτερο ph του κυτταροδιαλύματος. Το όξινο εσωτερικό ph των λυσοσωμάτων οφείλεται σε μια μεμβρανική πρωτεΐνη του λυσσοσώματος που λειτουργεί ως αντλία πρωτονίων, η οποία εισάγει πρωτόνια από το κυτταροδιάλυμα χρησιμοποιώντας ενέργεια που προέρχεται από την υδρόλυση του ATP
Λυσσοσώματα Τα μόρια που προορίζονται για το λυσσοσώμα μεταφέρονται σε αυτό, μέσω κυστιδίων μεταφοράς τα οποία συντήκονται στη μεμβράνη του λυσσοσωματίου Τρεις διαδρομές οδηγούν σε αποικοδόμηση στο λυσσοσωμάτιο: α) φαγοσώματα μεταφέρουν τα εξωκυττάρια σωματίδια και συντήκονται με το λυσόσωμα, β) εξωκυττάριο υγρό και μακρομόρια προσλαμβάνονται σε μικρότερα κυστίδια και μεταφέρονται στο λυσόσωμα γ) αυτοφαγοσωμάτια μεταφέρουν συστατικά του ίδιου του κυττάρου για αποικοδόμηση στο οργανίδιο.
Μιτοχόνδρια Παραγωγή ενέργειας στα κύτταρα Περιβάλλονται από δύο μεμβράνες: - Εξωτερική:λεία και περιέχει συγκεκριμένες πρωτεΐνες, τις πορίνες που επιτρέπουν τη διέλευση ακόμα και μεγάλων μορίων. -Εσωτερική:Aναδιπλωμένη, σχηματίζει πολυάριθμες πτυχώσεις και φέρει τα πολυενζυμικά συστήματα τα οποία και ευθύνονται την αναπνευστική αλυσίδα και τη σύνθεση ΑΤΡ. Ενδιάμεσος χώρος ή μήτρα: Ο χώρος που περιβάλλεται από την εσωτερική μεμβράνη ονομάζεται μήτρα ή στρώμα και περιέχει το DNA, ριβοσώματα και πολυάριθμα ένζυμα που καταλύουν τις μεταβολικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο μιτοχόνδριο.
Μιτοχόνδρια Ημιαυτόνομα οργανίδια: διαθέτουν το δικό τους DNA Χρησιμοποιούνται από τα κύτταρα για τον μεταβολισμό των βιολογικών μακρομορίων που προσλαμβάνουν οι οργανισμοί με τις τροφές Συνθέτουν μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), μέσω της διαδικασίας της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Ο αριθμός τους διαφέρει ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου
Μιτοχόνδρια Οι περισσότερες πρωτεΐνες των μιτοχονδρίων προέρχονται από το κυτταροδίαλυμα Σημα μιτοχονδριακού εντοπισμού: Στο αμινοτελικό άκρο των πρωτεϊνών Κατά την μετατόπιση τους στα μιτοχόνδρια οι πρωτεΐνες χάνουν τη αναδίπλωση τους και η αλληλουχία μιτοχονδριακού εντοπισμού αποκόπτεται μετά την είσοδο τους. Πρωτεΐνες συνοδοί μέσα στο μιτοχόνδριο βοηθούν στην επαναδιάταξη της πρωτεΐνης
Μιτοχoνδριακά νοσήματα Mεγάλη και ετερογενή ομάδα γενετικών νοσημάτων, τα οποία όλα οδηγούν σε ανωμαλίες της μιτοχονδριακής αναπνευστικής αλυσίδας. Ένα μιτοχονδριακό νόσημα μπορεί να είναι αποτέλεσμα μεταλλάξεων του πυρηνικού DNA ή μεταλλάξεων γονιδίων του μιτοχονδριακού DNA. Όργανα και ιστοί με την υψηλότερη ενεργειακή απαίτηση, όπως ο εγκέφαλος και οι μύες, είναι πιο πιθανό να επηρεαστούν και γι'αυτό τα νοσήματα αυτά αναφέρονται κι ως "μιτοχονδριακές εγκεφαλομυοπάθειες".
Διαλογή πρωτεϊνών