BIOLOGIE CELULARA
ANUL I, SEMESTRUL I
1.Conceptul actual despre organizarea membranelor celulare Conceptul actual despre organizarea membranelor celulare este practic cumulul efectelor a numeroase cercetari si descoperiri biologice si biochimice anterioare, pornind de la intuirea unei structuri menite a asigura celulei o oarecare independenta relativa fara de mediul inconjurator in sensul desfasurii unei activitati eficiente, si ajungand la deslusirea organizarii sistemului membranar celular, strans legata de numele lui Singer si Nicolson. Acestia au elaborat modelul mozaic fluid de organizare a membranelor celulare (1972), care ramane valabil si pentru endomembrane, in fapt pentru toate tipurile de biomembrane. Baza articolului in care au definit acest model reprezinta o alta lucrare a celor doi cercetatori, datand din noiembrie 1971, in care sau postulat principiile organizarii moleculare a unei membrane celulare, si anume:
structura de baza este un bistrat lipidic cu proprietati fluide manifestate bidimensional, axul intregului edificiu molecular bistratul lipidic este mozaicat cu proteine, care pot fi atasate fie la exterioriul bistratului, fie la interior, fie cufundate in acesta, putandu-l strabate atat complet, cat si partial de asemenea, trebuie mentionata si prezenta componentei glucidice
Cand vorbim despre membrana celulara, vorbim despre o ultrastructura alcatuita majoritar din lipide polare si proteine, care separa, dar si uneste celula cu mediul. Denumim ultrastructura orice componenta supramoleculara din structurile vii care nu paoate fi observata la MO, ci doar la ME. Biomembranele au o grosime de 7-10 nm, adica sunt de aproximativ 20 de ori mai subtiri decat o structura observabila la MO. Astfel, la baza conceptului de organizare sub forma de mozaic fluid au contribuit majoritar observatiile din preparatele de microscopie electronica obtinute prin tehnica de inghetare-fracturare, care dovedeau prezenta in membrana a unor structuri globulare ce se repartizau fie pe o fata, fie pe cealalta a suprafetei de fractura, cand aceasta trecea pe la nivelul membranei printre cele doua foite ale bistratului, unde se gaseste linia de minima rezistenta la fractura. Membrana celulara este alcatuita din 3 componente principale: 1. Plasmalema=complexul lipoproteic, structura trilaminara, grosime de aprox. 7,5 nm 2. Glicolema= complex glicoproteic, atasata superficial, pe versantul extern al plasmalemei, grosime de cca 50 nm 3. Citoscheletul membrana= retea de proteine ancorata versantului intern al plasmalemei, ce se continua spre interiorul celulei cu citoscheletul asociat matricei
2. Compozitia moleculara globala si functiile membranelor celulare Membrana celulara contine 20-30 % apa , restul de 70-80% reziduu uscat. Reziduul uscat:
1
1% substante minerale 99% substante organice*:
lipide 40-50% / proteine 50-60% /glucide pana in 10%
*
Exceptie: la nivelul tecii de mielina, unde functia de bariera este esentiala rolului membranei celulelor Scwann, procentul de masa pt lipide este de 80% Desi in majoritatea sistemelor biologice apa reprezinta aproximativ 70-80%, in membrana situatia sta exact invers, explicatia gasindu-se tocmai din rolul membranei: separarea a doua medii hidrofile, astfel explicandu-se un procent redus de apa, precum si continutul in lipide al structurii de baza a membranei, bistratul, asigurandu-se astfel caracterul hidrofob. Lipidele sunt prezente exclusiv in plasmalema, proteinele sunt anexate ca un mozaic plasmalemei, putand fi atasate atat la exterior, cat si la interiorul acesteia, dar o pot si strabate, cufundandu-se fie complet, fie partial. Componenta glucidica este atasata exclusiv versantului extern al plasmalemei. Legat de functiile membranei celulare, aceasta trebuie sa se comporte ca o barire selectiva, si nu absoluta, intre mediile extracelular si intracelular, permitand interactiunea celulei cu mediul. De aceea, putem afirma ca membrana celulara trebuie sa indeplineasca doua mari categorii de functii:
functie de bariera (selectiva) functie metabolica( adica sa asigure celulei schimburi de informatie si substanta cu mediul, in ambele sensuri)
3. Lipidele membranare: definitie, clasificari Lipidele reprezinta 40-50% din procentul de 99% de substante organice al membranelor celulare. Sub aspect molecular , constituie componenta structurala de baza a membranelor celulare(raportul molecular lipide/proteine fiind de 50/1). DEF: Lipidele membranare reprezinta o categorie larga de substante organice relativ insolubile in apa, dar solubile in cei mai multi solventi organici, cu caracter amfifil, multe dintre ele fiind esteri ai unor alcooli polihidroxilici cu acizi grasi. Sunt molecule mici cu grade mari de libertate in a se misca intre ele la niveul structurii, determinand o anume dinamicitate. Cu cat componentele sunt mai mici, cu atat miscarea este mai frenetica. Au tendinta spontana de asociere, corectand usor eventualele defecte sau reparand leziuni ale bistratului. Biochimia descrie o mare diversitate de clase de lipide, grupate-n doua mari categorii:
lipide complexe(ce contin in structura lor acizi grasi , ex: acilgliceroli, fosfogliceride, sfingolipide, ceruri) lipide simple(steroizi, prostaglandine, terpene)
Cu toate acestea, in membranele celulare intalnim doar 3 tipuri de lipide: 1. Fosfolipide(70-75%) 2. Colesterol(20-25%) 3. Glicolipide(1-10%) Fosfolipidele, in functie de poliolul din structura, pot fi: fosfogliceride=glicerofosfatide , in cazul in care poliolul este glicerina fosfosfingozide, in cazul in care poliolul este sfingozina
2
In functie de molecula X a capului hidrofil, fosfogliceridele pot fi:
X=colina => fosfatidilcoline(PC) X=etanolamina => fosfatidiletanolamine (PE) X= serina => fosfatidilserine(PS) X=inozitol => fosfatidilinozitoli (PI) X= hidrogen => acid fosfatidic (PA)
4. Fosfolipide membranare. Distributie, mobilitate Fosfolipidele ilustreaza categoria lipidelor complexe si formeaza majoritatea continutului lipidic din endomembrane , iar in membrana celulara se gasesc in proportie de 75% din continutul lipidic. In functie de poliolul din structura, fosfolipidele pot fi fosfogliceride sau fosfosfingozide. Pe scheletul polialcoolului component=glicerina, in acest caz, se afla grefate pe de o parte , la gruparile oxidrilice din pozitiile 1 si 2, doua lanturi alifatice provenind de la acizii grasi esterificati cu respectivele grupari=> coada hidrofoba a lipidului membranar, iar, pe de alta parte, la oxidrilul din pozitia 3 a glicerinei, se ataseaza o componenta X . In functie de molecula X a capului hidrofil, fosfogliceridele pot fi:
X=colina => fosfatidilcoline(PC) X=etanolamina => fosfatidiletanolamine (PE) X= serina => fosfatidilserine(PS) X=inozitol => fosfatidilinozitoli (PI) X= hidrogen => acid fosfatidic (PA)
Deoarece fosfolipidele concentreaza la un capat radicalii hidrofil si la celalalt capat radicalii hidrofobi,ele sunt denumite molecule amfipate sau bimodale. Fosfolipidele au astfel tendinta de orientare in monostrat, iar, atunci cand concentratia fosfolipidelor este mai mare decat cea necesara, ele se organizeaza in micelii. Alte tipuri de fosfolipide: cardiolipide (difosfatidil gliceroli), plasmalogene (reprezinta 10% dintre fosfolipidele creierului, iar in muschiul cardiac procentul lor ajunge pana la 50%, avand rol in protectia miocardului fata de actiuntea radicalilor liberi de oxigen). Legat de distributia in bistrat: o o o
pe foita interna: PE, PS, PI (cu mentiunea ca aparitia PS in foita externa reprezinta un semn timpuriu al fenomenului de apoptoza celulara) pe foita externa: PC, sfingomieline (echivalentul PC pentru fosfosfingozide) intre foite: colesterol
Legat de mobilitate, putem afirma ca , fosfolipidele, ca orice lipide membranare, pot executa urmatoarele tipuri de miscari: 1. Miscari intramoleculare ( realizate in raport cu propria lor axa si geometrie) - de rotatie (109 rotatii/secunda) -de flexie a cozilor hidrofobe( 108 flexii/secunda)
3
2. Miscari intermoleculare -de translatie(difuzie laterala) = miscarile ale lipidelor in planul membranei, unele pe langa altele, cu o frecventa de schimbari de directie de 107 schimbari/secunda. Prezenta colesterolului in bistrat determina o diminuare a mobilitatii laterale !!! -de flip flop = miscari de trecere a lipidelor dintr-o foita a bistratului in cealalta, cu o frecventa extrem de mica, practic nula, cu exceptia cazului membranei R.E
5. Rolul lipidelor membranare Lipidele membranare reprezinta componenta structurala de baza a membranelor ceulare , le confera proprietatea de bariere selective si asigura caracterul hidrofob necesar pentru rolul lor de separare a doua medii hidrofile. Lipidele nu prezinta doar rolulri structurale, ci sunt implicate si in importante functii metabolice, unind celula cu mediul inconjurator si integrand-o in ambianta biosociala. Echilibrul dintre diferitele tipuri de lipide din membrane influenteaza comportamentul normal al celulei, iar modificarea lui poate atrage deviatii patologice( ex: aparitia fosfatidilserinelor in foita externa a bistratului lipidic este un semn timpuriu al fenomenului de apoptoza celulara). Astfel, lipidele membranare pot reprezenta tinte terapeutice. Glicolipidele sunt implicate in fenomene de recunoastere si semnalizare intercelulara. Detalii referitoare la rolurile metabolice ale lipidelor sunt cunoscute pentru fosfolipide. Acestea pot fi modificate de enzime specifice numite fosfolipaze. De regula, acesta modificari se petrec ca urmare a unor procese de semnalizare, parte dintre metabolitii rezultati actionand ca mesageri secunzi si facilitand numerioase procese prin care celulele raspund semnalelor receptate. Exista mai multe tipuri de fosfolipaze, care au proprietatea de a elibera diverse molecule din complexa structura biochimica a fosfolipidelor:
fosfolipaza A1( PLA1) -elibereaza acidul gras din pozitia 1 a glicerinei fosfolipaza A2(PLA2)- elibereaza acidul gras din pozitia 2 a glicerinei => lizofosfatide fosfolipaza B( PLB) , care poate scoate acizi grasi din ambele poitii ale glicerolului din structura fosfolipidelor, completand de regula activitatea PLA1 si PLA2; in general, actioneaza asupra lizofosfatidelor, eliminand din bistrat fosfolipidul afectat fosfolipaza C - desface legatura dintre glicerina si fosfat, cu eliberare de diacilgliceroli(DAG), ce raman in bistrat si , de asemenea, cu eliberarea unui compus hidrofil, ce difuzeaza in citosol fosfolipaza D - elimina restul hidrofil X, cu formarea de acizi fosfatidici(legare de hidrogen la legatura ramasa libera)
Notam de asemenea si ca fosfolipaza A2, prin actiunea sa, poate elibera acidul arahidonic, care este precursor pentru 4 clase de substante : 1. 2. 3. 4.
4
Prostaglandine Tromboxani Prostacicline Leucotriene
Toate aceste 4 clase de substante sunt obtinute prin complexe procese de metabolizare a acidului arahidonic proaspat eliberat de fosfolipaza A2. Primele 3 tipuri rezulta pe calea ciclo-oxigenazei, iar cea de-a patra pe calea lipo-oxigenazei.
6. Proteinele membranare: generalitati si clasificari Modelul mozaicului fluid de organizare a membranelor biologice ne arata ca, alaturi de lipidele structurate sub forma de bistrat, la constructia acestor componente celulare participa si proteinele. Raportul molecular intre lipide si proteine este de 50/1, unul usor de inteles avand in vedere ca , de regula, compozitia sub aspectul masei de material organic la nivelul membranelor este de aprox. 40% lipide si 50% proteine, lipidele fiind molecule cu greutate moleculara mica, iar proteinele fiind macromolecule. Cu cat functiile metabolice ale unei membrane(sau anumite portiuni definite drept domenii/microdomenii membranare) sunt mai pregnante, cu atat continutul de proteine al acelei membrane/portiuni de membrana este mai ridicat. Cu cat rolul de bariera al unei membrane trebuie sa se manifeste mai pregnant, cu atat continutul in proteine este mai scazut, fiind crescut cel in lipide. Mozaicarea bistratului lipidic cu proteine nu anuleaza, ci amplifica si nuanteaza eterogenitatea, asimetria si comportamentul de fluid bidimensional al structurii. In functie de pozitia lor fata de bistratul lipidic: o
o
proteine periferice=extrinseci (atasate de o parte sau de alta a bistratului lipidic, interactionand cu capetele hidrofile ale lipidelor) o ectoproteine(la exteriorul foitei externe) o endoproteine(pe foita interna, expuse pe fata citoplasmatica) proteine integrale= intrinseci(cufundate in bistratul lipidic) o proteine care traverseaza complet bistratul lipidic= proteine transmembranare o proteine partial cufundate in bistratul lipidic(ex: citocromul b5 si caveolina)
De notat de asemenea ca proteinele periferice reprezinta aprox. 25% din proteinele unei membrane, se extrag din mb cu solutii saline sau agenti chelatori, au caracter hidrofil , iar dupa extragere, isi pastreaza solubilitatea in apa. Proteinele integrale reprezinta de regula 75% din proteinele unei membrane, se extrag din membrane prin folosirea de detergenti, cu distrugerea bistratului, iar dupa extragere, raman asociate cu lipide. Aceste proteine sunt insolubile in apa si au caracter amfifil, cu portiune hidrofoba reprezentata de zona imersata in bistrat, si zona/zone hidrofile, reprezentata/e de domeniile lantului polipeptidic expuse in afara bistratului. Proteinelor transmembranare li se definesc 3 domenii structurale: 1. Ectodomeniu(portiunea expusa pe fata externa a membranei) 2. Domeniu transmembranar(portiunea ce strabate bistratul lipidic) 3. Endodomeniu(portiunea expusa pe fata interna a membranei) De asemenea, proteinele transmembranare sufera si ele doua clasificari, si anume: In functie de nr. de treceri ale lantului polipeptidic prin planul membranei: 5
unipas multipas
In functie de pozitia capatului amino:
prot. transmembranare de tip I ( cu capatul amino in ectodomeniu) prot. transmembranare de tip II ( cu capatul amino in endodomeniu)
7.Exemple de proteine membranare: descriere si mobilitate Inainte de exemplificare, trebuie mentionat ca primele si cele mai detaliate informatii asupra proteinelor membranare au fost obtinute din studiul membranelor eritrocitare, din urmatoarele considerente:
material biologic usor de obtinut si in cantitate suficienta populatia celulara omogena este usor de asigurat membranele se obtin fara dificultate printr-un simplu soc hipoton urmat de centrifugare, iar membranele obtinute(numite si fantome eritrocitare) nu sunt impurificate cu endomembrane=membrane ale organitelor celulare, inexistente in acest caz
GLICOFORINA Este o proteina prezenta din abundenta in membrana eritrocitului, care are caracteristic faptul ca migreaza atipic la electroforeza( se dispune undeva la 90 kDa, desi masa ei moleculara este de numai 30 kDa) . Prezinta 131 AA si este o proteina transmembranara unipas de tip I ( cu capatul amino in ectodomeniu). Ectodomeniul prezinta 16 lanturi glucidice ce practic dubleaza gabaritul acestei molecule, explicandu-se astfel migrarea electroforetica atipica. Endodomeniul este mic, domeniul transmembranar este structurat in alfa helix si contine 23 AA. Toti AA componenti sunt cunoscuti, structura este cunoscuta. Exista mai multe izoforme de glicoforina identificate pana in prezent: A,B,C,D,E. Functia glicoforinei NU este cunoscuta, iar "misterul" este adancit de faptul ca exista eritrocite din a caror membrane glicoforina lipseste , iar functionalitatea nu le este afectata.
BANDA 3 = AE1 (Anion Exchanger 1) Este proteina care structureaza canalul anionic de schimb intre bicarbonat (HCO3-) si clor( Cl-), cu rol in fenomenul de mb Hamburger. Prezinta 911 AA si este o proteina transmembranara multipas cu masa moleculara de 100 kDa. Exact opus glicoforinei, in cazul AE1 , deslusirea detaliilor structurale a evoluat mai anevoios, iar functia a fost rapid si clar stabilita. O alta particularitate in contradictie cu glicoforina este faptul ca , in cazul AE1, endodomeniul este mare, purtand atat partea N- terminala, act si pe cea C-terminala( 359+33 => aprox. 400 AA in endodomeniu), ectodomeniul este mic si poarta o incarcatura glucidica mica(un singur lant), iar domeniul transmembranar prezinta 12-14 treceri in alfa-helix prin bistratul lipidic.
6
In portiunea C terminala(aflata in endodomeniu), AE1 leaga anhidraza carbonica II, importanta pentru fucntia transportorului prin furnizarea anionului bicarbonat. Au fost identificate forme mutante pentru aceasta proteina=> patologii specifice eritrocitelor, iar glicoforina A pare a fi de ajutor in acest caz pentru restabilirea functiei de transport. SPECTRINA Impreuna cu glicoforina si cu AE1 reprezinta peste 60% (in procente de masa) din proteinele membranei eritrocitare. Spectrian este o proteina periferica situata pe fata interna a membranei => este o endoproteina, reprezentand componenta de baza a citoscheletului membranar eritrocitar. Spectrina este un heterodimer format dintr-o subunitate alfa(alfa-spectrina, 280 kDa) si o subunitate beta(beta-spectrina, 246 kDa). Ambele subunitati sunt formate predominant din multiple unitati repetitive de 106 AA. Cele doua subunitati se rasucesc usor una in jurul alteia intr-o structura elicoidala=> bastonase flexibile cu lungimea de 100 nm. Rasucirea este in contrasens, fiecare bastonas avand la capate gruparea Ntermina a unei subunitati si gruparea C- terminala a celeilalte. Capatul ce contine gruparea N-terminala a subunitatii alfa este numit capul bastonasului, iar cel ce contine gruparea N-terminala a subunitatii beta este numit coada bastonasului. Bastonasele au capacitatea de a interactiona cate doua, cap la cap => tetrameri lungi de 200 nm, iar capetele tetramerilor se pot asocia cu oligomeri de actina, formand nodurile retelei citoscheletale. ACTINA Este o alta proteina care participa la structurarea citoscheletului membranei, asigurand solidarizarea componentelor acestuia la nivelul nodurilor. In forma sa monomerica, actina este o proteina globulara cu masa de 43 kD si diametru de 5 nm. La nivelul citoscheletului membranar formeaza fragmente mici, de 8-12 monomeri, cu rolul de a asigura asocierea cozilor tetramerilor de spectrina in nodurile retelei citoscheletale.
BANDA 4.1 Tot in noduri se localizeaza si banda 4.1, cu masa de 80kD si conformatie globulara. Banda 4.1 interactioneaza dinamic cu spectrina si actina in nodurile retelei citoscheletale si, pe de alta parte, cu endodomeniul glicoforinei C, contribuind la atasarea citoscheletului pe versantul intern al membranei, de aici rezultand un rol structural al unei izoforme a glicoforinei. Atasarea citoscheletului asociat la membrana este datorata si unei alte proteine globulare=ankirina.
Rezumand, citoscheletul membranei este format din tetrameri de spectrina ce organizeaza lanturile ochiurilor retelei, unde, prin intermediul ankirinei se leaga de banda 3 si din mici filamente de actina care leaga cozile tetramerilor de spectrina la nivelul nodurilor retelei, unde, prin intermedierea benzii 4.1,
7
reteaua se ataseaza suplimentar la endodomeniul benzii 3. Aceste interactiuni sunt intr-o dinamica permanenta, aceasta structura nefiind rigida, ci intr-o continua modelare care sa satisfaca nevoile celulei.
8. Mobilitatea proteinelor membranare si semnificatia biologica a acesteia Mobilitatea proteinelor membranare consta in :
miscari de rotatie miscari de translatie
Miscarea de rotatie a proteinelor membranare in jurul propriei axe= difuzie rotationala este de cel putin 1000 de ori mai lenta decat cea a lipidelor, avand in vedere si diferentele de gabarit. Miscarea de translatie=difuzie laterala, este si ea mult mai lenta decat cea a lipidelor , iar aceasta lentoare nu trebuie inteleasa numai prin diferentele de marime intre proteine si lipide, ci si prin interactiunile pe care proteinele le stabilesc in mod dinamic intre ele, sau cu alte structuri dinauntrul sau din afara celulei. Astfel, aceeasi proteina, in aceleasi conditii de fluiditate a bistratului lipidic, se poate misca mai repede sau mai incet, mai mult sau mai putin, in functie de starea ei functionala de moment.
9.Citoscheletul asociat membranei: descriere si functii Citoscheletul asociat membranei este una din cele 3 componente principale ale unei membrane celulare, alaturi de glicolema si plasmalema, si este o structura aflata pe versantul intern al bistratului lipidic. Citoscheletul este o retea de endoproteine cu ochiuri si noduri, solidara atat membranei ,prin atasarea la endodomeniul unor proteine transmembranare, cat si citoscheletui citosolic, cu care se continua , sub forma unei retele structurale continue responsabile de mentinerea/modificarea formei celulelor , precum si a geometriei membranelor. In continuare vom descrie citoscheletul membranar eritrocitar, cu notiunea ca detaliile structurale se pastreaza in cazul tuturor membranelor: Componenta de baza a retelei citoscheletale este reprezentata de spectrina , ale carei subunitati alfa si beta se rasucesc in contrasens una in jurul celeilalte=> bastonase, care se lipesc la capete cate 2=> tetrameri lungi de 200 nm, iar capetele acestor tetrameri se pot asocia cu oligomeri de actina, formand nodurile retelei citoscheletale.Astfel, actina este o alta proteina care participa la structurarea citoscheletului membranei, asigurand solidarizarea componentelor acestuia la nivelul nodurilor. Banda 4.1 interactioneaza dinamic cu spectrina si actina in nodurile retelei citoscheletale si, pe de alta parte, cu endodomeniul glicoforinei C, contribuind la atasarea citoscheletului pe versantul intern al membranei, de aici rezultand un rol structural al unei izoforme a glicoforinei. Atasarea citoscheletului asociat la membrana este datorata si unei alte proteine globulare=ankirina. Toate aceste interactiuni anterior prezentate sunt intr-o dinamica permanenta, citoscheletul nefiind o structura rigida, ci una intr-o continua modelare , pentru satisfacerea nevoilor celulare, fenomen la care participa si miscarile proteinelor, de difuzie rotationala, respectiv laterala. Citoscheletul este de asemenea o structura asimetrica.
8
Nodurile citoscheletului membranar au o anumita dinamica si permit membranei sa isi schimbe curbura. Prin aceasta organizare citoscheletala de la nivelul eritrocitului i se poate explica acestuia capacitatea de a-si modifica forma cand trece prin capilare.
10. Rolul proteinelor membranare Ca si in cazul lipidelor membranare, proteinele au atat rol structural ( de ex in structura citoscheletului) cat si rol metabolic. Rolurile metabolice ale proteinelor membranare se manifesta in ceea ce priveste schimburile de informatii si substanta dintre celule, sau dintre acestea si mediu. Astfel, proteinele membranare pot fi receptori(pentru hormoni, factori de crestere etc.), transportori prin membrana(canale ionice, pompe ionice, aquaporine) sau transportori cu membrana(clatrina, caveolina). Proteinele membranare mai pot functiona ca enzime(fosfolipaze, kinaze) sau ca proteine implicate in semnalizare(de ex: proteine G). In toate aceste roluri, asimetria structurarii membranei este deosebit de importante. Astfel, receptorii, dar si proteinele de adeziune, prin asimetria lor structurala, permit interactiunea prin ectodomenii cu liganzii specifici, iar prin endodomenii asigura transmiterea informatiei catre interiorul celului si declansarea unor procese celulare care se constituie ca un raspuns celular la semnalele receptate. De remarcat ca in transmiterea semnalelor prin receptori un rol important revine domeniului transmembranar al acestor proteine integrale. Domeniile transmembranare au capacitatea de a suferi rearanjari conformationale, induse de legarea ligandului, rearanjari conformationale ce asigura transmiterea, din afara celulei in citoplasma, a informatiei purtate de ligand si predate prin interactiunea cu receptorul specific, fenomen numit si transductie a semnalului. Odata ajunsa la nivelul endodomeniului receptorului, informatia este preluata, prelucrata, si, de regula, amplificata de participantii la diverse procese de semnalizare(mesageri secunzi sau direct efectori intracelulari). De mentionat aici ca efectele asupra conformatiei domeniilor transmembranare sutn dependente si de fluiditatea membranei din acel moment. Deci, proteinele membranare sporesc eterogenitatea compozitionala si asimetria membranelor si moduleaza proprietatile fluide ale acesteia, adica, accentueaza si modeleaza caracteristicile induse de bistratul lipidic. Altfel spus, proteinele membranare coopereaza cu lipidele atat in structurarea membranei cat si in perfectarea functionalitatii acesteia, prin rolul lor metabolic, cel care asigura integrarea celulei cu mediul. Principalul rol al proteinelor este cel metabolic. Cu cat functiile metabolice ale unei membrane(sau anumite portiuni definite drept domenii/microdomenii membranare) sunt mai pregnante, cu atat continutul de proteine al acelei membrane/portiuni de membrana este mai ridicat. In exercitarea rolurilor metabolice, proteinele membranare pot antrena atat lipidele membranare, cat si componente citosolice sau extracelulare.
9
11. Glicocalixul: definitie, caracterizare generala Glicocalixul reprezinta invelisul glucidic al celulelor, constituit din structuri oligozaharidice sau polizaharidice inserate pe lipide ale foitei externe a bistratului sau pe ectoproteine sau pe ectodomeniile proteinelor transmembranare. Deci, glicocalixul reprezinta o parte componenta a membranei celulare, alaturi de plasmalema si de citoscheletul membranar, si este ancorat intotdeauna versantului extern al bistratului lipidic. Glicolipidele poarta doar structuri oligozaharidice, iar proteinele pot purta atat structura oligozaharidice, cat si polizaharidice. Din punct de vedere al structurii biochimice globale, trei sunt componentele membranare ce participa la structurarea glicocalixului prin partile glucidice din structura lor:
glicolipidele glicoproteinele proteoglicanii
Toate aceste trei categorii de componente sunt denumite generic, glicoconjugate. Grosimea glicocalixului este in medie intre 20 si 50 nm, cu variatii de la un tip de celula la altul, dar si pentru aceeasi celula de la un domeniu membranar la altul(spre ex la celulele epiteliilor unistratificate, intre polul apical si cel latero-bazal). O regula pe care o aplicam in intelegerea grosimii glicocalixului este ca acesta are o grosime cu atat mai mare, cu cat celulele sunt mai putin implicate in interactiuni intercelulare sau cu substrate din matricea extracelulara. In mediile deosebit de agresive(stomac, intestin), glicocalixul celulelor epiteliale unistratificate este ingrosat de secretii glicoproteice de tip mucinic. In structurarea glicocalixului nu participa toate monozaharidele existente in natura, ci doar 7: o o o o o o o
glucoza(Glc) galactoza(Gal) manoza(Man) fucoza(Fuc) (!! sg zaharida din seria L, restul apartin seriei D) N-acetil glucozamina(GlcNAc) N-acetil galactozamina(GalNAc) acizii sialici (SA)
Spunem acizi sialici(la plural) deoarece ne referim la o intreaga clasa de compusi derivati din acidul neuaraminic(precum acidul N-acetil neuraminic sau N-glicolil neuraminic). Diversitatea SA este vasta, intrucat reprezentantii de baza pot fi O-acetilati la hidroxilii de la carbonii 4,7,8 si 9, iar, mai departe, pot fi mono/di/tri acetilati. In afara de aceste sapte componente, in proteoglicani intalnim si monozaharidul xiloza(necesar pentru a lega structura glucidica de o serina din partea proteica), precum si acizi uronici(glucuronic si iduronic). Dupa aceasta enumerare de componente, putem accentua putin ideea eterogenitatii structurarii membranelor(indusa de lipide, si amplificat de proteine si de structurile glucidice), prin faptul ca insiruirea glucidelor din lanturi oligozaharidice nu este aceeasi, ea diferind intre diversele glicolipide si glicoproteine. Mai mult, legarea monozaharidelor intre ele se poate face in mai multe moduri, intrucat exista mai multe grupari hidroxil disponibile. Totusi, nu toata aceasta gama larga de posibilitati este exploatata de celula, lucrurile fiind limitate de tipurile de ezine numite glicoziltransferaze.
10
In legatura cu succesiunea monozaharida a lanturilor oligozaharide, se pot face urmatoarele afirmatii cu caracter de regula: o o
glucoza nu se gaseste NICIODATA in pozitia termina a lantului acizii sialici se gasesc aproape intotdeauna in pozitia terminala a lantului
Glicocalixul protejeaza structura membranei celulare impotriva agresiunilor fizico-chimice din mediu.
11*. Metodologia de studiu a glicocalixului Prezenta glicocalixului la suprafata celulelor a fost evidentiata la ME prin metode de citochimie ultrastructurala: nespecifice( evidentiaza structura, fara indicii referitoare la compozitia ei biochimica) specifice ( metode ce permit descrierea, cel putin partiala, a biochimiei structurii) Ca exemplu de metoda nespecifica, amintim folosirea rosului de ruteniu. Acest compus interactioneaza cu sarcinile negative de la nivelul glicocalixului, impregnandu-i gromsimea cu nucleii grei ai ruteniului, conferind structurii electrono-opacitate. Putem caracteriza astfel glicocalixul sub aspectul grosimii sale si a densitatii lanturilor glucidice care il compun. Ca metoda specifica, prezentam citochimia ultrastructurala cu lectine. Lectinele = proteine sau glicoproteine ce leaga specific structuri glucidice, au cel putin doua situri de legare identice, si NU sunt de origine imuna, adica nu sunt anticorpi. Lectinele mai sunt cunoscute si sub denumriea de aglutinine, deoarece pot aglutina celulele sanguine. Lectinele au fost initial identificate in si extrase din plante. Ulterior, activitati de tip lectinic au fost evidentiate si in organismele animale. In citochimia ultrastructurala, lectinele pot fi folosite fie sub forma nativa, fie cuplate cu trasori electronoopaci ( ex: feritina, hempeptizi, aur coloidal). Folosirea in forma nativa a lectinelor implica utilizarea unor metode-n doi pasi, numite metode Sandwich. La primul pas, suprafata celulelor este incubata cu lectina aflata-n exces in solutie. Excesul este apoi indepartat, iar lectinele ramase sunt deci atasate specific prin unul din siturile de legare de componentele glucidice ale membrane. Acest lectine vor fi vizualizate prin legarea lor de glicoproteine corespunzatoare, cuplate cu trasori electrono-opaci. Deci, aceste glicoproteine marcate cu trasori electrono-opaci se fixeaza pe siturile de interactiune ale lectinelor ramase disponisibile dupa legarea cu celalalt sit la glicocalix ( deci, la al doilea sit al lectinelor folosite initial, primul sit fiind folosit pentru atasarea la glicocalix ce a avut loc in primul pas). Avantajul acestor metode este ca lectinele sunt folosite cu capacitatile de legare (afinitatea si specificitatea) nealterate. Afinitatea si specificitatea acestor unelte de studiu pot fi afectate-n cazul folosirii directe a unor conjugate lectina-trasor electrono-opac, din cauza reactiilor chimice petrecute-n cadrul cuplarii, sau a posibilelor impiedicari sterice care pot aparea-n conjugat. In caracterizarea partiala a glicocalixului, a fost folosita o gama larga de lectina, precum: 1. Concanavalina A : leaga alfa-Manoza din miezul trimanozidic al structurilor N-glicozidice, sau leaga alfa-Glucoza din pozitie terminala ( deci, la nivelul glicocalixului, Concanavalina A nu se leaga de Glucoza, aceasta nefiind niciodata gasita la nivel terminal)
11
2. Lectina I , izolata din Ulex europaeus (UEA I) recunoaste alfa-Fucoza aflata-n pozitia terminala a lantului glucidic 3. DBA leaga structuri ce contin alfa-GalNAc legata de o alta GalNAc 4. WGA/LPA : leaga acizi sialici si pot recunoaste si beta-GlcNAc 5. PNA si RCA I : pentru beta-Galactoza( PNA se leaga exclusiv de Gal aflata-n pozitie terminala, in timp ce RCA I poate recunoaste si Gal aflata-n pozitie subterminala, doar daca acidul sialic terminal e inserat la hidroxilul carbonului 6 al acesteia) Cu cat spectrul lectinelor folosite este mai larg, cu atat imaginea asupra glicocalixului este mai detaliata. In plus, combinarea acestor metode cu folosirea exo- sau endo-glicozidazelor pentru degradarea specifica secventiala sau globala a lanturilor glucidice, completeaza fericit caracterizarea citochimica a glicocalixului.
12. Functiile glucidelor membranare Glicocaliaxul protejaza structura membranei celulare impotriva agresiunilor fizico-bio-chimice. Modul in care glicocalixul este strucutrat confera membranei rezistenta mecanica, controland accesul catre straturile profunde ale sale, deci, catre bistratul lipidic si catre componentele proteice ale acesteia. Rolul acesta este cu atat mai important cu cat accesibilitatea factorilor agresivi este mai mare. Aceasta este o motivatie pentru care celulele sanguine, sau polii apicali ai celulelor epiteliale dispuse in monostrat au glicocalixul abundent. Mai mult, in anumite situatii in care agresiunile pot fi mai accentuate, membranele sunt protejate de secretii glicoproteice abundente(precum mucinele). Prin componentele acide din structura lor (acizi sialici, acizi uronici, grupari sulfat), lanturile oligo/polizaharidice ale glicocalixului participa la sarcina negativa a suprafetei celulare, o caracteristica general valabila tuturor celular, care face ca interactiunile dintre celule sa nu se poata realiza decat sub control celularl, in microdomenii membranare inalt specializate in realizarea acestei functii. Asadar, componentele structurale ale glicocalixului sunt implicate in fenomene de recunoastere celulara, cu rol in organizarea de tesuturi si organe, atat prin interactiuni ale celulelor intre ele, cat si prin aderarea acestora la substrate extracelulare. De asemenea, exista si fenomene fiziologice care se desfasoara pe baza unor modificari ale structurilor glucidice ale suprafetei celulare. De exemplu, eritrocitele de mamifer , dupa desialilarea structurilor din glicocalix, sunt eliminate din circulatie la nivelul ficatului si splinei. Pierderea de acid sialic din pozitia terminala a structurilor glucidice din glicocalix reprezinta semnal de imbatranire a acestor celule. La fel si in cazul plachetelor sanguine: cele desialilate isi micsoreaza timpul de viata in circulatie si se determina astfel sporirea trombocitopoiezei. Eliminarea din circulatie a celulelor cu structurile glucidice desialilate implica receptori cu activitate lectinica indreptata impotriva galactozei ajunsa in pozitie terminala, receptori aflati pe suprafata celulelor cu rol de macrofage din organele curatitoare. Alte exemple de fenomene de recunoastere celulara care implica structuri glucidice sunt: extravazarea leucocitelor si monocitelor in zonele de inflamare tisulara fertilizarea si fenomenul de capacitare a spermiilor compatibilatile de grup sanguin ale sistemului AB0 (purtatoarele antigenelor de grup sanguin sunt glicolipide si glicoproteine din membranele celulelor sanguine)
12
In final, putem afirma ca implicarea glicocalixului in fiziologia si patologia celulara a facut ca acesta sa fie considerat tinta terapeutica in tratamentele multor boli.
13. Conceptul de microdomenii de membrana; exemple. Semnificatia biologica a organizarii microdomeniilor de membrana Manifestarea bidimensionala a fluiditatii bistratului lipidic da membranei celulare caracterul de structura cu proprietati mezomorfe, proprietati specifice cristalelor lichide. Acest comportament mezomorf este accentuat de capacitatea lipidelor de a organiza microdomenii bogate in sfingolipide, colesterol si anumite proteine membranare. Aceste microdomenii sunt denumite plute lipide(lipid rafts) si au importanta atat structurala(organizeaza ultrastructuri specializate ale membranei, precum caveolele), cat si metabolica, tinand laolalta molecule si macromolecule destine a functiona impreuna in complexe supramoleculare. Pentru a intelege mai bine structurarea microdomeniilor de membrana, sa mentionam ca lipidele, asa cum nu sunt echilibrat repartizate intre cele doua foite ale bistratului, nu sunt omogen amestecate nici in cadrul fiecarei foite a bistratului, ci se asociaza in mod neomogen pe considerente fizice. Plutele lipide fie planare, fie invaginate sub forma caveolelor, se caracterizeaza printr-o fluiditate mai mica in comparatie cu restul bistratului. Prezenta plutelor lipidice si eterogenitatea lor sustin si nuanteaza ideea de organizare a membranelor ca un mozaic fluid. Plutele lipide pot fi asemuite unor sloiuri de forme, dimensiuni si compozitie biochimica variate, ce plutesc in oceanul lipidic mai putin specific organizat. Caveolele reprezinta o forma de plute lipidice, ce se dispun individual, sau in ciorchini la nivelul membranei. Eterogenitatea plutelor lipidice a fost evidentiata prin interpretarea rezultatelor diferitelor metode:
diversi detergenti neionici utilizati , ce duc la fractiuni cu compozitie diferita sonicarea preparatelor de membrane si analizarea fractiunii usoare, cu rezultate diferite analize imunocitochimice(diferite incarcaturi proteice la nivelul diverselor microdomenii)
Astfel, putem extrage cateva caracteristici generale ale plutelor lipidice: Colesterolul este de 3-5 ori mai abundent decat in restul membranei si reprezinta 33-50% din totalul lipidelor la acest nivel sfingolipidele si glicolipidele sunt imbogatite glicerofosfolipidele sunt sarac reprezentate lipidele specifice foitei interne a bistratului (PS,PI) sunt slab reprezentate la nivelul plutelor lipidice in foita interna de la nivelul plutelor, lipidele contin preferential acizi grasi saturati, lucru ce realizeaza necesarul de rigiditate corespunzator celei a foitei externe, unde sfingolipidele sunt bogat reprezentate Plutele lipidice se caracterizeaza si prin capacitatea de a aglomera anumite tipuri de proteine membranare. Organizarea lipidelor membranare in microdomenii accentueaza aspectul de mozaic fluid al membranelor.
13
14. Caile de semnalizare: definitie, criterii de clasificare Semnalizarea celulara reprezinta modalitatea esentiala prin care celulele pot comunca intre ele indiferent de distanta la care se afla. Asadar, semnalizarea celulara presupune, de regula, cooperarea intre doua celule: una care trimite semnalul, cealalta, care il recepteaza. In functie de distanta la care se afla celulele care semnalizeaza intre ele, caile pot fi:
endocrine, atunci cand celulele se afla la distanta, iar molecula semnal trebuie sa fie transportata de umorile organismului( de regula, de sange) paracrine, atunci cand celulele se afla in imediata vecinatate autocrine, atunci cand semnalul este transmis si receptat de aceeasi celula juxtacrine, cand celulele sunt jonctionate( semnalizarea juxtacrina presupune interactiunea unor molecule din structura membranelor celor doua celule: semnalizatoare, respectiv tinta, spre deosebire de primele 3 cai , unde semnalizarea se face prin molecule secretate de celula semnalizatoare)
Raspunsul celular in urma fenomenului de semnalizare determina unul din trei efecte: 1. Supravietuire 2. Proliferare 3. Moarte celulara programata=apoptoza(apare fie in lipsa oricarui semnal, fie in prezenta unor semnale specifice) Indiferent de raspunsul celular determinat, se definesc patru etape ale procesului de semnalizare celulara: 1. Initierea semnalizarii prin legarea ligandului de receptor ( prin interactiuni specifice de o mare afinitate) 2. Transductia semnalului si activarea receptorului( aceasta etapa presupune modificari conformationale la nivelul moleculei receptorului, datorate interactiunii cu ligandul) 3. Activarea efectorului si amplificarea semnalului 4. Atenuarea semnalului si desensibilizarea celulei ( aceasta etapa presupune inactivarea efectorilor si desfacerea ligandului de receptor, prin degradarea ligandului sau prin lizarea moleculelor activatoare, de ex scindarea GTP la GDP)
15. Receptorii pentru hormoni si neurotransmitatori:definitie, criterii de clasificare In functie de proprietatile fizico-chimice ale moleculei semnal, receptorii se impart in: 1. Receptori pentru molecule semnal lipofile (hidrofobe) 2. Receptori pentru molecule semnal hidrofile Receptorii pentru liganzi lipofili sunt proteine citosolice care preiau hormonul dupa difuzia acestuia prin membrana si dupa formarea complexului ligand-receptor acesta este transportat in nucleu, unde isi indeplineste functia, aceea de a modula exprimarea genica. Sunt cunoscute 6 tipuri de receptori pentru liganzi lipofili:
14
receptor la cortizol receptor la estrogeni receptor la progesteron receptor la vitamina D
receptor la hormoni tiroidieni receptor la acid retinoic
Oricare ar fi tipul de receptor, ei prezinta unele caracteristici comune, precum:
sit de legare a hormonului sit de legare la molecula de ADN domeniu de activare a transcrierii
In stare inactiva, in citosol, inainte de a interactiona cu ligandul, receptorul este cuplat la un complex proteic inhibitor. In aceasta stare complexata, inactiva, receptorul are mascate situl de legare la ADN si domeniul de activare a transcrierii. Dupa legarea ligandului, receptorul se desprinde de complexul de inactivare si este translocat in nucleu unde, datorita expunerii locului de legare la ADN, se atasaza in zone favorabile activarii genei a carei transcriere este determinata , iar procesul de transcriere este declansat.
16. Explicati modularea activitatii adenilatciclazei membranare de catre receptorii cuplati cu proteinele G heterotrimerice *Inainte de a citi, a se urmari cu atentie urmatorul filmulet , care explica totul (textul e practic explicatia din video) :http://www.youtube.com/watch?v=3RHQ2Kol1ac Sunt proteine atasate versantului intern al bistratului lipidic, alcatuite din 3 subunitati : alfa, beta si gama. Se gasesc cuplate cu receptori -proteine transmembranare-, subunitatea alfa urmand a functiona drept mesager prim in diverse tipuri de semnalizare mediate pe calea proteinelor G heterotrimerice. Receptorii cuplati cu proteine G heterotrimerice sunt proteine transmembranare multipas tip I cu 7 treceri prin planul membranei, cu ectodomeniu mare, structurand situl de legare a ligandului, si cu endodomeniu continand situl de interactiune cu proteinele G heterotrimerice, cat si locuri de fosforilare necesare desensibilizarii. Succint, mecanismul de actiune al acestor receptori implica urmatoarele etape: 1. Legarea ligandului si activarea receptorului 2. Interactiunea receptorului activat cu proteinele G heterotrimerice si activarea acestora prin eliberarea GDP, legarea GTP si disocierea trimerului in subunitate alfa plus heterodimer betagama 3. Transmiterea semnalului la efectorul din aval (activand sau inhiband adenilat-ciclaza) Receptorii cuplati cu proteine G heterotrimerice au mecanisme diferite, actionand asupra unor efectori diferiti si inducand raspunsuri diferite in functie de tipul de proteina G heterotrimerica asociata. Au fost identificate mai multe tipuri de proteine G heterotrimerice: Gs, Gi, Gq(activeaza fosfolipaza CBeta),G0,proteine G olfactorii (activeaza adenilat ciclaza in neuronii olfactorii, proteine Gt(transducine). Ca mecanism: legarea ligandului pe ectodomeniul receptorului cuplat cu proteina G heterotrimerica determina modificari conformationale ce se transmit proteinei G, a carei subunitate alfa, initial continand GDP, inlocuieste intreaga molecula de GDP cu, una de GTP din citosol. Odata inlocuit GDP cu GTP, subunitatea alfa se detaseaza de complexul receptor-proteina G heterotrimerica si se ataseaza unei proteine efector, avand deci rol de mesager prim. Tipurile de proteine
15
efector sunt variate, si depind de tipul de ligand, tipul de receptor , si mai ales de tipul de proteina G heterotrimerica asociata. Mesagerul prim , adica, subunitate alfa cu GTP, poate determina din partea efectorului, in functie de tipul ligandului, un raspuns inhibat sau excitat. Dupa terminarea rolului de mesager prim, subunitatea alfa hidrolizeaza GTP-ul inapoi la GDP, se dezataseaza de efector, si se reataseaza proteinei G heterotrimerice de care apartine. Un exemplu de receptor ce functioneaza cuplat cu proteine G heterotrimerice ar fi cel al receptorilor adrenergici. Adrenalina este ligandul, se leaga la receptor-> modificari conformationale-> fosforilarea GDP la GTP , detasarea subunitatii alfa, care se leaga de efectorul ADENILAT CICLAZA ,o enzima proteica ce catalizeaza reactia de formare a mesagerului secund AMP ciclic, din ATP. Hormonii care activeaza adenilat ciclaza sunt reprezentati de glucagon, adrenalina(prin receptorii beta1 si beta2), ACTH, parathormon , acestia legandu-se de receptorii legati de proteine G heterotrimerice de tip stimulator. Hormonii care inhiba adenilat ciclaza sunt adrenalina(legata prin receptori alfa2) si somatostatina. Presupunand o activare a adenilat ciclazei A , aceasta va sintetiza AMP ciclic, mesager secund ce va migra mai departe si va interactiona cu o alta proteina, numita protein-kinaza A. Toate protein-kinaza au o structura ce contine un cap si 2 cozi. Fiecare coada are cate o subunitate reglatoare si cate o subunitate catalitica.Atata timp cat subunitatea reglatoare si cea catalitica sunt amandoua anexate cozii, protein-kinaza A este inactiva. In schimb, la interactiunea cu AMP ciclic, subunitatile catalitice disociaza in citosol, ele fiind responsabile de efectele adrenalinei, in acest caz. Regulatori negativi ai proteinelor G 1) Presupunand o proteina G heterotrimerica ramasa activa in mod anormal, ramasa deci fara subunitate alfa pentru o perioada mare de timp, si deci aflata in plin proces de semnalizare, rezulta ca , receptorul va avea atasate doar subunitatile beta si gama. Acestea, in lipsa subunitatii alfa, ataseaza o alta proteina numita beta-adrenergic receptor kinase(BARK), care va fosforila proteina G. Regiunile fosforilate anterior de BARK vor atrage alte proteine, numite BETA-ARRESTINS , care vor trage intreg complexul receptor-subunitati beta-gama in interiorul celulei, astfel inactivandu-l, prin scoaterea din contact cu moleculele ligand, care se gasesc in afara celulei. 2) Un alt regulator negativ este proteina fosfodiesteraza, care are o abordare ceva mai putin radicala decat beta-arrestins, contracarand practic actiunea adenilat ciclazei, adica, transformand AMPciclic, aflat in cantitati mari in celula in urma activitatii prelungite a lantului de semnalizare pornti de la proteina G, inapoi in AMP aciclic. Cofeina este un inhibitor al fosfodiesterazei, ducand deci la prezenta in organism a cantitati crescute de AMP-ciclic, lucru ce confera senzatia specifica de energie.
16
17. Mesagerii secunzi: definitie, exemple, efectori intracelulari Mesagerii secunzi sunt componente ale cailor (cascadelor) de semnalizare si reprezinta molecule sintetizate-n urma activarii receptorului de catre ligand= mesagerul prim. Mesagerii secunzi activeaza diverse sisteme enzimatice cu rol in raspunsul celular, avand rol in amplificarea semnalului. In continuare, vom descrie cateva cai de semnalizare, folosind mesagerii secunzi si efectorii lor drept exemple pentru rezolvarea acestui subiect : 1. Modularea activitatii adenilat-ciclazei de catre GPCR ( G-protein coupled receptors) , unde: Efectorul intracelular = ADENILAT CICLAZA Mesagerul secund = AMP c *pt abordarea completa a acestui exemplu, a se vedea subiectul 16 2. Calea fosfolipazei C *Inainte de a citi, a se urmari cu atentie urmatorul filmulet , care explica totul (textul e practic explicatia din video) : http://www.youtube.com/watch?v=FvPKbogo2pk Aceasta cale cuprinde : un receptor transmembranar multipas, cu 7 treceri prin bistrat, cu situs de legare pentru ligand in ectodomeniu si endodomeniu "cuplat" cu o proteine G heterotrimerica. Efector intracelular 1: PLC (fosfolipaza C) Sub actiunea PLC, din PIP2 =>mesagerii secunzi: DAG ( diacilglicerol ) si IP3 (Inozitol trisfosfat) . Cunoscand structura amfipata a glicerofosfatidelor, stim deci ca : DAG va avea caracter hidrofob si deci va ramane in membrana, actionand ca mesager secund si activand PKC(protein kinaza C). Acesta fosforileaza diverse enzime, pe unele activandu-le, pe altele inhibandu-le. IP3 va avea caracter hidrofil si va intra in citosol, unde va patrunde-n RE si va actiona ca mesager secund, determinand RE sa elibereze Ca2+ in citoplasma, iar Ca2+ va activa PKC ( protein kinaza C). Nota (de impresie pt examen): Ca2+ functioneaza drept mesager intracelular ubicuitar.
3. Oxidul nitric gazos (NO) Cand acetilcolina este eliberata de nervii autonomi ai vaselor sanguine in peretii acestora, ea va determina relaxarea muschilor din peretii vasului. Acetilcolina actioneaza indirect, determinand celulele endoteliale sa elibereze NO(=mesager secund !! ), care semnalizeaza apoi celulelor muschiului neted sa se relaxeze. NO este suficient de hidrofobic si de mic pentru a trece prin membrana plasmatica a celulei tinta, determinand procese de reglare intracelulare.
17
Acest efect al NO asupra vaselor sanguine explica mecanismul de actiune al ntiroglicerinei, utilizata de peste 100 de ani in tratamentul anginei pectorale, fiind convertita la NO pentru a relaxa vasele sanguine din inima, asigurand cresterea fluxului sangvin spre muschiul cardiac. Alte roluri ale NO:
este produs ca mediator local de catre neutrofilele si macrofagele activate pentru a ucide microorganismele invadatoare eliberat de nervii autonomi din penis, determinand dilatarea locala a vaselor sanguine responsabile pentru erectie
Clasificari ale transportului membranar A se vedea cursul doctorului Leabu despre transportul membranar, unde se va gasi clasificarea ca atare.
18. Transportul pasiv: clasificare, exemple Transportul pasiv este un tip de transport prin membrana, acesta din urma fiind specific ionilor si moleculelor mici(sub 10 angstromi, sub 800 Da). In functie de necesarul de energie , transportul prin membrana se clasifica in:
transport pasiv transport activ
Transportul pasiv este numit si transport disipativ, de la procesul de difuziune= trecerea de substanta de la concentratie mare la concentratie mica. Unele molecule mici pot strabate membrana celulara strecurandu-se printre lipidele membranare. Astfel de molecule sunt moleculele nepolare=hidrofobe(O2, N2, CO2, NO, CO, eter etilic, benzen), dar si moleculele polare mici(sub 100 Da), precum apa, etanol, uree, glicerina. Acest tip de transport este numit difuzie simpla. Pentru moleculele polare mari (100-800 Da), dar si pentru ioni, transportul prin membrana se face doar prin implicarea de proteine transmembranare, ce poarta in acest caz denumirea de transportori(pentru molecule polare mari: glucoza, aminoacizi, nucleotide) sau canale ionice(pt ioni: H,Na, HCO3, K, Ca2+, Cl-, Mg2+). Transportul pasiv prin transportori sau prin canale ionice se numeste si difuzie facilitata. In functie de numarul tipurilor de substante transportate simultan, difuzia facilitata poate fi clasificata in:
transport uniport(este transportata o singura entitate chimica) transport cuplat=co-transport(sunt transportate simultan doua sau mai multe entitati chimice) o transport simport(toate substantele sunt transportate in acelasi sens) o transport antiport(cel putin una din substante merge-n sens opus celorlalte)
Ca exemplu de transport uniport, amintim transportorul de glucoza din mb eritrocitara GLUT1, o proteina multipas de 45 kDa, cu 12 treceri in alfa-helix prin planul membranei. In mb eritrocitara exista peste 200 000 de molecule de transportor GLUT1 pentru o celula. GlUT1 face parte dintr-o familie de transportori de glucoza cu 14 membri ( GLUT1 -14), toti cu cate 12 treceri in alfa-helix prin planul membranei si cu capetele N- si C- terminale in endodomeniu.
18
Ca exemplu de transport simport, amintim co-transportorul de sodiu/glucoza (SGLT1) din membrana apicala a enterocitelor. Acest transportor foloseste disiparea gradientului De na pentru a transporta glucoza din lumenul intestinal in citosolul enterocitelor impotriva gradientului de concentratie a glucidului. Un astfel de transportor mai este numit si transport activ secundar, deoarece se bazeaza practic pe energia consumata anterior de celula pentru mentinerea gradientului de Na+. SGLT1 este o proteina transmembranara multipas cu 14 treceri in alfa-helix prin planul membranei, din care trecerile 10-14 au fost dovedite ca structurand calea de trecere a glucozei. Ambele capete ale lantului polipeptidic sunt in ectodomeniu. La om, SGLT1 face parte dintr-o familie de co-transportori sodiu/glucoza ce numara 11 membri. Ca exemplu de transport antiport, amintim canalul de schimb anionic HCO3- / Cl- din mb eritrocitara, cunoscut si drept banda 3/ AE1 (Anion Exchanger 1). Legat de canalele ionice, acestea nu sunt permanent deschise, iar celula poate controla functionarea lor. In functie de mecanismul prin care este controlat regimul de deschidere a lor, canalele ionice se pot imparti in 3 categorii: 1. Canale ionice operate electric 2. Canale ionice operate chimic(prin liganzi) 3. Canale ionice operate mecanic( depind de exercitarea unor tensiuni mecanice asupra mb) Activarea canalelor respecta un mecanism ciclic, ce asigura inactivarea lor chiar in conditiile care au determinat deschiderea. Canalele ionice pot prezenta trei stari:
Stare inchisa= de repaus, in absenta stimulului Stare deschisa, dupa aparitia stimulului Stare inactiva, inchisa la prezenta prelungita a stimulului
Trecerea apei printr-o membrana poarta denumirea de osmoza. Apa poate trece prin mb celulara atat prin dufuzie simpla, cat si prin difuzie facilitata, prin complexe proteice transmembranare cu numele de aquaporine, prin care apa poate trece in ambele sensuri, depinzand de presiunile coloid-osmotice existente de cele doua parti ale membranei.
19. Calea de semnalizare JAK -STAT Marea familie a receptorilor cytokinici include receptori pentru multe tipuri de mediatori locali, denumiti colectiv cytokine, precum si receptori pentru hormoni, spre ex pentru prolactina. Acesti receptori cytokinici, transmembranari, sunt asociati cu tyrozin-kinaze din citoplasma ( deci, legate la endodomeniu), denumite Janus Kinases ( JAK's). Exista 4 tipuri de JAK's:
JAK 1 JAK 2 JAK 3 Tyk 2
JAK's se fosforileaza intre ele, precum si fosforileaza si astfel activeaza proteine numite STATs (signal transducers and activators of transcription). Proteinele STAT sunt localizate in citosol si sunt gene regulatorii latente, deoarece ele migreaza in nucleu si induc transcriere DOAR dupa ce sunt activate.
19
Mecanismul cailor JAK-STAT ( a se urmari desenul in paralel cu cititul , pentru o completa intelegere) Receptorii pentru cytokine sunt dimeri sau trimeri stabil asociati cu 1 sau 2 din kinazele Janus cunoscute ( JAK1,JAK2,JAK3, Tyk 2) . Legarea ligandului de tip cytokinic ( spre ex: gama interferon, alfa interferon, eritropoetina) produce modificari conformationale, in sensul in care apropie intre ele kinazele Janus de pe fiecare monomer al receptorului cytokinic. Astfel, JAK's se fosforileaza intre ele, sporindu-si reciproc activitatea. De asemenea, JAK's fosforileaza resturi de tyrozina din structura receptorului, creand situsuri fosfotyrozinice. Aici se vor lega STAT's. Dupa legarea proteinelor STAT in situsurile fosfotyrozinice, sunt si ele la randul lor fosforilate de JAK's => dezatasarea fiecarei proteine STAT de pe receptorul dimeric , urmand dimerizarea in citosol a celor 2 STAT , prin intermediul domeniilor SH2. In aceasta forma, dimerul STAT este translocat in nucleu, unde activeaza transcrierea genica. Ca mecanisme de feedback/inhibitie, trebuie precizat faptul ca dimerii STAT pot activa transcrierea unor gene ce codifica sinteza unor proteine inhibitorii ale caii in sine, prin desfosforilari fie ale kinazelor Janus, fie ale dimerilor STAT. Nota: Legarea cytokinei la receptor fie induce dimerizarea a 2 lanturi polipeptidice(monomeri) ale (ai) receptorului, fie le orienteaza catre un dimer preformat. In orice sens, scopul este apropierea tyrozinkinazelor Janus pentru a se fosforila intre ele si a incepe intregul proces descris anterior. In unele cazuri, putem vorbi si de alcatuirea unui trimer .
20
20. Aquaporinele. Semnificatie si implicatii medicale Prin membrana celulara, apa poate trece atat prin difuzie simpla, cat si prin difuziune facilitata, intrucat multe celule si-au produs complexe proteice transmembranare destinate transportului pasiv al apei. Aceste complexe proteice transmembranare destinate transportului pasiv al apei poarta denumirea de aquaporine, iar rolul lor este acela de a eficientiza trecerea apei prin membrane, astfel incat, pe de o parte, fenomenele fiziologice sa se petreaca dupa o dinamica adecvata, si, pe de alta parte, la aparitia unor dezechilibre osmotice accidentale, homeostazia celulara sa nu sufere dramatic si sa puna in pericol supravietuirea. Aquaporinele sunt proteine identificate in toate organismele(bacterii, mamifere, plante) si sunt ubicuitare in organismele multicelulare, fiind exprimate in diferite grade in toate tipurile de celule. La om au fost identificate cel putin 13 membri ai familiei proteice ai aquaporinelor. Aquaporinele sunt proteine transmembranare cu masa moleculara de 30 kDa, cu 6 treceri in alfa helix prin bistratul lipidic si cu doua segmente scurte, tot helicoidale, ce marginesc vestibulele citoplasmatic, respectiv extracelular ale canalului organizat de cele sase domenii transmembranare. Capetele amino si carboxi terminale ale lantului polipeptidic se afla pe fata citosolica. In membrane, monomerii astfel organizati transmembranar se asociaza cate patru, formand homotetrameri.In cazul AQP4, homotetramerii se pot asocia intre ei, rezultand retele octogonale. Apa poate trece prin canalele aquaporinelor in ambele sensuri, depinzand de presiunile coloidosmotice existente de cele doua parti ale membranei. Exprimarea adecvata a aquaporinelor in celule este importanta pentru multe fenomene fiziologice: adsorbtia adecvata la nvielul cailor urinare pentru formarea urinei, semnalizare neuronala, motilitate celulara, hidratarea pielii, proliferare celulara, metabolism lipidic(prin implicarea aquagliceroporinelor, aquaporine cu transport dual pentru apa si glicerina). Deficiente in exprimarea aquaporinelor pot induce sau insoti diverse patologii, precum: cataracta, diabet insipid, edem cerebral, obezitate.
21. Semnificatia biologica a eterogenitatii compozitionale, a organizarii asimetrice si comportamentului fluid al membranelor Membranele celulare se caracterizeaza prin eterogenitate compozitionala, bazata pe o mare diversitate de tipuri de molecule(bistrat lipidic, componenta proteica, componenta glucidica). Lipidele din mb pot fi:
21
fosfolipide 70-75% o fosfogliceride PC PE PS PI PA o fosfosfingozide colesterol 20-25% glicolipide 1-10%
Reamintim ca in poz 1 a glicerinei este de obicei esterificat un acid gras saturat(C14,C16,C18), iar in poz 2 se afla unul nesaturat(C18:1, C18:2, C18:3, C20:4) , putand exista multiple combinatii. Proteinele din mb pot fi:
periferice(extrinseci) o ectoproteine o endoproteine integrale(intrinseci) o transmembranare ectodomeniu endodomeniu domeniu transmembranar o cufundate partial
Glucidele pot fi :
glicolipide( comp. glucidica pe lipid) glicoproteine(oligozaharid pe proteina) proteoglicani(polizaharid pe proteina) Glc, GalNAc, Gal, GalNAc, Man, Fuc, SA
Pentru substantierea caracterului eterogen al structurarii membranelor(indus de lipide, amplificat de proteine si structuri glucidice), trebuie sa subliniem ca insiruirea glucidelor in lanturile oligozaharidice nu este aceeasi, diferind intre glicolipide si glicoproteine, dar si intre diversele glicolipide si glicoproteine. Mai mult, legarea monozaharidelor intre ele se poate face-n mai multe moduri, intrucat exista mai multe grupari hidroxil disponibile. Ca semnificatie biologica, eterogenitatea implica prezenta unei multitudini de componente, fapt ce se traduce, la nivel celular, intr-o multitudine de posibilitati de actiune <=> diversitate de functii.
Pe langa eterogenitate compozitionala, membranele celulare se caracterizeaza prin aranjare asimetrica, conferita chiar de structura de baza, bistratul lipidic, la nivelul caruia foita externa cotnine preponderent anumite tipuri de lipide, iar foita interna, altele. Asimetria este sporita de proteinele ce completeaza organizarea membranelor, cele adsorbite pe fata externa fiind diferite de cele de pe fata interna, in timp ce proteinele cufundate in structura lipidica de baza expun portiuni diferite ale lantului polipeptidic de o parte sau de cealalata a bistratului. Pe de alta parte, componenta glucidica a mb se gaseste numai la suprafata acestora, crescand caracterul asimetric al organizarii lor. Ca semnificatie biologica, asimetria mb celulare ofera posibilitatea derularii de fenomene fizico-biochimice diferite pe fiecare din cele doua fete. Astfel, intre acestea putem asista la o disjungere sau, dimpotriva, la o solidaritate de actiune, in functie de contextul "biosocial" in care se gaseste celula la un moment dat.
22
Diversitatea de molecule care organizeaza membranele celulare prezinta o permanenta dinamicitate, ceea ce le confera un comportament fluid. Mai mult, miscarea componentelor lipidice si proteice se realizeaza numai in planul membranei, fara rasturnari ale moleculelor care sa permita trecerea lipidelor dintr-o foita a bistratului in cealalta, sau proteinelor sa isi treaca portiunile expuse la exterior catre interior, sau invers. Aceste restrictii de mobilitate determina caracterul fluid manifestat bidimensional al membranelor. Lipidele membranare executa urmatoarele tipuri de miscari: Intramoleculare(pe care lipidele le realizeaza in raport cu propria lor axa si greutate) o de rotatie(109 rotatii/s) o de flexie a cozilor hidrofobe(108 rotatii/s) Intermoleculare o de translatie(miscari ale lipidelor in planul membranei, unele pe langa altele- 107/s schimbari de directie) o flip-flop(miscari de trecere a lipidelor dintr-o foita a bistratului in cealalta, au o frecventa foarte mica, practic nula, cu exceptia cazului membranei R.E) Manifestarea bidimensionala a fluiditatii bistratului lipidic da mb celulare caracter de structura cu proprietati mezomorfe, asemeni cristalelor lichide. Acest comportament mezomorf este accentuat si de capacitatea lipidelor de a organiza microdomenii bogate-n sfingolipide, colesterol si anumite proteine membranare=plute lipidice. Modulatori ai fluiditatii: 1. Fizici : temperatura (d.p) si presiunea(i.p) 2. Chimici intrinseci : acizi grasi nesaturati(d.p) si colesterol (i.p)-->provoaca rigidizare 3. Chimice extrinseci (pot fi fiziologici, patologici sau terapeutici) Fluiditatea mai este modulata si de componentele proteice si de glicocalix. Miscarea bidimensionala asigura mentinerea asimetriei din organizarea membranei. Semnificatia biologica a permanentei miscari a componentelor biochimice in membrana este aceea ce permite acestora sa se asocieze intr-o diversitate de modalitati, pentru a indeplini o multitudine de activitati.
22. Proteinele G heterotrimerice Sunt proteine atasate versantului intern al bistratului lipidic, alcatuite din 3 subunitati : alfa, beta si gama. Se gasesc cuplate cu receptori -proteine transmembranare-, subunitatea alfa urmand a functiona drept mesager prim in diverse tipuri de semnalizare mediate pe calea proteinelor G heterotrimerice. Receptorii cuplati cu proteine G heterotrimerice sunt proteine transmembranare multipas tip I cu 7 treceri prin planul membranei, cu ectodomeniu mare, structurand situl de legare a ligandului, si cu endodomeniu continand situl de interactiune cu proteinele G heterotrimerice, cat si locuri de fosforilare necesare desensibilizarii. Succint, mecanismul de actiune al acestor receptori implica urmatoarele etape: 4. Legarea ligandului si activarea receptorului
23
5. Interactiunea receptorului activat cu proteinele G heterotrimerice si activarea acestora prin eliberarea GDP, legarea GTP si disocierea trimerului in subunitate alfa plus heterodimer betagama 6. Transmiterea semnalului la efectorul din aval (activand sau inhiband adenilat-ciclaza) Receptorii cuplati cu proteine G heterotrimerice au mecanisme diferite, actionand asupra unor efectori diferiti si inducand raspunsuri diferite in functie de tipul de proteina G heterotrimerica asociata. Au fost identificate mai multe tipuri de proteine G heterotrimerice: Gs, Gi, Gq(activeaza fosfolipaza CBeta),G0,proteine G olfactorii (activeaza adenilat ciclaza in neuronii olfactorii, proteine Gt(transducine). Ca mecanism: legarea ligandului pe ectodomeniul receptorului cuplat cu proteina G heterotrimerica determina modificari conformationale ce se transmit proteinei G, a carei subunitate alfa, initial continand GDP, inlocuieste intreaga molecula de GDP cu, una de GTP din citosol. Odata inlocuit GDP cu GTP, subunitatea alfa se detaseaza de complexul receptor-proteina G heterotrimerica si se ataseaza unei proteine efector, avand deci rol de mesager prim. Tipurile de proteine efector sunt variate, si depind de tipul de ligand, tipul de receptor , si mai ales de tipul de proteina G heterotrimerica asociata. Mesagerul prim , adica, subunitate alfa cu GTP, poate determina din partea efectorului, in functie de tipul ligandului, un raspuns inhibat sau excitat. Dupa terminarea rolului de mesager prim, subunitatea alfa hidrolizeaza GTP-ul inapoi la GDP, se dezataseaza de efector, si se reataseaza proteinei G heterotrimerice de care apartine. Un exemplu de receptor ce functioneaza cuplat cu proteine G heterotrimerice ar fi cel al receptorilor adrenergici. Adrenalina este ligandul, se leaga la receptor-> modificari conformationale-> fosforilarea GDP la GTP , detasarea subunitatii alfa, care se leaga de efectorul ADENILAT CICLAZA ,o enzima proteica ce catalizeaza reactia de formare a mesagerului secund AMP ciclic, din ATP. Hormonii care activeaza adenilat ciclaza sunt reprezentati de glucagon, adrenalina(prin receptorii beta1 si beta2), ACTH, parathormon , acestia legandu-se de receptorii legati de proteine G heterotrimerice de tip stimulator. Hormonii care inhiba adenilat ciclaza sunt adrenalina(legata prin receptori alfa2) si somatostatina. Presupunand o activare a adenilat ciclazei A , aceasta va sintetiza AMP ciclic, mesager secund ce va migra mai departe si va interactiona cu o alta proteina, numita protein-kinaza A. Toate protein-kinaza au o structura ce contine un cap si 2 cozi. Fiecare coada are cate o subunitate reglatoare si cate o subunitate catalitica.Atata timp cat subunitatea reglatoare si cea catalitica sunt amandoua anexate cozii, protein-kinaza A este inactiva. In schimb, la interactiunea cu AMP ciclic, subunitatile catalitice disociaza in citosol, ele fiind responsabile de efectele adrenalinei, in acest caz. Regulatori negativi ai proteinelor G 1) Presupunand o proteina G heterotrimerica ramasa activa in mod anormal, ramasa deci fara subunitate alfa pentru o perioada mare de timp, si deci aflata in plin proces de semnalizare, rezulta ca , receptorul va avea atasate doar subunitatile beta si gama. Acestea, in lipsa subunitatii alfa, ataseaza o alta proteina numita beta-adrenergic receptor kinase(BARK), care va fosforila proteina G.
24
Regiunile fosforilate anterior de BARK vor atrage alte proteine, numite BETA-ARRESTINS, care vor trage intreg complexul receptor-subunitati beta-gama in interiorul celulei, astfel inactivandu-l, prin scoaterea din contact cu moleculele ligand, care se gasesc in afara celulei. 2) Un alt regulator negativ este proteina fosfodiesteraza, care are o abordare ceva mai putin radicala decat beta-arrestins, contracarand practic actiunea adenilat ciclazei, adica, transformand AMPciclic, aflat in cantitati mari in celula in urma activitatii prelungite a lantului de semnalizare pornti de la proteina G, inapoi in AMP aciclic. Cofeina este un inhibitor al fosfodiesterazei, ducand deci la prezenta in organism a cantitati crescute de AMP-ciclic, lucru ce confera senzatia specifica de energie.
23.Modalitati generice de reglare a activitatii unui canal ionic membranar In functie de mecanismul prin care este controlat regimul de deschidere a lor, canalele ionice se pot imparti in trei categorii: 1. Canale ionice operate electric(prin voltaj), adica prin modificarea potentialului de membrana. Acestea sunt inchise atunci cand potentialul membranei este cel normal(adica 50-70 mV, cu minus pe partea citosolica), si se deschis atunci cand potentialul de repaus al membranei se modifica. 2.Canale ionice operate chimic(prin liganzi), adica, se deschid atunci cand leaga un compus chimic(ligandul) care schimba conformatia proteinei. Ligandul se poate lega in ectodomeniul proteinei care structureaza canalul fiind ligand extracelular, sau, pentru alte tipuri de canale, la endodomeniu(ligand intracelular=citosolic). 3.Canale ionice controlate mecanic, adica, a caror stare deschisa/inchisa este dependenta de exercitarea unor tensiuni mecanice asupra membranei.
Activarea canalelor respecta un mecanism ciclic, care asigura inactivarea lor chiar in conditiile care au determinat scaderea, deoarece pot prezenta trei stari: starea inchisa, de repaus, in absenta stimulului starea deschisa, care permite trecerea ionilor, dupa aparitia stimulului starea inactiva, inchisa la prezenta prelungita a stimulului Aceasta trecere intr-o stare refractara a canalelor ionice asigura mentinerea homeostaziei ionice intracelulare in conditiile de persistenta a semnalelor, refacerea potentialului membranar, desprinderea ligandului, si, eventual, metabolizarea sa, cu revenirea celulei la starea bazala=starea de neexcitatie, astfel incat sa devina sensibila la o noua stimulare. Exista si canale ionice ce functioneaza doar atata vreme cat sunt fosforilate. De asemenea, activitatea canalelor ionice poate fi blocata reversibil sau ireversibil de substante inhibitoare(pot fi medicamente) sau chiar de substante toxice, folosite de armata sau in atacuri teroriste.
24. Transportul activ: clasificare, exempl e
25
Transportul activ reprezinta transportul prin membrana de molecule mici si/sau ioni impotriva gradientelor de concentratie. Transportul activ este realizat de biostructuri proteice, cu consum de energie, provenita din scindarea unor molecule macroergice(de regula ATP), biostructuri proteice ce poarta denumirea de pompe. Exemple: Pompa de Na+/K+, numita de Na+/K+ ATP-aza:
structura complexa dpdv biochimic tetramer(2 sub mari alfa catalitice si transportoare si 2 sub mici beta, cu rol reglator, necesare penru impachetarea conformationala corecta a subunitatilor alfa in reticulul endoplasmic, in momentele biosintezei, asamblarii in membrana si maturarii) uneori poate prezenta si subunitate gama, cu 7 izoforme si rol in modularea activitatii pompei, se exprima special la nivelul rinicihiului, avand rol in adaptarea si supravietuirea celulara in conditii hipertone apartine tipului P de ATP-aze, alaturi de pompa protonica si cea de Ca mai exista si tipul V(vacuolar) , E si F de ATP-aze, ultimele 2 avand rol in semnalizare, si nu in transport ciclul de pompare are 7 etape si duce la expulzarea a 3 ioni de Na+ si introducerea a 2 ioni de K+ in celula, pe baza unor modificari de conformatie intre doua forme: E1 cu acidul aspartic din situl catalitic nefosforilat si E2 cu acidul aspartic fosforilat
Etapele ciclului de pompare sunt: 1. Legarea a 3 ioni de Na pe endodomeniul subunitatii alfa a pompei 2. Legarea ATP pe endodomeniul subunitatii alfa a pompei 3. Fosforilarea unui radical aspartat prin scindarea ATP la ADP=> consumul energetic necesar activitatii pompei, si schimbarea conformatiei proteinei care duce la expunerea celor trei ioni de Na pe ectodomeniul subunitatii alfa 4. Disocierea si expulzarea in exterior a ionilor Na+ si legarea pe ectodomeniul subunitatii alfa a doi ioni de K+ 5. Schimbarea conformatiei subunitatii alfa si hidrolizarea aspartilfosfatului 6. Internalizarea si expunerea ionilor K pe endodomeniul subunitatii alfa 7. Disocierea ionilor K si eliberarea lor in citosol cu inchiderea unui ciclu de pompare Pompa Na+/K+ este electrogenica, adica, prin eliminarea a 3 ioni de Na+ si introducerea a numai 2 ioni de K+, contribuie la realizarea si/sau mentinerea potentialului membranar.
Transportorii ABC ( ATP-Binding Casette) Semnificatia fiziologica si medicala a lor rezida din faptul ca acesti transportori induc rezistenta multipla la medicamente, fiind capabili sa elimine medicamentele din celula. Permit adaptare si rezistenta la antibiotice, iar celulelor canceroase rezistenta la tratamente. Transporta o mare varietate de substante(ioni, glucide, AA, vitamine, lipide, antibiotice, medicamente, oligozaharide si chiar proteine de masa moleculara mare). Transportorii ABC se impart in: 26
sisteme importatoare mici(fiecare element de organizare structurala e asigurat de un alt polipeptid) sisteme importatoare mari(organizarea implica doua subunitati proteice identice=homodimer, sau diferite=heterodimer) sisteme exportatoare organizate ca dimeri sau monomeri
La om sunt identificate aproape 50 tipuri de transportori ABC. Elemente ale organizarii transportorilor ABC: -domenii transmembranare -domenii legare nucleotide -domenii legare solut
25. Pompe - ATP-aze: clasificare, exemple Pompa de Na+/K+, numita de Na+/K+ ATP-aza:
structura complexa dpdv biochimic tetramer(2 sub mari alfa catalitice si transportoare si 2 sub mici beta, cu rol reglator, necesare penru impachetarea conformationala corecta a subunitatilor alfa in reticulul endoplasmic, in momentele biosintezei, asamblarii in membrana si maturarii) uneori poate prezenta si subunitate gama, cu 7 izoforme si rol in modularea activitatii pompei, se exprima special la nivelul rinicihiului, avand rol in adaptarea si supravietuirea celulara in conditii hipertone apartine tipului P de ATP-aze, alaturi de pompa protonica si cea de Ca , si cea H+/K+ ciclul de pompare are 7 etape si duce la expulzarea a 3 ioni de Na+ si introducerea a 2 ioni de K+ in celula, pe baza unor modificari de conformatie intre doua forme: E1 cu acidul aspartic din situl catalitic nefosforilat si E2 cu acidul aspartic fosforilat
Etapele ciclului de pompare sunt: 8. Legarea a 3 ioni de Na pe endodomeniul subunitatii alfa a pompei 9. Legarea ATP pe endodomeniul subunitatii alfa a pompei 10. Fosforilarea unui radical aspartat prin scindarea ATP la ADP=> consumul energetic necesar activitatii pompei, si schimbarea conformatiei proteinei care duce la expunerea celor trei ioni de Na pe ectodomeniul subunitatii alfa 11. Disocierea si expulzarea in exterior a ionilor Na+ si legarea pe ectodomeniul subunitatii alfa a doi ioni de K+ 12. Schimbarea conformatiei subunitatii alfa si hidrolizarea aspartilfosfatului 13. Internalizarea si expunerea ionilor K pe endodomeniul subunitatii alfa 14. Disocierea ionilor K si eliberarea lor in citosol cu inchiderea unui ciclu de pompare Pompa Na+/K+ este electrogenica, adica, prin eliminarea a 3 ioni de Na+ si introducerea a numai 2 ioni de K+, contribuie la realizarea si/sau mentinerea potentialului membranar.
27
La nivelul endomembranelor a fost evidentiat si tipul V de ATPaze(ATPaze de tip vacuolar), care pompeaza protoni in endosomi sau lizosomi. Organizarea acestora este ceva mai elaborata, avand nevoie de cel putin 11 subunitati ca sa isi indeplineasca functia, ceea ce duce la formarea unor complexe proteice de aprox 1000 kDa. La nivelul celulelor eucariote mai exista si tipurile F si E de ATP-aze, insa acestea nu au rol in transport, ci in semnalizarea celulara.
26. Mecanismul semnalizarii transmembranare via receptori cu activitate tirozin kinazica
Receptorii pentru liganzi hidrofili sunt cei mai numerosi, dintre ei facand parte si categoria receptorilor cu activitate tirozin-kinazica. Receptorii cu activitate tirozin-kinazica se caracterizeaza printr-o mare diversitate structurala acoperind semnalizarea celulara prin cea mai mare parte a factorilor de crestere cunoscuti. Primul identificat a fost receptorul la facotrul de crestere epidermal (EGF). De regula, receptorii cu activitate tirozin-kinazica sunt proteine transmembranare unipas, tip I, care exista ca monomeri in stare libera(exceptie fiind receptorul pt insulina, care e in stare de dimeri, uniti prin punte sulfurica), iar dupa interactiunea cu ligandul dimerizeaza. Domeniul transmembranar e structurat in alfa-helix. O trasatura comuna la nivelul portiunii citosolice este reprezentata de o zona cu activitate tirozin-kinazica. Ectodomeniul contine capatul N-terminal si este glicozilat. Mecanismul de principiu prin care acesti receptori functioneaza ar putea fi sintetizat prin : 1. Legarea ligandului, ce produce activarea domeniului catalitic de la nivelul portiunii citoplasmatice, cat si dimerizarea receptorilor datorita modificarilor conformationale pe care le induce 2. Activarea si dimerizarea realizeaza conditiile unor autofosforilari incrucisate la multiple tirozine ale domeniilor citosolice ale receptorului 3. Atragerea si interactiunea cu efectori ce contin domenii SH2 4. Activarea efectorilor legati prin SH2 Exemple de efectori care respecta mecanismul de mai sus: 1.Fosfolipaza C-gama, cu 2 domenii SH2, iar dupa activare, declanseaza cascada fosfoinozitidelor(la fel ca si in cazul receptorilor cuplati cu proteine G heterotrimerice) 2. Fosfatidilinozitol 3'-kinaza (PI3K), tot cu 2 domenii SH2, contribuie dupa activare la formarea unor derivati de fosfatidilinozitoli 3.Proteine care activeaza GTP-azele mici = GAP (GTP-ase-activating protein) Proteinele GAP sunt proteine monomerice cu o masa moleculara in jur de 25 kDa care au proprietatea de a lega GTP pe care il hidrolizeaza . Proteinele GAP sunt activate cat timp contin GTP si se inactiveaza dupa hidroliza sa.
28
Datorita acestei capacitati de a trece ciclic din din stare activa in stare inactiva sunt cunoscute si sub numele de comutatori moleculari. Cand nu este nevoie de fucntia lor, proteinele GAP se gasesc in citosol complexate cu o proteina inhibitoare numita inhibitor de disociere a guanozin-nucleotidului=GDI. Unul din rolurile proteinelor GAP este acela de a participa la controlul corectitudinii traficului structurilor membranare in celula(de ex traficul dintre reticulul endoplasmic si aparatul Golgi).
27. Endocitoza mediata de receptori- definitie si semnificatie functionala In functie de caracteristicile materialelor preluate de celula, endocitoza se imparte in:
Fagocitoza ( cand sunt endocitate materiale particulate) Pinocitoza (cand sunt endocitate substante solubilizate in fluidul extracelular)
Pinocitoza este divers din punct de vedere al mecanismelor prin care se realizeaza. O prima forma este pinocitoza constitutiva, ce presupune preluarea in vezicule de endocitoza a unor volume de lichid extracelular cu tot ceea ce contine acesta. Pinocitoza mediata de receptori, numita uzual endocitoza mediata de receptori, este un termen introdus in 1976 de Goldstein si Brown, preocupati de metabolizarea LDL (low-density-lipoprotein). Prin acest proces, sunt internalizate de catre celula liganzi care mai intai sunt recunoscuti si legati de receptori specifici de pe suprafata celulei. Dupa interactiunea ligand-receptor, complexele receptor-ligand sutn adunate in adancituri ale membranei tapetate pe fata interna cu un complex de endoproteine a carui componenta de baza este clatrina. Aceste microdomenii adancite sunt denumite structuri cu invelis si ele se formeaza permanent , aglomerand fie receptorii in asteptarea liganzilor, fie complexele ligand-receptor, dupa formare. Pe masura ce receptorii expusi la suprafata celulelor sau complexele ligand-receptor se aglomereaza in microdomeniul corespunzator al membranei, in invelisul de clatrina se formeaza adancitura membranei, care creste pana la definitivarea formei sale sferice si desprinderea de membrana la nivelul careia s-a format, sub forma unei vezicule cu invelis. Deci, rolul clatrinei este acela de a aglomera complexele ligand-receptor in zona membranara destinata endocitarii si de a controla adancirea microdomeniului membranar, care devine structura cu invelis, si formarea veziculei cu invelis. Acest rol are la baza capacitatea clatrinei de a se asambla in trimeri numiti trischelioni, care mai departe pot forma ochiuri hexagonale si pentagonale , ducand la formarea veziculei propriu-zise. Trimerizarea clatrinei la trischelioni si inretelarea acestora se realizeaza prin participarea unor molecule proteice ajutatoare= proteine adaptor (AP). Invelisul de clatrina al veziculelor de endocitoza mediata se dezasambleaza imediat dupa desprinderea veziculei de membrana celulara, devenind endosom, care se transforma adesea in lizosom prin fuzionarea cu organitul preexistent in celula. Deci, acest tip de transport cu membrana este unul concentrativ, spre deosebire de pinocitoza constitutiva. Ligandul este introdus in celula la o concentratie mai mare decat cea in care el se afla in mediu, intrucat este acumulat si concentrat la nvielul structurii de invelis prin complexele receptor-ligand.
29
Destinatia materialului endocitat depinde de tipul de substanta. LDL se elibereaza in endozom si este directionat catre lizozomi, in timp ce receptorul este reciclat la suprafata cellei pentru un nou ciclu de endocitoza.
Exista si o alta forma de pinocitoza mediata de receptori=potocitoza, ce serveste endocitarii moleculelor mici. Dupa legarea moleculelor mici, acestea sunt sechestrate in caveola care permit trecerea acestora direct in citoplasma prin anumite canale din membrana caveolara. Pinocitoza, in general, se clasifica in:
dependenta de clatrina independenta de clatrina o dependenta de caveolina o independenta de caveolina
28. Definiti urmatoarele notiuni: co -transport;simport;antiport In functie de numarul tipurilor de substante transportate simultan, difuzia facilitata poate fi clasificata in:
transport uniport(este transportata o singura entitate chimica) transport cuplat=co-transport(sunt transportate simultan doua sau mai multe entitati chimice) o transport simport(toate substantele sunt transportate in acelasi sens) o transport antiport(cel putin una din substante merge-n sens opus celorlalte)
Ca exemplu de transport simport, amintim co-transportorul de sodiu/glucoza (SGLT1) din membrana apicala a enterocitelor. Acest transportor foloseste disiparea gradientului De na pentru a transporta glucoza din lumenul intestinal in citosolul enterocitelor impotriva gradientului de concentratie a glucidului. Un astfel de transportor mai este numit si transport activ secundar, deoarece se bazeaza practic pe energia consumata anterior de celula pentru mentinerea gradientului de Na+. SGLT1 este o proteina transmembranara multipas cu 14 treceri in alfa-helix prin planul membranei, din care trecerile 10-14 au fost dovedite ca structurand calea de trecere a glucozei. Ambele capete ale lantului polipeptidic sunt in ectodomeniu. La om, SGLT1 face parte dintr-o familie de co-transportori sodiu/glucoza ce numara 11 membri. Ca exemplu de transport antiport, amintim canalul de schimb anionic HCO3- / Cl- din mb eritrocitara, cunoscut si drept banda 3/ AE1 (Anion Exchanger 1).
29. Clasificarea jonctiunilor a) Jonctiuni simple a. spatii intercelulare b. jonctiuni simple digitiforme
30
c. jonctiuni simple denticulare b) Jonctiuni speciale jonctiuni stranse = Zonula Occludens De ancorare= de atasare i. pe filamente de actina: 1. jonctiuni celula-celula = Zonula Adherens 2. jonctiuni celula-substrat = Jonctiunea focala ii. pe filamente intermediare: 1. jonctiuni celula-celula =Desmozom = Macula Adherens 2. jonctiuni celula-matrice = Hemidesmozom jonctiuni de comunicatie( Nexus GAP) complexe jonctionale c) Jonctiuni cu specificitate de tesut: - discuri intercalare(pt muschiul cardiac, prezente in miocardocite) -sinapsele(pt sistemul nervos)
30. Jonctiunea de comunicatie Nexus GAP Are aspect de macula si este o jonctiune intercelulara, de comunicare, ce prezinta canal. Cele doua membrane celulare sunt situate la o distanta de 2nm => se opune transportului in spatiul extracelular. Contine conexoni(pot fi peste 100). Conexonii sunt niste prisme hexagonale, formate din 6 subunitati de conexina(o proteina integrala, multipas). O astfel de prisma are lungimea cat plasmalema si prezinta central un canal hidrofil, ce poate avea 0,2 nm. Conexonul din plasmalema 1 comunica prin canalul hidrofil cu conexonul din plasmalema 2. Canalul transmembranar format de proteine solidarizeaza celulele intre ele, insa functia principala a jonctiunilor GAP este de a oferi canale de trecere pentru molecule mici(mai putin de 1000 Da: AA, AMPc, ioni, hormoni etc.), permitandu-le sa treaca din citoplasma unei celule in citoplasma celulei vecine. Canalul este inchis in conditiile in care o celula este agresata si moare(concentratia de Ca inchide canalul). Localizarea jonctiunilor GAP poate fi fie sub desmozomul in spot, fie in portiunile verticale ale discurilor intercalare. Astfel, prin aceste joncţiuni trec ioni – deci curent electric – eveniment important în evitarea întârzierilor la nivelul sinapselor Funcţii: a. se găsesc în sinapsele electrice şi au un rol important pentru funcţionarea acestora fiind de 10.000 de ori mai permeabile pentru ionii metalici decât restul sinapselor. b. comunicările intercelulare prin joncţiuni GAP au un rol important în embriogeneză (în perioada de organogeneză).
31. Complexe jonctionale 31
Sunt prezente in celulele epiteliale . Contin urmatoarele jonctiuni, in urmatoarea ordine: 1. Zonula Occludens 2. Zonula Adherens 3. Macula Adherens *In abordarea acestui subiect, se va descrie fiecare dintre cele 3 jonctiuni componente ( vezi urmatoarele subiecte, unde sunt abordate individual ).
32. Discul intercalar Discurile intercalare sunt jonctiuni cu specificitate de tesut. Au aspectul unor scari.Portiunile verticale prezinta jonctiuni GAP, iar in portiunile orizontale se intalnesc:filamente intermediare de desmina, macula Adherens si zonula Adherens. *In abordarea acestui subiect, se vor descrie mai departe fiecare dintre jonctiunile mentionate mai sus ( vezi urmatoarele subiecte, unde sunt abordate individual).
33.Jonctiunea stransa= Zonula Occludens Face parte din categoria jonctiunilor speciale. Este o jonctiune intercelulara. Se mai numeste si jonctiune pentalaminata, heptalaminata, sau Zonula Occludens. Se numeste Zonula pentru ca are aspect de banda sau de panglica, respectiv, Occludens pentru ca ocluzioneaza total sau partial spatiul extracelular. Acest tip de jonctiune este impermeabila pentru macromolecule, lasand sa treaca doar molecule mici, de tipul ionilor. Componente
OBLIGATORIU : cele doua membrane celulare , care se pot aseza fie la 2 nm una fata de cealalta(in acest caz , jonctiunea se numeste heptalaminata), fie isi pot suprapune straturile externe proteice, excluzand astfel spatiul extracelular ( in acest caz, jonctiunea se numeste pentalaminata) Siruri de "proteine gemene" = Occludine : sunt proteine integrale, care se asaza cate doua fata in fata => o structura de fermoar pe frontul extracelular ; In grosimea membranei, proteinele gemene realizeaza o retea cu ochiuri mai mult sau mai putin regulate. Cu cat sunt mai regulate, cu atat jonctiunea este mai putin extensibila, mai rigida. Daca ochiurile sunt largi si neregulate, jonctiunea este foarte flexibila; Componenta citoscheletica = microfilamentele de actina , aici ancorandu-se proteinele gemene Inele de fuziune, alcatuite din fosfolipide ale foitei externe, ce participa si ele la ocluzionarea spatiului extracelular
34. Jonctiuni de atasare pe microfilamente de actina - clasificare, descriere Ilustreaza categoria jonctiunilor speciale de ancorare.
32
Cele doua tipuri de jonctiuni de atasare pe microfilamente de actina sunt :
Zonula Adherens (jonctiune de tip celula-celula) Jonctiunea focala( jonctiune de tip celula-substrat)
Inainte de a le descrie pe fiecare in parte, sa stabilim un schelet structural comun, pe baza caruia vom descrie toate jonctiunile de atasare ( atat cele pe microfilamente de actina, cat si cele pe filamente intermediare,abordate in subiectul urmator) : In general, jonctiunile de atasare prezinta o organizare structurala comuna: 1. Cele doua mb atasate / mb atasata la substrat , aflate la o distanta cuprinsa intre 15-30 nm , aceasta fiind o distanta relativ mare, ce nu afecteaza transportul de markeri in spatiul extracelular 2. Proteina transmembranara linker, ce va stabili pe frontul extracelular legaturi homofilice/heterofilice ( in functie de tipul de proteina) , iar pe frontul intracelular se va atasa la ↓ 3. Complexul proteic de atasare la citoschelet, care leaga proteina linker la ↓ 4. Elementul de citoschelet ( reprezentat fie de microfilamente de actina, fie de filamente intermediare, in fucntie de tipul de jonctiune de atasare) Revenind putin la proteinele transmembranare linker, acestea pot fi dintre urmatoarele:
Selectine ( stabilesc legaturi HETEROFILICE) Integrine( ... HETEROFILICE) Imunoglobuline( HETEROFILICE) Cadherine ( HOMOFILICE)
Jonctiunile de atasare pot fi tranzitorii/definitive. Un exemplu de jonctiune tranzitorie sunt jonctiunile stabilite intre leucocite si endoteliul vascular, in procesul de diapedeza.
Sa trecem acum la rezolvarea efectiva a subiectului. Zonula Adherens 1. Cele doua membrane atasate la o distanta de 15 nm 2. Proteina transmembranara linker= Cadherina ( Ca 2+ dependenta), ce realizeaza legaturi HOMOFILICE pe frontul extracelular 3. Complex proteic de atasare la citoschelet reprezentat in acest caz de alfa, beta si gama catenine 4. Elementul de citoschelet e reprezentat de o bandeleta de microfilamente de actina Zonula Adherens se intalneste in portiunile orizontale ale discurilor intercalare, alaturi de Macula Adherens si de filamentele intermediare de desmina.
Jonctiunea focala 1. Mb celulara atasata la substrat = FIBRONECTINA , situate la 15 nm distanta 2. Proteina transmembranara linker = INTEGRINA , care este chiar receptorul specific pentru fibronectina ( integrina leaga fibronectina extracelular,stabilind legaturi HETEROFILICE, iar intracelular se leaga la ↓ 3. Complexul proteic de atasare la citoschelet reprezentat aici de TALINA + VINCULINA 33
4. Elementul de citoschelet e reprezentat de o bandeleta contractila de microfilamente de actina
35. Jonctiunea de atasare pe filamente intermediare Ilustreaza categoria jonctiunilor speciale, de ancorare. Cele doua tipuri de jonctiuni de atasare pe filamente intermediare sunt :
Desmozomul= Macula Adherens ( jonctiune de tip celula-celula) Hemidesmozomul ( jonctiune de tip celula-matrice)
*A se vedea scheletul structural comun pe baza caruia descriem toate jonctiunile de atasare, prezentat la inceputul subiectului precedent. Desmozomul=Macula Adherens 1. Cele doua mb atasate la 30 nm una fata de cealalta 2. Proteina transmembrana linker = CADHERINA (realizeaza legaturi de tip HOMOFILIC pe frontul extracelular) 3. Complexul proteic de atasare la citoschelet formeaza placa desmozomala si este alcatuit din : desmoplachina, desmoglobina, desmocalmina, desmoyokina si plakoglobina 4. Elementul de citoschelet este reprezentat de filamentele intermediare( in celulele epiteliale, filamentele intermediare sunt alcatuite din citokeratine, formand tonofilamente) Desmozomul este localizat sub Zonula Adherens ( in cadrul Complexelor Jonctionale) , precum si in portiunile orizontale ale discurilor intercalare, alaturi de Zonula Adherens si de filamentele intermediare de desmina.
Hemidesmozomul 1. Mb celulara atasata la substrat = membrana bazala, situate la 15-20 nm 2. Proteina transmembranara linker= INTEGRINA 3. Complex proteic de atasare la citoschelet formeaza placa desmozomala, fiind asezat pe frontul citoplasmatic al jonctiunii 4. Elementul de citoschelet : filamente intermediare organizate sub forma de tonofilamente Hemidesmozomii determina rigiditate si rezistenta crescute.
TIP : Ca proteine transmembranare linker, CADHERINELE apar mereu in cazul jonctiunilor de atasare celula-celula, iar INTEGRINELE apar mereu in cazul jonctiunilor de atasare celula-substrat
36. Microfilamentele de actina Constituie cca 20% din totalul proteinelor structurale ale celulelor musculare.
34
La mamifere exista 6 tipuri diferite de actina: 4 alfa actine, o actina beta si o actina gamma. Actinele alfa sunt intalnite in celulele musculare, iar celelalte doua in celulele nemusculare. Monomerul de actina globulara G are 375 reziduuri de AA si o greutate de 43 kDa. Fiecare monomer de actina G globulara prezinta situsuri de legare ce mediaza interactiunea cap-coada cu alti doi monomeri, a.i este posibila polimerizarea si formarea de actina F(polimerizata, filamentoasa). Fiecare monomer este rotit cu 166 grade in cadrul filamentului, acesta fiind motivul pt care actina F se constituie ca un dublu helix. Deoarece toti monomerii sunt orientati in aceeasi directie, filamentul de actina are o polaritate distincta si doua capete (+ si -), diferite unul de celalalt. Aceasta polaritate a filamentelor de actina este importanta atat in asamblarea, cat si in stabilirea unei directii unice a miscarii relative a miozinei in raport cu actina. Prima treapta a polimerizarii actinei este numita nucleatie si consta in formarea unor agregate mici, alcatuite din trei monomeri de actina G. Filamentele de actina pot in urmatoarea etapa sa creasca prin aditie reversibila de monomeri la ambele capete(+. -). Monomerii de actina leaga de asemenea ATP, care este hidrolizat la ADP, urmand asamblarea filamentelor. Cu toate ca polimerizarea nu solicita ATP, monomerii de actina care leaga ATP polimerizeaza mult mai repede decat aceia care leaga ADP. Deoarece polimerizarea este reversibila, filamentele se pot scurta prin disocierea subunitatilor de actina, depolimerizand cand este necesar. De aceea, exista un aparent echilibru intre forma G si forma F de actina, care depinde de concentratia monomerilor liberi. Rata cu care monomerii de actina sunt incorporati in filamentele de actina este d.p cu concentratia lor la nivelul citosolului. Se numeste concentratie critica de monomeri de actina, concentratia la care rata de polimerizare in filamente este egala cu rata de disociere. La aceasta concentratie critica, monomerii si filamentele sunt aparent in echilibru. Cele doua capete ale filamentelor de actina cresc cu rate diferite: monomerii de actina sunt fixati mai rapid la capatul +, decat la capatul -. Deoarece actina legata de ATP disociaza mai lent decat actina legata de ADP, aceasta duce la o diferente de concentratii critice de monomeri necesari pentru polimerizarea la ambele capete. Aceasta diferenta este exprimata in fenomenul de Treadmilling, ce ilustreaza dinamica filamentelor de actina. Deoarece ADP-actina disociaza mai rapid din filamentul de actina decat ATPactina, concentratia critica a monomerilor de actina este mai mare pentru aditia la capatul - decat la capatul + . In aceste conditii, exista o disociere neta de monomeri legati de ADP de la capatul -, balansat de o aditie de monomeri ATP la capatul plus. Pentru ca sistemul sa functioneze, concentratia monomerilor de actina trebuie sa fie intermediara intre concentratia critica ceruta de polimerizarea la capatul + si cea ceruta de capatul -. Deci, exista o pierdere neta de monomeri, de la capatul -. Droguri ce se leaga de actina si afecteaza polimerizarea:
CITOCHALAZINA -- se leaga la capatul + al filamentului de actina si ii blocheaza elongarea, aceasta ducand la modificari de forma celulara si inhibarea motilitatii celulare PHALLOIDINA -- se leaga strans la filamentul de actina si previne disocierea in molecule individuale. PHALLOIDINA marcata cu o substanta fluorescenta este frecvent utilizata pentru vizualizarea filamentelor de acina prin microscopia cu fluorescenta.
Atat asamblarea, cat si dezasamblarea actinei sunt influentate de proteinele asociate actinei. 35
37.Dinamica microfilamentelor de actina Microfilamentele de actina se pot organiza individual in:
bandelete retea
In cadrul bandeletelor, filamentele de actina sunt asezate in pachete de filamente paralele. In retele, ele sunt asezate in toate directiile, formand retele tridimensionale cu proprietatea de gel semisolid. Formarea acestor structuri este guvernata de o serie de proteine asociate actinei ce realizeaza crosslink-uri ale filamentelor de actina. Toate proteinele implicate in legarea filamentelor de actina, contin doua domenii de legare la actina, permitand ca o molecula sa lege doua filamente de actina. Proteinele ce crosslinkeaza filamentele de actina in bandelete(numite proteine asociate bandeletelor) uzual sunt proteine cu molecule mici si rigide ce forteaza filamentele de actina sa se aseze regulat, paralel intre ele. In contrast, proteinele ce intervin in organizarea filamentelor in retea sunt mari, flexibile si faciliteaza formarea retelei tridimensionale. Sunt doua tipuri structurale si functionale de bandelete realizate de proteinele asociate actinei: Tipul 1 - contine filamente de actina paralele distantate la mici spatii intre ele. In aceste bandelete toate filamentele au aceeasi polaritate cu capatul + spre membrana plasmatica. Un exemplu de proteina implicata in formarea acestor bandetele este FIMBRINA. Tipul 2- contine filamente de actina paralele dar la distante mai mari, si sunt capabile de contractie. De exemplu, bandeletele de actina din inelul de contractie ce divide celulele in telofaza. Structura laxa a acestui tip de bandelete reflecta proprietati alfa-actininei. Opus fimbrinei, alfa-actinina formeaza dimeri pentru a lega doua filamente diferite de actina. Astfel, cresterea spatiului dintre filamentele de actina permite miozinei sa interactioneze cu bandeletele de actina, facandu-le capabile sa se contracte. Reteaua de filamente de actina este generata si mentinuta de o molecula proteica mare: FILAMINA ABP 280, prezenta in forma dimerica. Domeniul de legare la actina se gaseste opus domeniului de dimeriare, a.i dimerul de filamina este o molecula flexibila in forma de V ce leaga la ambele capete ale V-ului actina, realizand o retea tridimensionala, numita cortexul celular, responsabil de forma celulara si de miscarile de suprafata. In eritrocite, baza citoscheletului cortical este reprezentata de o alta proteina asociata actinei numita spectrina, un tetramer. Capetele filamentelor de spectrina se asociaza cu filamentele scurte de actina, formandu-se o retea de spectrina si actina,care se leaga de mb plasmatica prin ankirina, ce se leaga atat de spectrina cat si de domeniul intracelular al proteinei benzii 3. In alte tipuri celulare decat heatia, legarea citoscheletului cortical este similara si realizata prin proteine spectrin-like, reprezentate de:
36
fodrine
filamina disforina( legata de maladiile Duchenne/Becker, datorate fie lipsei disforinei fie inlocuirii ei cu o proteina anormala)
38. Microfilamentele de miozina Miozina reprezinta prototipul unui motor molecular ce transforma energia chimica a ATP-ului in energie mecanica, astfel generand forta si energie. Contractia musculara are la baza aceasta interactiune chimica. Miozina este o proteina cu greutatea moleculara de 500 kDa, alcatuita din :
2 lanturi grele identice, fiecare de cate 200 kDa 4 lanturi usoare, fiecare avand 16-20 kDa
Fiecare lant greu are cate o portiune globulara si cate o portiune alfa helicoidala. Portiunea alfa helicoidala a unui lant greu se spiralizeaza in jurul portiunii alfa helicoidale a celuilalt lant greu si dau nastere unui dimer ce formeaza bastonasul moleculei de miozina. Cele doua capete globulare ale moleculei de miozina au fiecare atasat cate doua lanturi usoare. Filamentul gros de miozina este format din cateva sute de molecula de miozina. Capetele globulare ale moleculei de miozina formeaza puntile de legatura intre filamentele groase si cele subtiri. Orientarea moleculelor de miozina in cadrul filamentului gros este cu capetele alfa helicoidale catre membrana si cu capetele globulare de-a lungul filamentelor de actina in drectia capatului +. Odata cu legarea filamentelor de actina, molecula de miozina leaga si hidrolizeaza ATP-ul, ceea ce faciliteaza alunecarea filamentelor. Exista si miozine necontractile. Acestea nu sunt organizate in filamente si de aceea nu sunt implicate in contractie. Pot fi implicate in transportul celular. In celulele nemusculare, miozina formeaza fibrele de stress si centurile de aderenta.
40.Proteinele asociate actinei in procesul de polimerizare
37
TYMIOZINA GM - principala responsabila de separarea monomerilor de actina si previne asamblarea lor in filamentul de actina PROFILINA - se leaga de monomerii de actina similar tymiozinei si previne polimerizarea; In acelasi timp, profilina poate promova si incorporarea monomerilor in filamente prin transformarea ADP si ATP, transformare ce duce la formarea ATP-monomerilor, ce se incorporeaza rapid la capatul + al filamentului de actina Proteinele de la capete - se leaga la capetele filamentelor de actina, prevenind pierderea sau aditia de monomeri
GELSOLINA - face parte din categoria proteinelor ce promoveaza deplasarea filamentelor de actina; ea fragmenteaza filamentele de actina si ramane apoi blocata de capetele +, servind ca o proteina ce blocheaza cresterea filamentului. Gelsolina este activata de Ca2+ si de aceea poate fi stimulata de semnale extracelulare ce tranzitoriu pot creste concentratea intracelulara de Ca2+.
PROFILINA si GELSOLINA se lega de fosfatidilinozitoli, iar acest lucru, cuplat cu reglarea Ca2+ dependenta, arata legatura dintre semnalele extracelulare si citoscheletul de actina. Droguri ce se leaga de actina si afecteaza polimerizarea:
CITOCHALAZINA -- se leaga la capatul + al filamentului de actina si ii blocheaza elongarea, aceasta ducand la modificari de forma celulara si inhibarea motilitatii celulare PHALLOIDINA -- se leaga strans la filamentul de actina si previne disocierea in molecule individuale. PHALLOIDINA marcata cu o substanta fluorescenta este frecvent utilizata pentru vizualizarea filamentelor de acina prin microscopia cu fluorescenta.
41. Proteinele asociate actinei in procesul de asamblare in citoschelet Proteinele ce crosslinkeaza filamentele de actina in bandelete(numite proteine asociate bandeletelor) uzual sunt proteine cu molecule mici si rigide ce forteaza filamentele de actina sa se aseze regulat, paralel intre ele. In contrast, proteinele ce intervin in organizarea filamentelor in retea sunt mari, flexibile si faciliteaza formarea retelei tridimensionale. Sunt doua tipuri structurale si functionale de bandelete realizate de proteinele asociate actinei: Tipul 1 - contine filamente de actina paralele distantate la mici spatii intre ele. In aceste bandelete toate filamentele au aceeasi polaritate cu capatul + spre membrana plasmatica. Un exemplu de proteina implicata in formarea acestor bandetele este FIMBRINA. Tipul 2- contine filamente de actina paralele dar la distante mai mari, si sunt capabile de contractie. De exemplu, bandeletele de actina din inelul de contractie ce divide celulele in telofaza. Structura laxa a acestui tip de bandelete reflecta proprietati alfa-actininei. Opus fimbrinei, alfa-actinina formeaza dimeri pentru a lega doua filamente diferite de actina. Astfel, cresterea spatiului dintre filamentele de actina permite miozinei sa interactioneze cu bandeletele de actina, facandu-le capabile sa se contracte. Reteaua de filamente de actina este generata si mentinuta de o molecula proteica mare: FILAMINA ABP 280, prezenta in forma dimerica. Domeniul de legare la actina se gaseste opus domeniului de dimeriare, a.i dimerul de filamina este o molecula flexibila in forma de V ce leaga la ambele capete ale V-ului actina, realizand o retea tridimensionala, numita cortexul celular, responsabil de forma celulara si de miscarile de suprafata. In eritrocite, baza citoscheletului cortical este reprezentata de o alta proteina asociata actinei numita spectrina, un tetramer. Capetele filamentelor de spectrina se asociaza cu filamentele scurte de actina, formandu-se o retea de spectrina si actina,care se leaga de mb plasmatica prin ankirina, ce se leaga atat de spectrina cat si de domeniul intracelular al proteinei benzii 3.
38
In alte tipuri celulare decat heatia, legarea citoscheletului cortical este similara si realizata prin proteine spectrin-like, reprezentate de:
fodrine filamina disforina( legata de maladiile Duchenne/Becker, datorate fie lipsei disforinei fie inlocuirii ei cu o proteina anormala)
42. Organizarea sarcomerului in fibra musculara scheletica Muschiul scheletic este format din bandelete de fibre musculare. Fibra musculara are diametrul de 50 microni si lungimea de cativa cm, formate prin fuzionarea multor celule individuale in timpul dezvoltarii. Cea mai mare parte a citoplasmei este alcatuita din miofibrile, care sunt bandelete cilindrice alcatuite din doua tipuri de filamente:
filamente groase de miozina, cu diametru de 15 microni filamente subtiri de actina, cu diametrul de 7 microni
Fiecare miofibrila e organizata din unitati contractile numite sarcomere, ce sunt responsabile de striatiile transversale. Sarcomerele au cca 2 microni lungime, contin mai multe regiune distincte, decelate de microscopul electronic. La capetele unui sarcomer se afla membrane Z. In fiecare sarcomer , banda intunecata=discul anizotrop se dispune intre doua jumatati de discuri clare=discuri izotrope. Benzile clare corespund absentei filamentelor de miozina. Banda I contien numai filamente subtiri de actina, in timp ce banda A contine filamente de miozina si de actina. Filamentele de actina si de miozina alterneaza in regiunea periferica a discului A, in timp ce in partea centrala se gaseste zona H unde exista numai filamente de miozina. Filamentele de actina sunt atasate cu capetele+ la mb Z, ce includ si alfa-actinina, proteina de linkare. Filamentele de miozina sunt legate de membranele M din mijlocul zonei H luminoase. La formarea si stabilizarea sarcomerului mai contribuie doua proteine aditionale:
Titina ( se intinde de la mb M la mb Z) Nebulina (se asociaza actinei, stabilizand lungimea filamentului de actina)
In timpul contractiei, fiecare sarcomer se scurteaza, apropiindu-se intre ele mb Z. Nu exista nicio modificare a discului A. Datorita scurtarii, atat discurile I cat si zona H aproape dispar, si aceasta se datoreaza alunecarii filamentelor de actina printre cele de miozina. http://www.youtube.com/watch?v=P1zD_MpTo0M
39
43. Filamentele intermediare Spre deosebire de microfilamentele de actina, filamentele intermediare nu sunt implicate in miscarea celulara. Filamentele intermediare sunt cele mai stabile structuri ce prezinta rol structural. In timp ce filamentele de actina si microtubulii sunt polimeri ai aceluiasi tip de proteina(actina si tubulina), filamentele intermediare sunt alcauite dintr-o varietate de proteine ce se exprima in diferite tipuri de celule. Au fost identificate mai mult de 50 de tipuri de filamente intermediare ale caror proteine au fost clasificate in 6 grupuri: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Keratine continand fiecare cate 15 proteine diferite(pot fi keratine tari/moi) Keratine continand fiecare cate 15 proteine diferite(pot fi keratine tari/moi) Sunt incluse aici: vimentina, desmina, proteine fibrilare gliale acide si periferina Cuprinde proteine din neurofilamente , prezente in neuronii motori din SNC Cuprinde laminine nucleare, componente ale anvelopei nucleare Cuprinde nestina, prezenta in celulele stem ale SNC
Filamentele intermediare au o organizare structurala comuna. Toate proteinele filamentelor intermediare au o portiune centrala alfa-helicoidala de aproximativ 310 AA. Partea centrala este flancata de capetele amino si carboxi terminale ce variaza ca dimensiuni. Capul e prezentat de capatul amino terminal, iar coada de capatul carboxiterminal, acestea 2 determinand functii specifice, in timp ce domeniul alfahelicoidal joaca un rol central in asamblarea filamentelor. Primul stadiu in formarea filamentelor intermediare este formarea dimerilor, in care partea centrala este formata din doua lanturi polipeptidice rasucite helicoidal. Dimerii se pot asocia doi cate doi dispusi paralel,capatul aminoterminal in dreptul capatului carboxi terminal determinand formarea de tetrameri, care la randul lor se pot atasa cap la cap formand protofilamente. In final, un filament intermediar contine 8 protofilamente asezate circular, formand o structura cilindrica. Proteinele din filamentele intermediare sunt modificate frecvent prin fosforilare, ce poate regla asamblarea si deplasarea lor in celula. Cel mai clar exemplu este fosforilarea lamininei nucleare, ceea ce duce la dezasamblarea lamininei nuclare si distrugerea invelisului nuclear in timpul mitozei.
44. Microvili, stereocili, cili, flageli Cilii si flagelii sunt prelungiri ale celulelor eucariote, ce au in structura lor microtubuli. Cilii si flagelii celulelor EK sunt foarte similari in structura, avand diametrul 0,25 microni si lungimi de 10 microni in cazul cililor si 200 microni in cazul flagelilor. Structura fundamentela de baza a cililor si flagelilor este axonema, alcatuita din microtubuli si din proteinele lor asociate. Microtubulii au un aranjament caracterisctic 9+2 (un dublet inconjurat de 9 dublete periferice). Microtubulii periferici sunt legati de perechea centrala prin legaturi radiare alcatuite din nexina. Microtubulilor li se anexeaza si proteina dineina, iar activitatea ei de motor determina bataia cililor si a flagelilor.
40
Miscarea cililor si a flagelilor reprezinat alunecarea relativa a dubletelor de microtubuli unele fata de altele sub actiunea dineinei. Miscarea capetelor de dineina in directia + catre -, determina ca microtubulul dintr-un dublet sa alunece spre capatul bazal al microtubulului adiacent. Deoarece dubletele de microtubuli sunt conectate prin nexina, alunecarea unui dublet in raport cu altul determina inclinarea si indoirea lor. Cilii se gasesc in special in mucoasa uterina si in epiteliul olfactiv. Microvilii sunt extensii permanente, digitiforme, abundente la celulele epiteliale implicate in absorbtie. Pe suprafata apicala a enterocitelor formeaza marginea in perie, alcauita din aprox. 1000 microvili ce maresc de 10-20 ori suprafata de absorbtie. Microvilii contin 20-30 filamente de actina paralele legate transversal si foarte strans prin fimbrina sau vilina. Extremitatea + este legata de o proteina de acoperire, iar cea - este ancorata intr-o retea terminala formata din spectrina. Miscarile sunt datorate interactiunii dintre actina si miozina din reteaua terminala. Stereocilii sunt forme specializate de microvili din celulele auditive, care detecteaza vibratiile sonore.
45.Microtubuli Sunt formatiuni cilindrice cu diametrul de 25 nm si reprezinta a treia componenta principala a citoscheletului. Ca si filamentele de actina, microtubulii sunt structuri dinamice, ce se asambleaza si se dezasambleaza continuu la nivelul celulei. Au rol in mentinerea formei celulare, in locomotia celulara, in transportul intracelular de organite si in separarea cromozomilor in mitoza. Microtubulii sunt alcatuiti dintr-un singur tip de proteina numita tubulina, un dimer alcauit dintr-o subunitate alfa si una beta. Exista si o gamma tubulina, localizata in special in centrozom, cu rol in initierea asamblarii microtubulilor. Dimerii de tubulina vor polimeriza pentru a forma microtubulii, care, in general, sunt alcatuiti din 13 protofilamente asamblate in jurul unui spatiu central. Protofilamentele, alcauite dintr-un aranjament capcoada al dimerilor de tubulina, sunt dispuse paralel la nivelul microtubulilor. La fel ca filamentele de actina, microtubulii sunt structuri polare cu doua capete distincte: capatul + cu o crestere rapida si capatul + cu o crestere incetinita. Polaritatea este importanta in determinarea directiei de miscare de-a lungul microtubulului, exact cum polaritatea filamentului de actina determina directia de miscare a miozinei. Dimerii de tubulina se pot depolimeriza la fel de repede cum se pot polimeriza, iar microtubulii pot avea cicluri rapide de asamblare si dezasamblare. Atat alfa, cat si beta tubulina leaga GTP, care functioneaza analog ATP-ului in cazul actinei. GTP-ul legat de beta tubulina este hidrolizat la GDP urmand depolimerizarea. Astfel, se poate vorbi de acelasi comportament de treadmilling (moleculele legate de GTP sunt permanent pierdute de capetele - si sunt inlocuite prin aditie de molecule de tubulina legate de GTP la capatul + al aceluiasi microtubul). Turnoverul de reinnoire este rapid, de cateva minute, si este foarte important pentru remodelarea citoscheletului din timpul mitozei.
41
Din cauza rolului central al microtubulilor in mitoza, drogurile ce afecteaza asamblarea microtubulilor sunt utilizate in tratamentul cancerului( ex: Colchicina se leaga de tubulina si inhiba polimerizarea tubulinei, blocand mitoza, deci inhiband diviziunea celulara). La fel si Taxolul, Vincristina, Vinblastina. Motorul microtubulilor si miscarile Microtubulii sunt responsabili de diferite tipuri de miscari, incluzand: transportul celular, pozitionarea membranelor veziculare si a organitelor, separarea cromozomilor in mitoza, bataia cililor si a flagelilor. Miscarea de-a lungul microtubulilor este bazata pe existenta unei proteine motor ce utilzieaza energia derivata din hidroliza ATP-ului. Exista doua familii de astfel de proteine:
kinezinele dineinele
Kinezinele si dineinele sunt proteine distincte ce se misca de-a lungul microtubulilor in directii opuse: kinezina de la capatul - la capatul + , si dineina de la capatul + la capatul -. Am stabilit ca kinezina se misca de la capatul - la capatul +. Capatul + este dispus , la axon, catre butonul terminal, deci, kinezina are rol in transportul veziculelor si organitelor celulare dinspre corpul axonal. Prin cristalografie cu raze X s-a stabilit ca atat kinezina, cat si miozina utilieaza mecanisme moleculare identice pt cuplarea si hidroliza ATP-ului. Kinezinele si dineinele au structuri pe baza de lanturi grele si usoare. Lanturile grele formeaza domenii globulare ce leaga ATP-ul si ele sunt responsabile de deplasarea de-a lungul microtubulilor.
46. Centrii de organizare ai microtubulilor Microtubulii se extind in celula din centrii de organizare ai microtubulilor, in care acestia sunt ancorati cu capetele -. In marea majoritate a celulelor, centrul de organizare este Centrozomul, localizat in apropierea nucleului. In timpul mitozei, microtubulii se extind din centrul celular duplicat pentru a forma fusul de diviziune, ce este responsabil de separarea si distributia cromozomilor in celulele fiice. Centrozomul serveste de situs initial de asamblare al microtubulilor, care cresc apoi catre periferie de la nivelul centrozomilor. Acest lucru stabileste si polaritatea microtubulilor in celula. Capatul - este la nivelul centrozomului, iar capatul + este catre citoplasma celulara. Centrozomii sunt formati dintr-o pereche de centrioli perpendiculari unul pe celalalt, inconjurata de o masa amorfa de material pericentriolar. Centriolii sunt structuri cilindrice alcauite din 9 triplete de microtubuli, similar corpusculului bazal al cilului si flagelului. Centriolii sunt considerati precursorii corpusculilor bazali. Microtubulii ce emana din centrozom se termina la periferia materialului pericentriolar, deci, nu centriolii, ci materialul pericentriolat initiaza asamblarea microtubulilor. Exista un numar mare de proteine asociate cu centrozomul, dar inca nu este cunoscut rolul lor in asamblare.
42
Reorganizarea microtubulilor in timpul mitozei Aranjamentul microtubulilor prezent in interfaza se dezasambleaza la subunitati libere de tubulina, care sunt responsabile de formarea fusului de diviziune, care la randul lui este responsabil de separarea cromozomilor. Mai intai, are loc duplicarea centrozomului pentru a forma 2 centri de organizare separati, care se dispun la polii opusi ai celulei. Cei doi centrozomi vor forma cei doi poli ai fusului de diviziune. Cum celula intra in mitoza, rata de dezasamblare creste de 10 ori. Astfel, are loc o dezasamblare a microtubulilor interfazici si o crestere a formarii de microtubuli scurti emanati din centrozom. Formarea fusului de diviziune implica o stabilizare selectiva a unor microtubuli ce emana de la nivelul centrozomului. Microtubulii care formeaza fusul de diviziune sunt de trei feluri:
Kinetocorcentriolari, asociati cu proteine specifice pt a forma kinetocorii; acesti microtubuli joaca un rol important in separarea cromozomilor mitotici Polari, care se ataseaza la cromozomi si se intrepatrund cu microtubulii din polul opus Astrali, care emerg radiar in jurul centrozomilor, avand liber capatul +
Asamblarea si dezasamblarea dinamica a microtubulilor este reglata de o variatate de proteine asociate, numite MAPs. Aceste proteine se leaga de microtubuli si inhiba disocierea subunitatilor de tubulina, si pot media si asocierea lor cu alte elemente ale citoscheletului, precum filamentele intermediare. Spre exemplu, microtubulii din axoni si din dendrite sunt diferit organizati si se asociaza cu proteine MAPs distincte. In axoni, microtubulii sunt orientate cu capetele + catre butonii terminali si cu capetele catre corpul celular. Ambele capete se termina in citoplasma, si nu in centrozom. In schimb, in dendrite microtubulii sunt paraleli intre ei, unii avand capatul + spre corpul celular, altii pe cel -.
47. Centriolii, centrul celular Centriolii sunt organite cilindrice stabile in citoplasma celulelor. Au un diametru de 0,15 nm si o lungime de pana la 0,5 nm. Sunt alcatuiti din 9 triplete de microtubuli, similar corpusculului bazal al cilului si flagelului. Centriolii sunt considerati precursori ai corpusculului bazal, intrand in componenta centrulului celular. Centrozomul=centrul celular este alcatuit din doi centrioli orientati perpendicular unul pe celalalt si inconjurati de un material amorf pericentriolar. Microtubulii care provin din centrozom nu se vor termina in centriol, ci in materialul pericentriolar care initiaza asamblarea microtubulilor si care poate capta extremitatile microtubulilor polimerizati independent in citosol. Centrul celular este responsabil de initierea si declansarea diviziunii celulare, formand fusul de diviziune prin microtubuli. De asemenea genereaza si msicarea cililor sau a flagelilor prin faptul ca la baza acestora se gaseste intotdeauna un centriol numit corpuscul bazal.
43
48. Ribozomii - structura si organizare, biogeneza Denumirea de ribozomi provine de la acidul ribonucleic din structura acestora si de la cunvatul grecesc soma=corp. Ribozomii sunt organite citoplasmatice gasite atat la PK, cat si la EK. La EK, ribozomii sunt prezenti in toate tipurile celulare, cu exceptia hematiei adulte, dar si in matricea unor organite celulare cum sunt mitocondriile, unde au rol in sinteza protein-enzimelor specifice. Ribozomii mitocondriali sunt intotdeauna mai mici decat cei citoplasmatici si sunt comparabili cu ribozomii PK, ceea ce reflecta originea pe scara evolutiei a mitocondriei. Ribozomii sunt gasiti in celula sub doua forme: liberi si atasati RE. Starea in care se gasesc ribozomii depinde de prezenta in lantul polipeptidic sintetizat a unei secvente numite "semnal de orientare catre RE"(ER-targeting signal sequence). Ribozomii liberi:
Se gasesc in citoplasma(citosol) Pot apare singuri sau in grupuri sub forma de poliribozomi sau polisomi(atasi de un ARNm) Sunt mai numerosi in celulele implicate in sitneza proteinelor solubile in citoplasma sau care formeaza structuri citoplasmatice importante sau elemente motile
Ribozomii atasati:
Se gasesc atasati la exteriorul RE formand RER Apar in cantitati mai mari in celulele care secreta proteine de export, proteine care in general contin punti disulfurice sau AA cu cisteina, necesitand sinteza in lumenul RE Sunt responsabili de sinteza proteinelor care vor intra in constitutia membranelor sau vor fi impachetate in vezicule si stocate in citoplasma sau exportate in afara celulei
Ribozomii sunt responsabili de bazofilia citoplasmei. Dupa valoarea constantei de sedimentare, se descriu la PK ribozomi 70S si la EK ribozomi 80S(unitatea Svedberg este o masura a ratei de sedimentare a uni component centrifugat, care depinde atat de greutate moleculara, cat si de forma tridimensionala a componentului). Aceasta diferenta de structura sta la baza utilizarii antibioticelor care distrug doar ribozomi PK ai bacteriilor, fara a actiona asupra ribozomilor 80S. Ribozomii mitocondriali sunt protejati de actiunea antibioticelor prin prezenta dublei membrane. Dimensiunile ribozomului sunt curprinste in 15-30 nm. Structural, sunt formati din ribonucleoproteine si din molecule de ARNr ( 3 la PK si 4 la EK). Componenta proteica are rol de a stabiliza structura si influenteaza mai degraba abilitatea ARNr de a sintetiza proteine. In citoplasma, ribozomii pot disocia reversibil in 2 subunitati: mare si mica . Sub mici:
30S la PK 40S la EK
Sub mari:
44
50S la PK 60S la EK
Subunitatea mica ribozomala 40 S: o o
Alcatuita dintr-o singura molecula de ARN : 18S Contine aprox. 33 lanturi proteice(notate S1-S33), cu greutate moleculara mica
Subunitatea mare ribozomala 60S: o o
Alcatuita din 3 molecule ARN Contine aprox. 50 lanturi protice(notate L1-L50), cu greutate moleculara mica
Biogeneza ribozomilor Biogeneza ribozomilor are loc in citoplasma si in nucleol si implica functionarea coordonata a peste 200 de proteine si procesarea celor 4 ARNr cat si asamblarea acestora cu RNP. RNP sunt sintetizate in citoplasma in vecinatatea nucleului. Componentele proteice ale subunitatilor mare si mica sunt importate in nuclei prin porii nucleari cu diametru de 120nm. Prin porii nucleari sunt importate prin transport activ peste 560 000 RNP/minut. ARNr este transcris cu viteza foarte mare in nucleol aici gasindu-se toate cele 45 de gene care codifica ARNr. Dupa aceea, este asamblat cu subunitatile ribozomale si este exportat prin porii nucleari in citoplasma.
49. Functiile ribozomului Ribozomii constituie sediul biosintezei proteice prin interactiuni intre ARNm, ARNt si ARNr, fiind denumiti aparatul de traducere al celulei. Formele active ale ribozomilor sunt reprezentate de agregatele ribozomale. Etapele traducerii informatiei genetice sunt:
Sinteza aminoacil-ARNt Initierea sintezei lantului polipeptidic Elongarea lantului polipeptidic Incheierea sintezei lantului polipeptidic
1. Sinteza aminoacil-ARNt Se realizeaza de catre aminoacil-ARNt sintetaze - 20 de enzime ce recunosc specific cei 20 de AA si anticodonii asociati lor. Practic, aminoacil-ARNt realizeaza legatura dintre secventa codonilor din ARNm si structura primara a proteinelor.
45
Situsurile de legare ARN ale ribozomului sunt: 1. 2. 3.
Situsul pentru ARNm Situsul pentru ARNt Situsul A (ACCEPTOR): leaga aminoacil-ARNt Situsul P (POLIPEPTIDIL): leaga polipeptidul in curs de sinteza cuplat cu ARNt Situsul E (EXIT) : leagala o molecula de ARNt fara rest aminoacil/peptidil
http://www.youtube.com/watch?v=Ikq9AcBcohA
2. Initierea sintezei lantului polipeptidic Se formeaza un complex de preinitiere din subunitatea mica ribosomala, primul aminoacil-ARNt , cel initiator, intotdeauna metionin-ARNt , precum si factori eucariotici de initiere. Complexul se ataseaza pe ARNm si detecteaza codonul start, intotdeauna AUG. Met-ARNt este situat in situsul P al ribozomului (ordinea e E P A) . Met-ARNt e folosit o singura data in sinteza unui lant peptidic si este numit ARNt de initiere. In situsul A se ataseaza aminoacil-ARNt corespunzator urmatorului codon din ARNm. Este catalizata sinteza legaturii peptidice dintre metionina si al doilea aminoacid, cu transferul dipeptidului pe al doilea ARNt => ARNt dipeptidil. ARNt-ul corespunzator metioninei este mutat in situsul E si eliberat, prin mutarea cu 3 baze in directia 3' a ARNm. 3. Elongarea Incepe cand ARNt-dipeptidil este transferat din situsul A in situsul P, proces care va continua pe toata lungimea ARNm. Intotdeauna in situsul A se va alinia un alt codon care va fi recunoscut de anticodonul corespunzator din ARNt si care va lega un nou AA la catena polipeptidica.
4. Incheierea sintezei lantului peptidic Are loc cand in dreptul situsului A ajunge codonul stop (UAA, UAG, UGA), pentru care nu exista ARNt cu anticodon complementar. Codonii stop sunt recunocsuti de o proteina numita factor de terminare, care se leaga in situsul A si produce hidroliza legaturii dintre catena polipeptidica si ARNt din situsul P. Lantul polipeptidic este modificat in continuare prin hidroliza si indepartarea radicalului metionil.
50. Sisteme celulare generatoare de energie: caracteristici * A se studia mai intai subiectele referitoare la Mitocondrie !!!
46
** In abordarea acestui subiect se va discuta despre lantul respirator( vezi functiile mb mitocondriale interne , printre ultimele subiecte) , este bine sa mentionezi si de glicoliza anaeroba, metabolizarea acizilor grasi ( vezi tot la mitocondrie). ***Asistenta de biocel LP a precizat ca mai multe informatii se vor afla la biochimia de sem 2 ( acest document a fost creat pe sem 1).
51.Sinteza lantului polipeptidic la nivelul ribozomilor Etapele traducerii informatiei genetice sunt:
Sinteza aminoacil-ARNt Initierea sintezei lantului polipeptidic Elongarea lantului polipeptidic Incheierea sintezei lantului polipeptidic
1. Sinteza aminoacil-ARNt Se realizeaza de catre aminoacil-ARNt sintetaze - 20 de enzime ce recunosc specific cei 20 de AA si anticodonii asociati lor. Practic, aminoacil-ARNt realizeaza legatura dintre secventa codonilor din ARNm si structura primara a proteinelor. Situsurile de legare ARN ale ribozomului sunt: 4. 5. 6.
Situsul pentru ARNm Situsul pentru ARNt Situsul A (ACCEPTOR): leaga aminoacil-ARNt Situsul P (POLIPEPTIDIL): leaga polipeptidul in curs de sinteza cuplat cu ARNt Situsul E (EXIT) : leagala o molecula de ARNt fara rest aminoacil/peptidil
http://www.youtube.com/watch?v=Ikq9AcBcohA
2. Initierea sintezei lantului polipeptidic Se formeaza un complex de preinitiere din subunitatea mica ribosomala, primul aminoacil-ARNt , cel initiator, intotdeauna metionin-ARNt , precum si factori eucariotici de initiere. Complexul se ataseaza pe ARNm si detecteaza codonul start, intotdeauna AUG. Met-ARNt este situat in situsul P al ribozomului (ordinea e E P A) . Met-ARNt e folosit o singura data in sinteza unui lant peptidic si este numit ARNt de initiere. In situsul A se ataseaza aminoacil-ARNt corespunzator urmatorului codon din ARNm. Este catalizata sinteza legaturii peptidice dintre metionina si al doilea aminoacid, cu transferul dipeptidului pe al doilea ARNt => ARNt dipeptidil. ARNt-ul corespunzator metioninei este mutat in situsul E si eliberat, prin mutarea cu 3 baze in directia 3' a ARNm. 3. Elongarea
47
Incepe cand ARNt-dipeptidil este transferat din situsul A in situsul P, proces care va continua pe toata lungimea ARNm. Intotdeauna in situsul A se va alinia un alt codon care va fi recunoscut de anticodonul corespunzator din ARNt si care va lega un nou AA la catena polipeptidica.
4. Incheierea sintezei lantului peptidic Are loc cand in dreptul situsului A ajunge codonul stop (UAA, UAG, UGA), pentru care nu exista ARNt cu anticodon complementar. Codonii stop sunt recunocsuti de o proteina numita factor de terminare, care se leaga in situsul A si produce hidroliza legaturii dintre catena polipeptidica si ARNt din situsul P. Lantul polipeptidic este modificat in continuare prin hidroliza si indepartarea radicalului metionil.
52. Plierea proteinelor: saperone * Preferabil, a se studia mai intai subiectele referitoare la RE ( pentru o completa intelegere) !!! Vorbim in acest caz despre o functie a RE, si anume, vorbim despre asistarea proteinelor pentru impachetarea corecta. Ca si in cazul tunderii structurilor oligozaharidice, apartenenta acestor procese de asistare la prelucrarile co sau post-traducere este in dezbatere, cel mai probabil ele avand loc atat concomitent cu, dar si dupa terminarea traducerii. Asistarea este realizata de proteine numite saperone = chaperone , acestea fiind deci molecule specializate in asistarea proteinelor nou-sintetizate pentru adoptarea conformatiei corecte, acea conformatie ce asigura functionalitatea macromoleculelor. Calnexina Prin activitatea ei de tip lectinic, leaga structurile N-glicozidice ramase dupa tundere cu o singura glucoza. Calnexina mentine precursorul de glicoproteina legat pe tot parcursul asistarii sale in adoptarea conformatiei corecte. Desprinderea glicoproteinei din interactiunea cu calnexina nu se face decat dupa realizarea acestui scop, prin actiunea unei glucozidaze aflate-n lumenul RE. Mai mult, in cazul in care, accidental, glucoza este clivata inainte de terminarea rolului calnexinei, macromolecula nu va parasi RE catre complexul Golgi, ci va fi reglucozilata de catre o glucozil-transferaza. Acesta ii va transfera o glucoza de pe substratul Uridildifosfo-glucoza, asigurand astfel reatasarea glicoproteinei la calnexina, pentru definitivarea proecsului de asistare.
Protein disulfura izomeraza
48
Intrucat lumenul RE este echivalentul spatiului extracelular, inseamna ca aici sunt prezente conditii oxidante, lucru ce favorizeaza realizarea de punti disulfurice. Intrucat in structura cuaternara a proteinelor, puntile disulfurice nu se stabilesc neaparat intre doua Cysteine in succesiunea-n care apar ele in secventa primara, ci dimpotriva, la distanta ( de multe ori chiar intre regiuni aflate una la capatul N-terminal, alta la cel C-terminal), realizarea acestor legaturi trebuie foarte bine controlata. Acest lucru se face prin asistarea prin intermediul enzimei protein disulfura izomeraza, care desface puntile incorecte din proteinele a caror traducere s-a terminat si ajuta la realizarea puntilor -S-S- corecte.
BiP = Binding Protein Este saperona cu cea mai larga sfera de actiune si este responsabila si de controlul deschiderii si inchiderii porului transloconului. BiP complexeaza noile proteine translocate si nu le elibereaza decat atunci cand impachetarea lor este corect definitivata. Daca proteina esueaza in adoptarea conformatiei corecte, BiP o "conduce" inapoi la translocon, care, prin asocierea cu proteine accesorii diferite de cele de internalizare, expulzeaza lantul polipeptidic "ratat" in citosol, unde este poliubiquitinilat, intrand in proces de degradare proteolitica in proteasom, organitul de degradare a proteinelor citosolice.
Necesarul de saperone este asigurat prin mecanisme de semnalizare initiate in lumenul RE , in urma caror rezulta formarea de ARNm , ce permite la randul sau formarea de proteine de reglare a exprimarii genice. Acestea, prin activitate endonucleazica, prelucreaza un pre-ARNm deja existent in citoplasma, rezultand un ARNm functional. Acesta este cel folosit pentru producerea de saperone !! Noile saperone astfel sintetizate asigura satisfacerea nevoii crescute de molecule de asistare-n lumenul RE, eficientizand astfel procesele.
53. Structura si biogeneza proteazomilor. Degradarea proteinelor mediata de ubiquitina Proteazomii sunt complexe moleculare proteolitice intracelulare, ATP-dependente, implicate in degradarea proteinelor etichetate cu poli-ubiquitina. Proteazomii se gasesc in toate tipurile celulare(intr-o celula umana sunt in jur de 20000-30000 proteazomi). Complexul proteazomic 26S are masa moleculara de 2.400 kDa, forma de butoias si este alcatuit din urmatoarele componente:
49
particula miez, formata din 4 inele suprapuse , fiecare alcatuit din sapte proteine protomerice, din care: doua sunt inele beta centrale cu activitate treonin-proteazica si doua sunt inele alfa, fara activitate catalitica cunoscuta doua particule reglatoare identice, cate una la fiecare capat al particulei miez. Fiecare particula reglatoare are in structura sa 14 proteine diferite de cele din particula miez, sase dintre ele fiind ATP-aze. Unele dintre subunitatile particulei reglatoare au situsuri ce permit recunoasterea ubiquitinei
Degradarea proteinelor este esentiala pentru celula doarece asigura aminoacizi pentru o noua sinteza proteica, indeparteaza enzimele aflate in exces si indeparteaza factorii de transcriptie care nu mai sunt necesari. Proteazomii sunt responsabili de digestia proteinelor endogene: factori de transcriere, cicline ale ciclului celular, proteine codificate de virusuri, proteine incorect pliate sau degradate. Degradarea proteinelor mediata de ubiquitina Pentru descrierea caii de degradare proteica mediata de ubiquitina s-a primit premiul Nobel in 2004. Digestia proteica incepe cand proteinei ce urmeaza a fi digerate i se ataseaza un mic polipeptid numit ubiquitina (Ub), o proteina globulara de 76 AA. Proteinele destinate procesului de degradare sunt conjuate cu ubiquitina care se leaga de capatul N-terminal al unui reziduu de lizina, urmand apoi atasarea altor molecule de Ub, cu formarea unui lant. Atasarea Ub la proteina este influentata de 3 enzime:
E1 (enzima de activare)- modifica Ub in asa fel incat Gly din capatul C-terminal sa reactioneze cu Lys de pe proteina destinata degradarii E2 (enzima de conjuare a Ub, atasand-o la proteina) E3 - are rol in recunoasterea proteinei substrat
Legarea ubiquitinei reprezinta semnalul care permite proteinei sa intre in complexul proteazomic.
Etapele procesului de digestie:
complexul proteina-Ub se leaga de situsul de recunoastele al Ub de pe particula reglatoare a proteazomului proteina e depliata si transferata in cavitatea centrala a particulei miez se desfacut anumite legaturi peptidice ale lantului sub actiunea situsurilor active din inelele centrale, rezultatul fiind un set de peptide avand in medie 8-10 AA fragmentele de peptide parasesc particula miez pe o cale necunoscuta, urmand a fi degradate in continuare in citosol particula reglatoare elibereaza apoi Ub pentru a fi refolosita
In cazul in care fragmentele de peptide de 8-10 AA nu sunt degradate, ele pot fi transporate in RE de catre un transportor asociat cu complexul de prezentare a antigenelor, urmand a fi prezentate sistemului imun ca potentiale antigene.
50
Calea de degradare proteazomica este esentiala pentru numeroase procese celulare, inclusiv raspunsul din stresul oxidativ, reglarea transcriptiei, rol in elongare.
Blocarea digestiei intracelulare la nivelul proteazomilor poate ajuta la protejarea celulei. Blocarea degradarii se face cu inhibitori proteazomici , precum Bortezomib, uitilizat in tratamentul mielomului multiplu, o boala cu niveluri ridicate de proteazomi. Medicamentul blocheaza actiunea proteolitica a proteazomului si inhiba ciclinele stopand diviziunea haotica a celulelor canceroase.
54. Incluziunile lipidice - aspect MO,ME Pot fi intalnite in celula in urmatoarele circumstante:
tranzitoriu (ex: in celula hepatica postprandial, sub forma de picaturi lipidice izolate, proportionale ca numar cu cantitatea de lipide ingerate, sunt repede metabolizate si dispar din citoplasma la doar cateva ore dupa ingestie) temporar(ex: in celulele secretorii din glanda mamara in lactatie, dispar dupa terminarea perioadei de lactatie) permanent( in adipocite - albe sau brune)
Adipocitele albe formeaza tesutul adipos alb, au forma rotunjita sau poligonala, cand sunt grupate. Incluziunea lipidica este unica si ocupa intreaga citoplasma care este impinsa spre periferia celulei, predominant in jurul nucleului. Aceste celule au rol in metabolismul lipidic, de protectie a principalelor organe si in termogeneza la nivelul tegumentului. Adipocitele brune formeaza tesutul adipos brun, bine dezvoltat la nou-nacsut si in copilarie si care apoi involueaza. La adult persista in regiunea interscapulara si inghinal. Patologic, se pot observa numeroase incluziuni lipidice in hepatocite la alcoolici. Aspecte in microscopie
MO – prezinta un aspect clar pe preparatele standard (Alb in HE, Rosu in Sudan IV) ME – aspect electronoclar MET – aspect electronodens (nu atat de inchis precum melaninele)
55. Incluziunile pigmentare -aspect MO, ME Pot apare in conditii fiziologice si patologice. Incluziuni fiziologice : Melanina
51
pigment negru evident in epidermul pielii si in SNC MO : aspect de fulg de nea ME: se evidentiaza structura fina granulara, electronodensa
Lipofuscina
se numeste si pigmentul de uzura, intrucat se observa pe masura inaintarii in varsta a organismului este de fapt produsul nedigerat al unor reactii litice la nivel subcelular pe masura ce organitele imbatranesc sunt degradate , iar ce nu poate fi reutilizat din structura lor ramane sub forma lipofuscinei(macrofagele pot contine lipofuscina din cele mai variate surse: celule moarte, organite proprii, bacterii moarte etc. MO: granulatii galben-maronii ME: aspect electronodens
Hemosiderina
este reziduul nedigerabil rezultat in urma distrugerii hematiilor macrofage bogate in hemosiderina se pot observa in cantitati mari in splina si ficat, locurile de distrugere ale hematiilor batrane MO: aspect granular maroniu ( atentie, in coloratia HE poate fi confundata cu lipofuscina/melanina, dar se evidentiaza specific prin coloratia cu albastru de Prusia pentru fier) ME:aspect electronodens
Patologic, pigmenti biliari pot apare sub forme de bilirubina in celulele Kupfer sau chiar in hepatocite.
56. Incluziuni de glicogen - aspect MO, ME Celulele animale bogate in depozite glucidice sunt hepatocitele si celulele musculare la nivelul carora se gasesc cantitati mari de incluziuni de glicogen. Depozitele de glicogen sunt utilizate in situatia in care celula este supusa unor activitati mecanice intense ( ex: contractia musculara), sau in conditii de activitate intensa de sinteza. Aceste depozite se formeaza prin glicogenogeneza si sunt utilizate de celula in urma procesului de glicogenoliza. MO - se evidentiala cu Carmin Amoniacal BEST, evidentiindu-se sub forma de plaje mai mult sau mai putin intinse ME- incluziunile de glicogen apar sub forma de bastonase(particule alfa) sau de rozeta(particule beta)
57. Structura si ultrastructura lizozomilor Lizozomii sunt organite ale digestiei intracelulare, prezenti in toate celulele, cu exceptia hematiei adulte. Se gasesc in numar foarte mare in hepatocite si macrofage. Cea mai mare parte a lizozomilor unei celule este dispusa in regiunea juxtanucleara in stransa vecinatate cu aparatul Golgi.
52
Lizozomii sunt delimitati de o membrana de natura fosfolipidca si contin enzime hidrolitice implicate in degradarea tuturor tipurilor de polimeri biologici: proteine-proteaze, lipide-lipaze, acizi nucleici-nucleare, carbohidrati-glicozidaze, toate active in mediu acid. Membrana lizozomilor detine componenti unici care asigura rezistenta la actiunea hidrolazelor. Cele mai multe proteine lizozomale membranare implicate in asigurarea functiei lizozomilor sunt inalt glicozilate(cu cat este mai mare procentul de carbohidrati al unei proteine, cu atat este mai greu digerata). Lizozomii prezinta deci o membrana lizozomala lipoproteica, mozaicata, asimetrica si asemanatoare cu plasmalema , precum si o matrice lizozomala fin granulata ( poate fi omogena sau eterogena). Originea si formarea lizozomilor Lizozomii se formeaza in aparatul Golgi. Proteinele membranei lizozomale sunt sintetizate in RE si transportate apoi la aparatul Golgi pentru o glicozilare extensiva. Complexul Golgi sorteaza in regiunea trans enzimele primite de la RE prin regiunea cis. In aceasta regiune, precursorului hidrolazelor lizozomale i se ataseaza , sub actiunae unor glicotransferaze, un radical fosfat la reziduul de manoza. Gruparea manozo-6 fosfat formeaza semnalul de sortare -> enzime e transportata de ap. Golgi spre regiunea trans unde se leaga de receptori de manozo 6-fosfat, care diretioneaza enzimele spre lizozomi. Dupa legare, incepe formarea unei vezicule care se acopera cu clatrina, se desprinde si va fuziona cu lizozomul in formare. Lizozomul are pe suprafata o pompa protonica cu rol de acidifiere a interiorului, ducand la indepartarea gruparii fosfat si la disocierea hidrolazei de pe receptor. Receptorul va fi reciclat inapoi in ap. Golgi . Intre trans-Golgi si lizozom exista un compartiment intermediar, cu rol in formarea lizozomala. Tipuri de lizozomi
Lizozomi secretori Lizozomi conventionali
Lizozomii secretori sunt gasiti in celule ale sistemului imun derivate din linia hematopoietica(ex: limfocitele T). Lizozomii secretori sunt o combinatie intre lizozomii conventionali si granulele secretorii. Ei difera de lizozomii conventionali deoarece contin produsul de secretie specific tipului celular in care se afla. Evident, lizozomii secretori contin si hidrolazele si proteinele membranare si au aceleasi facilitati in mentinerea pH-ului, ca si lizozomii conventionali. Lizozomii secretori maturi se deplaseaza pana in vecinatatea membranei plasmatice, unde raman in standby cu secretiile pregatite, gata de a fi eliberate. Cand limfocitul T, spre exemplu, este perfect orientat catre celula tinta, secretiile sunt eliberate, iar factori de mediu activeaza secretiile inainte ca acestea sa actioneze.
Lizozomii conventionali Lizozomii sunt considerati ca organite refolosibile si cand celula se divide fiecare celula fiica primeste un anumit numar de lizozomi.
53
Ipotezele referitoare la modul de actiune al lizozomilor sunt centrate pe studiul endozomilor primari si secundari. Exista dovezi care arata ca: 1. sediul proteolizei nu este in lizozomi, ci intr-un organit care seamana cu un endozom secundar si contine 20% hidrolaze 2. lizozomii contin aproximativ 80% din enzimele necesare digestiei intracelulare 3. lizozomii sunt probabil organite care stocheaza hidrolaze, pe care le tin intr-o forma inactiva la un ph de aprox. 5 4. lizozomii nu actioneaza ca organtie de sine statatoare, ci se intalnesc cu endozomii secundari si actioneaza ca un sistem endolizozomal Exista doua modele de interactiune intre lizozomi si endozomi. Modelul "Kiss and run" : acest model este bazat pe un scurt contact intre endozomul secundar si lizozom, pentru a schimba intre ei continutul chimic ; dupa separare, lizozomul este liber de a interactiona cu un alt endozom secundar Modelul de fuziune: acest model sustine fuziunea completa dintre un endozom secundar si un lizozom, rezultand un organit hibrid. In timpul fuziunii are loc dezasamblarea moleculara a continutului endocitat, iar aminoacizii si alte molecule rezultate sunt preluate de transportori si trec din organitul hibrid in citoplasma. Dupa aceste procese de dezasamblare si reciclare, continutul organitului hibrid se condenseaza, iar lizozomul se reformeaza, fiind disponibil pentru o noua fuziune.
Exista si modele ale sistemelor de maturare lizozomala:
Modelul maturarii - un endozom primar este format din vezicule cu originea in membrana plasmatica, ce fuzionaza intre ele; alte vezicule aduc si preiau substante chimice pana cand endozomul primar devine endozom secundar si apoi atinge stadiul de lizozom Modelul transportului vezicular - endozomii primari si secundari sunt organite separate si stabile legate prin vezicule care transporta substanta de la endozomii primari spre cei secundari , care se matureaza pentru a deveni lipozomi
Digestia lizozomala Materialele cu care intra in contact lizozomii necesita procese de dezasamblare si reciclare ce pot provine din surse extra si intracelulare : 1. Procesele de endocitoza, inclusiv pinocitoza, prin care sunt introduse lichide si mici particule datorita formarii unor mici invaginari membranare acoperite de proteine, care vor forma in final vezicule acoperite de proteine(clatrina, coatomer si caveolina). Fiecare vezicula se dezvolta formand un endozom primar = early endosome si apoi un endozom secundare = late endosome 2. Tot extracelular, prin fagocitoza se pot introduce particule mari, inclusiv bacterii si detritusuri celulare. Fagocitoza poate avea loc in orice celula, dar este specifica macrofagelor, care contin peste 1000 de lizozomi. Structura rezultata in urma fagocitozei se numeste fagozom. 3. Sursele intracelulare sunt reprezentate de autofagozomi responsabili de indepartarea unor organite degradate precum mitocondriile sau ribozomii. Fiecare organit a carui viata a expirat este inconjurat de o structura membranara formand un autofagozom care fuzioneaza cu lizozomul pentru a forma un organit hibrid.
54
In final, actiunea digestiva a lizozomilor poate fi sistematizata in urmatoarele directii:
Autofagia - materialul are origine intracelulara o Macroautofagia - procesul normal de turn over al organitelor: organitul este inconjurat de o membrana REN formand o vacuola autofagica , ce va fuziona cu lizozomul primar pentru a forma autofagozomul, in care are loc digestia o Microautofagia : implica pinocitoza unor proteine citoplasmatice Autoliza - distrugerea interna a intregii celule, fie ca parte a apoptozei, fie se indeparteaza astfel celulele bolnave Heterofagia- implica material extracelular o Fagocitoza - sunt incorporate particule straine formandu-se fagozomi ce vor fuziona cu lizozomii primari, dand nastere lizozomilor secundari o Pinocitoza- se formeaza pinozomi , ce vor fuziona si ei cu lizozomii primari Crinofagia - digestia produsilor de secretie in celulele endocrina, prin care celula isi controleaza calitatea si cantitatea substantelor secretate
58. Functiile lizozomului Tipuri de lizozomi
Lizozomi secretori Lizozomi conventionali
Lizozomii secretori sunt gasiti in celule ale sistemului imun derivate din linia hematopoietica(ex: limfocitele T). Lizozomii secretori sunt o combinatie intre lizozomii conventionali si granulele secretorii. Ei difera de lizozomii conventionali deoarece contin produsul de secretie specific tipului celular in care se afla. Evident, lizozomii secretori contin si hidrolazele si proteinele membranare si au aceleasi facilitati in mentinerea pH-ului, ca si lizozomii conventionali. Lizozomii secretori maturi se deplaseaza pana in vecinatatea membranei plasmatice, unde raman in standby cu secretiile pregatite, gata de a fi eliberate. Cand limfocitul T, spre exemplu, este perfect orientat catre celula tinta, secretiile sunt eliberate, iar factori de mediu activeaza secretiile inainte ca acestea sa actioneze.
Lizozomii conventionali Lizozomii sunt considerati ca organite refolosibile si cand celula se divide fiecare celula fiica primeste un anumit numar de lizozomi. Ipotezele referitoare la modul de actiune al lizozomilor sunt centrate pe studiul endozomilor primari si secundari. Exista dovezi care arata ca: 5. sediul proteolizei nu este in lizozomi, ci intr-un organit care seamana cu un endozom secundar si contine 20% hidrolaze 6. lizozomii contin aproximativ 80% din enzimele necesare digestiei intracelulare
55
7. lizozomii sunt probabil organite care stocheaza hidrolaze, pe care le tin intr-o forma inactiva la un ph de aprox. 5 8. lizozomii nu actioneaza ca organtie de sine statatoare, ci se intalnesc cu endozomii secundari si actioneaza ca un sistem endolizozomal Exista doua modele de interactiune intre lizozomi si endozomi. Modelul "Kiss and run" : acest model este bazat pe un scurt contact intre endozomul secundar si lizozom, pentru a schimba intre ei continutul chimic ; dupa separare, lizozomul este liber de a interactiona cu un alt endozom secundar Modelul de fuziune: acest model sustine fuziunea completa dintre un endozom secundar si un lizozom, rezultand un organit hibrid. In timpul fuziunii are loc dezasamblarea moleculara a continutului endocitat, iar aminoacizii si alte molecule rezultate sunt preluate de transportori si trec din organitul hibrid in citoplasma. Dupa aceste procese de dezasamblare si reciclare, continutul organitului hibrid se condenseaza, iar lizozomul se reformeaza, fiind disponibil pentru o noua fuziune.
Exista si modele ale sistemelor de maturare lizozomala:
Modelul maturarii - un endozom primar este format din vezicule cu originea in membrana plasmatica, ce fuzionaza intre ele; alte vezicule aduc si preiau substante chimice pana cand endozomul primar devine endozom secundar si apoi atinge stadiul de lizozom Modelul transportului vezicular - endozomii primari si secundari sunt organite separate si stabile legate prin vezicule care transporta substanta de la endozomii primari spre cei secundari , care se matureaza pentru a deveni lipozomi
Digestia lizozomala Materialele cu care intra in contact lizozomii necesita procese de dezasamblare si reciclare ce pot provine din surse extra si intracelulare : 4. Procesele de endocitoza, inclusiv pinocitoza, prin care sunt introduse lichide si mici particule datorita formarii unor mici invaginari membranare acoperite de proteine, care vor forma in final vezicule acoperite de proteine(clatrina, coatomer si caveolina). Fiecare vezicula se dezvolta formand un endozom primar = early endosome si apoi un endozom secundare = late endosome 5. Tot extracelular, prin fagocitoza se pot introduce particule mari, inclusiv bacterii si detritusuri celulare. Fagocitoza poate avea loc in orice celula, dar este specifica macrofagelor, care contin peste 1000 de lizozomi. Structura rezultata in urma fagocitozei se numeste fagozom. 6. Sursele intracelulare sunt reprezentate de autofagozomi responsabili de indepartarea unor organite degradate precum mitocondriile sau ribozomii. Fiecare organit a carui viata a expirat este inconjurat de o structura membranara formand un autofagozom care fuzioneaza cu lizozomul pentru a forma un organit hibrid.
In final, actiunea digestiva a lizozomilor poate fi sistematizata in urmatoarele directii:
56
Autofagia - materialul are origine intracelulara
o
Macroautofagia - procesul normal de turn over al organitelor: organitul este inconjurat de o membrana REN formand o vacuola autofagica , ce va fuziona cu lizozomul primar pentru a forma autofagozomul, in care are loc digestia o Microautofagia : implica pinocitoza unor proteine citoplasmatice Autoliza - distrugerea interna a intregii celule, fie ca parte a apoptozei, fie se indeparteaza astfel celulele bolnave Heterofagia- implica material extracelular o Fagocitoza - sunt incorporate particule straine formandu-se fagozomi ce vor fuziona cu lizozomii primari, dand nastere lizozomilor secundari o Pinocitoza- se formeaza pinozomi , ce vor fuziona si ei cu lizozomii primari Crinofagia - digestia produsilor de secretie in celulele endocrina, prin care celula isi controleaza calitatea si cantitatea substantelor secretate
59. Peroxizomii. Structura si ultrastructura Peroxizomii sunt organite mici, sferice, delimitate de endomembrane, gasite in majoritatea celulelor EK . Initial au fost numiti microcorpi, iar numele de peroxizomi provine de la continutul crescut in oxidaze, care produc peroxidul de hidrogen, toxic pentru celule. RH2 + O2 -----> R + H2O2 Examinati la MET, peroxizomii sunt delimitati la exterior de o membrana simpla, de circa 6nm grosime, iar in interior contin o matrice granulara, amorfa sau fibrilara. In matrice se observa uneori una sau mai multe structuri cristaline inconjurate de material amorf- mediu electronodens. Aceste structuri denumite cristaloizi se observa in special la regnul animal, dar sunt absente la peroxizomii umani.In sectiune transversala, acesti cristaloizi dau un aspect de fagure de miere. Citomembrana peroxizomala prezinta o compozitie asemanatoare cu cea a RE, diferind de aceasta prin unele polipeptide si enzime componente. Uneori se poate observa continuite intre membrana peroxizomala si cea a REN , dar cel mai des se intalneste continuitate peroxizom-peroxizom, formand un "reticul peroxizomal". Peroxizomul nu contine nici ADN, nici ribozomi, si trebuie sa isi importe toate proteinele constituente.
60. Biogeneza si functiile peroxizomului Biogeneza peroxizomala Procesul prin care se formeaza membrana peroxizomilor este incomplet cunoscut , insa implica formarea bistratului lipidic , iar apoi importul proteinelor specifice in acesta. Exista 3 proteine implicate in procesul de formare a membranei peroxizomilor, numite peroxine : PEX 3, PEX 16, PEX 19. Modelul biogenezei membranei peroxizomale implica: 1. Formarea bistratului lipidic - se presupune ca are loc in RE , inainte de importul peroxinelor 2. Importul PEX 3 si PEX 16 - aceste proteine sunt importate in functie de prezenta PEX 19, despre care stim ca intervine direct in legarea proteinelor din membrana peroxizomala, fiind absolut necesara in geneza acestora
57
Proteinele matrice peroxizomale sunt codificate de gene aflate in nucleu si sintetizate pe ribozomii liberi, apoi importate post-translational in citoplasma. Proteinele specifice peroxizomilor au 2 peptide semnal care directioneaza aceste proteine spre matricea peroxizomala, numite PTS1 si PTS2 ( peroxisomal targeting signal). Importul proteinelor matricei peroxizomale implica legarea ligandului la receptor( receptorii sunt peroxine, liganzii sunt PTS-uri), apoi urmeaza transportul proteinelor in peroxizom, andocarea receptorilor in interiorul peroxizomului, iar apoi reciclarea acestor receptori . Procesul de import al proteinelor matricei peroxizomale este ATP-dependent.
Functii Peroxizomii sunt sediul principal al utilizarii oxigenului.Sunt organite mici, sferice, delimitate de endomembrane, gasite in majoritatea celulelor EK . Initial au fost numiti microcorpi, iar numele de peroxizomi provine de la continutul crescut in oxidaze, care produc peroxidul de hidrogen, toxic pentru celule. RH2 + O2 -----> R + H2O2 Catalaza, enzima marker a peroxizomilor, degradeaza peroxidul de hidrogen in oxigen si apa. Peroxizomii sunt esentiali pentru ca o celula sa functioneze normal, deoarece:
intervin in oxidarea excesului de acizi grasi cu lant lung de atomi de carbon => fragmente cu 2 atomi de carbon care sunt fie convertite la acetil coenzima A, fie sunt exportate si folosite la noi sinteze de compusi celulari descompun purinele AMP si GMP la acid uric + aminoacizi produc si exporta in citoplasma colesterol contin primele 2 enzime necesare sintezei plasmalogenilor(un grup important de fosfolipide), care reprezinta 19% din fosfolipidele organismului
Peroxizomii fac parte din categoria organitelor semiautonome, alaturi de mitocondrie si cloroplaste. Organitele celulare semiautonome sunt definite ca organitele aflate in relatie de simbioza cu celula, capabile de autoreplicare prin fisiune binara. Astfel, peroxizomii sunt capabili de a se divide desi nu poseda material genetic. Proliferarea peroxizomala este practic o adaptare la stimuli de mediu ce semnalizeaza necesitatea unor enzime lizozomale. Inducerea proliferarii se face in 2 faze: 1. Proliferarea prin inmugurire din peroxizomii preexistenti 2. Cresterea organitului prin importarea de proteine ale matrice peroxizomale
61. Reticulul endoplasmic : definitie, forme Reticulul endoplasmic este un organit delimitat de endomembrana, structurat sub forma unor cisterne si/sau tubuli, cu numeroase anastomoze, a caror fata citoplasmatica poate prezenta rugozitati si a carui
58
functie de baza este aceea de a produce molecule si macromolecule esentiale organizarii si functionarii celulelor. RE face parte din grupul organitelor implicate in biogeneza si traficul intracelular al membranelor, alaturi de ap. Golgi, lizozomi si de sistemul endosomal, fiind cel care initiaza procesele celulare care se desfasoara in aceste organite. RE reprezinta cea mai abundenta structura delimitata de endomembrane din celula, continand mai multe de jumatate din membranele acesteia. Detalii structurale asupra organizarii RE au fost obtinute prin microscopie electronica. Organitul este structurat pe baza unor endomembrane sub forma de cisterne ce prezinta numeroase anastomoze si tubuli legati. Spatiul din interiorul membranelor este denumit lumen. Lumenul RE este continuu intre cisterne si tubuli, iar la nivelul cisternelor se realizeaza anastomoze si cu anvelopa nucleara. Se realizeaza astfel o continuitate intre lumenul RE si lumenul anvelopei nucleare. De regula, zonele structurate sub forma de cisterne prezinta ribozomi atasati pe fata citoplasmatica a organitului, care dau aspectul rugos acestor arii ; ele structureaza ceea ce a fost denumit RER . Ribozomii sunt prezenti si pe fata citoplasmatica a membranei externe a anvelopei nucleare. Zonele structurate sub forma de tubuli, care sunt ca niste prelungiri ale cisternelor RER, nu prezinta rugozitati si au fost denumite reticul endoplasmic neted (REN). Deci, RER si REN nu sunt doua organite independente ci zone diferit organizate la nivel ultrastructural al aceluiasi organit: RE .
62. Mecanismul prin care lantul polipeptidic este transferat din citosol in RE Biosinteza tuturor proteinelor intr-o celula se initiaza in citosol, exceptie facand proteinele codificate de ADN-ul mitocondrial. Se pune problema care dintre complexele de biosinteza proteica(polisomi) trebuie sa fie preluate la nivelul membranei sale. Informatia prin care se face selectia se afla in insusi lantul polipeptidic in formare. Ea este o secventa compacta de 15-30 AA preponderent hidrofobi denumita secventa semnal. De regula, secventa semnal este asociata capatului amino-terminal al proteinelor in cauza. Desi necesara prezenta secventei semnal, aceasta nu este suficienta, intrucat nu are un receptor corespunzator in membrana RE. In procesul de recrutare a polisomilor care au produs peptida esmnal in proteina a carei sinteza o desfasoara, intervine un alt complex macromolecular ribonucleoproteic, denumit particula de recunoastere a semnalului (SRP - Signal Recognition Particle). Aceasta contine o molecula mica de ARN, complexata polipeptidic, rezultand o forma de bastonas. Acest complex structureaza la un capat un sit de interactiune cu peptida semnal din lantul polipeptidic si la celalalt capat un domeniu de legare la situl A al ribosomului. Dupa legarea la ribosom, adiacent situsului de interactiune cu peptida semnal, SRP expune situsul de legare la receptorul specific din membrana RE , si anumte receptorul la SRP ( SRPR = SRP receptor). In aceasta conjunctura, poliribosomul este recrutat de membrana RE.
59
Dupa legarea complexului ribosom operational - lant polipeptidic in sinteza cu particula de recunoastele semnal, receptorul din membrana RE preda intreaga masinarie unui alt complex macromolecular, de aceasta data, transmembranar din membrana RE, complex denumit translocon. Transloconul este astfel organizat incat structureaza pe de o parte un sit de acomodare a peptidei semnal hidrofobe, iar pe de alta parte, un por hidrofil, prin care este translocat lantul peptidic in lumenul RE, pe masura alungirii sale. Din momentul in care transloconul preia ribosomul, SRP este eliberata in citosol, iar sinteza poate continua. Pe scurt, etapele descrise ar fi: 1. Initierea sintezei proteice in citosol 2. Aparitia peptidei semnal 3. Recunoasterea peptidei semnal de SRP, interactiunea dintre ele, blocarea sintezei prin ocuparea sitului A 4. Legarea complexului macromolecular astfel format la SRPR din membrana RE 5. Interactiunea dintre SRPR si translocon cu transferul complexului, legarea ribosomului si deblocarea sintezei proteice prin eliberarea SRP in citosol 6. Translocarea lantului polipeptidic, pe masura ce se alungeste, prin membrana RE
63. Rolul RE in biosinteza si prelucrarea proteica Biosinteza tuturor proteinelor intr-o celula se initiaza in citosol, exceptie facand proteinele codificate de ADN-ul mitocondrial. Pe scurt, etapele descrise ar fi: 1. Initierea sintezei proteice in citosol 2. Aparitia peptidei semnal 3. Recunoasterea peptidei semnal de SRP, interactiunea dintre ele, blocarea sintezei prin ocuparea sitului A 4. Legarea complexului macromolecular astfel format la SRPR din membrana RE 5. Interactiunea dintre SRPR si translocon cu transferul complexului, legarea ribosomului si deblocarea sintezei proteice prin eliberarea SRP in citosol 6. Translocarea lantului polipeptidic, pe masura ce se alungeste, prin membrana RE Preocuparea RE pentru proteinele care fac interesul sau nu se rezuma doar la biosinteza lantului polipeptidic si eliberarea sa in lumen. RE isi asuma mai departe si prelucrarea lanturilor polipeptidice, prelucrare ce implica pe de o parte modificarea chimica la unele resturi ale aminoacizilor, iar pe de alta parte asistarea proteinelor pentru o corecta impachetare, adica, pentru adoptarea unui conformatii corecte, functionale. La nivelul RE se petrec o serie de transformari asupra proteinelor care au loc concomitent cu traducerea (modificari co-traducere), sau dupa terminarea acesteia ( modificari post-traducere). O modificare cotraducere este actiunea semnal-peptidazei si clivarea peptidei semnal in cazurile specificate. Aceste modificari sunt etape ale maturarii proteice, maturare ce incepe la nivelul RE si este continuata si finalizata in complexul golgian.
60
Modificari co-traducere ale lantului polipeptidic Sunt realizate la nivelul transloconului. Exemple Initierea glicozilarii proteinelor In RE este initiata formarea structurilor N-glicozidice, adica acele structuri glucidice purtate de azotul amidic al asparaginei. Acest lucru se petrece numai atunci cand Asp se afla adiacent secventei ... -Asn-XSer(Thr)-... , unde X poate fi oricare dintre AA, cu exceptia Pro. Glicozilarea este realizata de o oligozaharid-transferaza, care citeste lantul polipeptidic in curs de formare pe masura ce acesta iese din porul transloconului si cand afla o Asp in ambianta mentionata, ii grefeaza la azotul amidic un oligozaharid cu structura globala -(GlcNAc)2Man9Glc3 . Daca Asp nu este in secventa mentionata, oligozaharid-transferaza ramane indiferenta. Substratul de pe care enzima transfera acest oligozaharid complex este dolicil-difosfo-oligozaharidul, care la randul sau este sintetizat de celula cu un mare consum energetic, prin adaugarea glucidelor pas cu pas. Dupa actiunea enzimei, celula incepe totusi sa tunda din aceste glucide, eliminand trei glucoze si o manoza. Hidroxilari la nivelul lantului polipeptidic Au fost evidentiate, la unele proteine, hidroxilari in pozitia 4 a unor Proline, sau in pozitia 5 a unor lizine. Carboxilarea acidului glutamic in pozitia gama Aceasta modificare e operata de carboxilaza, al carei sit de activitate e expus pe versantul luminal.
Modificari post traducere ale proteinelor Glipiarea - procesul prin care unele ectoproteine sunt atasate mai ferm la bistratul lipidic, prin ceea ce se numeste ancora glicofosfatidilinozitolica. Ancorarea se face printr-o legatura amidica, iar distribuirea acestui tip de proteine se face preferential la nivelul plutelor lipidice. Ancorarea prin glicofosfolipid permite eliberarea acestor proteine prin activitatea fosfolipazelor, mediind semnalizari celulare. Asistarea proteinelor pentru impachetarea corecta Este realizata de proteine numite saperone. Saperonele sunt molecule specializate in a asista proteinele nou-sintetizate pentru adoptarea conformatiei corecte, acea conformatie care asigura functionalitatea macromoleculelor.
61
calnexina protein disulfura izomeraza (leaga tranzitoriu cisteinele din proteina sintetizata, sau desface puntile incorecte din proteinele a caror traducere s-a terminal si ajuta la realizarea puntilor -S-Scorecte) BiP ( Binding Protein) - saperona cu cea mai larga sfera de actiune care se pare ca ar fi responsabla si pentru controlul deschiderii si inchdierii porului transloconului, ea complexeaza noile proteine translocate si nu le elibereaza decat atunci cand impachetarea lor este corect definitivata; mai mult, daca proteina esuaza in adoptarea conformatiei corecte, BiP o conduce la
translocon, care expulzeaza lantul polipeptidic "gresit" in citosol, unde este poliubiquitinilat si intra in proces de degradare proteolitica in protasom, organitul de degradare a proteinelor citosolice
63. Descrieti modul de organizare ultrast ructurala a RE si implicarea lui in metabolismul lipidic Definitie, organizare ultrastructurala Reticulul endoplasmic este un organit delimitat de endomembrana, structurat sub forma unor cisterne si/sau tubuli, cu numeroase anastomoze, a caror fata citoplasmatica poate prezenta rugozitati si a carui functie de baza este aceea de a produce molecule si macromolecule esentiale organizarii si functionarii celulelor. RE face parte din grupul organitelor implicate in biogeneza si traficul intracelular al membranelor, alaturi de ap. Golgi, lizozomi si de sistemul endosomal, fiind cel care initiaza procesele celulare care se desfasoara in aceste organite. RE reprezinta cea mai abundenta structura delimitata de endomembrane din celula, continand mai multe de jumatate din membranele acesteia. Detalii structurale asupra organizarii RE au fost obtinute prin microscopie electronica. Organitul este structurat pe baza unor endomembrane sub forma de cisterne ce prezinta numeroase anastomoze si tubuli legati. Spatiul din interiorul membranelor este denumit lumen. Lumenul RE este continuu intre cisterne si tubuli, iar la nivelul cisternelor se realizeaza anastomoze si cu anvelopa nucleara. Se realizeaza astfel o continuitate intre lumenul RE si lumenul anvelopei nucleare. De regula, zonele structurate sub forma de cisterne prezinta ribozomi atasati pe fata citoplasmatica a organitului, care dau aspectul rugos acestor arii ; ele structureaza ceea ce a fost denumit RER . Ribozomii sunt prezenti si pe fata citoplasmatica a membranei externe a anvelopei nucleare. Zonele structurate sub forma de tubuli, care sunt ca niste prelungiri ale cisternelor RER, nu prezinta rugozitati si au fost denumite reticul endoplasmic neted (REN). Deci, RER si REN nu sunt doua organite independente ci zone diferit organizate la nivel ultrastructural al aceluiasi organit: RE .
Rol in metabolismul lipidic RE participa practic la biosinteza tuturor lipidelor membranare direct in forma finala, sau prin percursori ce sunt apoi prelucrati in aparatul Golgi. Colesterolul este produs in RE printr-un proces biologic complex, bine elaborat si atent reglat, pornind de la materia prima acetil-CoA => acid mevalonic => scualen => lanosterol => colesterol. Tot la nivelul RE sunt produse ceramidele, precursorii sfingomielinelor si glicolipidelor. Ceramidele sunt transformate in sfingomieline/glicolipide la nivelul complexului Golgi.
62
Componenta lipida membranara este formata insa in principal din glicerofosfatide(70%). Spre exemplu, fosfatidilcolinele sunt biositnetizate in foita interna a membranei RE( lucru valabil si pentru celelelate glicerofosfatide) din acil-CoA si glicerol-3-fosfat, printr-o secventa de 3 reactii: 1. Obtinerea acidului fosfatidic din acil-CoA si glicerol-3-fosfat( la niv. foitei interne) 2. Eliminarea fosfatului din acidul fosfatidic sub actiunea fosfatidil-fosfatazei => DAG(tot la niv. foitei interne) 3. Adaugarea fosfo-colinei la hidroxilul DAG Atat CoA, cat si fosfatul transforma moleculele atat acizii grasi, cat si glicerina, in in compusi pentru care membrana celulara nu este permeabila, astfel reticulul neputandu-le pierde prin membrana, prin difuzie. Se mai pune si intrebarea este de ce este sintetizata fosfatidilcolina la nivelul foitei interne, daca ea trebuie sa ajunga la foita externa? Redistribuirea ei se face prin complexe macromoleculare de translocare numite generic flipaze, care maresc de 100 000 de ori frecventa miscarii de flip-flop la nivelul membranei RE ( exceptia de la flip-flop ). Exista 3 categorii de flipaze:
flopaze(transfera fosfolipidele din foita interna in cea externa) flipaze( din externa in interna) scramblaze(transfera lipedele membranare in ambele sensuri) - actioneaza fara consum energ !!
Deci, pentru PC exista in mb RE o flopaza care o translocheaza preferential din foia interna in cea externa. Un alt aspect interesant este faptul ca celula nu este nevoita sa sintetizeze fosfolipide de novo, atunci cand proportia dintre diferitele tipuri trebuie sa se schimbe la nivelul bistratului. Fosfolipidele pot suferi reactii de disproportionare, adica acele reactii prin care ele pot trece dintr-una in alta. Posibilitatile de disproportionare nu sunt nici universale, nici intotdeauna bidirectionale. Sunt cunoscute urmatoarele posibilitati de disproportionare: La nivelul RE: 1. PE - PC ( prin reactie de metilare - fosfatidiletanolamin-N-metil-transferaza) 2. posibilitati de conversie in ambele sensuri intre PC, PE si PS prin reactii de schimb la nivelul capului hidrofil La nivelul mitocondriei: PS - PE (prin decarboxilare, sub actiunea fosfatidilserin-decarboxilazei)
Distribuirea lipidelor nou sintetizate catre celelalte membrane din celule este considerate a se face prin difuzie laterala pentru anvelopa nucleara, sau constitutiv(adica de la sine) pentur organitele implicate in traficul intracelular al membranelor ( aparat Golgi, lizosomi, endosomi, membrana celulara). Pentru organitele dinafara acestui trafic, asa-numitele organite autonome(mitocondrie, peroxisomi), exista parerea ca distributia se face prin transportori de schimb fosfolipidic. Acesti transportori ar avea specificitate pentru structura capului hidrofil si ar extrage fosfolipidele din membrana RE, le-ar transporta prin citosol, ascunzand coada hidrofoba a acestora si cedandu-le membranelor tinta. In ceea ce priveste peroxisomul insa, studii recente legate de biosinteza organitului, dovedesc prezenta unor structuri microveziculare care fac transport de la RE catre acesta - prin peroxine.
63
Alte roluri ale REN in metabolismul lipidic:
producerea trigliceridelor desaturarea acizilor grasi prin citocromul b5 si acid gras desaturaze
64. Rolul RE endoplasmic in biogeneza membranelor Am afirmat, cand am definit RE, ca principala lui menire este aceea de a biosintetiza molecule si macromolecule esentiale pentru functionarea celulei. RE sintetizeaza lipide membranare si are mecanismele de a le distribui intr-un bistrat asimetric si heterogen ( vezi sub. 63*). RE produse, intre alte proteine, pe cele transmembranare, in toata diversitatea lor. Deci, la nivelul RE, se pun bazele structurarii unor noi suprafete de membrana. Dar, nu la toate componentele noilor membrane, astfel pornite, structurile sunt definitivate la nivelul RE. Maturarea acestora continua in aparatul Golgi :
definitivarea glicozilarii structurilor N-glicozidice formarea structurilor O-glicozidice transformarea ceramidelor in sfingomieline sau glicolipide producerea glicozaminoglicanilor
Deci, traficul dintre RE si complexul Golgi este o parte a procesului de biogeneza a membranelor. Dar membranele trebuie sa ajunga si acolo unde sunt menite sa functioneze( adica la diversele organite, sau in membrana celulara). Pentru acest lucru, este nevoie de continuarea traseului noilor membrane intrun mod directionat si riguros controlat de celula. Numai dupa ce membranele produse de novo ajung la destinatie, procesul biogenezei lor se poate considera incheiat, incepand un altul, acela de reciclare. Asadar, prin biogeneza membranelor trebuie sa intelegem totalitatea proceselor de biosinteza si maturarea a componentelor acestora, de asamblare corecta a lor in noua structura si de transportare a lor in locurile corespunzatoare din celula. Aceste procese nu se petrec neaparat secvential ci amalgamat, astfel incat ultimele "retusuri" se pot petrece chiar la ajungerea noilor structuri la destinatie.
Deci, RE este un organit ubicuitar. Rolul sau in biogeneza membranelor in face indispensabil organizarii si functionarii celulelor. Chiar si in cazul eritrocitului(lipsit de organite), RE a fost prezent si a activat in timpul diferentierii precursorilor, pana in momentul maturarii elementului circulant. Daca, de regula, RE contine cel putin jumatate din membranele dintr-o celula, raportul dintre componenta rugoasa si cea neteda variaza in functie de tipul de celula. Exista celule in care RER este preponderent ( celule specializate in sinteza si secretia de proteine, ex: celulele acinare pancreatice), sau celule in care REN este preponderent( celule specializate in sinteza si secretia de hormoni steroidici , ex: celulele Leydig din testicul). Un alt caz ar fi cel in care raportul RER/REN este echilibrat ( la hepatocite).
64
Distributia intracelulara a RE acesta poate fi difuza ( hepatocite), sau polarizata, cum este in cazul celulelor acinare pancreatice, unde RER este localizat in jumatatea bazala a celulelor, popul apical al acestora fiind ocupat de vacuolele de secretie.
64*. Reticulul sarcoplasmic : localizare, organizare ultrastructurala, functii A se vedea in curs ( nu am avut timp sa il mai fac si pe asta, este singurul subiect nerezolvat aici, si guess what: fix asta mi-a picat ).Deci , repet, A SE VEDEA IN CURS ! ( nu te baza pe faptul ca din 90 subiecte nu ai cum sa il tragi tocmai pe asta , ca mine ! )
65. Ultrastructura aparatului Golgi Aspecte introductive Aparatul Golgi = complexul Golgi este un organit celular delimitat de endomembrane, structurat sub forma unei stive de cisterne recurbate prezentand polaritate morfologica si biochimia, cu rol cheie in procesele de biogeneza a membranelor, in maturarea, sortarea si distribuirea de molecule si macromolecule atat catre locurile celulare carora le sunt destinate, cat si in calea secretorie. Face parte din sistemul de organite implicat in traficul intracelular al membranelor, care incepe cu RE si se termina la membrana celulara sau la componentele sistemului endosomal. Termenul de "polaritate" este folosit in acest context pentru a sublinia existenta unei diferente intre doi poli , in cazul ap. Golgi : doua extremitati si doua fete- cis si trans. Acest organit a fost pentru prima data evidentiat in 1898 de catre Camilo Golgi, in celulele Purkinje, prin impregnare argentica.
Ultrastructura Complexul Golgi este structurat ca o stiva de cisterne recurbate. Numar cisternelor este variabil, diferind de la un tip de celula la altul. Dispozitia si numarul cisternelor aparatului Golgi diferita in functie de tipul celular si, implicit, de activitatea de sinteza a proteinelor destinate ciclului secretor. In celulele EK, ap Golgi este format din mai multe astfel de stive, unite prin tubuli inretelati care formeaza o panglica in vecinatea nucleului, in zona pericentrozomala . Aparatul Golgi este o structura caracterizata ultrasturctural prin polaritate morfologica, dar si prin polaritate biochimica. Se definesc in cazul RE urmatoarele caracteristici ultrastructurale:
65
o fata convexa, numita si fata cis , orientata catre cisterne ale RE , din care inmuguresc vezicule o fata concava, numita si fata trans retea trans-Golgi, un sistem de vezicule/vacuole , tubuli inretelati si fragmente de cisterne din care rezulta macrovezicule ce for fi trimise catre destinatiile lor finale; aceasta retea este in continuarea fetei trans
intre RE tranzitional si fata cis-golgiana au fost evidentiata microvezicule cu diametrul mediu de 50 nm, care, in momentul de fata, sunt dovedite a conflua intr-un sistem veziculo-tubular, considerat un compartiment intermediar intre RE si Golgi; acest compartiment este numit prescurtat fie VTC fie ERGIC
Intre reteaua trans-Golgi si sistemul endosomal se descrie de asemenea un sistem de recirculare a unor vezicule de transport, denumit compartiment de reciclare endosomal. In ceea ce priveste stiva de cisterne, se opereaza cu notiunile : cisterne cis, cisterne mediene si cisterne trans, dupa cum acestea sunt orientate catre fata cis-Golgi , catre fata trans-Golgi, sau sunt asezate in zona din mijloc a stivei. Morfologic, polaritatea se poate evidentia atat intre cisterne(cisternele cis au lumenul mai subtire, cele trans mai gros) , cat si in cadrul cisternelor( mai efilate central si mai ingrosate limitrof). Pentru a ne completa imaginea in spatiu a morfologiei complexului Golgi, este bine sa specificam faptul ca cisternele trebuie vazute ca imbracand un sector de sfera. Desi corespondenta dintre polaritatea morfologica si cea biochimia a fost dovedita intre cisterne, nu acelasi lucru s-a intamplat si in ceea ce priveste polaritatea din cadrul aceleiasi cisterne. Nu exista, in momentul de fata, dovezi cum ca intre zonele mediene ale cisternelor , mai subtiri, si cele limitrofe, mai gonflate, ar exista diferente de molecularitate. Dimpotriva, s-a evidentiat ca moleculele si/sau macromoleculele din cisternele golgiene difuzeaza fara restrictii in planul membranelor fiecarei cisterne. Din punct de vedere al structurii biochimice, la nivelul aparatului Golgi se descriu doua tipuri de proteine:
structurale, cu rol in formarea matricei aparatului Golgi, responsabile de organizarea lui 3D si pozitionarea corecta intracelular; din aceasta familie fac parte golgina si proteinele din familia GRASP( s-a demonstrat experimental ca proteinele din familia GRASP sunt capabile sa reasambleze in aproximatib 12 ore ap Golgi , dupa extragerea organitului din celula prin microdisectie laser) functionale - enzimele specifice aparatului Golgi, cu rol in definitivarea structurii proteinelor si lipidelor glicozilate
66. Polaritatea aparatului Golgi. Semnificatie biologica Complexul Golgi este structurat ca o stiva de cisterne recurbate. Numar cisternelor este variabil, diferind de la un tip de celula la altul. Dispozitia si numarul cisternelor aparatului Golgi diferita in functie de tipul celular si, implicit, de activitatea de sinteza a proteinelor destinate ciclului secretor. In celulele EK, ap Golgi este format din mai multe astfel de stive, unite prin tubuli inretelati care formeaza o panglica in vecinatea nucleului, in zona pericentrozomala . Aparatul Golgi este o structura caracterizata ultrasturctural prin polaritate morfologica, dar si prin polaritate biochimica. Se definesc in cazul RE urmatoarele caracteristici ultrastructurale:
66
o fata convexa, numita si fata cis , orientata catre cisterne ale RE , din care inmuguresc vezicule
o fata concava, numita si fata trans retea trans-Golgi, un sistem de vezicule/vacuole , tubuli inretelati si fragmente de cisterne din care rezulta macrovezicule ce for fi trimise catre destinatiile lor finale; aceasta retea este in continuarea fetei trans intre RE tranzitional si fata cis-golgiana au fost evidentiata microvezicule cu diametrul mediu de 50 nm, care, in momentul de fata, sunt dovedite a conflua intr-un sistem veziculo-tubular, considerat un compartiment intermediar intre RE si Golgi; acest compartiment este numit prescurtat fie VTC fie ERGIC
Intre reteaua trans-Golgi si sistemul endosomal se descrie de asemenea un sistem de recirculare a unor vezicule de transport, denumit compartiment de reciclare endosomal. In ceea ce priveste stiva de cisterne, se opereaza cu notiunile : cisterne cis, cisterne mediene si cisterne trans, dupa cum acestea sunt orientate catre fata cis-Golgi , catre fata trans-Golgi, sau sunt asezate in zona din mijloc a stivei. Morfologic, polaritatea se poate evidentia atat intre cisterne(cisternele cis au lumenul mai subtire, cele trans mai gros) , cat si in cadrul cisternelor( mai efilate central si mai ingrosate limitrof). Pentru a ne completa imaginea in spatiu a morfologiei complexului Golgi, este bine sa specificam faptul ca cisternele trebuie vazute ca imbracand un sector de sfera. Desi corespondenta dintre polaritatea morfologica si cea biochimia a fost dovedita intre cisterne, nu acelasi lucru s-a intamplat si in ceea ce priveste polaritatea din cadrul aceleiasi cisterne. Nu exista, in momentul de fata, dovezi cum ca intre zonele mediene ale cisternelor , mai subtiri, si cele limitrofe, mai gonflate, ar exista diferente de molecularitate. Dimpotriva, s-a evidentiat ca moleculele si/sau macromoleculele din cisternele golgiene difuzeaza fara restrictii in planul membranelor fiecarei cisterne. Din punct de vedere al structurii biochimice, la nivelul aparatului Golgi se descriu doua tipuri de proteine:
structurale, cu rol in formarea matricei aparatului Golgi, responsabile de organizarea lui 3D si pozitionarea corecta intracelular; din aceasta familie fac parte golgina si proteinele din familia GRASP( s-a demonstrat experimental ca proteinele din familia GRASP sunt capabile sa reasambleze in aproximatib 12 ore ap Golgi , dupa extragerea organitului din celula prin microdisectie laser) functionale - enzimele specifice aparatului Golgi, cu rol in definitivarea structurii proteinelor si lipidelor glicozilate
67. Functiile aparatului Golgi In principal, acestea sunt : 1. Prelucrarea sfingolipidelor ( biosinteza sfingomielinelor si glicolipidelor prin modificarea ceramidelor produse in RE) 2. Glicozilarea proteinelor (continuarea tunderii si efectuarea glicozilarii terminale) 3. Producerea glicozaminoglicanilor 4. Sulfatarea unor glucide 5. Marcarea enzimelor lizosomale prin eticheta manozo-6-fosfat ( M6P) si biogeneza lizosomilor 6. Maturarea proteinelor
67
7. Sortarea si transportul moleculelor si macromoleculelor la destinatia finala in celula , sau pentru secretarea lor 8. Biogeneza si traficul intracelular al membranelor Toate aceste procese se petrec intr-o succesiune ordonata de etape bine controlate si reglate, pe masura ce substantele primite de la RE avanseaza prin aparatul Golgi, dinspre fata cis, catre fata trans. Prelucrarea si definitivarea structurilor glucidice N-glicozidice Producerea acestor structuri este initata in RE sub forma unor structuri complexe oligozaharidice, formate din 2 N-acetil glucozamine, 9 manoze si 3 glucoze. Stim de asemenea ca, dupa inserarea pe asparagina aflata intr-o secventa consens (-N-X-S/T-), structura incepe sa fie tunsa chiar in RE ( mai intai glucozele, apoi o manoza). Tunderea de primelor doua glucoze asigura impachetarea corecta, cu ajutorul actiunii calnexinei. Dupa ajungerea in Golgi, celula este in masura sa decida asupra destinului acestor glicoproteine. Cele care vor fi enzime lizosomale sunt marcate la cel putin una din manoze . Cele care au alte destinatii vor fi prelucrate, prin continuarea tunderii manozelor si , de regula, prin glicozilari terminale, pentru a deveni structuri inalt manozilate, structuri hibride sau structuri complexe. Structurile inalt manozilate sunt slab reprezentate in afara enzimelor lizosomale, structurile hibride contin inca un numar de cel putin cinci manoze, iar structurile complexe contin un miez trimanozidic.
Biosinteza structurilor O-glicozidice Structurile O-glicozidice se produc in intregime la nivelul cisternelor golgiene. Biogeneza lizosomilor Lizosomii reprezinta organitul prin care celula isi asigura moleculele fundamentale atat pe baza reciclarii acestora din unele componente intracelulare, cat si prin preluari de substatna din afara celulei. Functia lor se bazeaza pe bogatul continut in hidrolaze acide, pe care celula le produse si le directioneaza corect printr-o colaborare inalt specializata intre RE si compelxul Golgi, care implica si un trafic adecvat, selectiv de membrana. Acest proces poarta denumirea de biogeneza lizosomala. Biogeneza lizosomala consta in biosinteza proteinelor lizosomale(enzime + proteine ale mb lizosomale) care implica mai intai activitatea RE , apoi pe cea a aparatului Golgi, pentru maturarea, sortarea si directionarea spre lizosomi a bagajului molecular specific. Biogeneza lizosomala prezinta 2 aspecte mai bine cunoscute: 1. marcarea enzimelor lizosomale 2. sortarea, segregarea moleculelor si vezicularea lizosomilor primari Ambele fenomene se petrec la nivelul ap. Golgi. 1. Marcarea enzimelor lizosomale presupune formarea unei etichete ( manozo-6-fosfat, M6P) . In prima etapa, de la nivelul retelei cis-Golgi, proteinele care sunt destinate a sfarsi ca enzime lizosomale si care poarta obligatoriu structuri oligozaharidice N-glicozidice sunt complexate de enzima N-acetilglucozaminil-fosfotransferaza, care modifica cel putin una dintre manoze prin transferarea unei N-acetil
68
glucozamine impreuna cu un fosfat. Se formeaza in acest fel un precursor al etichetei finale M6P. Specificitatea interactiunii dintre viitoarea enzima lizosomala si N-acetil-glucozaminil-fosfotransferaza este asigurata de un semnal conformational. Legat de a doua etapa a marcarii, nu este clar unde are loc, dar consta in prelucrarea ulterioara a etichetei la forma ei finala. Cert este insa faptul ca in reteaua trans-Golgi capacul de N-acetil-glucozamina nu mai mascheaza eticheta M6P, care devina functionala si este folosita in procesele de sortare, segregare si producere a lizosomilor primari. Dovedirea importantei M6P in biogeneza lizosomilor s-a facut prin folosirea culturilor de celule ce prezentau boala incluziilor celulare. Aceste celule prezentau un defect structural necunoscut, prin care enzimele in loc sa fie directionate la lizosomi, ajungeau sa fie exocitate, iar defectul era de fapt la nivelul etichetarii cu M6P. 2. Sortarea are la baza interactiunae M6P cu un receptor specific transmembranar ( receptorul la M6P). Acesta din urma este, la randul sau, folosit pentru segregarea si aglomerarea componentelor lizosomale la nivelul unor structuri cu invelis de clatrina din reteaua trans-Golgi. Acestea evagineaza din structurile trans-Golgiene si se desprind, pierzandu-si invelisul de clatrina si devenind lizosomi primari. In etapa urmatoare, lizosomii primari fuzioneaza fie cu endosomi tarzii, preducand lizosomi secundari, fie cu lizosomi secundari preexistenti, pentru a le spori bagajul de enzime cu componente proaspete. Biogeneza lizosomilor se sfarseste cu procesele de reciclare a componentelor membranare implicate in sortare, segreare, veziculare si transport directionat al lizosomilor primari. O ultima nota: in ciuda faptului ca enzimele lizosomale sunt functionale deja in reteaua trans-Golgi, enzimele lizosomale nu pot activa aici deoarece pH-ul in lumenul structurii , este cu cel putin o unitate mai ridicat decat in lizosom ( desi tot acid, este putin mai acid).
67*. Cooperarea RE-Golgi in biogeneza si traficul intracelular al membranelor. Traficul RE-Golgi In tot ceea ce face, ap. Golgi este dependent de cooperarea cu RE, dar aceasta cooperare nu are semnificatie functionala numai pentru complexul Golgian, ci si pentru reticulul endoplasmic. Asa cum ap. Golgi nu ar avea ce face daca nu ar primi molecule si macromolecule spre prelucrare de la RE, la fel RE nu si-ar vedea munca finalizata daca nu ar exista in avalul sau cisternele golgiene cu aspectele lor functionale si structurale caracteristice. Biogeneza membranelor este un proces deosebit de complex, care implica mai multe organite. Practic, biogeneza membranelor presupune:
biosinteza componentelor moleculare ale membranelor asamblarea corecta a acestora la nivelul structurii maturarea structurii la una functionala transportul directionat al noilor membrane la destinatie
Toate aceste procese nu se intampla neaparat in aceasta ordine, ci, de regula, ele se intrepatrund, astfel ca este nevoie de un bine elaborat, controlat si reglat trafic de membrane. Traficul RE-Golgi
69
Acest trafic implica: Sortarea la nivelul elementelor tranzitionale ale RE( cu participarea proteinelor de invelis COP II ) Traficul catre ap, Golgi Sortarea la nivelul complexului Golgi ( cu proteine de invelis COP I) Returul la RE ( reciclarea unor componente) Este dovedit in prezent ca acest trafic respecta un mecanism de tip suveica. Daca transportul anterograd nu a fost pus sub indoiala, existenta celui retrograd a fost subiect de disputa pana in 1989, cand s-a demonstrat ca transportul RE-Golgi are loc in ambele directii.
68. Ciclul secretor celular Celulele organismului produc alaturi de macromolecule necesarea folosintei interne si unele a caror destinatie este aceea de a fi secretate(exocitate). Aceasta proprietate a celulelor, de a secreta componente biosintetizate, se poate manifesta permanent sau periodic si implica, bineinteles, un trafic membranar. Ciclul secretor se desfineste ca o succesiune de fenomene prin care se realizeaza:
biosinteza moleculelor/macromoleculelor de secretie prelucrarea(maturarea) , sortaarea, vezicularea si condensarea veziculelor/vacuolelor de secretie secretia propriu-zisa, care poate fi constitutiva sau semnalizata(stimulata)
De exemplu, in cazul insulinei, maturarea presupune eliminarea mai multor fragmente din lantul polipeptidic initial, unic. Pre pro-insulina inseamna lantul ce contine peptida semnal necesara translocarii prin membrane RE. Pro- insulina reprezinta lantul proteic fara peptida semnal, eliminata de semnal-peptidaza. Asadar, pre-pro-insulina ar fi precursorul inserat in membrana RE, iar pro-insulina (forma cu existenta reala) este proteina solubila, libera in lumenul RE, respectiv in lumenul cisternelor golgiene. Insulina matura se produce in granula de secretie prin eliminarea proteolitica a unei secvente din centrul lantului polipeptidic, astfel incat cele doua subunitati ale moleculei de insulina raman solidarizate, dar prin doua punti disulfurice. Asadar, continutul vacuolelor de secretie sufera un proces de condensare, ce consta in eliminarea apei din lumen catre citosol.
Calea de secretie constitutiva opereaza in toate tipurile de celula. Se considera ca ea se petrece concomitent cu traficul noilor suprafete de membrana necesare a inlocui componente devenite nefunctionale, sau a satisface nevoile de crestere a suprafetei de membrana din anumite fenomeme de organizare/reorganizare a tesuturilor ce insotesc situatii fiziologice sau patologice. Aceste fenomene necesita si organizari/reorgnizari ale spatiilor extracelulare, astfel incat este necesara secretia de componente ale matricei extracelulare, cel putin.
70
Fenomenele par a se desfasura de la sine prin transport si fuziuni constitutive de membrane, desi in momentul de fata se acumuleaza date ce indica faptul ca in situatiile patologice, fenomenele care in situatii normale corespund secretiei constitutive, necesita amplificari care par a fi rezultator unor fenomene de semnalizare in care capacitatea integrinelor de a semnaliza bidirectional devina activa. Calea de secretie semnalizataeste, de regula, specifica celulelor specializate in secretie ( spre ex: celule glandulare). Ea presupune exocitatea componentelor acumulate in vacuole de secretie, pe care celulele le stocheaza pana la primirea unui semnal=stimul. Acest stimul instiinteaza ca organismul are nevoie de substantele stocate in vederea secretiei ulterioare. Molecula mesager se leaga de un receptor specific din membrana celulei secretoare si declanseaza mecanisme de semnalizare, al caror efect este inducerea fuziunii membranei vacuolelor de secretie cu membrana celulara si exocitatea continutului. In multe cazuri, fuziunea semnalizata a membranelor se datoreaza cresterii concentratiei de Ca2+ in citosol. De mentionat ca, in unele situatii, completa maturarea a moleculelor secretate se petrece exact in momentul exocitozei. Acesta este, de exemplu, cazul colagenului tip I a carui maturare finala inseamna eliminarea, prin proteoliza, a unor fragmente din capetele pro-proteinei, eliminare care permite fibrilarea moleculei. Daca maturarea s-ar produce in celula, colagenul ar forma fibre in structurile intracelulare, afectand functionarea acesteia si inducand situatii patologice. In concluzie, ciclul secretor(numit mai frecvent cale secretorie) implica atat cooperarea dintre RE ( la nivelul caruia se sintetizeaza componentele moleculare destinate exportului) si aparatul Golgi ( raspunzator, de regula, de finalizarea maturari moleculelor de secretat, de sortarea, condensarea, si formarea vacuolelor de secretie), cat si traficul membranar aferent acestor procese.
Totusi, termenul de ciclu secretor este oarecum impropriu, intrucat un ciclu implica reciclari ale unor componente, lucru nu tocmai valabil in acest caz. Mai corect ar fi sa folosim notiunea de cale secretorie, intrucat nu exista dovezi asupra reciclarii unor compomente implicate in mecanismele celulare ce realizeaza procesul. Mai mult, pentru secretia constitutiva exista dovezi ca dinamica procesului implica ajungerea veziculelor in imediata apropiere a membranei, unde, dupa o asteptare de 15-30 secunde, fuzioneaza rapid. In sfarsit, merita sa evidentiem aici ca pionierul deslusirii caii secretorii este G.E Palade, care, prin tehnici de autoradiografie, adaptate ME, a aratat ca AA tritiati se regasesc la nivelul RE imediat dupa administrarea lor celulelor pancreatice acinare, apar la nivelul ap. Golgi 20 minute mai tarziu si marcheaza vacuolele secretorii=materialele exocitate, dupa 90 de minute de la administrare.
69. Biogeneza lizozomilor Lizosomii reprezinta organitul prin care celula isi asigura moleculele fundamentale atat pe baza reciclarii acestora din unele componente intracelulare, cat si prin preluari de substatna din afara celulei. Functia lor se bazeaza pe bogatul continut in hidrolaze acide, pe care celula le produse si le directioneaza corect printr-o colaborare inalt specializata intre RE si compelxul Golgi, care implica si un trafic adecvat, selectiv de membrana. Acest proces poarta denumirea de biogeneza lizosomala. Biogeneza lizosomala consta in biosinteza proteinelor lizosomale(enzime + proteine ale mb lizosomale) care implica mai intai activitatea RE , apoi pe cea a aparatului Golgi, pentru maturarea, sortarea si directionarea spre lizosomi a bagajului molecular specific. 71
Biogeneza lizosomala prezinta 2 aspecte mai bine cunoscute: 1. marcarea enzimelor lizosomale 2. sortarea, segregarea moleculelor si vezicularea lizosomilor primari Ambele fenomene se petrec la nivelul ap. Golgi. 1. Marcarea enzimelor lizosomale presupune formarea unei etichete ( manozo-6-fosfat, M6P) . In prima etapa, de la nivelul retelei cis-Golgi, proteinele care sunt destinate a sfarsi ca enzime lizosomale si care poarta obligatoriu structuri oligozaharidice N-glicozidice sunt complexate de enzima N-acetilglucozaminil-fosfotransferaza, care modifica cel putin una dintre manoze prin transferarea unei N-acetil glucozamine impreuna cu un fosfat. Se formeaza in acest fel un precursor al etichetei finale M6P. Specificitatea interactiunii dintre viitoarea enzima lizosomala si N-acetil-glucozaminil-fosfotransferaza este asigurata de un semnal conformational. Legat de a doua etapa a marcarii, nu este clar unde are loc, dar consta in prelucrarea ulterioara a etichetei la forma ei finala. Cert este insa faptul ca in reteaua trans-Golgi capacul de N-acetil-glucozamina nu mai mascheaza eticheta M6P, care devina functionala si este folosita in procesele de sortare, segregare si producere a lizosomilor primari. Dovedirea importantei M6P in biogeneza lizosomilor s-a facut prin folosirea culturilor de celule ce prezentau boala incluziilor celulare. Aceste celule prezentau un defect structural necunoscut, prin care enzimele in loc sa fie directionate la lizosomi, ajungeau sa fie exocitate, iar defectul era de fapt la nivelul etichetarii cu M6P. 2. Sortarea are la baza interactiunae M6P cu un receptor specific transmembranar ( receptorul la M6P). Acesta din urma este, la randul sau, folosit pentru segregarea si aglomerarea componentelor lizosomale la nivelul unor structuri cu invelis de clatrina din reteaua trans-Golgi. Acestea evagineaza din structurile trans-Golgiene si se desprind, pierzandu-si invelisul de clatrina si devenind lizosomi primari. In etapa urmatoare, lizosomii primari fuzioneaza fie cu endosomi tarzii, preducand lizosomi secundari, fie cu lizosomi secundari preexistenti, pentru a le spori bagajul de enzime cu componente proaspete. Biogeneza lizosomilor se sfarseste cu procesele de reciclare a componentelor membranare implicate in sortare, segreare, veziculare si transport directionat al lizosomilor primari. O ultima nota: in ciuda faptului ca enzimele lizosomale sunt functionale deja in reteaua trans-Golgi, enzimele lizosomale nu pot activa aici deoarece pH-ul in lumenul structurii , este cu cel putin o unitate mai ridicat decat in lizosom ( desi tot acid, este putin mai acid).
70. Exocitoza : definitie, tipuri de exocitoza Exocitoza este un tip de transport cu membrana, prin care se elimina componente din interorul celulelor in afara lor. Reprezinta procesul prin care celula elimina substante produse in diverse procese celulare(inclusiv biosinteze de compusi destinati secretiei) si acumulate temporar in structuri delimitate de endomembrane numite vezicule sau vacuole de secretie, poarta numele de exocitoza. Exocitoza este ultimul pas al unui proces celular complex, care implica in cascada mai multe organite( ribosomi, RE, aparat Golgi, sistem endosomal), proces numit secretie celulara. 72
Ddpv al mecanismelor prin care este controlata:
exocitoza constitutiva exocitoza semnalizata (dependenta de cresterea concentratiei de Ca2+ din citoplasma in zona de stocare a veziculelor de secretie)
Deci, unele produse destinate secretiei sunt eliminate din celula pe masura ce se formeaza veziculele secretorii , iar acestea ajung la membrana celulara, unde are loc fuzionarea membranelor si secretia, prin procese constitutive, care se desfasoara de la sine.Pe de alta parte, anumite componente produse in celula sunt acumulate si stocate in zone juxtamembranare pana cand celula primeste un semnal care comanda secretia lor= exocitoza semnalizata. Mecanismul exocitozei presupune urmatoarele etape: 1. Transportul veziculelor de secretie din locul de formare in locul de stocare din apropierea membranei la nivelul careia se face secretia, proces efectuat de asa-numitele motoare moleculare 2. Ancorarea veziculelor , prin factori de ancorare de natura proteica la o distanta de 25 nm de membrana celulara 3. Acostarea veziculelor la mb celulara= aducerea lor la o distanta de 5-10 nm intre cele doua membrane 4. Initierea veziculelor , care presupune o serie de evenimente legata de rearanjari dependente de ATP si de Ca2+ ale proteinelor si lipidelor mb veziculare ( in exociotza constitutiva aceasta etapa nu exista) 5. Fuzionarea veziculelor cu membrana celulara si expulzarea produsilor de secretie . Fuzionarea este realizata de niste proteine numite abreviat SNARE , care sunt v-SNARE (in membrana veziculelor), respectiv t-SNARE (in membrana tinta) . Se pare ca fuzionarea se face la nivelul unor structuri preexistente in membrana tinta, care favorizeaza deschiderea veziculelor si care au fost denumite porosomi.
71. Mitocondria: aspect in MO si ultrastructura Introducere:Mitocondria este un organit delimitat de un sistem de doua membrane, cauia i se definesc patru elemente structurale si a carei functie de baza este producerea de ATP. Pentru realizarea acestei meniri, mitocondria trebuie sa fie capabila de o permanenta interactiune cu citosolul si, prin acesta, cu celelalte componente celulare. Practic, mitocondria, prin capacitatea ei de a produce ATP, asigura atat sporirea randamentului in acumularea energiei rezultate din metabolizarea produsilor de reactie ai glicolizei anaerobe(completeaza, adica, pe cai aerobe, ceea ce initiaza glicoliza), cat si inmagazinarea prin compusul macroergic ATP , ce functioneaza ca moneda de schimb energetic in celule, a energiei eliberate din metabolizarea acizilor grasi pe calea beta-oxidarii. Fenomenele mentionate mai sus reprezinta cai de metabolizare energetica ce se petrec in conditii normale in nutritie. In conditii de nutritie dezechilibrata in metabolismul energetic pot intra si AA, care sunt transformati in materie prima pentru metabolismul energetic atunci cand ei reprezinta un surplus alimentar, sau sunt direct metabolizate pentru producerea de ATP, in situatii de malnutritie.
73
In ambele situatii de dezechilibru alimentar amintite, celula incearca sa-si satisfaca, pe cai alternative, nevoile energetice. Daca in conditii normale de metabolism energetic, fenomenele se desfasoara in sensuri fiziologice, in situatiile extreme fenomenele pot devia catre patologic. Ultrastructura Organitului i se definesc patru elemente ultrastructurale, usor de evidentiat in preparatele standard de microscopie electronica. Pe preparatele electronomicroscopice, mitocondria se prezinta ca un organit invelit intr-o membrana relativ bine intinsa, cu aspect trilaminat, denumita membrana mitocondriala externa. In interiorul acesteia si separata de ea, se evidentiaza o a doua membrana, tot cu aspect trilaminat, care insa este puternic faldurata, denumita membrana mitocondriala interna. Faldurile membranei mitocondriale interne sunt denumite criste mitocondriale. Abundenta si forma cristelor pot diferi de la un tip de celula la altul, insa forma lor, de regula, este aceea de falduri, orientate perpendicular pe axxul lung al organitului. Cristele pot avea si aspect tubular(cu sectiune circulara sau triunghiulara), cum este cazul celulelor secretoare de hormoni steroidici. Pot exista si creste orientate paralel cu axul lung al organitului. Indiferent de abundenta, forma sau orientarea lor, cristele sunt o caracteristica ultrastructurala specifica membranei mitocondriale interne.
Cele doua membrane definesc doua compartimente mitocondriale:
compartiment mitocondrial extern = spatiu intermembranar, reprezentand spatiul dintre cele doua membrane mitocondriale compartiment mitocondrial intern = matrice mitocondriala , constiuit de spatiul din interiorul membranei mitocondriale interne , adica, acel spatiu delimitat de membrana mitocondriala interna
Matricea mitocondriala reprezinta cel mai complex compartiment, la nivelul sau gasindu-se un ADN propriu, fara capete libere, numit si ADN circular. Matricea mitocondriala prezinta de asemenea ribosomi mitocondriali. Examinarea preparatelor in ME de inalt voltaj(tehnica ce permite analiza unor sectiune mai groase ale preparatelor biologice) a evidentiat aspectul prelung, adesea ramificat al mitocondriilor, lucru ce inseamna ca numarul mitocondriilor intr-o celula este mult mai mic decat am fi tentati sa credem din examniarea preparatelor standard de microscopie electronica. Mitocondrii care se evidentiau independent in unele sectiuni se dovedesc a se uni la nivelul altor sectiuni, care se dovedesc de fapt a fi parti constitutive ale aceluiasi element celular.
74
ATP sintaza (F0F1 ATP-aza) - 500 kD - Structură de băţ de tobă (trunchi, gât şi cap) - Cel puţin 9 proteine (2 autonome) - Partea transmembranară (F0): canal protonic - Gâtul şi capul (3a + 3b + 1g + + 1d + 1e): ATP sintaza -Funcţionarea presupune rotirea subunităţii F1 ce cuprinde 3 situsuri catalitice - Fiecare din situsurile catalitice trece prin trei conformaţii succesive: deschisă, laxă, strânsă
F0 ATPaza
Principii metodologice pentru studiul mitocondriei: Analiza contributiei celor patru elemente structurale la functiile mitocondriei presupune izolarea si purificarea lor. Lucrul acesta e favorizat de modul in care mitocondria e structurata: mitocondriile se pot usor separa dupa omogenizarea celulelor, prin centrifugare diferentiala, ca fractiune de sine-statatoare. Mitocondriile astfel obtinute, supuse unui soc hipoton se umfla, a.i mb interna se poate destinde considerabil(multumita faldurarii sale), in tp ce mb externa se fragmenteaza, veziculandu-se. Astfel, componentele compartimentului mitocondrial extern sunt deversate in mediu si raman in supernatantul obtinut prin depunerea la centrifugare a mitoplastului(matrice + mb mitocondriala interna). Analiza acestui supernatant ne aduce indicii asupra bagajului molecular si/sau macromolecular al acestui compartiment mitocondrial, precum si sugestii asupra functiilor sale. Pentru obtinerea separata a componentelor mitoplastului, adica, pentru izolarea componentelor matrice mitocondriale de cele ale membranei mitocondriale interne, sedimentul obtinut anterior este supus unui al doilea soc hipoton sau, mai adesea, unei dezintegrari prin ultrasonicare. Prin procedeul descris mai sus, putem obtine separat, cu inalt grad de puritate, cele patru elemente ultrastructurale ale mitocondriei.
72. Organizarea moleculara si functiile membranei mitocondriale interne Membrana mitocondriala interna, desi organizata conform modelului mozaic fluid, reprezinta o exceptie de la regula in privinta raportului lipide:proteine. Ea contine 20-30% lipide si 70-80% proteine , lucru ce dovedeste accentuatul rol metabolic pe care aceasta membrana il are. Insa, rolul de bariera al acestei membrane este, de asemenea, deosebit de important, pentru buna ei functionare. Pentru a compensa parca procentul mic de lipide, la nivelul acestei membrane intalnim un fosfolipid cu o hidrofobicitate mai accentuata= cardiolipina(in jur de 15% in procente de compozitie).Procesul esential desfasurat la nivelul mb mitocondriale interne este fosforilarea oxidativa.Pentru aceasta funtie, evidentiem 5 complexe proteice, simbolizate prin cifre romane : I-V. Primele patru apartin fenomenului denumit lant transportor de electroni= lant respirator. 75
Aceste complexe proteice preiau electroni de la NADH, respectiv, FADH2 , si ii poarta printr-o succesiune de centre oxido-reducatoare, saracindu-i trepat de energie, cedandu-i la sfarsit oigenului. Acest intreg proces de transport si saracire in energie a electronilor este insotit de pomparea de protoni din matrice catre compartimentul mitocondrial extern. Au capacitatea de a pompa protoni prin folosirea energiei preluate de la electronii transportati doar 3 dintre cele 4 complexe proteice: I,III, IV .Complexele lantului respirator capabile sa pompeze protoni se numesc complexe de conservare a energiei. Energia este conservata sub forma unui gradient electrochimic generat la nivelul membranei mitocondriale interne, prin aceasta pompare directionata de protoni. Lantul respirator In lantul respirator opereaza complexele I-IV, precum si doua componente de legatura: ubiquinona, care face legatura intre complexele I-II-II, precum si citocromul c , care leaga complexele III-IV. Deci: complex 1- ubiquinona-complex2 -ubiquinona-complex 3 - citocrom c- complex IV Complexul I = complexul NADH- dehidrogenazei, este cel care introduce in sistem electronii preluati de pe NADH. Este format din peste 40 de subunitati proteice, dintre care 7 sunt tipuri autonome <=> sunt proteine codificate de ADN-ul mitocondrial propriu si sintetizate in matricea organitului, prin ribosomi proprii. Complexul 1 prezinta un centru flavinic si 7-8 centre fier-sulf, care prezinta cofactorii unor asa-numite proteine fier-sulf, cu raport stoechiometric intre ionii de fier si cei de sulf unitar. Complexul 1 preia deci electronii de pe NADH, ii saraceste in energie in mai multi pasi, prin trecerea lor de la un centru oxido-reducator la altul, sfarsind prin a-i preda ubiquinonei, numita si coenzima Q( CoQ). Energia preluata de la electronii transportati e folosita pentru pomparea de protoni din matricea mitocondriala in spatiul intermembranar. Complexul 2 = complexul succinat-dehidrogenazei, este singurul complex al lantului respirator ce nu pompeaza protoni, desi prezinta un domeniu transmembranar. Contine 1 centru flavinig, si trei centre fiersulf(din care unul atipic 3Fe-4S), precum si un centru hemic. Complexul 2 introduce in sistemul lantului respirator electronii preluati de la FADH2, a caror energie este prea mare pentru a fi preluati la nivelul 1. Complexul 2 preda apoi electronii CoQ. Complexul 3 = complexul citocromilor b-c1, este cel ma bine cunoscut. Contine mai multe subunitati proteice, dintre care una autonoma, contine un centru fier-sulf, pe protene fier-sulf Rieske , 3 centre hemice. Complexul 3 preia electronii de la ubiquinona, le reduce energia inc ateva trepte si ii transfera pe citocromul c. Ca si in cazul complexului 1, energia preluata de la electronii transferati este folosita pentru pomparea de protoni din matrice in compartimentul extern. Complexul 3 opereaza ca dimer. Complexul 4= complexul citocromilor a-a3 = complexul citocrom-oxidazei, este ultimul complex al centrului respirator. Prezinta:
76
3 subunitati proteice autonome ce formeaza nucleul functional al complexului 2 centre hemice si doua centre cuprice = situri oxido-reducatoare opereaza ca dimer
Complexul 4 preia deci electronii de la citocromul c(prin unul din centrii cuprici), ii saraceste de energie(pompand pe baza energiei acumulate protoni), si ii insera pe oxigen , cu formare de apa. Complexul 4 structureaza doua canale transmembranare prin care sunt pompati acesti protoni(cate un proton pompat pentru fiecare electron transportat), canale denumite D, respectiv K, intrucat la nivelul lor sunt conservati un rest aspartat, respectiv de lizina. In zona mediana transmembranara a canalului D se afla un rest glumatat, cu rol esential in pomparea protonilor. Evident, toate cele 3 complexe ale lantului transportor de electroni si care conserva energia preluata de la electroni prin pomparea de protoni( este vorba de complexele I, III, IV) sunt transmembranare. Altfel, nu ar fi posibila operarea lor ca pompe protonice.
ATP sintaza Procesul fosforilarii oxidative se incheie cu producerea de ATP, lucru realizat de complexul V, denumit si ATP sintaza. Acest complex are tot o pozitionare transmembranara si foloseste gradientul protonic creat de lantul respirator, disipandu-l pentru a lega o grupare fosfat la ADP. Complexul 5 actioneaza ca o turbina , actiunea sa fiind reversibila, el putand hidroliza ATP si pompa protoni, in cazul in care gradientul se inverseaza(de unde si denumirea alternativa a complexului 5 de F1F0ATP-aza). ATP sintaza are arhitectura asemanatoare unui bat de toba, cu 3 parti componente: cap, gat trunchi. Capul este sferic, voluminos, orientat spre matricea mitocondriala, iar trunchiul este constituit din portiunea transmembranara a complexului, gatul facand legatura intre cele doua parti. Componenta transmembranara= componenta F0 Cap si gat= componenta F1, componenta catalitica. Complexul ATP are 16 proteine, din care 2 autonome. Capul si gatul ATP sintazei sunt formate din 5 subunitati notate simbolic alfa,beta, gama, sigma, epsilon in raport stoechiometric 3:3:1:1:1 . Capul e alcatuit din 3 dimeri alfa-beta. Componenta transmembranara, F0, structureaza un canal protonic prin care este disipat gradientul realizat de lantul respirator. Fluxul protonic prin acest canal reprezinta forta motrice pentru producerea ATP din ADP si fosfat. Structura globulara a capului se roteste in raport cu portiunea transmembranara, rotirea implicand 3 pasi a cate 120 de grade. In timpul acestei rotiri, cei trei heterodimeri alfabeta, care formeaza trei situri active ale componentei catalitice, trec succesiv prin trei stari diferite: deschisa, laxa si stransa, corespunzand astfel: 1. Starea deschisa = lipsa nucleotidului si fosfatului in siturile de legare 2. Starea laxa: legarea ADP-ului si fosfatului 3. Starea stransa: legarea ATP-ului Se pare ca , in aceste stari, se consuma energie doar pentru ocuparea siturilor cu ADP si fosfat respectiv pentru eliberarea de ATP, nu si pentru formarea implicita a acestuia <=> legarea fosfatului la ADP. Transportul metabolitilor
77
Membrana mitocondriala interna are si rol in transportul metabolitilor energetici. Astfel, piruvatul si fosfatul sunt preluate din citosol prin transportori simport. Pentru transportul catre matrice al piruvatului si fosfatului este disipat gradientul protonic. Deci, gradientul protonic format prin actiunea complexelor proteice ale lantului transportor de electroni nu este folosit exclusiv pentru producerea de ATP, ci si pentru transportul unor metaboliti. Alti doi metabolitici energetici esentiali sunt ADP si ATP-ul. ADP-ul este transportat prin membrana catre matrice, iar ATP-ul catre citosol. Acesti doi compusi sunt transportati la schimb, deci, printr-un transportor antiport. Prin intrarea unei molecule de ADP si iesirea uneia de ATP se introduc in matrice trei sarcini negativa si sunt expulzate patru, deci, potentialul membranar este redus. Din aspectele evidentiate mai sus referitor la importanta functionala a membranei mitocondriale interne, putem deduce o explicatie pentru organizarea sa sub forma de criste. Faldurarea acestei membrane ii sporeste considerabil suprafata, deci, mareste functionalitatea ei, fiind posibile mai multe procese simultan pentru acelasi volum al organitului.
73. Organizarea moleculara si functiile membranei mitocondriale externe si a spatiului intermembranar
Membrana mitocondriala externa Membrana mitocondriala externa este organizata conform modelului mozaic fluid, ea avand un raport lipide/proteine corespunzator celui general valabil. Inainte de toate, membrana mitocondriala externa se caracterizeaza printr-o permeabilitate generoasa, datorita prezentei porinelor, care permit schimbul nerestrictionat al moleculelor de pana la 5000 daltoni intre citosol si compartimentul mitocondrial extern. Membrana mitocondriala externa are si roluri caracterizate prin specificitati mai accentuate, precum preluarea de acizi grasi din citosol. Acest lucru se realizeaza prin preluarea acizilor grasi de pe transportorii lor proteici din citosol =proteine care leaga acizi grasi = FABP = Fatty Acid Binding Protein. Acizii grasi sunt esterificati la acil-CoA, prin actiunea acil-CoA sintazei. Acil-CoA este translocata in versantul intermembranar, unde este transformata sub actiunea carnitin-acil-transferazei I in acil-carnitina. Acil-carnitina este preluata de membrana mitocondriala interna, pentru a o transloca in matricea mitocondriala. O alta functie a membranei mitocondriale externe este aceea de dezaminare oxidativa a aminelor biogene, lucru realizat prin actiunea monoamin-oxidazei. MONOAMIN OXIDAZA ESTE ENZIMA MARKER PENTRU MB MITOCONDRIALA EXTERNA. Acest lucru inseamna ca ea se intalneste in celula numai la nivelul acestei membrane si poate fi folosita pentru aprecierea gradului de puritate al preparatelor de membrana mitocondriala externa.
78
Prin actiunea monoamin-oxidazei sunt inactivate epinefrina, norepinefrina, dopamina, serotonina etc. Produsii de dezaminare sunt apoi metabolizati la compusi care sunt excretati prin urina.
Spatiul intermembranar Compartimentul mitocondrial extern poate fi considerat ca un compartiment tampon intre citosol si mitoplast. La nivelul acestuia se creeaza practic un microclimat adecvat functionarii optime a mitoplastului. Intuim, rememorand cele mentionate asupra permeabilitatii membranei mitocondriale externe, ca la nivelul compartimentului intermembranar nu exista diferente de concentratie fata de citosol in privinta moleculelor de pana la 5000 de daltoni ( datorita porinelor, ce permit traficul lor practic nerestrictionat), respectiv pentru ionii anorganici aflati liberi in citosol. La nivelul acestui compartiment mitocodnrial se gasesc enzime care pregatesc o serie de metaboliti energetici esentiali functionarii mitocondriei. Importanta sub acest aspect este prezenta adenilat-kinazei, care transfera un rest fosfat de pe ATP pe AMP , conform reactiei: ATP+AMP=2ADP Semnificatia functionala este: se consuma o molecula de produs finit al functiei mitocodnriale = ATP, pentru crearea a doua molecule de substrat, adica, se creeaza premizele obtinerii a doua molecule de ATP, prin consumul uneia singure. La nivelul acestui compartiment gasim si nucleozid-fosfokinaze : transforma nucleozidele in nucleotide, creand premizele obtinerii unei diversitati de compusi macroergici.
74. Organizarea moleculara si functiile matricei mitocondriale La nivelul matricei mitocondriale se gasesc componentele necesare replicarii, transcrierii si traducerii informatiei continute de propriul ADN mitocondrial. Ce trebuie mentionat aici este faptul ca aceste informatii stau la baza biosintezei a doar maximum 1% din proteinele necesare functionarii mitocondriei, restul fiind codificate de ADN-ul nuclear, sintetizate in citosol si importate de mitocondrie. Ribosomii din matricea mitocondrialele au structura si caracteristicile ribosomilor procariotici, deosebindu-se astfel de ribosomii din citosolul celulei. Enzimele necesare procesarii ADN sunt, de asemenea, similare celor din procariote. Importante pentru metabolismul energetic aerob sunt insa bagajele enzimatice necesare beta-oxidarii acizilor grasi. Aceste procese produc acetil-CoA, reactii ce constituie ceea ce este cunoscut drept ciclul acizilor tricarboxilici= ciclul acidului citric= cilcul Krebs. Toate enzimele ce opereaza in ciculul acizilor tricarboxilici sunt localizate in matricea mitocondriala, cu exceptia succinat dehidrogenazei, parte integranta a unui complex proteic apartinand membranei mitocondriale interne. Ciclul Krebs foloseste acetil-CoA rezultata atat din beta-oxidarea acizilor grasi, cat si din prelucrarea oxidativa a piruvatului importat din citosol. In ceea ce priveste importanta acestui proces, relevant este faptul ca , in cadrul acestui ciclu, se reduc 3 molecule de NAD+ si una de FAD, cu producerea NADH,
79
respectiv, FADH2, care vor reprezenta donorii de electroni pentru lantul transportor de electroni, parte integranta a procesului de fosforilare oxidativa ce are loc la nivelul membranei mitocondriale interne.
75. Biogeneza mitocondriilor, teoria endosimbiotica Aparitia mitocondriei a reprezentat un eveniment definitoriu in evolutia celulelor EK. Teoria endosimbiotica reprezinta un model privind originea mitocondriei. Este in momentul de fata un model unanim recunoscut deoarece este sustinut de multiple argumente. Teoria a fost emisa de mai bine de un secol de insusi Richard Altmann si presupune ca, acum milioane de ani, cand atmosfera terestra isi modifica proprietatile fizico-chimice, imbogatindu-se in oxigen, o celula aeuroba a fost endocitata de o celula anaeroba, produsul acestei endocitoze castigand o mai buna capacitate de acomodare la noile conditii. Rezultatul a fost supravietuirea prin simbioza. In favoarea acestei teorii se pronunta urmatoarele realitati biologice: 1. Prezenta cardiolipinei, fosfolipid abundent in membranele bacteriilor, in membrana mitocondriala interna 2. Prezenta porinelor in membrana mitocondriala externa( porinele au fost pentru prima data evidentiate in peretele unor bacterii) 3. Existenta ADN-ului propriu, circular, fara capete libere, asa cum este ADN-ul procariotelor 4. Caracteristicile ribosomilor din matricea mitocondriala sunt similare cu cei ai robosomilor procariotici: cu constanta de sedimentare 70S 5. Sinteza proteica sensibila la cloramfenicol(la fel ca in cazul procariotelor) si insensibila la cicloheximida (care blocheaza sinteza proteica pe ribosomii din citosolul eucariotelor) 6. ARN- polimeraza sensibila la rimfamicina( ca la procariote) 7. Capacitatea proprie de a se divide
76. Rolul mitocondriilor in apoptoza (si in distributia intracelulara a ionilor de Ca si in producerea de specii reactive de O2)
Desi este stabilita implicarea mitocondriei in procesele apoptotice, mecanismele prin care aceasta controleaza apoptoza nu sunt inca pe deplin elucidate. Ceea ce se cunoaste cu certitudine sunt fapte care evidentiaza participarea mitocondriei la procesele apoptotice prin participarea pe calea cascadei caspazelor.Denumirea de caspaze vine de la : cysteinyl aspartate-specific proteases. Caspazele sunt principalii efectori in moartea celulara programata. Initial, s-a considerat ca mitocondriile raman neschimbate in timpul apoptozei. Acum, simt ca mitocondria suferia modificari morfologice in apoptoza, iar cele mai frecvente anomalii constau in :
80
reducerea dimensiunilor sporirea densitatii matricei = picnoza mitocondriala
Aceste condensari sunt confirmate ca evenimente timpurii in apoptoza. Mai mult , in apoptoza indusa prin deprivarea de factor de creste neurala NGF, de la Nerve-Growth Factor , la neuornii simpatici, picnoza mitocondriala este reversibila. Daca in celulele normale mitocondriile sunt dispersate in toata celula, in celulele apoptotice ele se redistribuie, aglomerandu-se perinuclear. Se pare ca acest lucru se datoreaza defectelor din relatia lor cu kinezinele, ce le permite dispersarea in citoplasma pe baza unui transport dependent de organizarea microtubulilor. Totusi, faptul ca mitocondria se defineste tot mai pregnant ca punct de control al apoptozei se datoreaza modificarilor mitocondriale de la nivel molecular si biochimic. Rezultatul: dezorganizarea membranelor mitocondriale cu eliberarea in citosol de componente intramitocondriale(citocrom c, endonucleaze G, AIF - Apoptosis-Inducing-Factor) . In general, prezenta citocromului c in citosol este un semnal de evolutie apoptotica a celulei.
Citocromul c se leaga de un factor de activare al apoptozei, numitAPAF 1 ( apoptotic protease activating factor) => un oligomer cu structura simetrice in spite de roata, continand 7 complexe Apaf1-citocrom c , numit apoptosom.Butucul central al apoptosomului e format prin unirea capetelor amino-terminale ale molecule de Apaf-1 , iar spitele, sunt formate din restul lantului polipeptidic. Apoptosomul leaga , prin acest butuc central, procaspaza 9, pentru care favorieaza od imerizare, lucru ce ii determina activarea si autoliza. Legarea apaf-1 - procaspaza 9 are loc prin domeniile CARD ( Caspase Recruitment Domain) ale celor doua tipuri de proteine. Caspaza 9, acum activata, lizeaza procaspaza 3, activand-o si declansand fenomenele apoptotice din calea caspazelor. Afectarea membranelor mitocondriale, cu eliberare de citocrom c, este realizata de modificarea echilibrului intre o serie de factori pro- si anti-apoptotici din familia proteinelor Blc-2.Raportul intre nivelul expresiei factorilor anti-apoptotici si a celor pro-apoptotici este cel care are efect asupra membranelor mitocodnriale. Cresterea expresiei factorilor prop-apoptotici are ca rezultat permeabilizarea membranelor mitocondriale, cu eliberarea de componente care determina apoptoza celulara . Pentru permeabilizarea membranei mitocondriale externe prin actiunea factorilor pro-apoptotici sunt considerate trei posibile cai. 1. Prima cale este reprezentata de capacitatea factorilor pro-apoptotici de a oligomeriza. Aceasta capacitate reprezinta de fapt un mecanism prin care factorii pro-apoptotici din familia proteinelor Bcl-2 pot structura megacanale. Capacitatea de oligomerizare este datorata prezentei in aceste proteine a unor domenii BH. Exista 4 domenii BH, factorii anti-apoptotici le contin pe toate cele 4, iar cei pro-apoptotici sunt fie lipsiti complet de domeniul BH4, fie prezinta ample modificari la nivelul acestuia.
2. O alta cale de permeabilizare a membranei mitocondriale externe o reprezinta capacitatea factorilor pro-apoptotici de a altera stabilitatea planara a bistratelor fosfolipidice.
81
Prin reducerea tensiunii planare a bistratului lipidic, factorii pro-apoptotici ar putea induce formarea de intreruperi in continuitatea bistratului lipidic, sub forma unor pori, sau, ar putea organiza complexe lipideproteine cu deschideri suficient de largi in structura membranei, care sa permita proteinelor din compartimentul mitocondrial extern sa difuzeze in citosol, intr-o gama foarte mare de gabarite moleculare.
3. A treia cale este reprezentata de capacitatea factorilor pro-apoptotici de a modifica permeabilitatea porinelor din membrana mitocondriala externa. Cand liposmi cu porine au fost incubati cu BAK/BAX , a fost indusa deschiderea porilor. Prin porii astfel deschisi, citocromul c, marcat cu fluoresceina, a trecut nestingherit. Prin contrast, in experimente similare conduse cu folosire de factori anti-apoptotici, a fost inregistrata inchiderea porilor. Ramane de vazut care dintre acestei cai va fi confirmata, sau poate daca realitatea biologica implica o cale ce combina toate aceste directii pe criterii dependente de anumite conditii in care procesul apoptotic se poate desfasura. Cele trei posibile cai descrise fac parte din teoria structurarii de canale in membrana mitocondriala externa, pentru explicarea pierderilor de componente intermembranare. Exista si o a doua teorie, teoria ruperii membranei externe, care stipuleaza ca pierderile s-ar datora umflarii mitocondriei, cu destinderea membranei interne si fragmentarea celei externe, insa exista un puternic contra-argument: procesul apoptotic decurve cu consum energetic, care necesita functionalitatea mitocondriei.
77. Nucleul celular: definitie, aspect la MO, respectiv electronic Este denumit si carion si este formatiunea cea mai reprezentativa a celulei. Este un organit celular cu multiple functii, diferentiat in procesul evolutiei , si in continua perfectionare si organizare. Nucle(lat)= miez, sambure Este un organit celular prezent numai la EK, delimitat de invelis nuclear, si nepermanent(este bine delimitat doar in interfaza ciclului celular) Are roluri in:
protejarea informatiei genetice este sediul autoreplicarii ADN si transmiterii mesajului genetic controlul post-transcriptional
Este cel mai voluminos organit al celulei EK , ocupand intre 6-10% din volumul celulei. Indeplineste functii fundamentale pentru viata celulei precum stocarea si transmiterea informatiei genetice de la o celula la alta, pe parcursul diviziunilor celulare succesive, si precum controlul activitatii celulare: nucleul controleaza functiile metabolice ale celulei prin reglarea expresiei genice. Aspect la MO
82
Nucleul , datorita continutului abundent in acizi nucleici, este bazofil. Cea mai folosita coloratie in acelasi sens este coloratia hemalaun-eozinica astfel: colorantul bazic (hemalaunul) leaga substrat acid(acizii nucleici din nucleu) , colorandu-l in albastru-inchis/violet. Uneori , la MO, nucleul poate avea delimitat un oarecare contur , insa acesta NU este reprezentat de membrana nucleara. NU EXISTA MEMBRANA CARE SA SE VADA IN MICROSCOPIA OPTICA, MEMBRANELE FIIND ULTRASTRUCTURI !!! . Astfel, se poate observa heterocromatina atasata periferic de lamina densa si de membrana nucleara interna. In nuclei inchisi la culoare se pot distinge nucleoli. Nucleii eucromatici au aspect veziculos, prezentand granulatii fine si aspect granular. Nucleii tahicromatici sunt intens bazofili. Eucromatina contine ADN care poate fi pus in evidenta prin urmatoarele metode: reactia Feulgen => ADN rosu-violet reactia Branchet => ADN verde, ARN rosu
Aspect la ME 1. Invelis nuclear Este prezent doar in interfaza si este alcatuit din membrana invelisului nuclear, ce prezinta membrana nucleara interna si membrana nucleara externa, si din cisterna perinucleara. Membrana externa se continua cu cisterne RER si poate prezenta ribozomi atasati. Enzime: G6P-aza Membrana interna este in raport cu o structura fibrilara densa=lamina nucleara. Por nuclear, unde eucromatina sparge heterocromatina periferica, atingand mb nucleara 2. Cromatina Poate fi eucromatina, electronoclara, functional activa sau heterocromatina, electronodensa, inactiva functional.
3. Matrice nucleara 4. Nucleolul ME: zona electronodensa, neregulata, cu structura fibrilogranulara (stanga)
78. Nucleul celular: numar, forma, locazlizare, semnificatie practica Raspandire: Nucleul este prezent in toate celulele organismului uman cu cateva exceptii : hematiile adulte, trombocitele, fibre cristaliniene din structura zonei corticale a cristalinului. Numar: De regula, "o celula-un nucleu". Exista insa cateva exceptii:
83
Celule binucleate: hepatocitele si unii ganglioni din neuronii simpatici Celule cu cate zeci de nuclei: osteoclastele (formate prin fuziunea unor precursori comuni cu monocitele) Celule cu cateva sute de nuclei: fibra musculara striata( 40 nuclei/cm)
Forma: De obicei, forma nucleului urmareste forma celulei. Cu toate acestea, nucleul poate prezenta o mare varietate de forme: o o o o o
rotund, ovalar - in celulele izodiametrice alungit in celulele inalte sau fusiforme turtit, in celulele in care exista acumulari de material lobat, in unele leucocite inmugurit, in megacariocite
Localizare: De obicei, nucleul ocupa o pozitie centrala in nucleu, pozitie ce poate fi socotita strategic dpv al rolului sau. Exceptii: nucleu excentric in celule ce acumuleaza material in citoplasma(celule adipoase, secretoare de mucus) nucleu plasat la unirea treimii bazale cu cea mijlocie in celulele secretoare seroase din pancreasul exocrin, precum si din glandele parotide Evident, plasarea nucleului in cele mai multe situatii in centrul celulei, nu este intamplatoare. Astfel, este plasat in locul cel mai ferit de agresiunile din mediul extern, si de asemenea, este situat la aceeasi distanta de toate "colturile" celulei, putand controla astfel cel mai eficient metabolismul celular. Nu este intamplatoare nici plasarea materialului genetic, si anume a acidului dezoxiribonucleic in interioul nucleului, fiind astfel ferit, si protejat de urmatoarele membrane: membrana celulara, cu straturile sale, dar si membrana nucleara, dubla. Raport nucleo-citoplasmatic
79. Invelisul nuclear: definitie, organizare, ultrastructura Invelisul nuclear, sau anvelopa nucleara, este un complex membranar caracteristic celulelor EK. Invelisul nuclear delimiteaza doar in interfaza ciclului celular continutul nuclear de citoplasma. Prezenta invelisului celular si, prin intermediul acestuia, a nucleului insusi ca entitate subcelulara individualizata reprezinta trasatura esentiala morfologica ce deosebeste celula EK de celula PK. Aparitia in evolutie a invelisului nuclear a reprezentat un invelis decisiv prin crearea unui compartiment subcelular separat in care isi are sediul ADN si in care se desfasoara autoreplicarea si transcriptia. Prin urmare, invelisul nuclear asigura stabilitatea genetica mai mare a EK in raport cu PK. Ca organizare, definim urmatoarele elemente componente ale invelisului nuclear: membrana nucleara externa spatiul perinuclear membrana nucleara interna
84
pori nucleari lamina nucleara(lamina densa interna) Membrana externa este in contact cu direct cu citoplasma, pe ea putandu-se atasa ribozomi. De asemenea, membrana externa se continua cu cisterne RER. Enzima atasata: G6P-aza Membrana interna este cea ce delimiteaza continutul nuclear. Ambele membrane par sa aiba o ultrastructura asemanatoare altor citomembrane in sensul ca apar trilaminate la ME.Ambele membrane au o grosime de cca 70-80 A. Spatiul perinuclear este spatiul ce separa cele doua membrane ale invelisului nuclear. Grosimea sa este de 200-300 A. Intrucat membrana externa nucleara se continua cu cisterne RER, spatiul perinuclear comunica cu lumenul RE . NU este vid, aici putandu-se stoca imunoglobuline si Ca2+. Porii nucleari sunt discontinuitati ale spatiului perinuclear dat de fuzionarea celor doua membrane. Deci, la nivelul porilor, membrana nucleara externa are continuitate cu membrana nucleara interna.Rolul lor este esential in realizarea schimburilor nucleu-citoplasma, in primul rand permitand trecerea ARNm din nucleu catre aceasta. Forma porilor variaza intre circular si poligonal. Numarul porilor este proportional cu activitatea celulei: cu cat sinteza de ARN este mai mare, cu atat celula respectiva va avea mai multi pori. In medie, porii ocupa 10-20% din invelisul nuclear. Diametrul porilor este de 10 in repaus si 25 mm in transport. In ME, porii nucleari au caracteristic faptul ca se gasesc in zonele unde eucromatina pare sa sparga heterocromatina periferica, atingand membrana nucleara. Lamina densa nucleara se gaseste in raport cu membrana nucleara interna. Poate fi definita ca un strat electronodens anexat fetei nucleoplasmice a membranei nucleare interne. Lamina nucleara este o retea de natura proteica cu aspect fibros situata sub membrana nucleara interna, ce formeaza suportul structural al nucleului. Atasarea laminei de invelisul nuclear se realizeaza prin intermediul unor proteine integrale din MNI si prin atasare de complexele porilor nucleari. Lamina nucleara interactioneaza direct si cu cromatina, functionand astfel ca punte de legatura intre ADN si invelisul nuclear. Reteaua de filamente este alcatuita din proteine numite lamine nucleare, ce reprezinta o clasa speciala de proteine apartinand filamentelor intermediare. Lamina densa apare clar pe imaginile de ME dupa fixarea cu GLUTARALDEHIDA. Sunt 3 tipuri de lamine nucleare: A,B,C. Lamina densa are atat rol de suport pt membrana nucleara interna, cat si rol in cadrul diviziunii celulare si anume in dezintegrarea membranei celulare: in diviziune, laminele se fosforileaza si se dezasambleaza, doar cele de tip B ramanand atasate de MNI, urmand ca, la sfarsitul telofazei, sa se desfosforileze => reasamblarea laminei densa nucleare. Laminopatiile sunt asociate cu sindromul Progeriei, si cu distrofia musculara Emery- Dreifuss.
85
86
80. Porul nuclear, transport ( generalitati) Porii nucleari sunt discontinuitati ale spatiului perinuclear dat de fuzionarea celor doua membrane. Deci, la nivelul porilor, membrana nucleara externa are continuitate cu membrana nucleara interna.Rolul lor este esential in realizarea schimburilor nucleu-citoplasma, in primul rand permitand trecerea ARNm din nucleu catre aceasta. Forma porilor variaza intre circular si poligonal. Numarul porilor este proportional cu activitatea celulei: cu cat sinteza de ARN este mai mare, cu atat celula respectiva va avea mai multi pori. In medie, porii ocupa 10-20% din invelisul nuclear. Diametrul porilor este de 10 in repaus si 25 mm in transport. In ME, porii nucleari au caracteristic faptul ca se gasesc in zonele unde eucromatina pare sa sparga heterocromatina periferica, atingand membrana nucleara. Porii nucleari au fost identificati in invelisul nuclear al tuturor celulelor EK. Numarul de pori nucleari din invelisul nuclear al celulelor de mamifere variaza intre 3000 si 4000. Porul nuclear este un edificiu multimolecular cu structura complexa, cu masa moleculara de 125 x 106 Da, alcatuit din 100 de tipuri diferite de proteine numite nucleoporine. De pe cele doua fete ale complexului porului nuclear, se extind o serie de fibrile, cele dinspre citosol cu dispozitie paralela, iar cele de pe fata nucleara cu dispozitie convergenta( ce seamana cu un cos). In regiunea centrala a porului exista o retea fibrilara ce blocheaza difuzia pasiva a macromoleculor de dimensiuni mari.
Complexul porului nuclear prezinta la ME aspectul unui poligon cu opt laturi, organizat in jurul unui canal central. Principalele componente din structura porului nuclear sunt: a) subunitati dispuse sub forma de coloane => peretele porului
b) subunitati centrale, fixate de peretele porului, ce delimiteaza deschiderea porului= subunitati anulare c) subunitati transmembranare- ancoreaza complexul in membrana nucleara d) subunitati inelare, dispuse circular pe cele doua fete ale complexului(fata nucleara-fata citosolica)
87
Transportul prin porii nucleari Fenomenele de transport desfasurate aici sunt de doua tipuri:
difuzie pasiva, pentru moleculele mici(ioni, AA, oricum , <44 kDa) transport activ, pentru moleculele de dimensiuni mari (>44 kDa)
Transportul pasiv are loc in special periferic. Transportul activ are loc central, viteza de transport fiind invers proportionala cu dimensiunea moleculei transportate. Transportul activ prin porii nucleari necesita enzime , precum ATP-aze, GTP-aze. Transportul este bidirectional, existand deci un import, precum si un export. Transportul macromoleculelor este selectiv . Importul este mediat de semnale de localizare nucleara(NLS= nuclear localisation signal), in timp ce exportul este mediat de semnale nucleare de export(NES= nuclear export signal). Secventele de AA ce functioneaza ca semnale de localizare nucleara formeaza bucle sau aglomerari pe suprafata proteinei pentru a fi accesibile interactiei cu receptorii specifici. Primul semnal de localizare nucleara descifrat a fost cel al antigenului T al virusului SV40, constand intr-o secventa de AA bogata in Lys. Se exporta: ARNt, ARNm, ribozomi. Fiecare por nuclear poate transporta pana la 500 macromolecula/secunda, in ambele sensuri. Modul in care se realizeaza coordonarea acestui trafic bidirectional al macromoleculelor, astfel incat sa se evite coliziunile si colmatarea porilor, este inca neelucidat. Intrucat controleaza traficul moleculelor intre nucleu si citoplasma, porii nucleari joaca un rol fundamental in controlul functiilor celulare.
81. Nucleolul: rol, compozitie biochimiaca si organizare, evidentiere la MO, ultrastructura Rol:Nucleolul este o formatiune corpusculara intranucleara, prezenta numai in interfaza, a carei principala functie este biogeneza ribozomala ( cu exceptia ribozomilor mitocondriali). Astfel, nucleolul are importanta vitala ptr celula. Mutantii anucleolari nu sunt viabili. In absenta nucleolului nu se formeaza ribozomi => ARNm si ARNt nu trec din nucleu in citoplasma , fiind blocata sinteza proteica. Nucleolul prezinta 5 perechi de cromozomi(13,14,15,21,22), ce emit bucle de ADN si alcatuiesc zone NOR( nucleolar organising center). Sub influenta ARN polimerazelor, are loc aici maturarea ARNr 45S => particula 60S( in aproximativ o ora), respectiv particula 40S(in aproximativ 30 minute). In nucleol se gasesc fragmente de ADN utilizate ca tipar doar pentru sinteza ARNr( ribozomal). Nucleolii au rol in pregatirea mitozei, precum si rol in transferul ARNm SI ARNt in citoplasma- nucleolul reprezinta o statie intermediara pentru ARNm si ARNt in drumul lor catre citoplasma. Nucleolul are rol in controlul ciclului celular.
88
Compozitie biochimica:Principalele componente chimice ale nucleolului sunt ADN,ARN si proteine, care se gasesc, in functie de tipul celular si de momentul functional , in proportii aproximative de 3%, 7%, respectiv 90% din greutatea uscata. Deci:
ARN nucleolar-reprezentat de diferite stadii de maturare ale ARNr ( ribozomal) 7% ADN nucleolar 3% Proteine nucleolare(pot fi bazice=histone sau acide=non histone) Mici cantitati de Ca,Mg,Zn
Evidentiere MO: Coloratia uzuala HE evidentiaza nucleolul ca pe un corpuscul bazofil. Coloratie Feulgen pune in evidenta in mod selectiv ADN-ul . Impregnarile argentice scot in evidenta doua componente din structura nucleolului: nucleolema + pars amorfa . Nucleolul are forma rotunda sau ovala si poate fi localizat central sau excentric. Ultrastructura: Nucleolul este un component subcelular care NU este delimitat si NU contine citomembrane. Ultrastructural, prezinta 4 componente:
pars fibrosa = componenta fibrilara pars granulosa= componenta granulara=componente dominanta, cu granule preribozomale pars cromosoma = componenta cromozomala (nu apare mereu) pars amorpha= componenta astructurata (se discuta daca reprezitna in mod real o componenta a nucleolului sau este cariolimfa care umple spatiul dintre celelalte componente nucleolare)
Toate aceste 4 componente nucleolare pot fi distinse in acelasi nucleol DOAR in cazuri FOARTE RARE. Raporturile cantitative si topografice dintre aceste componente variaza in raport cu tipul celular si in special cu momentul functional.
82. Matricea nucleara: ultrastructura, roluri Studiile privind organizarea interna a nucleului au condus la identificarea unei retele de natura proteica numita matrice nucleara, alcatuita din proteine nehistonice numite proteine scaffold. Filamentele matricei nucleare sunt dispuse intr-o retea 3D ce formeaza in interiorul nucleului o structura cu rol analog citoscheletului. Macromoleculele de ADN se fixeaza de proteinele scaffold prin intermediul unor secvente polinucleotidice numite regiuni de atasare la scaffold ( SAR= scaffold associated regions) sau MAR( matrix-attachment regions). Desi rolul acestor secvente nu este foarte bine precizat, se considera ca participa la organizarea cromozomilor si la reglarea transcrierii si replicarii ADN. Matricea nucleara prezinta urmatoarea compozitie: proteine 85-95% (30 tipuri proteine: lamine, actina etc.) ADN, ARN 15% Lipide 1% Matricea nucleara reprezinta sediul unor procese importante, precum replicarea ADN si procesarea ARN heterogen nuclear, precursorul ARNm. De asemenea, matricea nucleara rodoneaza enzimele de
89
replicare/transcriere, este un schelet de fixare a cromozomilor in locuri bine definite, organizeaza nucleolul si are rol in mitoza si in reconstructia nucleara
83. Cromatina: definitie, clasificare Atat cromatina, cat si cromozomii, reprezinta de fapt doua forme de organizare a aceluiasi material genetic : ADN. Cromatina si spatiile intercromatiniene alcatuiesc impreuna nucleoplasma. Cromatina = forma de existenta a complexului ADN-Histone in interfaza ciclului celular. Cromozomii=Cromatina condensata= forme de inalta organizare a complexului ADN-Histone in timpul diviziunii ciclului celular. Cromatina= aspectul cromozomilor in interfaza Cromatina este un complex alcatuit din ADN, ARN, proteine histonice si nehistonice. Clasificarea cromatinei:
Eucromatina- aspect electronoclar la ME/ palid colorata in MO , reprezinta de fapt niste cromozomi decondensati ; prezinta fibre cromatidiene nespiralizate/despiralizate=> este activa genetic, ADN-ul component fiind fie in curs de replicare, fie in curs de transcriere Heterocromatina- aspect electronodens la ME/intens colorata la MO, reprezinta de fapt niste segmente unde cromozomii raman condensati , ADN-ul de aici fiind in stare inactiva, deci nefiind implicat in replicare/transcriptie. o Constitutiva o Facultativa
84. Fibra de cromatina. Histone si proteine nehistonice, caractere generale, roluri Deci, se pune problema impachetarii moleculei de ADN , intrucat: Lungimea filamentului ADN ~5 cm Marime cromozom:
~ 5 micrometri
Rezulta un raport de 1:10000. TEORIA UNINEMEI: intr-un cromozom exista o singura molecula de ADN Deci, impachetarea ADN in cromozom presupune o micsorare de 10000 de ori a lungimii sale din forma ADN-B. Pentru a se impacheta convenabil, ADN are nevoie de niste proteine bazice, cu masa moleculara mica = histone. Histonele interactioneaza cu anionii fosfat din catenele ADN , formand nucleozomii. Exista 5 clase de histone: H1,H2A, H2B, H3,H4. Histonele H2A si H2B au continut bogat in Lys, iar H3 si H4 sunt bogate in resturi de Arg. 2H2A + 2H2B + 2H3 + 2H4 => octamerul histonic = miezul nucleozomului.
90
Fiecare miez histonic de nucleozomal este infasurat de 1,75 ori de catre dublul helix al ADN. ADN liber dintre 2 nucleozomi adiacenti se leaga de histona H1 , ce leaga nucleozomii intre ei, protejandu-i si de actiunea nucleazelor. ADN liber dintre 2 nucleozomi adiacenti, cel legat de histona H1, se numeste ADN de legatura. Etapa nucleozomala de impachetare a ADN <=> aspect de margele insirate pe o ata. Aceasta ata se condenseaza si ea => solenoid, iar apoi, prin cresterea in continuare a gradului de condensare => cromozomul. Histonele sunt deci proteine cu masa moleculara mica, puternic bazice datorita continutului bogat in AA bazici precum Lys si Arg, purtatori de sarcini pozitive, lucru ce explica legarea histonelor de anionii fosfat din structura ADN-ului .Functia majora a histonelor consta in impachetarea ADN-ului in nucleu, adica organizarea supramoleculara a ADN-ului sub forma de nucleozomi. Protaminele sunt echivalentul histonelor dar numai in cazul spermatoidului. Protaminele sunt proteine cu greutate moleculara foarte mica , cu o lungime medie de numai 33 aminoacizi si foarte bazice, bogate in arginina, care reprezinta circa 60% din reziduurile aminoacidice. In cadrul secventei celulare care duce la formarea spermatozoidului (spermatogeneza), la trecerea din spermatida in spermatozoid, protaminele inlocuiesc histonele. Datorita protaminelor, cromatina din nucleul spermatozoidului este extrem de condensata si virtual inactiva. Compactarea cromatinei din nucleul spermatozoidului este un fenomen esential pentru “acomodarea” ADN-ului intr-un volum foarte mic, cum este cel al capului spermatozoidului. Histonele H2A, H2B, H3, H4 nu au specificitate de specie, si prezinta rol structural , alcatuind nucleozomii. Histona H1 prezinta specificitate de specie si are rol in organizarea si in functionarea cromatinei, in mentinerea structurii sale, in inhibarea transcrierii genice si in spiralizarea cromozomilor. Histonele sunt sintetizate in citoplasma si importate activ in nucleu prin porii nucleari. Proteinele nehistone sunt proteine acide, sintetizate in citoplasma si deci importate si ele activ in nucleu prin porii nucleari. Sunt prezente in nucleoplasma, nucleol si cromatina , avand o mare variabilitate in functie de specie. Au rol in reglarea activitatii genice si in diferentierea activitatii genice.
85. Eucromatina Este purtatoare de gene structurale, este portiunea functional activa a cromatinei, este cromatina pe care se face transcriptie. Cromatina fin dispersata in mod uniform in nucleu se numeste eucromatina. Este mai putin bazofila, iar dpdv functional distingem doua feluri de eucromatina:
91
eucromatica activa = reprezinta acele fractii de cromatina unde au loc in mod continuu procese de transcriptie eucromatina permisiva= reprezinta fractiunea din eucromatina potential activa , ce va deveni imediat activa ca urmare a unor semnale specifice modulatoare( de ex hormonale) -practic, este in standby
Spre exemplu, procesul autoreplicarii semiconservative a ADN-ului din faza S a ciclului celuar incepe la nivelul eucromatinei. Un nucleu eucromatic este deci unul foarte activ in procese de transcriptie. Diferentierea eucromatina/heterocromatina poate fi exemplificata si prin faptul ca eucromatina, ca stare de existenta a cromatinei, este accesibila ARN polimerazei II, in timp ce starea heterocromatinica , nu permite acces acestei enzime.
86. Heterocromatina constitutiva. Heterocromatina facultativa gonozomala/autozomala Heterocromatina constitutiva este o stare a cromatinei in care aceasta se gaseste permanent condensata, inactiva genetic, niciodata transcrisa, ultima care este replicata, in faza S a ciclului celular. Prima oara este replicata eucromatina. Heterocromatina constitutiva se gaseste predominant in perechile de cromozomi 1,9,16 si Y, si este formata din ADN inalt si mediu repetitiv. Cantitatea de heterocromatina variaza in functie de specie, iar exista ei explica paradoxul valorii C. Valoarea C= cantitatea de ADN, masurata in picograme, din nucleul haploid al unei specii (cel diploide vor avea 2C) Teoretic, valoarea C ar trebui sa creasca cu complexitatea organismelor. In realitate, animalele inferioare au valoarea C> decat cea a mamiferelor. Spre exemplu, salamandra are 168 picograme ADN, in timp ce omul doar 6 picograme. Explicatia ar fi ca animalele inferioare au mult mai mult ADN neinformational , mai multa heterocromatina constitutiva.
Heterocromatina facultativa autozomalase gaseste pe cromozomii autozomi si variaza de la un tip celular la altul, spre deosebire de cea constitutiva. Are sens genetic <=> este activa dpdv al transcrierii. Contine si genele represate/inactive => are rol in procesul de diferentiere celulara( genele represate difera de la un tip de celula la altul) Poate fi convertita in eucromatina( de ex, in cazul pericitelor). In cazul celulelor degenerate, exista si fenomenul invers, de convertire a eucromatinei in heterocromatina , in procesul de alterare a nucleului denumit picnoza. Heterocromatina facultativa gonozomalaeste inactiva pe toata durata ciclului celular. Se mai numeste si cromatina sexuala. Cromatina sexuala = un cromozom X condensat, inactiv in G1 si G2 la femei. Formarea cromatinei sexuale= Lyonizare, dupa numele lui Mary Lyon, care a emis postulate despre acest fenomen.
92
Inactivarea cz. X are loc timpuriu in viata embrionara(ziua 16-21), fiind inactivat un cz. X sub influenta genei XIST( X inactivation specific transcript), de la nivelul Xq 13.2 . Astfel, din cei doi cz. X, pe unul zona XIST este metilata permanent => acest cz ramane activ. Pe celalalt(ales aleatoriu in functie de originea materna/paterna, cu exceptia cazului in care prezinta anomalii si in care acesta va fi cel inactivat), zona XIST ramane activa, sintetizand o molecula de ARN special: long non-coding ARN, care se va acumula in jurul acestui cz. X, ducand la inactivarea sutelor de gene. Totusi, inactivarea cz. X nu este completa, zonele PAR(pseudo-autozomal region) ramanand active. Postulatele lui Mary Lyon adaptate cunostintelor de azi: 1. Inactivarea cromozomului X are loc timpuriu, in viata embrionara [ziua 16-21]; este inactivat un cromozom X, sub influenta genei XIST de la nivel Xq13.2 [Xinactivated specific transcript]. 2. Inactivarea cromozomului X este aleatorie, privind X-ul matern sau X-ul patern. Daca exista anomalii in structura cz X, inactivarea devine preferentiala [catre cel cu anomalii] 3. Inactivarea cromozomului X este completa <-> astazi ştim că, este partiala, caci zonele PAR isi pastreaza capacitatea de transcriere si exprimare fenotipica 4. Inactivarea cromozomului X este permanenta si definitiva, privind originea X-ului inactivat intr-o celula. ( deoarece XIST-ARN-ul nu se poate deplasa prin nucleu , deci neputand ajunge la celalalt cromozom X) Cromatina sexuala poate fi analizata in celule din mucoasa bucala, in celule polimorfonucleare neutrofile, sau in celulele din lichidul amniotic. Exista si heterocromatina intercalara.
Note aditionale nucleu Informatia genetica este conservata sub forma de COD. Codul genetic este constituit din CODONI= triplete de baze azotate ce se succes in lungul lantului ADN, fiecare triplet codificand un anume AA. Ordinea codonilor dintr-o anumita secventa ADN dicteaza ordinea de AA din structura proteinei sintetizate ce a avut ca matrita initiala respectiva secventa ADN. Ierarhia Unitatilor Genetice:
Nucleotid: Pentoza + Radical fosfat + Baza azotata Pereche de baze Codon = unitate de codificare a unui aminoacid Cistron=Gena structurala - codifica informatia pentru un lant polipeptidic Operon = unitate de transcriere coordonata ( mai multe gene structurale + situsuri operare) Ex: operonul LAC ^_^ Gena = unitate de functie genetica Genotip = totalitatea genelor din cromozomi ( genele sunt alele, in duplicat, putand fi in raport de codominanta, dominanta-recesivitate, sau situatie homozigota recesiva) Fenotip= totalitatea trasaturilor vizibile, ca efect al exprimarii genice
Genele care codifica proteine sunt 97% din totalul genelor, ele fiind transcrise in ARNm.
93
Genele care nu codifica proteine sunt cele ce servesc pentru sinteza ARNt, ARN r . Reprezinta restul de 3%.
Dogma centrala a Biologiei Moleculare ADN= singurul depozitar al informatiei genetice ADN are capacitatea de autoreplicare. ADN serveste drept matrita pentru sinteza ARNm, iar ARNm drept matrita pentru sinteza lantului polipeptidic specific. 1. ADN- autoreplicare 2. ADN- transcriere in ARNm (transcrierea are loc in nucleu) 3. ARNm este tradus in lant polipeptidic specific, la nivelul ribozomilor ( traducerea are loc in citoplasma)
Reticulul endoplasmic – depozit dinamic de Ca2+ Această funcţie este pregnant manifestă la celulele musculare striate. La aceste celule, la care reticulul endoplasmic este denumit reticul sarcoplasmic (RS), funcţia şi dinamica celulară sunt realizate prin cooperarea mai multor componente moleculare. O primă componentă este calsechestrina, proteină cu mare afinitate pentru ionii de calciu, aflată în cantitate mare în lumenul organitului. Prezenţa calsechestrinei contribuie (conform constantei sale de afinitate) la controlul cantităţii de Ca2+ liber din lumenul RS, în condiţiile unei concentraţii totale de Ca2+ crescute. La stimularea celulelor, se deschid în membrana RS canale de calciu controlate chimic (prin inozitol tris-fosfat – IP3, vezi la “Transport membranar” şi la “Semanlizarea celulară”), prin care ionii de calciu, aflaţi liberi în lumen, pătrund în citosol şi declanşază contracţia. Trecerea Ca2+ din lumenul RS în citosol are loc atâta timp cât canalele sunt deschise, pe baza deplasării echilibrului din lumen dinspre calciul legat pe calsechestrină, spre calciul liber, determinând în permanenţă o concentraţie de calciu liber în RS mai ridicată decât în citosol. Ciclul se închide prin acţiunea unor pompe de calciu din membrana RS, care reintroduc Ca2+ în lumenul RS, unde calsechestrina îl complexează, pentru a păstra constantă concentraţia de ioni liberi.
94