Rozdział różnicowanie komórki PDF

R O Z D Z I A Ł RÓŻNICOWANIE KOMÓRKI 2 Cytoplazma 20 Lizosomy Proteasomy...

R O Z D Z I A Ł RÓŻNICOWANIE KOMÓRKI 2 Cytoplazma 20 Lizosomy Proteasomy 38 40 BŁONA KOMÓRKOWA 20 Mitochondria 40 Białka przezbłonowe i transport przez błony 24 Peroksysomy 45 Transport pęcherzykowy: endocytoza CYTOSZKIELET 46 i egzocytoza 25 Odbiór i przekazywanie sygnałów 28 Mikrotubule 46 Mikrofilamenty (filamenty aktynowe) 49 ORGANELLE CYTOPLAZMATYCZNE 31 Filamenty pośrednie 51 Rybosomy 31 WTRĘTY KOMÓRKOWE 53 Siateczka śródplazmatyczna 32 Aparat Golgiego 35 PODSUMOWANIE 57 Ziarnistości wydzielnicze 38 OCEŃ SWOJĄ WIEDZĘ 58 K omórki wraz z materiałem zewnątrzkomórkowym włókna mięśni szkieletowych powstają z połączenia miobla- tworzą łącznie tkanki budujące narządy. We wszyst- stów w miotuby zawierające skomplikowany układ włókien kich tkankach komórki są podstawowymi struktural- aktynowych i miozyny. Wszystkie komórki zwierzęce zawie- nymi i czynnościowymi elementami organizmu. Komórki rają filamenty aktynowe i miozynowe, ale komórki mięśni zwierzęce są otoczone błonami komórkowymi i są eukario- wyspecjalizowały się w wykorzystaniu tych białek do prze- tyczne. Każda komórka zawiera jądro ograniczone błoną kształcania energii chemicznej w silne skurcze. i otoczone cytoplazmą – roztworem wodnym zawierającym Główne procesy komórkowe przebiegające w wyspecja- organelle otoczone błonami, a także nieobłonione zespoły lizowanych komórkach przedstawiono w tab. 2–1. Na pod- cząsteczek i cytoszkielet. W przeciwieństwie do komórki kreślenie zasługuje fakt, że większość tych funkcji pełni pra- eukariotycznej mniejsza prokariotyczna komórka typowej wie każda komórka, ale wyspecjalizowane komórki znacznie bakterii ma ścianę komórkową, nie ma jądra ani błonowych zwiększają aktywność jednej lub kilku z nich w wyniku pro- struktur cytoplazmatycznych. cesu różnicowania. Zmiany w mikrośrodowisku komó- rek w warunkach prawidłowych i patologicznych mogą ›› RÓŻNICOWANIE KOMÓRKI powodować, że ten sam rodzaj komórki może wykazywać różne cechy i czynności. Komórki wyglądające podobnie pod względem morfologii często różnią się obecnością re- Ciało dorosłego człowieka zbudowane jest z blisko 40 trylio- ceptorów dla cząsteczek, takich jak hormony czy składni- nów komórek. Tworzą one setki różnych histologicznie ro- ki macierzy pozakomórkowej (ECM, extracellular matrix), dzajów komórek, które pochodzą z zygoty, pojedynczej ko- co powoduje ich inne zachowanie. Na przykład w związku mórki powstałej z połączenia plemnika i oocytu w procesie z występowaniem różnych receptorów fibroblasty gruczołu zapłodnienia. W wyniku pierwszych podziałów zygoty po- sutkowego i komórki mięśni gładkich macicy są szczególnie wstają komórki zwane blastomerami, które jako komórki wrażliwe na żeńskie hormony płciowe, podczas gdy więk- embrioblastu utworzą wszystkie tkanki budujące płód. Z ko- szość innych fibroblastów i komórek mięśni gładkich nie mórek embrioblastu utrzymywanych w warunkach hodow- wykazuje wrażliwości na te hormony. li tkankowej pochodzą embrionalne komórki macierzyste. ›› BŁONA KOMÓRKOWA Większość komórek płodu podlega specjalizacji w proce- sie różnicowania, w wyniku którego w komórce zachodzi głównie ekspresja zestawów genów biorących udział w swo- istych czynnościach cytoplazmy, co prowadzi do organizo- Błona komórkowa (błona plazmatyczna lub plazmalem- wania się komórek w tkanki o wyspecjalizowanych funk- ma) otaczająca każdą komórkę eukariotyczną składa się cjach i zazwyczaj zmienia morfologię komórek. Na przykład z fosfolipidów, cholesterolu i białek. Do wielu cząsteczek 20  Błona komórkowa 21 Komórki zróżnicowane zwykle są Błonowe fosfolipidy są cząsteczkami amfipatycznymi, po- nieważ w ich budowie wyróżnia się część [tzw. ogon – przyp. TABELA 2–1 wyspecjalizowane do pełnienia R O Z D Z I A Ł jednej funkcji tłum.] zbudowaną z dwóch niepolarnych (hydrofobowych, czyli odpychających cząsteczki wody), długołańcuchowych Aktywność komórkowa Komórki wyspecjalizowane kwasów tłuszczowych przyłączonych do posiadającej ła- Ruch Komórki mięśniowe i inne dunek elektryczny polarnej (hydrofilnej, czyli przyciągają- komórki kurczliwe cej cząsteczki wody) części głowowej, która zawiera grupę fosforanową (ryc. 2–1a). Fosfolipidy są najbardziej stabilne, Tworzenie połączeń adhezyj- Komórki nabłonkowe kiedy organizują się w podwójną warstwę (dwuwarstwę), 2 nych i ścisłych w której hydrofobowe łańcuchy kwasów tłuszczowych po- Cytolpazma Błona komórkowa Synteza i wydzielanie skład- Fibroblasty, komórki kości łożone są w rejonie środkowym błony z dala od wody, a ich ników macierzy pozakomór- i chrząstek hydrofilne, polarne części głowowe ułożone są na zewnątrz, kowej kontaktując się ze środowiskiem wodnym (ryc. 2–1b). Przekształcanie bodźców Neurony i komórki zmysłowe Cząsteczki cholesterolu (lipidu z grupy steroidów) wnika- fizycznych i chemicznych ją w różnym stężeniu między ściśle upakowane cząsteczki w potencjały czynnościowe fosfolipidów, ograniczając ich ruchy i modulując płynność Synteza i wydzielanie enzy- Komórki gruczołów układu wszystkich składników błony. Każda z warstw dwuwarstwy mów trawiących pokarmowego lipidowej różni się składem fosfolipidów. Na przykład w do- brze zbadanej błonie krwinek czerwonych fosfatydylocholi- Synteza i wydzielanie gliko- Komórki gruczołów śluzowych protein na i sfingomielina występują w większej ilości w jej warstwie zewnętrznej, a fosfatydyloseryna i fosfatydyloetanolamina Synteza i wydzielanie ste- Niektóre komórki nadnerczy, obecne są głównie w warstwie wewnętrznej. Niektóre lipi- roidów jąder i jajników dy warstwy zewnętrznej, znane jako glikolipidy, zawierają Transport jonów Komórki nerek i przewodów łańcuchy oligosacharydów, które wystając na zewnątrz po- ślinianek wierzchni komórki, przyczyniają się do utworzenia delikat- nej powłoki na powierzchni komórek nazywanej glikokalik- Trawienie wewnątrzkomór- Makrofagi i neutrofile kowe sem (ryc. 2–1b i 2–2). Po utrwaleniu w czterotlenku osmu błona komórkowa podobnie jak wszystkie błony cytopla- Magazynowanie lipidów Komórki tłuszczowe zmatyczne widoczna jest w transmisyjnym mikroskopie Absorpcja metabolitów Komórki nabłonka wyścielają- elektronowym (TEM) jako struktura trójwarstwowa. Osm (wchłanianie) cego jelita wiąże się z polarnymi głowami fosfolipidów i łańcuchami oligosacharydów, co powoduje powstanie dwóch ciemnych linii zewnętrznych, które otaczają jasne pasmo niewiążących fosfolipidów i białek kowalencyjnie przyłączają się łańcu- się z osmem kwasów tłuszczowych (ryc. 2–1b). chy oligosacharydów. Błona komórkowa funkcjonuje jako Białka stanowią główne składniki błon (ok. 50% masy selektywna bariera regulująca przechodzenie materiałów błony komórkowej). Białka integralne zakotwiczone są do i z komórki oraz ułatwia transport określonych cząste- w dwuwarstwie lipidowej, a białka powierzchniowe (ob- czek. Jedną z ważnych funkcji błony komórkowej jest utrzy- wodowe) związane z jedną z powierzchni błony, szcze- manie stałego stężenia jonów w cytoplazmie, które różni się gólnie po stronie cytoplazmatycznej (ryc. 2–2). Białka po- od ich stężenia w płynie pozakomórkowym. Białka błonowe wierzchniowe mogą być ekstrahowane z błon komórkowych również odgrywają istotną rolę w rozpoznawaniu i przeka- przy użyciu roztworów soli, natomiast białka integralne zywaniu sygnałów, pełniąc kluczową rolę w oddziaływaniu można usunąć tylko za pomocą detergentów niszczących komórki z jej środowiskiem. lipidy. Białka integralne, których łańcuchy polipeptydo- Chociaż błona komórkowa wyznacza zewnętrzną gra- we przechodzą kilkakrotnie przez błonę, z jednej jej strony nicę komórki, istnieje ciągłość między wnętrzem komórki na drugą, są określane w nomenklaturze anglojęzycznej jako a makrocząsteczkami znajdującymi się na zewnątrz. Pew- białko wielokrotnie przechodzące (multipass protein). Inte- ne białka błony komórkowej, integryny, łączą się zarówno gracja białek z dwuwarstwą lipidową jest głównie wynikiem z cytoszkieletem, jak i składnikami ECM, co pozwala na cią- hydrofobowych oddziaływań między lipidami a niepolarny- głe oddziaływanie w obu kierunkach między cytoplazmą mi aminokwasami białek. a ECM. Badania błon w mikroskopie elektronowym techni- Grubość błony wynosi od 7,5 do 10 nm i dlatego można ką mrożenia i łamania pokazują, że fragmenty wielu bia- ją zobaczyć jedynie pod mikroskopem elektronowym. Linię łek integralnych wystają nad powierzchnię zewnętrzną lub graniczną między sąsiednimi komórkami tworzą białka bło- wewnętrzną błony (ryc. 2–2b). Tak jak w przypadku gliko- ny komórkowej oraz macierzy pozakomórkowej, a kiedy ich lipidów węglowodanowe fragmenty glikoprotein wystają zawartość osiągnie odpowiednią grubość, linia ta może być nad zewnętrzną powierzchnię błony komórkowej i również widoczna również w mikroskopie świetlnym. uczestniczą w tworzeniu glikokaliksu (ryc. 2–3). Białka inte- 22 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–1 Lipidy w strukturze błony. Polarna część głowowa Niepolarne łańcuchy (hydrofilna) kwasów tłuszczowych (hydrofobowe) O Nasycony CH3 CH2 O C kwas O tłuszczowy CH3 CH O C (prosta) O Nienasycony kwas CH2 O P O X tłuszczowy (zgięcie) OH O– Struktura ogólna fosfolipidu Cholesterol a Łańcuchy oligosacharydowe glikolipidu Fosfolipidy Część hydrofilowa Część hydrofobowa Płyn pozakomórkowy Część hydrofilowa Cholesterol Cytoplazma b (a) Głównymi składnikami lipidowymi błon komórek zwierzę- są mniej równomiernie rozmieszczone w dwuwarstwie lipidowej cych są fosfolipidy i cholesterol. Cząsteczka fosfolipidu jest am- niż fosfolipidy; cholesterol wpływa na upakowanie łańcuchów fipatyczna dzięki naładowanej grupie fosforanowej w polarnej kwasów tłuszczowych, co ma podstawowy wpływ na płynność części głowowej i dwóm długim, niepolarnym łańcuchom kwa- błony. Zewnętrzna warstwa błony komórkowej zawiera również sów tłuszczowych, których cząsteczki mogą przebiegać prosto glikolipidy z rozgałęzionymi łańcuchami węglowodanów. (kwasy nasycone) lub być zgięte (w miejscu wiązania nienasy- Po wybarwieniu osmem błona komórkowa w TEM wykazuje conego). Cholesterol występuje w błonie w podobnej ilości jak delikatny trójwarstwowy układ, w którym dwie ciemne (elektro- fosfolipidy. nowo-gęste) linie rozdzielone są jasnym pasmem. Zredukowany (b) Amfipatyczny charakter fosfolipidów sprawia, że w środowi- osm gromadzi się na częściach głowowych fosfolipidów wystę- sku wodnym układają się one w dwuwarstwę. Od strony wody pujących po każdej stronie wewnętrznego obszaru zajmowa- układają się hydrofilowe, posiadające ładunek (polarne) części nego przez kwasy tłuszczowe, w którym osm nie odkłada się. głowowe. Natomiast hydrofobowe, niepolarne łańcuchy kwa- Widoczny na zewnętrznej powierzchni błony „kłaczkowaty”, nie- sów tłuszczowych lokalizują się w środkowej części błony, z dala wyraźny materiał to glikokaliks zbudowany z oligosacharydów od wody. Cząsteczki cholesterolu są również amfipatyczne, ale glikolipidów i glikoprotein. (Powiększenie: 100 000×). gralne pełnią funkcję receptorów, które biorą udział w wie- jest związanych trwale z błoną, ale może przemieszczać się lu ważnych procesach, takich jak adhezja komórek, rozpo- bocznie (ryc. 2–4). Takie obserwacje wraz z wynikami ba- znawanie innych komórek oraz odpowiedź na hormony dań biochemicznych, mikroskopowo-elektronowych i in- białkowe. Podobnie do tego, jak jest w lipidach, rozmiesz- nych, wskazują, że białka błonowe tworzą ruchomą mozaikę czenie polipeptydów błonowych różni się na dwóch po- w obrębie płynnej dwuwarstwy lipidowej. Obserwacje te wierzchniach błon komórkowych, co sprawia, że wszystkie pozwoliły na zaproponowanie struktury błony komórko- błony w komórce są asymetryczne. wej w postaci dobrze opisanego modelu mozaiki płynnej Badania nad znakowanymi białkami błonowymi komó- (ryc. 2–2a). W odróżnieniu od lipidów boczna dyfuzja wielu rek hodowanych in vitro wykazały, że wiele z tych białek nie białek błonowych jest jednak często ograniczona przez ich  Błona komórkowa 23 RYCINA 2–2 Białka związane z dwuwarstwą lipidową błony. R O Z D Z I A Ł Łańcuch oligosacharydowy glikolipidu Łańcuch oligosacharydowy glikoproteiny 2 Cytolpazma Błona komórkowa 2 Powierzchnia E Białko powierzchniowe 1 Białko integralne Lipid a Powierzchnia P b (a) Model płynnej mozaiki struktury błony podkreśla, że dwu- ulega rozłupaniu wzdłuż swojej hydrofobowej części środkowej. warstwa lipidowa oprócz fosfolipidów zawiera również białka Rozdzielenie to zachodzi wzdłuż linii słabych wiązań pomiędzy w nią wbudowane (białka integralne) lub przyłączone do jej po- łańcuchami kwasów tłuszczowych fosfolipidów. Mikroskopia wierzchni (białka powierzchniowe) oraz że wiele z tych białek elektronowa replik dwóch powierzchni preparatów tak przygo- przemieszcza się w płynnej warstwie lipidów. Białka integralne towanej błony komórkowej stanowi przydatną metodę badania są silnie zakotwiczone w dwuwarstwie lipidów; te z nich, które jej struktury. Większość wystających z powierzchni błony cząstek w pełni przechodzą przez obie warstwy lipidów, są nazywane (1) to białka lub ich zespoły przyłączone do połowy błony przy- białkami przezbłonowymi. Hydrofobowe aminokwasy tych bia- legającej do cytoplazmy (P, protoplasmic face – powierzchnia łek oddziałują z hydrofobowymi częściami kwasów tłuszczowych protoplazmatyczna/cytoplazmatyczna). Natomiast po stronie błony. Zarówno białka, jak i lipidy mogą eksponować łańcuchy zewnętrznej połowy błony (E, extracellular face – powierzchnia oligosacharydowe na zewnętrznej części błony. zewnątrzkomórkowa) obserwuje się mniej cząstek. Każdemu (b) Kiedy zamrożone komórki podlegają łamaniu w próżni białku uwypuklającemu się na jednej powierzchni odpowiada za- (technika mrożenia i łamania), dwuwarstwa lipidowa często głębienie (2) na przeciwległej powierzchni tak rozłupanej błony. połączenia z cytoszkieletem. Dodatkowo w większości ko- Takie kompleksy białek zlokalizowane są w wyspecjalizo- mórek nabłonkowych połączenia ścisłe między komórkami wanych obszarach błony zwanych tratwami lipidowymi (patrz rozdz. 4) również ograniczają boczną dyfuzję białek z wyższą zawartością cholesterolu i nasyconych kwasów przezbłonowych i lipidów warstwy zewnętrznej, co prowa- tłuszczowych, które obniżają płynność lipidów. Element dzi do powstania różnych obszarów, czyli domen, w obrębie ten przy występowaniu białek rusztowania (scaffold prote- błon komórkowych. ins), które utrzymują przestrzenne relacje między enzyma- Białka błonowe będące składnikami dużych komplek- mi i białkami sygnalizacyjnymi, pozwala białkom zgrupo- sów enzymatycznych również są mniej ruchliwe, szczegól- wanym w tratwach lipidowych na pozostawanie blisko siebie nie te, które są zaangażowane w przekazywanie sygnałów i bardziej efektywne oddziaływanie. do komórki pochodzących ze środowiska zewnętrznego. 24 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–3 Białka błony komórkowej. Płyn pozakomórkowy Fosfolipid Glikolipid Oligosacharyd Polarna część głowowa fosfolipidu Dwuwarstwa fosfolipidów Glikoproteina Niepolarna część ogonowa Cholesterol Białko fosfolipidu Białko integralne Białko powierzchniowe Filamenty cytoszkieletu Cytozol Funkcje błony komórkowej 1. Fizyczna bariera – stanowi plastyczną granicę, chroni zawartość komórki 3. Tworzenie gradientu elektrochemicznego – tworzy i utrzymuje i podtrzymuje jej strukturę. Dwuwarstwa fosfolipidowa oddziela substancje różnicę w rozmieszczeniu ładunku elektrycznego po obu zlokalizowane wewnątrz od znajdujących się na zewnątrz komórki. stronach błony. 2. Wybiórcza przepuszczalność – reguluje napływ i wypływ jonów, 4. Komunikacja – zawiera receptory, które rozpoznają składników odżywczych, produktów przemiany materii przez błonę. i odpowiadają na cząsteczki sygnalizacyjne. Zarówno do białek, jak i lipidowych składników błony komórko- żą jako elementy połączeń międzykomórkowych i selektywne wej często po stronie zewnętrznej przyłączone są kowalencyj- bramki dla cząsteczek wnikających do komórki. nie łańcuchy oligosacharydowe. Stanowią one główny element Białka przezbłonowe często mają wiele hydrofobowych ob- komórkowego glikokaliksu, który nadaje powierzchni komórki szarów zanurzonych w dwuwarstwie lipidowej, które tworzą ważne cechy antygenowości i innych funkcji. Białka błonowe są kanały lub inne aktywne miejsca do transportu substancji przez receptorami wielu sygnałów pochodzących spoza komórek, słu- błonę. Białka przezbłonowe i transport powiedzi na różne czynniki fizjologiczne. Cząsteczki przez błony wody zwykle przechodzą przez błonę przez białka kana- Błona komórkowa jest miejscem wymiany cząsteczek między łowe zwane akwaporynami. komórką a jej otoczeniem. Większość małych cząsteczek prze- Nośniki – przezbłonowe białka, które przyłączają małe chodzi przez błonę dzięki następującym powszechnym me- cząsteczki [po jednej stronie błony – przyp. tłum.] chanizmom, przedstawionym też schematycznie na ryc. 2–5: i przenoszą je w poprzek błony w wyniku zmian swojej konformacji. Dyfuzja – transport małych, niepolarnych cząsteczek bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową. Lipofil- Dyfuzja, kanały i białka nośnikowe działają biernie, po- ne (rozpuszczalne w tłuszczach) cząsteczki dyfundu- zwalając na ruch substancji przez błonę zgodnie z gradien- ją przez błonę łatwo, a polarne cząsteczki wody bardzo tem stężeń [ruch ten następuje od środowiska o wyższym powoli. stężeniu cząsteczek do środowiska o ich niższym stężeniu Kanały – są utworzone przez białka wielokrotnie prze- – przyp. tłum.] z wykorzystaniem energii kinetycznej gra- chodzące przez błonę i tworzące w niej przezbłonowe dientu cząstek przenoszonych. Natomiast pompy błonowe pory, przez które jony lub małe cząsteczki przechodzą stanowią enzymy zaangażowane w transport aktywny, któ- w sposób selektywny. Komórki otwierają i zamykają re do ruchu jonów i innych cząsteczek przez błony używa- swoiste kanały dla Na+, K+, Ca2+ i innych jonów w od- ją energii pochodzącej z hydrolizy trójfosforanu adenozyny  Błona komórkowa 25 RYCINA 2–4 Doświadczenie ilustrujące płynność Transport pęcherzykowy: endocytoza białek błony komórkowej. i egzocytoza R O Z D Z I A Ł Makrocząsteczki zwykle wnikają do komórki po otocze- niu przez fałdy błony komórkowej (często po przyłączeniu do swoistych receptorów błonowych), które łączą się i odry- wają po stronie wewnętrznej błony w postaci kulistych, cytoplazmatycznych pęcherzyków (wakuoli) w procesie określanym na ogół jako endocytoza. Wyróżnia się trzy ro- dzaje endocytozy, których charakterystykę podsumowano 2 w tab. 2–2 i na ryc. 2–6. Cytolpazma Błona komórkowa a 1. Fagozytoza – pochłanianie stałych cząstek, takich jak bakterie lub fragmenty martwych komórek. W pełnie- niu tej funkcji wyspecjalizowały się niektóre komórki krwi takie jak neutrofile (granulocyty obojętnochłonne) oraz komórki układu makrofagów. Kiedy bakteria zwią- że się z powierzchnią komórki fagocytującej (np. neu- trofila) zostaje otoczona wypustkami błony komórkowej i cytoplazmy, w tworzeniu których bierze udział cy- toszkielet. Fuzja błon wypustek zamyka bakterię w we- wnątrzkomórkowej wakuoli zwanej fagosomem, która następnie łączy się z lizosomem. Prowadzi to do trawie- b nia zawartości fagosomu, co zostanie bardziej szczegóło- wo omówione w dalszej części tego rozdziału. 2. Pinocytoza (pobieranie płynnego materiału) – za- chodzi z udziałem mniejszych wpukleń błony komór- kowej, które ulegając fuzji, zamykają w swym wnętrzu płyn pozakomórkowy i rozpuszczone w nim substan- cje. Powstające pęcherzyki pinocytarne (o średnicy ok. 80 nm) odrywają się od błony komórkowej i albo łączą się z lizosomami, albo przemieszczają do przeciwnej strony komórki, gdzie ulegają fuzji z błoną, uwalniając swą zawartość na zewnątrz komórki. Ten drugi sposób, zwany transcytozą, umożliwia przeniesienie znacznych ilości rozpuszczalnych substancji w poprzek komórki na jej przeciwległą stronę. 3. Endocytoza zależna od receptorów – receptory wie- c lu substancji, takich jak lipoproteiny o niskiej gęstości (a) Dwa rodzaje komórek hodowano w warunkach labora- (LDL, low-density lipoproteins) i hormony białkowe, są toryjnych. W jednych wyznakowano barwnikiem fluorescen- białkami integralnymi powierzchni komórki. Wysokie cyjnym białka przezbłonowe (komórka po prawej stronie), powinowactwo ligandów do ich receptorów powodu- a w drugich nie. je, że po związaniu liganda białka receptorowe skupiają (b) Komórki obu rodzajów poddano fuzji, uzyskując komórki się w specjalnych obszarach błony, a następnie ulegają hybrydowe. wpukleniu do wnętrza komórki i odrywają się od błony (c) Kilka minut po fuzji błon komórkowych wyznakowane w postaci pęcherzyków. białka były widoczne na całej powierzchni błony komórki hy- brydowej. Takie doświadczenia dostarczają ważnych danych potwierdzających model błony komórkowej jako płynnej mo- Tworzenie się i przeznaczenie pęcherzyków powstających zaiki. Należy jednak zaznaczyć, że wiele błonowych białek ze w wyniku endocytozy receptorowej często zależy również względu na miejscowe połączenia z cytoszkieletem ma ograni- od specyficznych białek zlokalizowanych po cytoplazmatycz- czone możliwości ruchów bocznych. nej stronie błony (ryc. 2–7). Połączone z ligandami białka re- ceptorowe powierzchni komórki przyłączają się do tych bia- łek od strony cytoplazmy i zaczynają się wpuklać, tworząc (ATP), często wbrew gradientowi stężeń. Ponieważ pompy dołki opłaszczone (okryte) (coated pits). Elektronowo-gę- zużywają ATP, często nazywane są ATP-azami. sty materiał pokrywający dołek od strony cytoplazmy zawie- Wymienione mechanizmy transportu wraz z uzupeł- ra kilkanaście polipeptydów i białek, głównie klatrynę. Czą- niającymi informacjami podsumowano w tab. 2–2. steczki klatryny układają się w wielościan podobny do kopuły 26 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–5 Główne mechanizmy transportu cząsteczek przez błony. (a) Dyfuzja prosta (b) Kanał (c) Nośnik/pompa Lipofilne i niektóre małe, nieposiadające ładunku cząsteczki przestrzennej (konformacji) i spowoduje uwolnienie substancji mogą przenikać przez błonę drogą dyfuzji prostej (a). po drugiej stronie błony. Większość jonów przechodzi przez swoiste dla danego jonu W dyfuzji oraz działaniu kanałów i większości białek pełnią- kanały (b) zbudowane z białek wielokrotnie przechodzących cych rolę nośnika przeniesienie substancji przez błonę jest wyni- przez błonę, które tworzą w swoim wnętrzu pory. kiem wykorzystania tylko energii kinetycznej przemieszczających Wiele innych dużych, rozpuszczalnych w wodzie cząste- się cząstek. Natomiast pompy są białkami nośnikowymi trans- czek wymaga przyłączenia do miejsc wiązania na swoistych portu aktywnego jonów i innych substancji rozpuszczalnych, białkach nośnikowych (c), co prowadzi do zmiany ich struktury a do działania potrzebują nakładu energii pochodzącej z ATP. geodezyjnej [kopułosiatka utworzona przez trójkąty równo- ny wielu późnych endosomów zawierają pompy ATP zależ- ramienne – przyp. tłum.], która niczym klatka otacza dołek ne od jonów H+, które zakwaszają środowisko wewnętrzne i powstający po oderwaniu od błony pęcherzyk opłaszczo- endosomu, aktywując w ten sposób znajdujące się tam hy- ny (okryty) (coated vesicle) (ryc. 2–7b) zawierający ligan- drolityczne enzymy lizosomalne. W innych endosomach dy związane z receptorami. Inny rodzaj endocytozy zależnej zakwaszenie ich wnętrza prowadzi do odłączania ligandów od receptorów widoczny w bardzo cienkich komórkach pole- od receptorów i rozdzielenia tych cząsteczek do oddzielnych ga na powstawaniu zagłębień w błonie komórkowej zwanych endosomów. Receptory trafiają do recyrkulujących endoso- kaweolami (łac. caveolae – małe jaskinie, jamki). Te wpukle- mów i powracają na powierzchnię komórki do ponownego nia błony komórkowej zawierają rodzinę białek integralnych wykorzystania. Na przykład receptory LDL recyrkulują wie- błony zwanych kaweolinami, którym towarzyszą różne białka lokrotnie w obrębie komórek. Inne endosomy mogą uwal- obwodowe zwane kawinami. niać całą swoją zawartość w wydzielonych obszarach błony W tych wszystkich rodzajach endocytozy powstające pę- komórkowej (transcytoza), co zachodzi w wielu komórkach cherzyki szybko wnikają do komórki i ulegają fuzji ze struk- nabłonkowych. turami przedziału endosomalnego, który obejmuje dyna- Ruch dużych cząstek z wnętrza na zewnątrz komórki miczne, gromadzące się na obwodzie cytoplazmy błonowe zwykle odbywa się drogą transportu pęcherzykowego w pro- cewki (tubule) i wakuole (ryc. 2–7). Cząsteczki klatryny cesie egzocytozy. Pęcherzyk cytoplazmatyczny zawierają- oddzielają się od pęcherzyków opłaszczonych i powracają cy substancje do sekrecji ulega w tym procesie fuzji z bło- do błony komórkowej, aby tworzyć nowe dołki opłaszczo- ną komórkową, co prowadzi do uwolnienia jego zawartości ne. Przemieszczanie pęcherzyków w obrębie przedziału en- do środowiska zewnętrznego bez naruszania integralności dosomalnego jest kontrolowane głównie przez powierzch- błony komórkowej (patrz „Transcytoza” na ryc. 2–7a). Egzo- niowe białka błony, białka G zwane białkami Rab, małe cytoza w wielu komórkach jest aktywowana przez przejścio- GTP-azy przyłączające nukleotydy guaninowe i towarzyszą- wy wzrost stężenia jonów Ca2+ w cytoplazmie. Fuzja błon ce im białka. w jej trakcie podlega ścisłej regulacji, podczas której zacho- Jak przedstawiono na ryc. 2–7, fagosomy i pęcherzyki dzą wybiórcze interakcje między kilkoma swoistymi białka- pinocytarne zwykle ulegają fuzji z lizosomami w przedziale mi błonowymi. endosomalnym, co prowadzi do strawienia ich zawartości. Egzocytoza makrocząsteczek produkowanych przez ko- Natomiast cząsteczki wnikające drogą endocytozy zależnej mórkę odbywa się poprzez jeden z dwóch opisanych dalej od receptorów mogą być skierowane na inne ścieżki. Bło- szlaków.  Błona komórkowa 27 TABELA 2–2 Mechanizmy transportu przez błonę komórkową R O Z D Z I A Ł Proces Rodzaj ruchu Przykład PROCESY BIERNE Ruch substancji zgodnie z gradientem stężeń z wykorzystaniem energii kinetycznej przenoszonej czą- steczki; niewymagający nakładu energii komórkowej i zachodzący do czasu osiągnięcia równowagi stężeń. Dyfuzja prosta Niewspomagany ruch małych, niepolarnych substancji Wymiana tlenu i dwutlenku węgla między zgodnie z gradientem ich stężeń przez selektywnie krwią a tkankami. przepuszczalną błonę. 2 Dyfuzja ułatwiona Ruch jonów i małych, polarnych cząsteczek zgodnie Cytolpazma Błona komórkowa z gradientem ich stężeń; zachodzi w sposób selektywny z udziałem białka transportującego. Poprzez kanał Ruch jonu zgodnie z gradientem jego stężenia przez Transport Na+ przez kanał Na+ do komórki. kanał białkowy. Poprzez nośnik Ruch małej, polarnej cząsteczki zgodnie z gradientem jej Transport glukozy do komórki z udziałem stężenia z udziałem białka nośnikowego. nośnika glukozy. Osmoza Dyfuzja wody przez selektywnie przepuszczalną błonę; Substancje rozpuszczone we krwi na pozio- kierunek zależy od względnego stężenia substancji roz- mie naczyń włosowatych powodują prze- puszczonych; zachodzi do czasu osiągnięcia równowagi nikanie płynu z przestrzeni śródmiąższowej stężeń roztworów. tkanek do wnętrza kapilary, co umożliwia jego powrót do krwi. AKTYWNE PROCESY Ruch substancji wymagający wydatkowania energii komórkowej. Transport aktywny Transport jonów lub małych cząsteczek przez błonę wbrew gradientowi ich stężenia zachodzący z udziałem przezbłonowych pomp białkowych. Pierwotny Ruch substancji wbrew gradientowi stężenia; wymaga Pompy jonowe Ca2+ przenoszą Ca2+ na ze- nakładu energii pochodzącej z ATP. wnątrz komórki; pompa jonowa Na+/K+ prze- nosi Na+ na zewnątrz i K+ do wnętrza komórki. Wtórny Ruch substancji wbrew gradientowi stężenia; napędzany jest przez wykorzystanie ruchu drugiej substancji (np. Na+) zgodnie z gradientem jej stężenia. Symport Ruch substancji wbrew gradientowi stężenia w tym Transport Na+/glukozy. samym kierunku co druga substancja, np. Na+. Antyport Ruch substancji wbrew gradientowi stężenia w przeciw- Transport Na+/H+. nym kierunku niż druga substancja, np. Na+. Transport pęcherzykowy Tworzenie pęcherzyków zawierających przenoszoną substancję lub ich zanikanie wskutek fuzji z błoną umoż- liwiające transport substancji do lub z komórki Egzocytoza W wyniku fuzji pęcherzyka wydzielniczego z błoną Uwalnianie neuroprzekaźników przez neu- komórkową substancje w nim zgromadzone zostają rony. uwolnione poza komórkę. Endocytoza Transport substancji do komórki w pęcherzykach two- rzonych przez błonę komórkową. Fagocytoza Rodzaj endocytozy, w której cząstki stałego materiału Fagocytoza bakterii przez krwinki białe. spoza komórki zostają otoczone przez jej wypustki (pseudopodia). Pinocytoza Rodzaj endocytozy, w której pęcherzyki powstają Tworzenie małych pęcherzyków w komórkach w trakcie wchłaniania przez komórkę drobnych objętości śródbłonka naczyń włosowatych służy trans- płynu pozakomórkowego. portowi różnych substancji. Endocytoza receptorowa Rodzaj endocytozy, w której najpierw receptory błono- Pobieranie cholesterolu przez komórkę. we wiążą swoistą substancję (ligand), a następnie re- ceptor wraz z ligandem wnikają do komórki we wnętrzu powstałego pęcherzyka. 28 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–6 Trzy główne rodzaje endocytozy. Płyn pozakomórkowy Receptory Pseudopodia/ wypustki Cząstka stała Błona plazmatyczna Błona plazmatyczna Pęcherzyk Wakuola cytoplazmaty- (fagosom) czny Cytoplazma (endosom) a Fagocytoza c Endocytoza zależna od receptorów Wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje endocytozy: (a) Fagocytoza – wypustki powierzchni komórki (pseudo- podia) otaczają cząstki stałe, np. bakterie, po czym dochodzi do internalizacji tego materiału w cytoplazmatycznej wakuoli Płyn zwanej fagosomem. (b) Pinocytoza – błona komórkowa tworzy wpuklenie do wnętrza komórki, kształtując zagłębienie (dołek) zawierają- Błona ce kroplę płynu pozakomórkowego. Następnie dołek odrywa plazmatyczna się od błony, a jej brzegi łączą się i powstaje pęcherzyk pinocy- Pęcherzyk tarny zawierający płyn. (c) Endocytoza zależna od receptorów – obejmuje białka błonowe zwane receptorami wiążące swoiste cząsteczki (li- gandy). Kiedy wiele takich receptorów wiąże się z ligandami dochodzi do ich skupiania (agregacji) w określonym obszarze, który ulega wpukleniu i odrywa się, tworząc pęcherzyk zwany endosomem. Endosom zawiera zarówno receptory, jak i przy- b Pinocytoza łączone do nich cząsteczki ligandów. Wydzielanie konstytutywne (sekrecja konstytutyw- W wielu rodzajach komórek subpopulacje pęcherzyków na) – dotyczy produktów uwalnianych z komórki w spo- i tubul budujące przedział endosomalny zawierają drobne sób ciągły zaraz po zakończeniu ich syntezy, np. podjed- pęcherzyki w swoim świetle powstające poprzez dalsze wpu- nostki włókien kolagenowych wydzielane do macierzy klanie się do środka tworzących je błon, co prowadzi do po- pozakomórkowej. wstania tzw. ciał wielopęcherzykowatych (multivesicular Wydzielanie regulowane (sekrecja regulowana) – za- bodies). Mogą one łączyć się z lizosomami w celu selektyw- chodzi w odpowiedzi na sygnały docierające do komórki nej degradacji ich zawartości, ale mogą też ulegać fuzji z bło- takie jak uwalnianie enzymów z komórek trzustki w od- ną komórkową i uwalniać zawarte w ich wnętrzu drobne powiedzi na swoiste czynniki stymulujące. Do takiego pęcherzyki poza komórkę. Te drobne (< 120 nm średnicy) wydzielania produktów zgromadzonych w komórkach pęcherzyki nazywane są egzosomami. Pęcherzyki te mogą nabłonkowych najczęściej dochodzi w części szczytowej ulegać fuzji z innymi komórkami i w ten sposób przenosić (domenie apikalnej) komórki, stanowiąc główny me- do nich swoją zawartość i błony. chanizm sekrecji gruczołowej (patrz rozdz. 4). Odbiór i przekazywanie sygnałów W trakcie endocytozy fragmenty błony komórko- W wielokomórkowym organizmie komórki komunikują się wej tworzące pęcherzyki lub wakuole endocytarne trafia- ze sobą, aby regulować rozwój tkanek i narządów, a także aby ją do wnętrza komórki, a w czasie egzocytozy powracają kontrolować wzrost i podział oraz koordynować funkcjono- na powierzchnię komórki. Ten proces przemieszczania się wanie ich samych. Wiele sąsiadujących komórek tworzy po- i recyrkulacji błony zwany jest przepływem (krążeniem) łączenia komunikujące (gap junctions), które sprzęgają ko- błon (membrane trafficking) (patrz ryc. 2–7a). W większo- mórki ze sobą oraz pozwalają na wymianę jonów i drobnych ści komórek przepływ składników błony zachodzi w sposób cząsteczek (patrz rozdz. 4). ciągły i pełni kluczową rolę nie tylko w utrzymaniu struktu- Komórki korzystają z ok. 25 rodzin receptorów do wy- ry komórki, ale również w fizjologicznie ważnych procesach krywania i odpowiedzi na różne zewnątrzkomórkowe czą- takich jak obniżanie poziomu lipidów w krwi. steczki lub czynniki fizyczne. Każdy rodzaj komórki w organi-  Błona komórkowa 29 RYCINA 2–7 Endocytoza zależna od receptorów związana jest z regulowanym przepływem błon w komórce. R O Z D Z I A Ł Kompleksy Ligand receptorów „Płaszcz” i ich ligandów klatrynowy Receptory Dołek 2 Część okryty Cytolpazma Błona komórkowa szczytowa Dynamina błony Białko komórkowej adaptorowe Klatryna Białka Pęcherzyk „płaszcza” CP CP okryty wracają do błony CV Recyrkulacja receptorów Wczesny endosom Późny endosom Transcytoza b Degradacja lizosomalna Część podstawno-boczna błony komórkowej a Główne etapy przebiegu endocytozy przedstawia rycina a. Li- zawartymi w przedziale endosomalnym. Przeznaczenie ligan- gandy wiążą się z dużym powinowactwem ze swoistymi recepto- dów w tym przedziale może być różne: rami powierzchniowymi, które następnie oddziałują ze specyficz- nymi białkami cytoplazmatycznymi, takimi jak klatryna czy białka Receptory i ligandy mogą być przeniesione do późnych en- dosomów, a następnie do lizosomów i podlegać w nich de- adaptorowe, co doprowadza do agregacji receptorów w tych gradacji. obszarach błony i do powstania jej zagłębień określanych jako dołki opłaszczone (okryte) (CP, coated pit). Klatryna ułatwia Ligandy mogą odłączać się od receptorów, a wolne recep- tory podlegają segregacji do recyrkulujących endosomów tworzenie się dołków, a inne białko cytoplazmatyczne – dynami- i powracają na powierzchnię komórki do ponownego wy- na – tworzy zaciskającą się pętlę wokół górnej części (szyjki) po- korzystania. wstającego dołka, co prowadzi do jego oderwania się od błony i powstania pęcherzyka opłaszczonego (okrytego) (CV, coated Ligandy znajdujące się w pęcherzykach endosomalnych mogą być przeniesione na inną powierzchnię komórki vesicle). Ultrastrukturalną budowę siatek o charakterze krat utwo- i uwolnione ponownie poza komórkę w procesie transcy- rzonych przez klatrynę wokół tych dołków i pęcherzyków przed- tozy. stawia rycina b. Po internalizacji pęcherzyków przez komórkę, tracą one swój (Ryc. 2–7b, zgoda na publikację: dr John Heuser, Department of klatrynowy „płaszcz”, cząsteczki klatryny oddzielają się i powra- Cell Biology and Physiology, Washington University School of Medi- cają. Natomiast pęcherzyki ulegają fuzji z innymi endosomami cine, St. Louis, Stany Zjednoczone). zmie dysponuje odrębnym zestawem białkowych receptorów endokrynna – cząsteczki sygnałowe (nazywane tu hor- błonowych i cytoplazmatycznych, które umożliwiają jej od- monami) są przenoszone przez krew z miejsca produk- powiedź na komplementarny zestaw cząstek sygnałowych cji do wszystkich komórek docelowych w całym orga- w swoisty, zaprogramowany sposób. Komórki z receptorami nizmie; danego liganda (cząsteczki) są uznawane za komórki doce- parakrynna – chemiczny ligand dyfunduje w płynie lowe tej cząsteczki. Ze względu na sposób, w jaki cząsteczka pozakomórkowym, ale jest szybko metabolizowany, sygnałowa dociera od miejsca jej produkcji do komórki doce- a zatem jego działanie jest tylko miejscowe, oddziału- lowej, wyróżnia się następujące drogi przekazywania sygnału: jąc na komórki znajdujące się w pobliżu źródła liganda; 30 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma synaptyczna (transmisja synaptyczna, przekaźnictwo wych przy tworzeniu tkanek w czasie wczesnej embrio- synaptyczne) – stanowi formę interakcji parakrynnej, genezy. w której neurotransmitery działają na sąsiednie komór- ki przez specjalne obszary kontaktu zwane synapsami Receptory hydrofilowych cząsteczek sygnalizacyjnych, (patrz rozdz. 9); w tym także hormonów polipetydowych i neuroprzekaźni- autokrynna – cząsteczki sygnałowe wiążą się z recepto- ków, zwykle są transbłonowymi białkami plazmalemmy ko- rami na tej samej komórce, która je wydzieliła; mórek docelowych. Trzy ważne funkcjonalne klasy tych re- jukstakrynna – cząsteczki sygnałowe są białkami zakot- ceptorów przedstawia ryc. 2–8. wiczonymi w błonie komórkowej, które łączą się z re- ceptorami zlokalizowanymi na powierzchni komórki Receptory związane z kanałami – otwierają dany ka- docelowej, co wymaga bezpośredniego kontaktu obu nał po połączeniu z ligandem, aby promować transfer komórek; ważny sposób oddziaływań międzykomórko- cząsteczek lub jonów przez błonę. RYCINA 2–8 Główne rodzaje receptorów błonowych. Kanał otwarty Jony Ligand Ligand Kanał zamknięty Nieaktywna Zaktywowana kinaza białkowa kinaza białkowa fosforyluje inne enzymy Jony Fosforan Enzym aktywny lub nie a Receptory związane z kanałami b Receptory pełniące funkcję enzymatyczną 1 Przyłączenie liganda do receptora powoduje zmianę Jony konformacji receptora, co Ligand prowadzi do jego aktywacji. Białko efektorowe, np. kanał jonowy 2 Białko G przyłącza się do Nieaktywna zaktywowanego receptora. kinaza białkowa 5 Aktywna kinaza białkowa fosforyluje Wtórny inne enzymy. informator Zaktywowane białko G GTP 3 GTP przyłącza się do białka Fosforan 4 Aktywowane białko G, powodując jego aktywację. efektorowe wytwarza Aktywne białko G odłącza się Białko efektorowe, wtórny informator od receptora, wiążąc się np. enzym (przekaźnik), co prowadzi Enzym aktywny z białkiem efektorowym do aktywacji kinaz białkowych. lub nie (kanał jonowy lub enzym) i aktywuje je. c Receptory sprzężone z białkami G Białka i większość drobnych ligandów są hydrofilnymi cząstecz- dzi do ich aktywacji, dzięki której mogą one fosforylować inne kami, które wiążą się z błonowymi białkami receptorowymi, aby białka [przez przyłączenie grup fosforanowych do aminokwa- zapoczątkować zmiany w komórce docelowej. sów – przyp. tłum.]. (a) Receptory związane z kanałami wiążą ligandy (np. neu- (c) Receptory sprzężone z białkami G wiążą się z ligandem, roprzekaźniki), co prowadzi do otwarcia kanału i wpływu swo- zmieniają konformację połączonej z nimi podjednostki białka G, istych jonów do komórki. co umożliwia przyłączenie GTP i w konsekwencji dochodzi do ak- (b) Receptory pełniące funkcję enzymatyczną są zwykle ki- tywacji i uwolnienia białka G, które aktywuje inne białka (np. ka- nazami białkowymi; po związaniu liganda z receptorem docho- nały jonowe, cyklazę adenylanową).  Organella cytoplazmatyczne 31 Receptory pełniące funkcję enzymatyczną – związa- kę receptora, umożliwiając przemieszczenie się kompleksu nie liganda indukuje aktywność katalityczną w powią- hormon–receptor do jądra komórkowego, gdzie z wysokim R O Z D Z I A Ł zanych białkach obwodowych. powinowactwem zachodzi jego wiązanie do specyficznych Receptory sprzężone z białkami G – po związaniu li- sekwencji DNA. Z reguły prowadzi to do wzrostu poziomu ganda stymulują powiązane z receptorem białka G, któ- transkrypcji genów. Każdy hormon steroidowy jest rozpo- re następnie przyłączają nukleotyd guaninowy GTP znawany przez inny receptor, ale wszystkie receptory tych (guanosine-5´-triphosphate – guanozynotrifosforan), co hormonów tworzą jedną rodzinę homologicznych białek re- prowadzi do dysocjacji podjednostek białka G aktywu- ceptorowych. jących inne białka cytoplazmatyczne. 2 ››ORGANELLA CYTOPLAZMATYCZNE Cytolpazma Organella cytoplazmatyczne ››› ASPEKTY KLINICZNE Przyczyną wielu chorób jest nieprawidłowość działania re- W obszarze otoczonym błoną komórkową, w płynnej cy- ceptorów. Na przykład rzekoma niedoczynność przytar- toplazmie (cytozolu), zanurzone są metabolicznie aktywne czyc oraz jedna z postaci karłowatości spowodowane są struktury zwane organellami. Mogą one być otoczone bło- odpowiednio brakiem funkcjonalnego receptora hormonu nami (mitochondria) lub stanowić nieobłonione kompleksy przytarczyc (parathormonu) oraz receptora hormonu wzro- białkowe (rybosomy i proteasomy). Większość organelli zaj- stu. W obu sytuacjach gruczoły dokrewne produkują hor- muje wyznaczone miejsce w cytoplazmie dzięki przemiesz- mony, ale komórki docelowe nie odpowiadają na sygnał ze czaniu się wzdłuż polimerów cytoszkieletu, który również względu na brak prawidłowych receptorów. determinuje kształt i ruch komórek. Cytozol zawiera także setki enzymów, takich jak te zwią- zane ze szlakiem glikolitycznym, który wytwarza elementy Ligandy wiążące się z receptorami błonowymi uważa- budulcowe większych cząsteczek i rozkłada małe, aby uwol- ne są za informatory (przekaźniki) pierwotne, które rozpo- nić energię. Tlen, CO2, jony, substraty o niskiej masie czą- czynają proces przekazywania (transdukcji) sygnału, ak- steczkowej, metabolity i produkty przemiany materii dy- tywując szereg enzymów pośrednich, co w dalszych etapach fundują w cytoplazmie, albo swobodnie, albo w połączeniu procesu prowadzi do zmian w cytoplazmie, jądrze lub obu z białkami, wnikając do organelli, w których są wykorzysty- tych strukturach. Napływ jonów do komórki przez kanały wane lub wytwarzane, lub wychodząc z nich. jonowe lub aktywacja kinaz mogą uaktywniać różne białka cytoplazmatyczne, co skutkuje wzmocnieniem (amplifika- Rybosomy cją) sygnału. Zaktywowane białka G, działając na kanały jo- Rybosomy to makrocząsteczkowe „urządzenia” o wymia- nowe lub inne efektory związane z błonami, także rozprze- rach ok. 20 × 30 nm, które wytwarzają polipeptydy z ami- strzeniają sygnał w komórce (ryc. 2–8). Jednym z takich nokwasów przenoszonych przez cząsteczki transportującego białek efektorowych jest enzym cyklaza adenylanowa, któ- RNA (tRNA) zgodnie z sekwencją określoną przez mRNA. ra generuje znaczne ilości cząsteczek informatora wtórnego Funkcjonalny rybosom zbudowany jest z dwóch różniących – cyklicznego monofosforanu adenozyny (cAMP, cyclic ade- się wielkością podjednostek przyłączonych do nici mRNA. nosine monophosphate). Innymi informatorami wtórnymi Rdzeniem małej podjednostki rybosomu jest silnie pofałdo- są 1,2-diacyloglicerol (DAG, 1,2-diacylglycerol) oraz inozyto- wany łańcuch rybosomalnego RNA (rRNA) związany z po- lo-1,4,5-trifosforan (IP3, inositol 1,4,5-triphosphate) [trójfos- nad 30 swoistymi białkami. Natomiast rdzeń dużej podjed- foran inozytolu – przyp. tłum.]. Zmiany zawartości stężenia nostki rybosomu zawiera trzy inne rodzaje rRNA i blisko 50 jonów lub informatorów wtórnych zwielokrotniają pierwszy innych białek podstawowych. sygnał i wyzwalają kaskadę wzajemnie aktywujących się en- Cząsteczki rRNA w podjednostkach rybosomalnych zymów, zwykle obejmującą kinazy, co prowadzi do zmian nie tylko pełnią funkcję strukturalną, ale także zapewniają w ekspresji genów lub zachowaniu komórki. Informatory odpowiednią lokalizację cząsteczek transportującego RNA wtórne mogą dyfundować w cytoplazmie lub mogą zostać lo- (tRNA) z przyłączonymi aminokwasami we właściwym kalnie zatrzymane przez białka cytoszkieletu, umożliwiając obszarze zwanym „ramką odczytu” i katalizują tworzenie nasilenie ich aktywności w określonym obszarze. wiązań peptydowych. Wydaje się, że położone bardziej ob- Drobne hydrofobowe cząsteczki sygnalizacyjne o niskiej wodowo białka rybosomu przede wszystkim stabilizują ka- masie cząsteczkowej, takie jak hormony steroidowe i hor- talityczny rdzeń RNA. mony tarczycy, wiążą się odwracalnie z białkami nośniko- Białka rybosomu są syntetyzowane na rybosomach cy- wymi w osoczu, co umożliwia ich transport po całym or- toplazmatycznych, skąd importowane są do jądra komór- ganizmie. Takie hormony są lipofilne i przechodzą przez kowego, gdzie łączą się z nowo syntetyzowanym rRNA. błonę komórkową na drodze dyfuzji, a następnie łączą się Utworzone w ten sposób podjednostki rybosomów prze- ze specyficznymi białkami receptorowymi w cytoplazmie mieszczają się następnie z jądra do cytoplazmy, gdzie są wie- komórek docelowych. W przypadku wielu hormonów ste- lokrotnie wykorzystywane w procesie translacji dowolnej roidowych przyłączenie do receptora aktywuje cząstecz- nici mRNA. 32 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma Podczas syntezy białka zwykle wiele rybosomów przy- śródplazmatyczną (ER). Jak przedstawiono na ryc. 2–10, ta łącza się do tej samej nici mRNA, tworząc większe kom- sieć (łac. reticulum) rozciąga się od powierzchni jądra przez pleksy zwane polirybosomami (polisomami) (ryc. 2–9). większość cytoplazmy i utworzona jest przez system komu- W wybarwionych komórkach polirybosomy są intensywnie nikujących się kanałów zwanych cysternami lub zbiorni- zasadochłonne, ponieważ liczne grupy fosforanowe cząste- kami (łac. cisternae). Powierzchnia ER jest trzydziestokrot- czek RNA funkcjonują jako polianiony. Obszary cytoplazmy, nie większa od powierzchni błony komórkowej, co czyni ją które intensywnie zabarwiają się hematoksyliną i barwnika- głównym miejscem ważnych życiowych czynności komór- mi zasadowymi, takimi jak błękit metylenowy i błękit tolu- ki, w tym biosyntezy białek i lipidów. Liczne polirybosomy idynowy, wskazują zatem miejsca aktywnej syntezy białek. przyłączone w pewnych obszarach do błon ER pozwalają Prawidłowe fałdowanie nowych białek zależy od białek na wyróżnienie dwóch rodzajów ER. opiekuńczych. Do białek zdenaturowanych lub takich, które nie mogą zostać ponownie poprawnie sfałdowane, są przy- Szorstka siateczka śródplazmatyczna łączane cząsteczki białka ubikwityny, co kieruje je do degra- Siateczka śródplazmatyczna szorstka (RER, rough endoplas- dacji w proteasomach (opis w tekście poniżej). Jak przedsta- mic reticulum) dominuje w komórkach specjalizujących się wiono na ryc. 2–9, białka funkcjonujące w cytoplazmie (np. w sekrecji białek, takich jak komórki pęcherzyków trzust- enzymy glikolityczne) albo importowane do jądra i kilku ki (wydzielają enzymy trawienne), fibroblasty (kolagen) czy innych organelli są syntetyzowane na polirybosomach two- komórki plazmatyczne (przeciwciała). RER składa się za- rzących izolowane rejony cytoplazmatyczne. Polirybosomy równo z woreczkowatych, jak i ułożonych równolegle sto- przyłączone do błon siateczki śródplazmatycznej (ER) pro- sów spłaszczonych cystern (ryc. 2–10). Każdy z tych ele- wadzą translację cząsteczek mRNA kodujących białka błon mentów jest otoczony błonami, które wykazują ciągłość ER, aparatu Golgiego lub błony komórkowej; enzymów lizo- z zewnętrzną błoną otoczki jądrowej. Polirybosomy na cy- somalnych oraz białek przeznaczonych do egzocytozy w pę- toplazmatycznej powierzchni RER nadają tym organellom cherzykach wydzielniczych. w mikroskopie świetlnym charakter zasadochłonny. Główną funkcją RER jest produkcja białek związanych Siateczka śródplazmatyczna z błonami, białek wielu obłonionych organelli oraz białek Cytoplazma większości komórek zawiera system połączo- wydzielanych w procesie egzocytozy. Produkcja obejmu- nych, krętych, błoniastych elementów zwany siateczką je tutaj początkową (rdzeniową) glikozylację glikoprotein, RYCINA 2–9 Polirybosomy: wolne lub związane z siateczką śródplazmatyczną. 3¢ WOLNE POLIRYBOSOMY 5¢ RYBOSOMY ZWIĄZANE Z ER 3¢ 5¢ mRNA Rybosom Cysterna szorstkiej ER Nieprawidłowo zwinięte i Białka cytozolu zdenaturowane białka i cytoszkieletu Przyłączanie ubikwityny Dojrzewanie i segregacja w aparacie Golgiego Swoiste białka importowane do Pęcherzyki wydzielnicze Lizosomy Mitochondriów Peroksysomów Jądra Proteasom Białka wydzielane Białka błony komórkowego Degradacja białek z komórki komórkowej Wolne polirybosomy (niezwiązane z ER) syntetyzują białka cyto- nami ER. Powstające w czasie translacji na rybosomach białka są zolowe, cytoszkieletowe oraz te kierowane do jądra, mitochon- kierowane do wnętrza cystern siateczki szorstkiej. driów i peroksysomów. Do wszystkich białek nieprawidłowo sfałdowanych dołączane Białka budujące błony, magazynowane w lizosomach lub wy- są cząsteczki ubikwityny, co kieruje te białka do proteasomów, dzielane z komórki, powstają na polisomach związanych z bło- gdzie zachodzi ich degradacja.  Organella cytoplazmatyczne 33 RYCINA 2–10 Siateczka śródplazmatyczna szorstka i gładka. R O Z D Z I A Ł Jądro 2 Cytolpazma Organella cytoplazmatyczne Cysterny Rybosomy a c Rybosomy Szorstka ER Gładka ER Funkcje siateczki śródplazmatycznej 1. Synteza – zapewnia miejsce do reakcji chemicznych. a. Gładka ER jest miejscem syntezy lipidów i metabolizmu węglowodanów. b. Szorstka ER syntetyzuje białka przeznaczone do wydzielania, budujące błonę komórkową, a także enzymy lizosomalne. 2. Transport – umożliwia przenoszenie cząsteczek przez przestrzeń cystern z jednej części komórki do drugiej, oddzielając je od cytoplazmy. 3. Przechowywanie – umożliwia gromadzenie nowo syntetyzowanych cząsteczek. 4. Detoksykacja – gładka ER uczestniczy w detoksykacji zarówno b leków, jak i alkoholu. (a) Siateczka śródplazmatyczna stanowi sieć połączonych ko- spłaszczone, podczas gdy w SER tworzą one często struktury ka- munikujących się kanałów lub cystern utworzonych przez ciągłe nalikowe (tubularne). (Powiększenie: 14 000×). błony; obszary z polisomami wydają się szorstkie, a inne regiony (c) W bardzo cienkiej komórce śródbłonka z hodowli in vitro za- gładkie. Podczas gdy RER jest miejscem syntezy większości bia- równo ER (na zielono), jak i mitochondria (na pomarańczowo) łek błonowych, to w siateczce gładkiej (SER) zachodzą trzy głów- można uwidocznić za pomocą odpowiednich przyżyciowych ne procesy: (1) biosynteza lipidów, (2) detoksykacja potencjalnie barwników fluorescencyjnych, które gromadzą się wybiórczo szkodliwych związków oraz (3) sekwestracja i magazynowanie tylko w tych organellach. Ta metoda barwienia żywych, nienaru- jonów Ca2+. Określone rodzaje komórek z dobrze rozwiniętą SER szonych komórek wyraźnie ujawnia ciągłość elementów ER two- są zwykle wyspecjalizowane w pełnieniu jednej z tych funkcji. rzących strukturę przypominającą koronkę lub siateczkę, która (b) W TEM zbiorniki RER wydają się oddzielone od siebie, ale występuje we wszystkich rejonach cytoplazmy. ich światła w rzeczywistości są połączone, tworząc ciągły kanał (Ryc. 2–10c, zgoda na publikację: © 2015 Thermo Fisher Scienti- lub przedział cytoplazmy. Połączone błoniaste zbiorniki RER są fic, Inc.). niektóre modyfikacje potranslacyjne nowo powstałych po- kleotydów w kodonie mRNA – przyp. tłum.] N-terminalną lipeptydów oraz składanie białek w wielołańcuchowe kom- sekwencję sygnałową o długości 15–40 aminokwasów za- pleksy. W procesach tych uczestniczą enzymy występujące wierającą co najmniej sześć reszt hydrofobowych. Jak przed- w RER oraz kompleksy białkowe działające jako białka opie- stawiono na ryc. 2–11, nowo powstała sekwencja sygnałowa kuńcze, które kierują właściwym fałdowaniem powstają- łączy się z kompleksem białkowym określanym jako czą- cych białek, hamują ich agregację, czyli ogólnie monitorują steczka rozpoznająca sygnał (SRP, signal-recognition partic- jakość białek powstających w ER. le), która zatrzymuje dalsze wydłużanie się peptydu sygnało- Synteza białka rozpoczyna się na polirybosomach zloka- wego. Kompleks SRP–rybosom–powstający peptyd wiąże się lizowanych w cytozolu. Końce 5´ cząsteczek mRNA białek z receptorami SRP zlokalizowanymi w błonie ER. Następnie przeznaczonych do segregacji w ER kodują [w rzeczywisto- uwolnienie SRP umożliwia kontynuację translacji oraz prze- ści rodzaj aminokwasu jest kodowany przez triplet nukleoty- niesienie powstającego łańcucha polipeptydowego do kom- dów w cząsteczce DNA i odzwierciedlany w kolejności nu- pleksu translokatorowego (zwanego także translokonem), 34 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–11 Przemieszczanie się peptydów do RER. mRNA tRNA Usuwanie sekwencji 5¢ Wiązanie SRP Uwolnienie sygnałowej do receptora SRP SRP z wydłużającego się 3¢ polipeptydu Nowo syntetyzowany polipeptyd z sekwencją Wiązanie SRP sygnałową do sekwencji sygnałowej białka Receptor Receptor dla Cząsteczka dla SRP rybosomu Peptydaza Wydłużający się rozpoznająca i kompleks sygnałowa polipeptyd sygnał (SRP) białkowy translokatora Białko Błona RER ostateczne Cysterna RER Aby nowo zsyntetyzowana N-terminalna część powstającego dużej podjednostki rybosomu i w ten sposób rybosom, na któ- białka mogła zostać wbudowana do błon lub pęcherzyków, musi rym zaczęła się translacja, zostaje przyłączony do ER. Hydrofobo- mieć sekwencję o długości 15–40 aminokwasów zawierającą wy peptyd sygnałowy przesuwa się przez kanał translokonu zlo- swoisty układ hydrofobowych reszt stanowiących sekwencję kalizowany w błonie ER, a SRP zostaje uwolniony do ponownego sygnałową (peptyd sygnałowy). Do tego peptydu sygnałowego wykorzystania. Sekwencja sygnałowa peptydu zostaje odcięta przyłącza się cząsteczka rozpoznająca sygnał (SRP, signal reco- przez peptydazę i wydłużający się peptyd przesuwa się do świa- gnition particle), która następnie rozpoznaje i wiąże się z recepto- tła RER do czasu zakończenia translacji. rem na ER. Inny receptor ER wiąże się z białkami strukturalnymi który tworzy kanał zlokalizowany w błonie ER w miejscu ne cechy wynikają z ostatecznego przeznaczenia głównych przyłączenia rybosomu (ryc. 2–11). W świetle RER sekwen- białek produkowanych przez te komórki. cja sygnałowa zostaje odcięta przez enzym – peptydazę sy- gnałową. Dzięki zakotwiczeniu rybosomu na powierzchni ER translacja jest kontynuowana, a wydłużający się poli- ››› ASPEKTY KLINICZNE peptyd przesuwa się do światła RER przez kanał kompleksu System kontroli jakości syntetyzowanych białek w RER i pra- translokatorowego. Białka opiekuńcze i inne białka ułatwia- widłowo funkcjonujący, usuwający nieprawidłowe białka ją przesuwanie powstającego polipeptydu przez kompleks układ ERAD są niezwykle ważne. W związku z tym zaburze- translokatora. Po uwolnieniu z rybosomu kontynuowane są nia w funkcjonowaniu tych układów leżą u podstaw rozwoju potranslacyjne modyfikacje polipeptydu połączone z uzyski- niektórych chorób dziedzicznych. Na przykład w pewnym waniem właściwej konformacji przestrzennej. rodzaju wrodzonej łamliwości kości (osteogenesis imperfecta, RER ma ściśle regulowany system zapobiegający prze- kostnienie niedoskonałe) komórki kostne syntetyzują i wy- kazywaniu niefunkcjonalnych białek do dalszych etapów dzielają nieprawidłowe cząsteczki prokolagenu, które nie szlaku wydzielniczego lub do innych organelli. Nowe białka, mogą być poprawnie wbudowane i wytwarzają bardzo słabą które nie mogą być poprawnie sfałdowane lub nie uzyskują tkankę kostną. ostatecznej konformacji w wyniku działania białek opiekuń- czych, podlegają degradacji zależnej od ER (ERAD, ER-asso- ciated degradation). W wyniku aktywności systemu ERAD białka takie wracają do cytozolu, podlegają ubikwitynacji, Gładka siateczka śródplazmatyczna a następnie ulegają degradacji w proteasomach. Obszary ER pozbawione polirybosomów tworzą siateczkę Jak wspomniano, białka syntetyzowane w RER mogą śródplazmatyczną gładką (SER, smooth endoplasmic reti- mieć różne przeznaczenie: są gromadzone w komórce (np. culum), która jest połączona z RER, ale jest mniej rozbudo- w lizosomach lub swoistych ziarnistościach leukocytów) wana (ryc. 2–10). Z powodu braku polirybosomów SER nie lub czasowo przechowywane w pęcherzykach cytoplazma- barwi się zasadochłonnie i najlepiej widoczna jest podczas tycznych przeznaczonych do egzocytozy (np. w komórkach badania TEM. W odróżnieniu od cystern RER elementy trzustki i niektórych komórkach endokrynnych), a także tworzące SER tworzą kanaliki lub woreczki połączone kana- stanowią białka integralne błony. Schematy na ryc. 2–12 łami o różnych kształtach i rozmiarach, tak więc nie przypo- przedstawiają kilka rodzajów komórek, których histologicz- minają one stosów spłaszczonych cystern.  Organella cytoplazmatyczne 35 RYCINA 2–12 Lokalizacja białek a morfologia komórki. 2 R O Z D Z I A Ł Cytolpazma Organella cytoplazmatyczne (a) Erytroblast (b) Granulocyt kwasochłonny (c) Komórka plazmatyczna (d) Komórka pęcherzykowa (eozynofil) trzustki Ultrastruktura i histologiczny obraz komórki są zdeterminowane (c) Komórki z bardzo rozbudowaną RER i dobrze rozwiniętym przez cechy najważniejszych białek przez nią wytwarzanych. AG mają mało ziarnistości wydzielniczych, ponieważ są one (a) Komórki, które nie produkują lub produkują niewiele bia- wydzielane natychmiast po opuszczeniu AG. Wiele komórek, łek przeznaczonych do wydzielenia, mają bardzo mało RER, szczególnie nabłonkowych, jest spolaryzowanych, co oznacza, przy czym zasadniczo wszystkie wolne polirybosomy są w cy- że rozmieszczenie RER i pęcherzyków wydzielniczych jest różne toplazmie. w różnych regionach lub na różnych biegunach komórki. (b) Komórki, które syntetyzują, segregują i gromadzą różne biał- (d) Komórki nabłonka wyspecjalizowane w sekrecji wykazują ka w swoistych pęcherzykach lub ziarnistościach wydzielniczych, wyraźną biegunowość. RER występuje obficie u podstawy ko- zawsze mają RER, aparat Golgiego i zapas ziarnistości zawierają- mórki, a dojrzałe ziarnistości wydzielnicze na szczytowych biegu- cych białka gotowe do sekrecji. nach, na których zachodzi egzocytoza ich zawartości do zamkniętego przedziału pozakomórkowego, światła gruczołu. SER pełni trzy zasadnicze funkcje, które w różnych ko- mórkach rozwijają się w różnym stopniu. ››› ASPEKTY KLINICZNE Żółtaczka oznacza żółtawe przebarwienie skóry i jest spo- Enzymy SER biorą udział w syntezie fosfolipidów i ste- wodowana gromadzeniem się w płynie pozakomórkowym roidów – głównych składników błon komórkowych. Li- bilirubiny i innych związków barwnikowych, które w prawi- pidy te są następnie przenoszone z SER do sąsiednich dłowych warunkach są metabolizowane przez enzymy SER błon drogą dyfuzji bocznej, za pomocą białek trans- w komórkach wątroby i wydalane jako żółć. Częstą przyczy- portowych fosfolipidów, a także z udziałem pęcherzy- ną żółtaczki u noworodków jest niedostateczny rozwój SER ków odrywających się od SER, które przemieszczają się w tych komórkach, co uniemożliwia przekształcenie bilirubi- wzdłuż włókien cytoszkieletu lub ulegają fuzji z błona- ny do postaci, która może być łatwo wydalona. mi innych organelli. W komórkach wydzielających hor- mony steroidowe (np. komórkach kory nadnerczy) SER zajmuje dużą część cytoplazmy. Aparat Golgiego Inne enzymy SER, w tym enzymy rodziny cytochromu Dynamiczna organella zwana aparatem (kompleksem) P450, umożliwiają detoksykację potencjalnie szkodliwych Golgiego (AG, Golgi apparatus/complex), odkryta w 1898 egzogennych cząsteczek, takich jak alkohol, barbitura- roku przez histologa Camillo Golgiego, bierze udział w mo- ny i inne leki. W komórkach wątroby enzymy te biorą dyfikacjach potranslacyjnych białek wytwarzanych w RER udział w wytwarzaniu endogennych cząsteczek będą- oraz ich sortowaniu w pęcherzykach przemieszczanych cych składnikami żółci. do właściwych miejsc ich przeznaczenia. Aparat Golgiego Pęcherzyki SER są także odpowiedzialne za sekwestrację składa się z wielu gładkich, błoniastych struktur w postaci [przechowywanie – przyp. tłum.] i kontrolowane uwal- cystern spłaszczonych w częściach środkowych i w postaci nianie jonów Ca2+, co jest częścią szybkiej odpowiedzi pęcherzyków rozszerzonych workowato w częściach brzeż- komórek na różne czynniki stymulujące. Ta funkcja jest nych. Wszystkie te elementy zawierają enzymy i przetwarza- szczególnie dobrze rozwinięta we włóknach mięśni po- ne przez nie białka (ryc. 2–13). W większości komórek małe przecznie prążkowanych, w których SER odgrywa waż- kompleksy Golgiego zlokalizowane są w pobliżu jądra. ną rolę w procesie skurczu i przyjmuje wyspecjalizowa- Jak przedstawiono na ryc. 2–13, aparat Golgiego ma dwa ną postać określaną jako siateczka sarkoplazmatyczna funkcjonalne bieguny wyróżnione ze względu na skompliko- (patrz rozdz. 10). wany kierunek przemieszczania się pęcherzyków w komórce. 36 ROZDZIAŁ 2 Cytoplazma RYCINA 2–13 Aparat Golgiego. TV Region wysyłania pęcherzyków CF Pęcherzyki wydzielnicze SV TF SV Pęcherzyk Pęcherzyk transportujący transportujący TV Światło cysterny wypełnione produktami sekrecyjnymi a ER G M b c Aparat Golgiego (AG) jest wysoce plastycznym, morfologicznie (b) Morfologiczne aspekty budowy AG wyraźnie odzwierciedla złożonym układem obłonionych pęcherzyków i cystern, w któ- obraz SEM, który uwidacznia trójwymiarowe ujęcie obszaru mię- rym białka i inne cząsteczki powstające w RER ulegają dalszym dzy RER a błoniastymi elementami AG. Komórki mogą mieć wiele modyfikacjom oraz sortowaniu do swoistych pęcherzyków prze- aparatów Golgiego, ale każdy ma przedstawioną tutaj ogólną znaczonych do pełnienia różnych funkcji w komórce. organizację i typowe położenie w pobliżu jądra komórkowego. (a) Obrazy AG uzyskane dzięki TEM były źródłem wczesnych in- M – mitochondrium. (Powiększenie: 30 000×). formacji o funkcjonowaniu tej organelli. Po lewej stronie znaj- (c) W hodowanych in vitro komórkach położenie AG można uwi- duje się cysterna RER, a blisko niej wiele małych pęcherzyków docznić metodą immunocytochemiczną z wykorzystaniem prze- powierzchni cis (CF, cis face) lub bieguna odbierającego AG. ciwciała przeciw białku golgin-97, które uwidacznia pęcherzyki Cysterna RER łączy się z pierwszą z kilku spłaszczonych cystern w wielu kompleksach Golgiego (na zielono), wszystkie zlokali- AG. W centralnej części znajduje się charakterystyczny układ pła- zowane w pobliżu jądra; tłem pęcherzyków jest sieć mikrofila- skich, wygiętych łukowato i ułożonych równolegle części środko- mentów tworzących włókienka stresowe (naprężeniowe) wy- wych cystern kompleksu Golgiego. Wyniki badań cytologicznych znakowane falloidyną związaną z barwnikiem fluorescencyjnym i molekularnych sugerują, że inne pęcherzyki transportujące (na fioletowo). Ze względu na obfitość lipidów w swoich licznych (TV, transport vesicles) przenoszą białka z cysterny do cysterny aż błonach AG jest trudny do uwidocznienia w klasycznych parafi- do powierzchni trans (TF, trans face) lub regionu wysyłkowego. nowych skrawkach histologicznych barwionych hematoksyliną W obszarze tym występują większe pęcherzyki wydzielnicze i eozyną. W trakcie rozwoju białych krwinek z aktywnymi kom- (SV, secretory vesicles), w których zachodzi zagęszczanie pro- pleksami Golgiego, organelle te mogą być widoczne jako słabo duktu oraz jeszcze inne pęcherzyki przenoszące już ostatecznie zabarwione obszary w pobliżu jądra (niekiedy nazywane „du- zmodyfikowane białka do różnych miejsc w komórce. Formo- chem Golgiego”) otoczone zasadochłonną cytoplazmą. wanie i fuzja pęcherzyków w AG podlega kontroli przez swoiste (Ryc. 2–13b, zgoda na publikację: Naguro T., Iino A. Prog Clin białka błonowe. (Powiększenie: 30 000×). Zdjęcie w ramce: mały Biol Res. 1989; 295: 250; ryc. 2–13c, zgoda na publikację: © 2015 fragment AG widoczny w skrawku o grubości 1 μm w komórce Thermo Fisher Scientific, Inc.). wybarwionej solami srebra, widoczne są liczne glikoproteiny we- wnątrz cystern.  Organella cytoplazmatyczne 37 Materiał przekazywany jest z cystern RER do aparatu Golgie- do aparatu Golgiego, a także przez i poza niego. Ruch pęcherzy- go w małych, błoniastych pęcherzykach transportujących ków do przodu w sieci bieguna cis Golgiego zachodzi z udzi