Pobierz Komórka, błony komórkowe i więcej Notatki w PDF z Biologia komórkowa i molekularna tylko na Docsity! KOMÓRKA. BŁONY KOMÓRKOWE Komórka stanowi najmniejszą, zorganizowaną jednostkę żywej materii: — jest zdolna do niezależnego istnienia w nieożywionej materii stanowiącej jej śro- dowisko i może wymieniać z nim substancje, — w razie potrzeby syntetyzuje nowe składniki ze związków pochodzących z otoczenia. W sensie termodynamicznym jest układem otwartym tzn. może ona z otoczeniem wy- mieniać materię i energię. Natomiast w sensie cybernetycznym jest homeostatem ponie- waż potrafi utrzymać homeostazę, czyli równowagę funkcjonalną nawet w niesprzyjają- cych warunkach. Właściwości funkcjonalne komórki wynikają z jej struktury. Zasadni- czym składnikiem każdej komórki, który zapewnia ww. cechy jest błona komórkowa oddzielająca wnętrze komórki — cytoplazmę od środowiska zewnętrznego. Zasadnicze składniki strukturalne pierwotnych organizmów jednokomórkowych to błona komórko- wa i cytoplazma. Organizmy wyższe — wielokomórkowe, w tym ssaki, zbudowane są z komórek o bardziej skomplikowanej budowie. W przeciwieństwie do poprzednich po- siadają one jądro komórkowe. Obecność lub brak jądra komórkowego decyduje o tym czy komórkę zaliczamy do prokariotycznych (brak) czy też do eukariotycznych (posia- danie jądra). Eukariogeneza. Obecność lub brak jądra komórkowego jest zasadniczą ale nie jedyną różnicą pomiędzy komórkami prokaryota i eukaryota. Komórki prokario- tyczne do których należą: bakterie pierwotne, bakterie właściwe i sinice, nie po- siadają błon wewnątrzkomórkowych i mitochondriów, ich rybosomy są mniejsze (708) a cząsteczki DNA są koliste. Mają one wysokie tempo metabolizmu oraz krótki czas życia osobników, który w znacznym stopniu uzależniony jest od wa- runków środowiska. Nie zostało ostatecznie ustalone, czy komórki eukariotyczne rozwinęły się (eukariogeneza) z wcześniej istniejących komórek prokariotycznych czy też ich rozwój z pierwotnych form życia (protobionty) był równoległy. Jednak przyjmuje się za bardzo prawdopodobne, że przynajmniej niektóre organella (mitochondria, chloroplasty) komórek eukariotycznych są efektem wniknięcia do nich komórek prokariotycznych, co doprowadziło do endosymbiozy. Przez to or- ganella te można określać jako ksenosomy. Wprawdzie zasadniczym, z punktu widzenia funkcji, składnikiem komórki jest jej błona (plazmolema), jednak inne struktury błoniaste, wewnątrzcytoplazmatyczne, odgry- wają bardzo ważną rolę w funkcjonowaniu tych komórek. Obecność błon wewnątrzcyto- plazmatycznych powoduje, że wnętrze komórki ulega podziałowi na przedziały — kom- partmenty. Różnią się one składem chemicznym, a przez to i przebiegiem procesów chemicznych, które w nich zachodzą. To zróżnicowanie wnętrza komórki, pozwalające 12 Rozdział 1 na bardziej efektywną regulację skomplikowanych procesów chemicznych możliwe jest właśnie dzięki obecności błon wewnątrzkomórkowych. Ultrastruktura. Obserwacje czynione przy pomocy mikroskopu świetlnego (MŚ) dostarczyły dość ograniczonej ilości informacji jeśli chodzi o budowę komórek zwierzęcych, chociaż znacznie się przyczyniły do wyjaśnienia budowy tkanek i na- rządów. Dopiero rozwój techniki oglądania preparatów komórek w mikroskopie elektronowym (ME) pozwolił wyjaśnić budowę wewnętrzną, czyli ultrastrukturę komórek. Technika ta, oparta na oglądaniu ultracienkich skrawków w ME, wy- maga wysokiej próżni, co powoduje, że przygotowanie materiału biologicznego przeprowadzane jest w specyficzny sposób. W rezultacie oglądamy struktury ko- mórki, które uwidaczniają się dzięki osadzaniu się na nich osmu, ponieważ naj- częściej do tzw. utrwalania i barwienia używa się OsO4.Chociaż początkowo ist- niały wątpliwości czy to co oglądamy w ME i na elektronogramach istnieje w ży- wej komórce, to póżniej różnymi metodami m.in. techniką mrożenia-łamania (freeze-etching) udało się wykazać, że uzyskiwany obraz w dużym stopniu odpo- wiada temu co rzeczywiście istnieje in vivo. Oglądając elektronogramy należy pamiętać, że przedstawiają one przekrój poprzeczny przez komórkę, przez co błony widzimy jako linie, natomiast włókienka szczególnie cienkie, jako ziaren- ka. Tak więc np. ziarenko widoczne na elektronogramie może istotnie być obra- zem ziarenka, ale także przekrojem przez włókienko. jerwotniak A siateczka wewnaątrz- otoczka jądrowa plazmatyczna wolny rybosom ę centiole ETA zwierzęca ||» eubakterie 4 mikrokosnŚ 8 coated pif = SK peroksysom / K mitochondrium wczesny endosom | mikrotubule błona komórkowa włókno aktynowe archeobakterie drożdże Ryc. 1.1. Budowa komórek eukariotycznych. Komórka. Błony komórkowe 15 nie mogą ulegać dyfuzji bocznej, czyli przemieszczaniu w płaszczyźnie błony, natomiast prze- mieszczanie w poprzek błony jest znacznie utrudnione. Konsekwencją tego jest obserwowa- na asymetria warstw lipidowych w błonach, jeśli chodzi o skład lipidów. Wiele informacji dotyczących błony komórkowej, a szczególnie jej białek, uzyskano badając błony erytrocytów, w postaci tzw. „cieni erytrocytów”. Białka nie tworzą, jak początkowo przypuszczano, ciągłej warstwy. Mogą one jedynie kontaktować się z lipi- dami błon — białka powierzchniowe, lub w mniejszym lub w większym stopniu zanurzać w lipidach błony — białka integralne. Przy tym mogą wiązać się z lipidami od strony ze- wnętrznej (ektobiałka) lub cytoplazmatycznej (endobiałka), mogą też przebiegać w po- przek błony kontaktując się z jednej strony z cytoplazmą, a z drugiej z otoczeniem ko- mórki i określane są jako tzw. białka poprzeczne (ryc. 1.2B). Białka integralne mogą być tworzone przez jeden lub wiecej łańcuchów polipeptydowych. Część łańcucha przenika- jąca dwuwartwę lipidową błony tworzona jest przez co najmniej 22 reszty aminokwasów hydrofobowych. Jeśli łańcuch polipeptydowy ma kilka takich sekwencji to może kilka- krotnie przenikać przez błonę. W ten sposób zbudowane są kanały oraz niektóre recep- tory błonowe. Białka mogą przemieszczać się w płaszczyźnie błon, jednak ruchy te mogą być utrudnione, szczególnie w odniesieniu do białek poprzecznych, gdyż białka te związane są zwykle z cytosz- kieletem. Istnienie przemieszczania białek błonowych wykazano przez obserwcje żywych ko- mórek, których powierzchnia została wyznakowana przy pomocy przeciwciał przeciw białkom błonowym. Obserwowano zmiany skupienia tych białek, tworzenie „plamek” i „czapeczek”. Białka błonowe odgrywają bardzo istotną rolę w funkcjonowaniu błony a przez to i funkcji komórki. Biorą one udział w wymianie z otoczeniem komórki, poprzez trans- port_w poprzek błony. Rodzaje transportu przez błonę komórkową. Transport: — prosty (dyfuzja); — ułatwiony (nośnik — białko, bez wydatku energi metabolicznej) zgodnie z gradien- tem stężeń; — aktywny (zużycie energii) wbrew gradientowi. transportowane cząsteczki 2 — przenośniki z o 77 © ten po prawej jest kanał | włościwie pompoj dwuwarstwa lipidowa dyfuzja _ poprzez poprzez prosta | kanał przenośnik Om ONA fa Ryc. 1.3. Porównanie transportu biernego i aktywnego 16 Rozdział 1 cząsteczka transportowana __„jon współtransportowany dwuwarstwa lipidowa JA AGE / współtransportowany UNIPORT SYMPORT ANTYPORT Ryc. 1.4. Trzy typy transportu prowadzonego przez przenośniki. 00 miejsce wiązania F e© „i strofantyny gradient elektro- Snomiczny Nor chemiczny K: CYTOZOL miejsce wiązania Na* — ATP [ADP] + P, Ryc. 1.5. Pompa Na*-K*. Zasadnicze znaczenie czynnościowe ma transport aktywny. Przykładem jest tzw. pom- pa sodowo-potasowa. Rolę tej „pompy” pełni enzymatyczne białko błonowe - ATP-aza zależna od Na* i K*, a „napędza” tę pompę energia zawarta w ATP. Transport aktywny jonów wraz z kanałami jonowymi decyduje o stężeniu jonów w cytoplazmie i bezpośred- nim otoczeniu komórki — dlatego odgrywa on zasadniczą rolę w komórkowych zjawiskach bioelektrycznych. Białka błonowe wchodzą w skład receptorów komórkowych (patrz rozdz. 3), które odbierają „sygnały” docierające do komórki ze środowiska w formie ligandów wiążących się z receptorami. Powstanie kompleksu „ligand-receptor” zapoczątkowuje cały szereg procesów komórkowych. Ligandami mogą byc różne substancje, w tym hormony. Recep- Komórka. Błony komórkowe 17 torowe białka błony odgrywają bardzo ważną rolę w zjawiskach immunologicznych oraz w kontaktach międzykomórkowych. Białka tworzące receptory najczęściej występują w związku z węglowodanami. Również w powiązaniu z węglowodanami białka błonowe decydują o tzw. antygenowości błony komórkowej, wyznaczają więc „swoistość” czynno- ściową i tkankową komórki. Węglowodany błony to najczęściej oligosacharydy związane kowalencyjnie z białkami (glikoproteidy) lub lipidami (glikolipidy) błony, przy czym więk- szość białek błony jest związana z oligosacharydami, podczas gdy mniej niż 1/10 cząstek lipidów wiąże reszty cukrowe. Ponadto jeden glikoproteid może mieć kilka łańcuchów oligosacharydowych. Jak wspomniano warstwy lipidów tworzących błonę różnią się od siebie składem. Podobnie białka po stronie zewnętrznej różnią się od tych po stronie cytoplazmatycznej. Tak więc błona komórkowa jest asymetryczna, a jej asymetryczność jeszcze bardziej podkreśla obecność oligosacharydów jedynie na zewnętrzej stronie bło- ny. Tworzą one na powierzchni komórki otoczkę nazywaną glikokaliksem. Oligosacha- rydy tworzące glikokaliks zawierają najczęściej następujące monosacharydy: galaktozę, mannozę, fruktozę, galaktozaminę, glikozaminę, glukozę i kwas sialowy, który zwykle znajduje się na końcu łańcucha oligosacharydu i przez to warunkuje ładunek ujemny powierzchni komórki. Dla funkcji wielu rodzajów komórek zasadnicze znaczenie ma stały lub przejściowy kontakt z innymi komórkami, oraz składnikami substancji międzykomórkowej. Uczest- niczą w tym obecne na powierzchni komórek cząsteczki zwane adhezyjnymi. mucyna P-selektyna BĘ OOP integryna ©, P> E: Ę (LFA-1) ( Ę CDIla/CD18 rodzina immunoglobulin: A ICAM-1 Gay =) CD54 E-kadheryna Ryc. 1.6. Budowa głównych rodzajów białek adhezyjnych. Rodzaje cząsteczek adhezyjnych (tabela 1.1): — kadheryny, — integryny — cząsteczki należące do nadrodziny immunoglobulin — selektyny 20 Rozdział 1 go do momentu związania się tego kompleksu z receptorem na błonie RER. Obecność tego receptora zwanego białkiem dokującym odróżnia błony RER od innych błon ER. Błony te wyróżnia również obecność glikoprotein zwanych ry- boforyną I i II, wiążących dużą podjednostkę. Związanie podjednostki rybosomu poprzez ryboforyny warunkuje dłuższy związek rybosomu z błoną gdyż SRP dość szybko odłącza się od białka dokującego. Sekwencja sygnałowa (hydrofobowa) wnika w błonę pociągając za sobą dalsze (hydrofilowe) części łańcucha. Następ- nie sekwencja sygnałowa ulega odcięciu (peptydaza sygnałowa) a wnikanie łań- cucha polipeptydowego do wnętrza RER jest kontynuowane aż do zakończenia procesu translacji. W ten sposób mają być syntetyzowane białka, które zostają wydalone z komórki drogą sekrecji. Białka przeznaczone dla macierzy cytoplazmatycznej mają być syntetyzowane przez polisomy nie związane z błonami. Tak więc obecność błon RER wskazuje, że komórka produkuje wydzielinę białkową, a szczególnie duże nagromadzenie tych błon widać w komórkach gruczołowych (wątroba, gruczoł zewnątrzwydzielniczy trzustki). Obszary cy- toplazmy zawierające duże nagromadzenie błon RER nazwano ergastoplazmą (od grec- kiego słowa ergon — praca). O ile błony RER tworzą najczęściej spłaszczone cysterny to błony SER tworzą cewki, przy czym jedne i drugie często tworzą złożone układy prze- strzenne. RER znacznie częściej występuje w komórkach niż SER, a ich funkcja w ko- mórce jest zasadniczo różna, chociaż wszystkie błony ER (zarówno R jak i S) zawierają enzymy związane z syntezą trójglicerydów, fosfolipidów i cholesterolu, oraz enzymy (cy- tochrom P-450) powodujące utlenianie niektórych substratów, w tym leków. ER uczest- niczy, szczególnie jako SER, w różnego rodzaju procesach detoksykacyjnych, a w warun- kach nagromadzenia w organizmie substancji toksycznych może ulegać znacznemu roz- budowaniu. Na obszarze całej ER można wykazać obecność enzymu glukozo-6-fosfa- Tabela 1.2. Enzymy markerowe organelli komórkowych Organellum Enzym Błona komórkowa Na”, K*-ATPaza Błony siateczki śródplazmatycznej glukozo-6-fosfataza Macierz cytoplazmy dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa Zewnętrzna błona mitochondrium oksydaza monoaminowa (MAO) Przestrzeń międzybłonowa kinaza adenylanowa Wewnętrzna błona mitochondrium oksydaza cytochromu © Macierz mitochondrium syntaza cytrynianowa Lizosomy kwaśna fosfataza Aparat Golgiego transferaza acetylglukozaminylowa Peroksysomy oksydaza D-aminokwasowa Komórka. Błony komórkowe 21 tazy, uczestniczącego w metabolizmie węglowodanów (marker*). W niektórych rodza- jach komórek SER jest wyspecjalizowana, np. w komórkach mięśni szkieletowych spe- cjalizacja ta dotyczy transportu i gromadzenia jonów wapnia a 80% białek enzymatycz- nych tej błony to ATP—aza związana z tym właśnie transportem. Natomiast w komórkach gruczołów wydzielających hormony steroidowe, rozbudowana SER zaangażowana jest w produkcję tych związków. RER i SER różnią się więc morfologicznie i czynnościowo, mają z sobą jedak ścisły związek „genetyczny” tzn. z RER powstaje SER, oraz czynno- ściowy, mogą one nawet wykazywać ciągłość błon i wewnętrznych przestrzeni (wątroba). 1.4. APARAT GOLGIEGO Również z błon, określanych jako gładkie, zbudowany jest aparat Golgiego (AG), którego elementem strukturalnym jest diktiosom_(od sł. gr. diktyon — sieć). Złożony jest on z 5-8 spłaszczonych cystern (ryc. 1.8). Na przekroju w ME widoczny jest jako twór półksiężycowy, w którym wyróżnia się: — po stronie wypukłej (dojądrowej) biegun bliższy czyli powierzchnię formowania (cis) — po stronie wklęsłej, biegun dalszy czyli powierzchnię dojrzewania (trans). W pobliżu bieguna bliższego widać pęcherzyki transportujące (10-15 nm, z RER), a w pobliżu bieguna dalszego wakuole zagęszczające (śred. 500-3.000 nm) oraz pęche- rzyki okryte. Ryc. 1.8. Aparat Golgiego. 1 — siateczka śródylazmatyczna szorstka, 2 — pęcherzyki transportujące, 3 — cysterny, 4, 5 — waku- ole zagęszczające, 6 — ziarna wydzieliny. " Markerem nazywamy taką substancję, najczęściej enzym, który jest charakterystyczny dla da- nej struktury, czy też funkcji komórkowej, np. markerem lizosomów jest fosfataza kwaśna. 22 Rozdział 1 Błony tworzące AG pod względem struktury i składu chemicznego stanowią formę pośrednią pomiędzy RER i błoną komórkową, przy czym na biegunie bliższym przypo- minają RER a na biegunie dalszym błonę komórkową. Podobnie aktywność enzymów związanych z błonami AG wykazuje podobne zróżnicowanie, od bieguna bliższego do dalszego(G-6-P-aza TPP-aza + transferazy glikozylowe 5'-nukleotydaza). Obser- Ryc. 1.9. Komórka wydzielnicza. 1 - naczynie włosowate, 2 — pęcherzyki pinocytarne, 3 — cysterna RER, 4 —pęcherzyki transpor- tujące, 5 — aparat Golgiego, 6 — pęcherzyki wydzielnicze, 7 — wakuole wydzielnicze, 8 — pęcherzy- ki zagęszczające, 9 — ziama wydzieliny, 10 — egzocytoza. Komórka. Błony komórkowe 25 1.5.1. ENDOCYTOZA Endocytoza może zachodzić jako endocytoza płynnej fazy (pinocytoza), mająca cha- rakter nieselektywny; powstałe w jej trakcie endosomy łączą się z lizosomami pierwot- nymi tworząc w ten sposób lizosomy wtórne (ryc. 1.10). Endocytoza adsorbcyjna ma na- tomiast charakter selektywny i biorą w niej udział obecne na powierzchni komórki swo- iste receptory. Aby jednak kompleks substancji zaadsorbowanej i receptora mógł ulec endocytozie potrzebna jest po stronie cytoplazmatycznej błony komórkowej obecność białka klatryny. Jest to białko włókniste tworzące cząsteczkę mającą kształt trójramien- nej gwiazdy, cząsteczki te łącząc się ze sobą tworzą na cytoplazmatycznej powierzchni endosomu jakby siateczkę. Aby jednak klatryna mogła połączyć się w błoną komórkową potrzebna jest obecność białek adaptorowych wiążących cząsteczki klatryny z błoną. W ME takie endosomy widoczne są jako pęcherzyki okryte. Jak wykazano klatryna odgry- wa rolę w większości procesów odpączkowywania od błon pęcherzyków, tak jak np. two- rzenie lizosomów pierwotnych z cystern AG. Po odpączkowaniu pęcherzyka klatryna zwykle odłącza się od niego. 1.5.2. FUNKCJA UKŁADU LIZOSOMALNEGO Obecność enzymów hydrolitycznych w lizosomach wskazuje, że biorą one udział w procesach trawienia różnych substancji chemicznych takich jak białka, węglowodany, li- pidy i kwasy nukleinowe. Są więc one w stanie strawić wszystkie składniki komórki. Gdy trawienie to zachodzi w lizosomach wtórnych powstających przez połączenie się lizoso- mów pierwotnych z endosomami, mówimy o tzw. heterofagii, trawieniu substancji poza- komórkowych. Jeśli lizosomy wtórne trawią własne składniki komórki mówimy o auto- tworzenie 26 Rozdział 1 fagii. Głównie celem heterofagii jak i autofagii jest usuwanie zbędnych, czy nawet szko- dliwych dla organizmu substancji. W niektórych rodzajach komórek układ lizosomalny jest szczególnie rozbudowany. Należą do nich makrofagi, komórki należące do układu immunologicznego. Wprawdzie w czasie trawienia powstają proste związki chemiczne, które mogą być wykorzystywane przez komórkę, jednak celem trawienia przez układ li- zosomalny w komórkach organizmów wyższych, w przeciwieństwie do pierwotniaków, nie jest odżywianie komórki. Jeśli trawione substancje zostaną całkowicie strawione, a po- wstałe związki proste przejdą przez błonę lizosomalną do macierzy cytoplazmy, lizosom może ponownie połączyć się z endosomem. Natomiast, jeśli trawienie nie jest komplet- ne dochodzi do gromadzenia się w lizosomie wtórnym niestrawionych substancji i po- wstaje ciałko resztkowe. Zawartość takiego ciałka może być wydalona poza komórkę lub pozostać wewnątrzkomórkowo. Formą ciałek resztkowych są ziarna lipofuscynowe, któ- rych liczba wzrasta wraz z wiekiem organizmu, szczególnie w takich komórkach jak ner- wowe i mięśnia sercowego. Zawartość ziaren lipofuscynowych to głównie niestrawione fragmenty błon komórkowych (nieskuteczna autofagia). Gromadzenie się niestrawionego materiału wewnątrz komórki może być też wynikiem defektów genetycznych, gdy lizo- somy nie są w stanie trawić z powodu nieprawidłowych enzymów lub innych nieprawi- dłowości lizosomów. Dochodzi wtedy do stanów chorobowych (spichrzeniowych), spo- wodowanych gromadzeniem np. glikogenu (choroba de Pompe) lub sfingomieliny (cho- roba Nieman-Picka). Podsumowując, układ lizosomalny tworzą: I. powstałe w AG lizosomy pierwotne, które łącząc się z: — endosomami — pęcherzykami autofagalnymi — ziarnami wydzieliny IL tworzą lizosomy wtórne, zwane również wakuolami trawiennymi, które albo wchodzą w nowy cykl trawienny, albo tworzą III. ciała resztkowe. Pinocytoza i fagocytoza Pinocytoza (picie komórkowe) zachodzi w większości komórek i obejmuje zarówno endocytozę płynnej fazy jak i adsorbcyjną, natomiast fagocytoza zachodzi jedynie w wy- specjalizowanych komórkach (układ fagocytów jednojądrzastych) i dotyczy dużych obiek- tów: bakterie, fragmenty komórek lub całe komórki. Odpowiada endocytozie adsorbcyj- nej. 1.6. PEROKSYSOMY Strukturami, które wielkością i kształtem zbliżone są do lizosomów są peroksysomy (mikrociałka), są one okrągłe o średnicy 0,5 Hm, czasami (wątroba) do I um. Charakte- ryzują się obecnością w nich katalazy, enzymu katalizującego rozpad nadtlenku wodoru na wodę i tlen, oraz oksydaz: moczanowej oraz D- i L-aminokwasów, a także L-alfa- Komórka. Błony komórkowe 27 A. Zielona fluorescencja peroksyzo- mów wyznakowanych fluoryzują- cym białkiem. B. Elekronogram peroksyzomów. Dwa zawierają kryształy oksydazy moczanowej. Ryc. 1.12. Budowa peroksysomów. hydroksykwasów. W części centralnej mogą zawierać krystaliczny „rdzeń” tzw. nukleoid. Tworzone są przez ER. Peroksysomy zużywają znaczną część tlenu w komórce. Odgry- wają istotną rolę w procesach detoksykacyjnych. 1.7. MITOCHONDRIA Organellum komórkowym, które odgrywa zasadniczą rolę w komórkowych procesach utleniania są mitochondria. Stanowią one jedną z zasadniczych organelli wszystkich ko- mórek eukariotycznych (niektóre zawierają ich szczególnie dużo, komórki wątrobowe ponad 1.000). Wprawdzie widziano je już w MŚ, ale wiedza o ich ultrastrukturze powstała w oparciu o ME. Mają one najczęściej kształt walca, mniej lub bardziej wydłużonego, o śred. 0,5-1,0 im. Obserwacje żywych komórek w MŚ kontrastującym fazy w połączeniu z fotografią poklatkową wykazały, że mogą zmieniać kształt i przemieszczać się w ko- mórce, oraz dzielić. Ścianę mitochondrium tworzą dwie błony: zewnętrzna i wewnętrz- na. Pomiędzy nimi znajduje się przestrzeń określana jako międzybłonowa lub zewnętrz- na (ryc. 1.13). Błona wewnętrzna obejmuje przestrzeń określaną jako wewnętrzna lub ma- cierz (matrix) mitochondrialna. Błony mitochondrialne, zewnętrzna i wewnętrzna, róż- nią się od siebie budową, właściwościami i funkcją (tabela 1.3). Błona zewnętrzna za- wiera dużo białek transportowych i jest jak sito przepuszczalna dla cząstek (< 5.000 daltonów). Zawiera enzym oksydazę monoaminową (MAO), która jest dla niej enzymem 30 Rozdział 1 powoduje rozciągnięcie się łańcucha polipeptydowego a przez to zmniejszenie średnicy cząsteczki białka co ułatwia jego przejście przez kanał błonowy. Nato- miast białko Hsp60, już w macierzy, powoduje przyjęcie przez polipeptyd właści- wej dla niego konformacji. Białka towarzyszące odgrywają istotną rolę w wielu procesach komórkowych m.in. w transporcie białek przez pory otoczki jądrowej (patrz niżej). Błona wewnętrzna, w przeciwieństwie do zewnętrznej może tworzyć fałdy w formie poprzecznych przegród, co daje na przekroju obraz zbliżony do grzebienia, przegród podłużnych oraz cewek. Te ostatnie spotyka się w komórkach syntetyzujących sterydy. W błonie wewnętrznej zawarte są enzymy „łańcucha oddechowego”, złożonego systemu enzymatycznego przenoszącego elektrony, który wrażliwy jest na działanie różnych in- hibitorów takich jak cyjanki, amytal, rotenon. Energia wyzwalana podczas przenoszenia elektronów z substratów na tlen, przez sprzężenie tego procesu z procesem nazywanym fosforylacją oksydacyjną magazynowana jest w postaci wiązań wysokoenergetycznych ATP. Wykazano, że proces fosforylacji oksydacyjnej związany jest ze strukturami, które w postaci „grzybków ” związane są, od strony matrix, z błoną wewnętrzną. Mają one śred- nicę ok 9 nm i można je uwidocznić po rozfragmentowaniu błony wewnętrznej i barwie- niu negatywowym. Ryc. 1.14. Przebieg procesu fosforylacji oksydacyjnej. Biochemicy wyróżniają pięć tzw. stanów energetycznych mitochondriów. Na stan energetyczny mitochondrium ma wpływ stężenie: — substratu (podlegającego utlenieniu) — ADP (z którego tworzony jest ATP) — 0» Natomiast morfologicznie wyróżnia się dwie formy mitochondriów — skondensowa- ną, którą przybiera mitochondrium w III stanie energetycznym (wysokie stężenie: sub- stratu, ADP i O;), oraz ortodoksyjną reprezentującą pozostałe stany energetyczne. Forma skondensowana mitochondrium charakteryzuje się: poszerzoną przestrzenią międzybłonową, silnie pofałdowaną błoną wewnętrzną oraz zagęszczoną macierzą. Komórka. Błony komórkowe 31 Forma ortodoksyjna: wąska przestrzeń międzybłonowa i elektronoworzadka macierz Jest to forma najcz oglądana na elektronogramach. Jak wspomniano, proces przenoszenia elektronów w łańcuchu oddechowym, w któ- rym wyzwala się energia, jest sprzężony z fosforylacją ADP (fosforylacja oksydacyjna) co umożliwia magazynowanie energii (w ATP). Mechanizm tego sprzężenia tłumaczy przyjęta obecnie teoria chemiosmotyczna zaproponowana przez MitchelFa. Zakłada ona, że sprzężenie tych procesów zachodzi przez wytworzenie stanu wysokoenergetycznego w błonie mitochondrialnej. Podstawą tego stanu jest gradient elektrochemiczny istnie- jący w poprzek błony wewnętrznej. Powstaje on przez jednokierunkowe, czynne prze- mieszczanie protonów z matrix na zewnątrz przy udziale „pompy protonowej ”,która czer- pie energię z transportu elektronów. Energia zmagazynowana w postaci gradientu pro- tonów może być wykorzystana do syntezy ATP z ADP i fosforanu przy udziale kompleksu syntazy ATP. Kompleks ten, mający strukturalną postać „grzybków” związanych z błoną wewnętrzną, składa się z dwóch segmentów: kanałowego F,i katalitycznego F.. Segment kanałowy (F,) zbudowany jest kilku podjednostek umieszczonych w poprzek błony we- wnętrznej, pełniących rolę kanału dla protonów. Przechodzenie protonów przez kanał, zgodnie z gradientem stężeń, z przestrzeni międzybłonowej do macierzy mitochondrial- nej umożliwia przekazywanie energii, zawartej w tym gradniecie, potrzebnej dla syntezy ATP. Synteza ta zachodzi z udziałem segmentu katalitycznego (F,). Segment ten nazy- wany jest także czynnikiem sprzęgajacym gdyż sprzęga on funkcję łańcucha oddechowe- go z procesem syntezy ATP. Macierz (matrix) mitochondrialna zawiera enzymy cyklu kwasów trójkarboksylowych (Krebsa), enzymy czynne w procesie beta-oksydacji kwasów tłuszczowych oraz enzymy biorące udział w syntezie białek i kwasów nukleinowych. Synteza białek i kwasów nukle- inowych może zachodzić wewnątrz matrix ponieważ znajduje się tam zarówno DNA jak i rybosomy. DNA (jedyna lokalizacja poza jądrem w komórkach zwierzęcych) występu- je w postaci cząsteczek kolistych, co przypomina DNA u prokariota (bakterie), a rybo- somy także przypominają te u prokariota, różnią się więc od tych, które są w macierzy cytoplazmy. Dlatego też określa się mitochondria jako ksenosomy,co ma wskazywać na ich pochodzenie. Uważa się bowiem iż w trakcie eukariogenezy, jako komórki prokari- tyczne wnikęły one do cytoplazmy pierwotnych komórek eukariotycznych i weszły z nimi w endosymbiozę. Zarówno DNA jak i rybosomy mitochondrialne biorą udział w synte- zie białek tworzących mitochondria, jednak większość białek tego organellum jest two- rzona w oparciu o DNA jądra i rybosomy cytoplazmy. Nowe mitochondria powstają przez podział już istniejących, co obserwowano w żywych komórkach. Prawdopodobnie przy tworzeniu błony zewnętrznej biorą udział błony ER. Genom mitochondrialny tworzą dwuniciowe, koliste cząsteczki DNA, zwykle kilka w pojedynczym mitochodrium. Cząsteczka DNA mitochondralnego ma około 16.500 par zasad. Jest więc bardzo mała w porównaniu z cząsteczkami jądrowego DNA. Zawiera niewiele genów, jednak 13 genów kodujących podjed- nostki łańcucha oddechowego i syntazy ATP ma zasadnicze znaczenie dla prawi- dłowego funkcjonowania tego organellum. Mutacje genów mitochodralnych ko- dujących te właśnie podjednostki, szczególnie w komórkach tkanek o dużym me- tabolizmie tlenowym (układ nerwowy, mięśnie poprzecznie prążkowane) mogą 32 Rozdział 1 prowadzić do ciężkich schorzeń, nazywanych degeneracyjnymi chorobami mito- chondralnymi. Schorzenie nazywane chorobą Lebera a objawiające się ślepotą jest efektem mutacji punktowej w genie kodującym podjednostkę w kompleksie I łań- cucha oddechowego.