Funkcia membránových štruktúr buniek
Fosfolipidy sú základom biologických membrán. Organizujú sa do dvojvrstvy. Fosfoglycerolová hydrofilná hlava fosfolipidov tvorí povrch, hydrofóbne lipidové reťazce smerujúce proti sebe tvoria vnútornú časť membrány. Membrána prepúšťa molekuly selektívne, hovoríme, že je polopriepustná (semipermeabilná).
Receptory sú súčasťou cytoplazmatickej membrány na povrchu buniek. Sú to špecializované membránové proteíny a polysacharidy, ktoré prijímajú signály z okolia vo forme molekúl. Ochranná vrstva sacharidov a glyko- a lipoproteínov viazaných na vonkajšiu stranu bunkovej membrány sa nazýva glykokalyx.
Prestupujúce proteíny spájajú prostredia oddelené membránou. Umožňujú regulovaný prechod konkrétnych molekúl membránou alebo tok iónov cez membránu proti elektrochemickému gradientu (iónové pumpy). Membránové enzýmy, podobne ako enzýmy v cytoplazme, transformujú molekuly do inej formy.
Cholesterol pomáha membráne zostať tekutou v rôznych podmienkach prostredia. Drží fosfolipidy pohromade, aby sa príliš neoddelili alebo aby sa príliš tesne nestlačili.
Vnútorné membrány v eukaryotickej bunke zväčšujú plochu pre biochemické procesy a minimalizujú nežiaduce interakcie.
Sekrécia a exkrécia je vylúčenie metabolitu z bunky. Látka sa prepraví v transportnom mechúriku/vezikule z membrány, ktorá sa začlení do bunkovej membrány čím sa jej obsah vylúči z bunky. Sekrét plní spravidla nejakú funkciu, napr. je signálnou molekulou, kým exkrét je metabolický odpad.
Lyzozómy sú malé mechúriky v bunkách živočíchov s kyslým vnútorným prostredím, kde sa rozkladajú/trávia veľké molekuly alebo zvyšky baktérií. Obsahujú enzýmy. Transportné vezikuly sa vyčlenia endoplazmatického retikula alebo Golgiho komplexu, obsahujú metabolity. Vakouly sú typické v bunkách rastlín, ukladajú sa v nich látky, ktoré nemôžu cez bunkovú stenu vylúčiť alebo a majú zásobnú či obrannú funkciu.
Pinocytóza je prijímanie tekutých látok bunkou. Pri dotyku molekúl sa cytoplazmatická membrána vchlípi a obklopí látku, vytvorí sa transportná vezikula.
Fagocytóza je prijímanie väčších tuhých častíc bunkou, napríklad baktérií. Membrána bunky vytvorí okolo častice val a vtiahne ju do vnútorného prostredia.
Exocytóza je výdaj látok z bunky prestavbou membrán, endocytóza je príjem látok pinocytózou alebo fagocytózou.
Vnútrobunkové receptory sa nachádzajú v cytoplazme. Viažu hydrofóbnu alebo malú molekulu – ligand, ktorý sa dostane do bunky cez membránu a spustí génovú expresiu. Príkladom takého ligandu sú steroidné hormóny.
Receptory na povrchu buniek sú súčasťou cytoplazmatickej membrány. Rozoznávajú a viažu na seba špecifické molekuly. Prostredníctvom nich bunka komunikuje s mimo-bunkovým priestorom. Sú tri základné typy receptorov podľa toho, či sú viazané na iónový kanál, G-proteín alebo enzým.
Iónové kanály sú membránové proteíny formujúce kanálik prepájajúci obe strany membrány, ktorý prepúšťa len určitý ión a podľa stavu receptora, či je obsadený ligandom alebo voľný, sa otvára alebo zatvára.
Receptory viazané na G-proteín sú najrozšírenejšie a delia sa na niekoľko podskupín. Ligand, ktorým môže byť napríklad hormón peptidovej povahy, spúšťa v bunke sériu udalostí.
Na enzýmy sú viazané napríklad receptory, ktoré prijímajú signál pre delenie alebo pohyb bunky.
Receptor je proteín so špecifickým tvarom molekuly, do ktorej presne zapadá molekula zodpovedajúceho ligandu.
Iónové kanály sú trans-membránové proteíny priechodné pre ióny. Priechody v nich môžu byť pre ióny otvorené alebo regulované. Mediátorové kanály menia chemické signály na elektrické, signálna molekula kanál otvára alebo zatvára. Sú charakteristické pre nervové bunky. Kanálmi prechádzajú ióny v smere gradientu, k čomu nie je potrebná energia ATP.
Protónová pumpa zabezpečuje aktívny transport H+, udržujú elektrochemický potenciál na membránach. Bez nich by nemohol v mitochondrii fungovať dýchací reťazec, v plastidoch fotosyntéza, aktivita lyzozómov a vakuol. Ku svojej činnosti potrebuje energiu ATP.
Sodík – draslíková pumpa je proteín, ktorý je vo všetkých bunkových membránach. Na úkor hydrolýzy 1 molekuly ATP dopraví 3 ióny Na+ z bunky a 2 ióny K+ do bunky.
Vápniková pumpa prepravuje cez membrány ióny Ca 2+ von z bunky alebo do organel. Známy je jej úloha v bunkách svalu, riadi kde tok Ca 2+ pri ich kontrakcii, ale nachádza sa v membránach všetkých živočíšnych buniek. Pracuje proti elektrochemickému gradientu a preto spotrebováva ATP.
Iónové pumpy prepravujú ióny proti elektrochemickému gradientu, preto ich činnosť vyžaduje prísun energie z ATP.
Karyolema je dvojitá membrána jadra eukaryotickej bunky, ktorá je prepojená s endoplazmatickým retikulom. Chráni genetickú informáciu v chromozómoch. V profáze mitózy sa karyolema rozpadá a chromozómy uvoľní do cytoplazmy.
Chromozómy tvorí DNA a podporné bielkoviny (históny). Pred delením bunky sa DNA replikuje a vytvoria sa párové chromatídy, ktoré sa v profáze špirálovite zvinú formujú sa do tvaru viditeľného optickým mikroskopom.
Jadierko je oblasť jadra, kde sa prepisuje rRNA a vznikajú podjednotky ribozómov. Sústreďujú sa tu tie úseky DNA, ktoré kódujú rRNA. Proteíny podjednotiek sa syntetizujú mimo jadra, do ktorého sa však vrátia a spoja sa s rRNA.
Karyoplazma je prepojená s cytoplazmou otvormi (jadrovými pórmi), ktorými sa podjednotky ribozómov a všetky ďalšie typy RNA presúvajú z jadra von a proteíny potrebné v jadre sa do neho dostávajú. Informácia z génov DNA sa tu prepisuje do RNA.
Jadro eukaryotickej bunky je centrom riadenia metabolizmu bunky prostredníctvom proteosyntézy a genetickej aktivácie enzýmov.
Tvorba ATP v dýchacom reťazci prebieha v mitochondriách za prítomnosti kyslíka. Pri bunkovom dýchaní sa uvoľňuje energia z chemických väzieb medzi organickými uhlíkmi a ukladá sa do väzby medzi atómami fosforu ATP.
Pohyb iónov má v mitochondrii veľký význam. Vodíkové katióny (protóny) sa priamo podieľajú na dýchaní, katióny vápnika sú signálom pre tvorbu tepla v organizme.
Mitochondria má vlastnú kruhovú DNA. Je semiautonómna, DNA sa replikuje samostatne, ale kóduje len 13 enzýmov dýchacieho reťazca. Väčšina proteínov mitochondrie je kódovaná v jadre. Mitochondria sa považuje za bakteriálneho endosymbionta spoločného predka archeónov a eukaryotickej bunky. Eukaryotické bunky obsahujú veľký počet mitochondrií - stovky až tisícky. Sú veľké asi 1 μm a množia sa v nej priamym delením.
Dvojitá membrána mitochondrie zohráva dôležitú úlohu pri dýchaní. Vnútorná membrána, ktorá obsahuje enzýmy dýchacieho reťazca a je husto poprehýbaná. Čím je plocha vnútornej membrány väčšia, tým efektívnejšie je dýchanie. Záhyby sa nazývajú kristy. Mitochondriu vypĺňa matrix.
Mitochondia je energetickou jednotkou eukaryotickej bunky, miestom bunkového dýchania.
ATP sa tvorí v chloroplastoch pri viazaní svetelnej energie do organických väzieb uhlíka, pričom vzniká glukóza. Zdrojom uhlíka je CO2 z atmosféry a zdrojom vodíka voda. Pri rozklade vody energiou svetla sa uvoľňuje kyslík.
Leukoplasty a chromoplasty nie sú fotosynteticky aktívne. V chromoplastoch sú farbivá. Do leukoplastov sa ukladajú zásobné látky, delia sa amyloplasty, v ktorých je škrob, elaioplasty obsahujú tuky a proteinoplasty bielkoviny. Plastidy sa vyvíjajú z proplastidov, ktoré sa množia v bunke po replikácii vlastnej DNA priečnym delením.
Dvojitá membrána chloroplastu oddeľuje od cytoplazmy strómu. V stróme chloroplastu sa dajú pozorovať graná tvorené systémom vzájomne prepojených tylakoidov, plochých mechúrikov obsahujúcich chlorofyl usporiadaný do fotosystémov na zachytenie fotónov.
Plastidy majú vlastnú DNA, v chloroplaste kóduje proteíny fotosystémov. Plastidy sú semiautonómne a považujú sa za endosymbionta na základe predpokladu, že v dávnej minulosti bola pohltená predkom eukaryotickej bunky fototrofná baktéria a postupne sa stala organelou. Dĺžka chloroplastu 5-7 μm sa dá porovnať s dnešnými sinicami.
Plastidy sú len v rastlinných bunkách. Najvýznamnejšie sú chloroplasty, prebieha v nich fotosyntéza.
Endoplazmatické retikulum (ER) je miestom proteosyntézy. Tvorí veľké ploché cisterny okolo jadra, je priamo prepojené s jadrovou membránou. Na vonkajšej strane cisterien sú ribozómy pripojené na mRNA, vznikajúci peptid smeruje dnu. Ďalej od jadra sa tzv. drsné ER sa mení na hladké. Ribozómy sa odpájajú, tvoria sa vezikuly na transport a finalizáciu bielkovín.
Golgiho aparát (GA) je miestom, kde smerujú bielkoviny z ER, spájajú sa tu s inými molekulami, a kde sa vytvárajú druhotné metabolity. GA riadi ich distribúciu na miesto určenia v bunke.
Vezikuly, lyzozómy, cisterny a vakuoly pochádzajú z Gogiho aparátu alebo z endoplazmatického retikula. V živočíšnych bunkách slúžia vezikuly na transport látok, lyzozómy obsahujú enzýmy, ktorými svoj obsah rozkladajú. V cisternách a vakuole rastlinných buniek sa ukladajú zásobné látky, pigmenty a látky poskytujúce ochranu pred bylinožravcami a infekciou alebo tie, ktoré cez bunkovú stenu nemôžu opustiť bunku.
Cytoplazmatická membrána je kompatibilná (zlučiteľná) s vnútornými membránami bunky, ktoré sú miestom syntézy aj odbúravania látok. Z membrán sa vyčleňujú a na inom mieste v bunke včleňujú vezikuly izolujúce obsah od cytoplazmy.
Systém vnútrobunkových membrán je dynamickým prostredím premeny látok, ktorá nadväzuje na tok energie a informácie.
Osmóza a difúzia sú procesy, keď molekuly prechádzajú cez fosfolipidy membrány, čím sa vyrovnáva koncentrácia roztokov na jej oboch stranách. Deje sa to bez spotreby energie. Difundovať môžu len malé molekuly rozpustenej látky z miesta s vyššou koncentráciou na miesto s nižšou koncentráciou. Osmóza je prechod rozpúšťadla, v živých bunkách je to voda, cez membránu z miesta s nižšou koncentráciou rozpustenej látky na miesto s jej vyššou koncentráciou.
Iónové kanály sú membránové proteíny formujúce kanálik, ktorým prepúšťajú ióny v smere vyrovnávania gradientu bez spotreby energie. Uľahčujú a urýchľujú difúziu. Môžu byť stále otvorené alebo regulované naviazaním ligandu.
Iónové pumpy sú membránové proteíny, ktoré prepravujú ióny na druhú stanu membrány aktívne, so spotrebou energie z ATP, proti elektrochemickému gradientu.
Transportné enzýmy sú membránové proteíny, ktoré aktívne prepravujú cez membránu s nimi kompatibilné molekuly, pričom potrebujú energiu ATP.
Biologická membrána prepúšťa ióny a molekuly selektívne. Označuje sa ako semipermeabilná (polopriepustná), pretože väčšie molekuly cez fosfolipidy biologickej membrány neprejdú.
Tenká bunková stena medzi dvomi plazmatickými membránami je charakteristická pre baktérie, ktoré sa nedajú zafarbiť na tmavofialovo Gramovým farbením, sú to Gram negatívne baktérie. Metódu farbenia zaviedol dánsky bakteriológ H. Ch. Gram v roku 1884.
Gram negatívne baktérie majú dve vrstvy plazmatickej membrány vnútornú pod bunkovou stenou a vonkajšiu, na povrchu bunkovej steny. Tá spôsobuje, že bunky absorbujú Gramove farbivo (kryštálovú violeť) a po farbení sú cyklámenovo červené. Patria k nim enterokoky, stafylokoky, klostridium. Ľahko nadobúdajú rezistenciu na antibiotiká.
Hrubá bunková stena na povrchu Gram pozitívnych baktérií po farbení nadobudne tmavofialovú farbu Gramovho farbiva. Bunková stena farbu uchová aj po odfarbovaní.
Gram pozitívne baktérie majú len jednu plazmatickú membránu pod bunkovou stenou. Spôsobujú niekoľko nebezpečných ochorení. Patrí k nim napríklad lystéria, antrax, streptokoky a pneumokoky.
Baktérie sú delené na Gram pozitívne a Gram negatívne podľa toho, ako reagujú pri farbení Gramovým farbivom. Reakciu spôsobuje odlišná štruktúra povrchu buniek.
Rozvetvený reťazec fosfolipidov plazmatickej membrány buniek mnohých archeónov ich odlišuje od buniek baktérií a eukaryot, ktorých fosfolipidy majú jednoduché reťazce, bez bočných vetiev. Bočné reťazce znižujú tekutosť membrán.
Éterová väzba je druhá odlišnosť v chemickej štruktúre fosfolipidov membrán archeónov. Väzba medzi fosfoglycerolom a reťazcami je v bakteriálnych a eukaryotických membránach esterová. Éterová väzba je v porovnaní s ňou odolnejšia voči vysokým teplotám a kyselinám.
Väzbou medzi reťazcami fosfolipidov vznikajú „dvojhlavé“ molekuly: fosfoglyceroly na protiľahlých stranách membány spája pár reťazcov izoprénu. Dvojvrstva membrány získa kompaktnú štruktúru už začlenením fosfolipidov so spojenými reťazcami medzi nespojené. Väzbou všetkých protiľahlých reťazcov vznikne veľmi odolná jednovrstvová membrána.
Éterová tetráda je označenie štyroch éterových väzieb dvojhlavých fosfolipidov v membránach extremofilných archeónov. Prispieva ku kompaktnosti a pevnosti základných komponentov ich membrán.
Medzi archeónmi je mnoho druhov obývajúcich prostredia s extrémne vysokou teplotou, nízkym pH, obsahom solí a pod.
Eukaryotické bunky zdieľajú množstvo génov s archeónmi. To podporuje myšlienku, že asi pred 2 mld. rokov mali spoločného prapredka s archeónmi. Fagocytoval aeróbne baktérie, z ktorých sa dlhou evolúciou stala mitochondria. Veľmi efektívne zásobovala bunky energiou, čo umožnilo rýchly rozvoj eukaryotov.
Chloroplasty prešli podobným vývojovým procesom, štruktúru bunky dávneho eukaryota obohatila fototrofná baktéria podobná dnešným siniciam.
Plastidy a mitochondrie sa dnes považujú sa za endosymbiontov. Veľkosťou bunky ale aj ribozómov (30S a 50S) sú porovnateľné s predpokladanými bakteriálnymi prapredkami. Vonkajšia membrána vznikla pravdepodobne pri fagocytóze z plazmatickej membrány prijímateľa a vnútorná pochádza z pôvodnej (nie všetky archeóny majú membránu typickú pre extrémofily).
Plastidy a mitochondrie sú semiautonómne, majú vlastné kruhové DNA, je podobné plazmidom baktérií a replikuje sa nezávisle od jadrovej DNA. V bunke sa množia delením.
Teória endosynbiózy bola dlho založená na cytologických pozorovaniach, až súčasná technika sekvenovania genómu prokayot a eukaryot umožnila hľadanie nových dôkazov.
Enzým je molekulový komplex, skladá sa z proteínu, ktorý sa nazýva apoenzým a koenzýmu, neproteínovej organickej molekuly alebo kofaktoru, ktorým je atóm kovu alebo malá anorganická molekula.
Enzým umožňuje alebo urýchľuje biochemickú reakciu. Viaže na seba substrát, ktorý samostatne nereaguje, ale v komplexe s enzýmom enzýmu sa rýchle zmení na inú látku – produkt. Často sa definuje sa ako biokatalyzátor. Enzýmy sú špecifické, vyplýva to z ich jedinečnej trojrozmernej štruktúry. Oblasť molekuly enzýmu, kde sa naviaže molekula substrátu, sa nazýva aktívne miesto.
Produkt sa od enzýmu oddelí a okamžite plní v bunke svoju funkciu, viaže sa s iným enzýmom ako substrát, je signálnou molekulou alebo sa inak zapojí do metabolizmu bunky.
Enzým po oddelení produktu vstupuje do ďalšieho reakčného cyklu nezmenený.
S + E ES EP E + P
Enzýmy majú kľúčovú úlohu pri všetkých prejavoch bunkového života, ktorými sa realizuje genetická informácia.