Prirodno-matematički fakultet MEDICINSKA BIOLOGIJA Citologija PODRIJETLO I EVOLUCIJA Stanice smo podijelili u prokariote i eukariote. Prokarioti nemaju pravu jezgru, manje i jednostavnije su, te im genetički materijal nije organiziran u kromosome. Eukarioti imaju pravu jezgru i organele. Život je nastao prije 3.8 milijardi godina tj. 750 milijuna godina nakon nastanka zemlje. U primitivnoj zemljinoj atmosferi gotovo da uopće nije bilo kisika, ali zato je sadržavala CO2, N2 i CO. Takva atmosfera je bila reducirajuća. Uz pomoć električnog pražnjenja ili sunčeve svjetlost mogle su se stvoriti organske molekule. Stanley Miller je uspio dobiti organske molekule iz H2, CH2, NH3 i vode uz električne iskre. Slijedeći korak je stvaranje makromolekula iz monomera, koji mogu spontano polimerizirati u pretpostavljenim prebiotičkim uvjetima. Zagrijavanjem suhe smjese aminokiselina rezultira njihovim spajanjem u polipeptide. Takve makromolekule su morale za daljnji razvoj upravljati vlastitom replikacijom, a za to su jedino nukleinske kiseline sposobne. Otkriveno je da je RNA sposobna katalizirati određen broj reakcija, uključujući i polimerizaciju 2013
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Prirodno-matematički fakultet
MEDICINSKA BIOLOGIJA
Citologija
PODRIJETLO I EVOLUCIJA
Stanice smo podijelili u prokariote i eukariote. Prokarioti nemaju pravu jezgru, manje i jednostavnije
su, te im genetički materijal nije organiziran u kromosome. Eukarioti imaju pravu jezgru i organele.
Život je nastao prije 3.8 milijardi godina tj. 750 milijuna godina nakon nastanka zemlje.
U primitivnoj zemljinoj atmosferi gotovo da uopće nije bilo kisika, ali zato je sadržavala CO2, N2 i CO.
Takva atmosfera je bila reducirajuća. Uz pomoć električnog pražnjenja ili sunčeve svjetlost mogle su
se stvoriti organske molekule. Stanley Miller je uspio dobiti organske molekule iz H2, CH2, NH3 i vode
uz električne iskre.
Slijedeći korak je stvaranje makromolekula iz monomera, koji mogu spontano polimerizirati u
pretpostavljenim prebiotičkim uvjetima. Zagrijavanjem suhe smjese aminokiselina rezultira njihovim
spajanjem u polipeptide. Takve makromolekule su morale za daljnji razvoj upravljati vlastitom
replikacijom, a za to su jedino nukleinske kiseline sposobne.
Otkriveno je da je RNA sposobna katalizirati određen broj reakcija, uključujući i polimerizaciju
nukleotida i stvaranja novog lanca RNA. Prema tome je RNA molekula u tzv. RNA-svijetu mogla biti
inicijalni genetički sustav, Raznim interakcijama između RNA i aminokiselina dovelo je vjerojatno do
stvaranja i DNA.
Takva replicirajuća RNA se našla okružena u membrani od fosfolipida, koji su karakteristične zbog
svoje amfipatičnost. Imaju ugljikohidratni rep, koji je hidrofoban, i fosfatnu glavu, koja je hidrofilna.
Kada se oni urone u vodu onda spontanu stvaraju dvosloj, tako da im je rep okrenut u unutrašnjost, a
glava prema van u vodenu sredinu. Moguće da je u to vrijeme već postojala RNA koja je bila okružena
membranom i stvarala vlastite proteine.
Stanice su bile sposobne uzimati hranu i energiju izravno iz okoliša, ali pošto je takvo stanje
2013
Prirodno-matematički fakultet
ograničavajuće, pa su stanice trebale razviti vlastite mehanizme. Sve stanice koriste adenozin – 5'-
trifosfat ( ATP ) za svoj stanični metabolizam i druge aktivnosti ( pokretanje ). Smatra se da su se ti
mehanizmi za proizvodnju energije razvili u tri stupnja ( glikoliza, fotosinteza i oksidativni
metabolizam).
Prva je nastala Glikoliza pomoću koje se u anaerobnim uvjetima razgradnjom glukoze u mliječnu
kiselinu dobivaju 2 molekule ATP-a.
Slijedeći korak je bio razvoj fotosinteze, koji je stanici omogućio korištenje sunčeve svjetlosti i da
postane neovisna o već oblikovanim organskim molekulama u kojima je pohranjena energija (
glukoza ). Vjerojatno su te primitivne stanice koristile H2S da CO2 pretvore u organske molekule.
Korištenje H2O kao donora elektrona i vodika za pretvorbu CO2 u organske molekule se razvio tek
kasnije. Nusprodukt takve reakcije je O2. Oslobađanje O2 je dovelo do stvaranje oksidirajuće
atmosfere i do razvoja oksidativnog metabolizma. Potpunom razgradnjom glukoze u aerobnim
uvjetima nastaje oko 36-38 ATP-a.
Današnje prokariote smo podijelili u arhebakterije i eubakterije. Ovi prvi žive u ekstremnim uvjetima,
koji su vjerojatno takvi bili i u primitivnoj atmosferi ( sumporna vrelišta od oko 80°c, Ph = 2), a u
eubakterije spadaju današnje bakterije.
Bakterije su većinom okruglaste, štapićaste ili spiralne, promjera od 1-10цm, mogu kodirati i do 5.000
različitih proteina, a najsloženije su cijanobakterije. E.coli je štapićasta, ima nukleoid, ispod stanične
stjenke ima staničnu membranu ( osigurava funkcionalnost ), unutar citoplazme oko 30.000
ribosoma.
Podrijetlo eukariota
Organeli eukariota nastali su endosimbiozom. To je pojava kada jedna stanica živi unutar druge.
Pretpostavlja se da su prokariotske stanice ušle u eukariotske.
Mitohondriji i kloroplasti potječu od eubakterija. Veličinom su slični njima,a također se dijele
diobom. Sadrže vlastiti DNA, koji se replicira svaki put kada se oni dijele. Oni imaju vlastiti genetički
2013
Prirodno-matematički fakultet
sustav, koji se razlikuje od onog u jezgri. Ribosomi i rRNA su srodniji onim bakterijskim.
Mitohondriji su se razvili od aerobnih bakterija, a kloroplasti od fotosintetskih bakterija (
cijanobakterije ).
Neki eukariotski geni potječu od arhebakterija, a neki od eubakterija. Geni koji su uključeni u
informacijske procese ( replikacija, transkripcija i sinteza ) potječu od arhebakterija, a oni uključeni u
opće stanične procese ( glikoliza i biosinteza lipida ) od eubakterija.
Novija hipoteza govori o fuziji gena eubakterija u arhebakterija. Endosiombiotska asocijacija između
eubakterije i arhebakterije bila je popraćena fuzijom dvaju prokariotskih genoma čime je onda nastao
ancestralni eukariotski genom sastavljen od dijelova genoma eubakterija i arhebakterija.
Najsloženiji jednostanični eukariotski organizam je kvasac. Oni su mnogo složeniji od bakterija, a
ujedno i puno jednostavniji od stanica životinja i biljaka. Najviše istraživan kvasac je Saccharomices
cerevisiae.
Ostali složeniji jednostanični eukarioti:
- E.coli
- Amoeba proteus ( pseudopodiji )
- zelene alge ( imaju kloroplaste )
Višestanični organizmi nastali su iz jednostaničnih prije bilijun godina. Prijelazni oblik smatramo
agregate jednostaničnih organizama ( alga volvox - kolonije) u kojim je došlo do ˝podjele rade˝među
stanicama.
II. Jezgra
Jezgra je glavna karakteristika eukariota u kojoj se odvija replikacija DNA, transkripcija i doradba
RNA, dok se translacija događa u citosolu.
Ovojnica i promet
Jezgra je obavijena dvostrukom membranom koja ju odvaja od citoplazma i održava drugačiji sastav.
Jedina komunikacija su kompleksi jezgrinih pora, koji imaju i ulogu u regulaciji ekspresije gena
2013
Prirodno-matematički fakultet
eukariota. Razlikujemo unutarnju i vanjsku jezgrinu membranu. Vanjska na sebi nosi proteine i ona se
nastavlja na ER, a lumen između jezgrinih membrana se također nastavlja u lumen ER. Proteini na
vanjskoj jezgrinoj membranu vežu se za citoskelet, dok oni na njenoj unutarnjoj na jezgrinu laminu.
Kao i sve ostale membrane i jezgrina se sastoji od dvosloja fosfolipida kroz kojeg mogu prolaziti male
nepolarne molekule. Vanjska i unutarnja membrana se spajaju na mjestima gdje se nalaze kompleksi
jezgrinih pora, koji omogućuju prolazak malim polarnim molekulama.
Na unutarnju membranu priliježe lamina, koja je građena od vlaknastih proteina (60 – 80
kilodaltona), a nazivaju se lamini. U organizmu sisavca su pronađena tri gena ( A, B i C ), koji kodiraju
barem sedam različitih proteina. Stvaranje lamine započinje udruživanjem dvaju lamina ( vlaknasti
proteini ), koji stvaraju dimere čije se α-uzvojnice isprepliću. Tako nastala struktura se naziva
pletenica. Dimeri se međusobno spajaju i tako nastaju intermedijarni filamenti.
Povezivanje lamina sa unutrašnjom membranom olakšano je posttranslacijskim dodavanjem lipida –
prenilacijom c-terminalnog cisteinskog ostatka. Lamini se vežu na specifične proteine na unutarnjoj
membrani ( emerin ) i na receptore lamina B. Lamini su još povezani i sa kromatinom preko H2A i
H2B histona, a protežu se u obliku labave mrežu i u unutrašnjost jezgre.
Kompleks jezgrinih pora su velike strukture ( 30 puta veće od ribosoma ), koje se sastoje od oko 30
različitih proteina prisutnih u više kopija. Kroz te pore prolaze male nabijene molekule, ioni i
makromolekule ( proteini i RNA ). RNA tim putem napušta jezgru, kao što proteini bitni za samu
jezgru ulaze tim putem.
Postoje dva mehanizma transporta kroz pore. Male nabijene molekule i manji proteini ( 20 – 30 kd )
prolaze slobodno u oba pravca bez utroška energije. Većina proteina i RNA ( veće molekule ) prolaze
kroz centralnu poru u kompleksu uz utrošak energije ( oni bivaju prepoznati i prebačeni na suprotnu
stranu ).
Kompleks jezgrinih pora je struktura sa oktogonalnom simetrijom organiziranom oko središnjeg
kanala. Sadrži 8 prečki koje su povezani prstenima na citoplazmatskoj i jezgrinoj strani, a svi skupa
2013
Prirodno-matematički fakultet
učvršćeni na mjestu gdje se vanjska i unutarnja membrana sastaju. Na obe strane još strše i
proteinski filamenti.
Proteini namijenjeni za jezgru imaju jezgrin lokalizacijski slijed ( Histoni, DNA/RNA – polimeraza,
transkripcijski faktori, faktori prekrajanje ) kojeg prepoznaju jezgrini transportni receptori i
usmjeruju kroz pore.
Sljedovi za jezgru su kratki odsječci bazičnih aminokiselina ( lizin i arginin ). Oni mogu biti smješteni
jedan do drugog, pa su slični T-antigenu*. Sljedovi mogu biti i odvojeni ( između njih se nalaze
aminokiseline nebitne za signalizaciju ), pa ih nazivamo bipartit.
*Istraživači su proučavali T-antigen majmunskog virusa, koji pokreće replikaciju virusne DNA. Taj signal je odgovoran za
lokalizaciju T-antigena u jezgri, pa je preko njega otkriven jezgrin lokalizacijski slijed – Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val
Jezgrine lokalizacijske signale prepoznaju importini. Kretanje makromolekule regulirano je proteinom
Ran, koji veže GTP. Ostali primjeri proteina koji vežu GTP su Ras,, Arf i Rab, Rac, Rho i cdc42. Enzimi
koji stimuliraju hidrolizu GTP-a u GDP smješteni su na vanjskoj membrani, a enzimi, koji su odgovorni
za obrnut proces, na unutarnjoj membrani jezgre.
Ulazak proteina u jezgru započinje vezanjem importina na signalni slijed, a tako nastali kompleks se
dalje usmjeruje prema filamentnima. Pomoću proteina nukleoporina, koji sadrži sljedovi Phe-Gly (
FG-proteini ) i obrubljuju centralni kanal, kompleks ulazi u jezgru. Na jezgrinoj strani se taj kompleks
veže na Ran/GDP kompleks i dolazi do otpuštanja importina od proteina. Ran/GTP napušta jezgru
gdje se ponovno hidrolizira u ran/GDP ( oslobađa importin ) i pomoću vlastitog receptora ( NTF 2 )
ponovno ulazi u jezgru.
Proteini namijenjeni za izlazak iz jezgre imaju ne sebi jezgrin izlazni slijed, kojeg prepoznaju
eksportini ( iz porodice karioferina ). Eksportini se moraju isto vezati za Ran/GTP kompleks, napuštaju
jezgru, dolazi do disocijacije u GDP i eksportin napušta svoj teret i reciklira se ( ulazi ponovno u jezgru
za novi ciklus ).
2013
Prirodno-matematički fakultet
Transkripcijski faktori mogu regulirati ulazak nekih proteina u jezgru. Oni se vežu u citoplazmi sa
određenim proteinom i maskiraju njegov signal za prijenos do jezgrinih pora. Primjer takvog
transkripcijskog faktora je NF – ҡB, koji se aktivira na odgovore izvanstaničnih signala. U
nestimuliranim stanicama on postoji kao inaktivan kompleks s inhibicijskim proteinom IҡB., a u
stimuliranim stanicama je IҡB fosforiliran i razgrađen. Ostali transkripcijski faktori se ne udružuju sa
inhibicijskim proteinima, nego su oni regulirani samo fosforilicaijom.
Iz jezgre u citoplazmu izlaze mRNA, rRNA, tRNA i mikroRNA ( miRNA ) uz utrošak energije. Messenger
RNA izlazi pomoću mRNA eksportera, kao što je to NTF2 ( nalikuje Ran/GTP transporteru ). Molekula
RNA izlazi u obliku ribonukleoproteinskog kompleksa ( RNP ). Ribosomske RNA se povezuju sa
ribosomskim proteinima, a onda i sa specifičnim proteinima za doradbu RNA u jezgrici. Tako nastale
podjedinice 60S i 40S ribosomske podjedinice ( sadrže i jezgrin izlazni signal ) odvojeno napuštaju
citoplazmu mehanizmom koji uključuje karioferin Crm1. Transportna RNA i miRNA izlaze pomoću
eksportina - t i eksportina – 5, koji se vezuje direktno na RNA. Molekule snRNA i snoRNA
funkcioniraju unutar jezgre kao komponente sustava za doradbu RNA. Molekula snRNa napušta
jezgru i ponovno se vrača u nju nakon što se vezala sa proteinima i tako formirala funkcionalni
snRNA. Crm 1 i ostali transportni proteinski receptori se vežu na 5´7-metilgvanozinske kape snRNA, a
snRNa se vrača u jezgru vlastitim slijedom.
Unutarnja organizacija jezgre
U jezgri se nalazi kromatin ( koji je organiziran u petlje DNA, a specifične regije tih petlji su vezane za
matriks lamina ) i molekule RNA. Unutar jezgre razlikujemo heterokromatin i eukromatin. Prvi ostaje
kondenziran u interfazi i ne prepisuje se, a eukromatin se dekondenzira i raspoređuje po jezgri.
Heterokromatin je podijeljen u konstutivni, koji se nikad ne prepisuje ( satelitni sljedovi ), i
fakultativni, koji se ne prepisuje u proučavanoj stanici, ali u drugoj dolazi do prepisivanja.
Kromatin nije nasumično raspoređen unutar jezgre, nego je podijeljen u diskretno funkcionalne
domene i čvrsto su vezani za jezgrinu ovojnicu na više mjesta. Geni koji se aktivno prepisuju
2013
Prirodno-matematički fakultet
smješteni su na periferiju uz kanale koji odvajaju pojedine kromosome. Nakon sinteze RNA se one
otpuštaju u te kanale gdje se odvija i njihova doradba. Heterokromatin se isto nalazi na periferiji jer
se neki njegovi dijelovi povezani sa laminom. Zbog različitih tipova stanica su i različiti dijelovi
fakultativnog kromatina vezani za matriks lamine. Kromatin je u interfaznoj jezgri organiziran u petlje
( 50 – 100 kb DNA ). Kod Oocita vodozemaca se dobro vide izvučene petlje, dijelovi koji se aktivno
prepisuju.
Replikacija DNA se odvija u velikim strukturama koje sadržavaju veliki broj replikacijskih kompleksa
organiziranih u zasebna funkcionalna tjelešca, a koje se nazivaju replikacijskim tvornicama. Geni koji
se aktivno prepisuju raspoređeni su u jezgrinim pjegama.
Ostala tjelešca:
- PML – tjelešca – mjesta lokalizacije regulacijskih proteina u bolesnika sa akutnom
promijelocitnom leukemijom
- Cajalova tjelešca – sadrže karakteristične protein koilin i bogata su malim RNP, a
funkcioniraju kao mjesta uspostave i obrade RNP
Jezgrica i doradba rRNA
U jezgrici ( nukleolus ) dolazi do sinteze rRNA, njihove doradbe i sklapanja ribosomskih podjedinica.
Ribosomi viših eukariota imaju četiri tipa rRNA, a to su 5S, 5,8S, 18S i 28S. Svi osim prvog se prepisuju
kao jedna molekula unutar jezgre pomoću RNA-polimeraze I, što daje 45S prekursor ribosomske
RNA. Taj prekursor obrađuje se sve do 18S rRNA koji nalazimo u maloj ribosomskoj podjedinici ( 40S
), te do 5,8S i 28S koji su dijelovi velike podjedinice ( 60S ). Transkripcija 5S rRNA se događa u izvan
jezgre pomoću RNA-polimeraze III.
Geni za 5,8S, 18S i 28S rRNA grupirani su u područjima uzastopnih ponavljanja na pet različitim
ljudskim kromosomima ( 13,14,15,21,22 ),a geni za 5S u jednom području prvog kromosoma.
Jezgrica je podijeljena u tri dijela:
- fibrilarni centar
2013
Prirodno-matematički fakultet
- gusta fibrilarna komponenta
- granularna komponenta
Dijelovi kromosoma, koji sadržavaju gene za 5,8S, 18S i 28S rRNA, nazivaju se nukleolarnim
organizacijskim regijama. Oni imaju skupinu uzastopno ponovljenih gena za rRNA odvojenom
neprepisujućom DNA-razmaknicom. Ta područja vrlo aktivno prepisuje DNA-polimeraza I i vidljiva su
kao područja nalik božićnom drvcu. Uočljivi su rastući, gusto pakirani lanci RNA, a tu gustoću održava
RNA-polimeraza I ( jedna polimeraza na stotinu parova baza kalupa DNA lanca ).
Male jezgrine RNA ( snoRNA ) sudjeluju u doradbi pre-rRNA. Udružuju se sa proteinima i formiraju
snoRNP. Odgovorne su za kidanje pre-rRNA u 18S, 5,8S i 28S molekulama. Najčešća sno RNA je U3 i
ona kida pre-rRNA unutar razmaknica koje se prepisuju na 5'kraju. U8 kida na 5,8S i 28S, a U22 na
18S rRNA.
Sastavljanje ribosoma
Formiranje ribosoma uključuje spajanje preteča Ribosomske RNA s ribosomskim proteinima i 5S
rRNA. Geni koji kodiraju ribosomske proteine prepisuju se izvan jezgrice uz pomoć RNA-polimeraze II.
Oni zatim ulaze u jezgricu gdje se spajaju sa rRNA i formiraju preribosomske čestice. 5S rRNA se
također uz RNA-polimerazu III spaja u jezgrici.
Udruživanje ribosomskih proteina počinje još dok sinteza pre-rRNA traje, te se na nju još vežu
proteini prije njezina kidanja.
III. RAZVRSTAVANJE I PRIJENOS
PROTEINA
Za razliku od prokariotske stanice, eukariotske sadrži organele pomoću kojih se razvrstavaju proteini,
koji nastaju u ribosomima na membrani endoplazmatskog retikuluma. Polipeptidni lanac ulazi u ER
gdje se dorađuje i usmjeruje do Golgijevog aparata vezikulama, od kojeg se dalje šalju u lizosome,
endosome, staničnu membranu ili izvan stanice. GA, ER, endosomi i lizosomi se razlikuju od ostalih
organela jer su uključeni u prijenos proteina pomoću vezikula.
2013
Prirodno-matematički fakultet
Endoplazmatski Retikulum
Sastoji se od sustava cjevčica i vrećica koje su okružene membranom. Čini ga jedna neprekinuta
membrana koja se nastavlja od jezgre i može činiti i do 50% ukupnih membrana stanice, a njegov
lumen i do 10% ukupnog volumena stanice. Sastoji se od tri različita dijela, a to su hrapavi ( sadrži
ribosome na površini ), prijelazni ( izlaze vezikule prema Golgijevom aparatu ) i glatki ER ( sudjeluje u
proizvodnji lipida )
George Palade je proučavajući serozne acinuse gušterače otkrio da proteini nastaju u hrapavom
endoplazmatskom retikulumu, koji se premještaju u Golgijev aparat, a iz njega pomoću sekretotnih
vezikula odlazi na staničnu membranu s kojom se stapa. Tako je otkriven sekrecijski put kojim se
koriste i proteini namijenjeni drugim odjeljcima. Proteini koji su namijenjeni za membranu ER-a, GA,
lizosome ili staničnu membranu, odmah su usmjereni u ER ( u stanicama sisavaca, proteini ulaze u ER
dok translacija mRNA još traje ), a oni koji su namijenjeni za jezgru, mitohondrije, kloroplaste ili
peroksisome, sintetiziraju se na slobodnim ribosomima u citosolu ( nakon translacije ).
KOTRANSLACIJSKA TRANSLOKACIJA – premještanje proteina u ER dok translacija još traje ( SRP )
- ER, GA, lizosomi, stanična membrana
POSTTRANSLACIJSKA TRANSLOKACIJA – premještanje proteina nakon translacije ( BiP )
Tok energije i kemijsko recikliranje u ekosustavima
Organizmi koriste organske molekule u svojoj hrani:
- kao izvor energije
- građevni materijal za rast i obnovu
Disanje koristi energiju pohranjenu u organskim molekulama (kemijsko skladište) za stvaranje ATPa,
koji postaje izvor energije za većinu staničnog rada, ostatak je raspršen kao toplina. Otpadne
produkte disanja, ugljični dioksid i vodu, kloroplasti koriste kao sirovi materijal u fotosintezi.
- kemijski elementi bitni za život se recikliraju.
- energija se ne reciklira: ona ulazi u ekosustav kao sunčevo svjetlo, a vraća se kao toplina.
Mitohondriji koriste kisik i organske produkte fotosinteze kao gorivo za stanično disanje.
2013
Prirodno-matematički fakultet
Mitohondriji i kloroplasti pretvaraju energiju u oblike (ionski gradijent i ATP) koji se koriste za
izvođenje brojnih staničnih reakcija:
- pokretanje,
- aktivni transport
- biosinteza
Najizrazitija morfološka značajka mitohondrija i kloroplasta je obilnost unutarnjih membrana koje
igraju dvije ključne uloge u funkciji ovih "energetskih organela":
• pružaju okosnicu procesima prijenosa elektrona koji pretvaraju energiju oksidacijskih
reakcija u korisnije forme - ionski gradijent i ATP.
• stvaraju veliki unutarnji pododjeljak, gdje se nalaze posebni enzimi, koji kataliziraju važne
stanične reakcije
– ciklus limunske kiseline i fiksacija ugljika.
Iako mitohondriji pretvaraju energiju dobivenu iz hrane, a kloroplasti pretvaraju sunčevu energiju,
oba tipa organela slično su organizirana, oba stvaraju velike količine ATPa istim mehanizmom
⇒ kemiosmotičkim spajanjem
Metabolizam: osnovni pojmovi i svojstva
Živim organizmima potreban je stalan dotok slobodne energije za tri osnovna procesa:
- mehanički rad, stezanje mišića i druge pokrete
- aktivni prijenos molekula i iona
- sintezu makromolekula i drugih biomolekula iz jednostavnih preteča
Kemotrofna bića dobivaju tu energiju oksidacijom hrane.
Fototrofna bića dobivaju tu energiju hvatanjem svjetlosne energije
Slobodna energija dobivena oksidacijom hrane i od svjetla, prije nego što se iskoristi za pokretanje,
aktivni prijenos i biosintezu, djelomično se transformira u posebnog prijenosnika slobodne energije
⇒ adenozintrifosfat (ATP)
2013
Prirodno-matematički fakultet
ATP-ADP ciklus osnovni je način izmjene energije u biološkim sustavima.
Cijena većine staničnog rada je pretvorba ATPa u ADP i anorganski fosfat, produkte koji pohranjuju
manje energije od ATPa. Za rad, stanica mora obnavljati svoju zalihu ATPa iz ADPa i anorganskog
fosfata, a to se postiže fotosintezom u kloroplastima i oksidacijom hrane (stanično disanje) u
mitohondrijima. Rep ATPa je kemijska veza bogata energijom:
tri negativno nabijene blisko pakirane fosfatne skupine su energetski nestabilno uređeno skladište.
Stanica otpušta taj izvor energije koristeći enzime (ATP hidrolaze → ATPaze) koji prenose fosfatne
skupine s ATPa na druge spojeve, za koje se onda kaže da su fosforilirani. Fosforilacija potiče
molekulu da se podvrgne nekoj vrsti promjene koja izvodi rad, a molekula u tom procesu gubi fosfat.
Primjer: Na-K crpka
KEMIOSMOTIČKO SPAJANJE
Procesi prijenosa (“osmoza”) e- velike energije povezani su s kemijskim procesima (“kemi”) pretvorbe
te energije u energetski bogatu vezu (ATP) ⇒kemiosmotičko spajanje
→ zajednički je put kojim mitohondriji, kloroplasti pa čak i bakterije pretvaraju energiju u biološke
svrhe.
Prijenos elektrona na unutarnjoj membrani mitohondrija i tilakoidnoj membrani kloroplasta koristi se
prvo za stvaranje transmembranskog elektrokemijskog gradijenta protona (H+) koji se onda koristi za
pokretanje različitih reakcija. Energija dobivena oksidacijom hrane ili od sunčeve svjetlosti koristi se
za pokretanje membranskih protonskih crpki (H+ crpke) koje prenose H+ s jedne strane membrane na
drugu.
Takve crpke stvaraju elektrokemijski
gradijent protona kroz membranu ⇒povratni tok protona niz gradijent koristi se
za sintezu ATPa.
2013
Prirodno-matematički fakultet
e- se otpuštaju iz molekula hrane u
postupku njezine razgradnje do CO2, i
prenose se kružnim tokom do O2 za
stvaranje H2O. Slobodna energija
oslobođena u struji elektrona od
visokoenergetskog stanja do
niskoenergetskog stanja koristi se za
pokretanje H+ crpki koje se nalaze na
unutarnjoj membrani mitohondrija.
U biološkim sustavima elektroni se prenose s
jednog mjesta na drugo pomoću molekula
koje prihvaćaju elektrone na jednom
mjestu i dopremaju ih na drugo - nosači
elektrona
e- se s molekula goriva i produkata
njihove razgradnje prenose na O2 pomoću
posebnih nosača e- kao što su piridinnukleotidi
i flavini.
NAD+ + H+ + 2e- ↔ NADH
NAD+ - koenzim nikotinamid-adenindinukleotid
NADH – reducirani oblik NAD+
Ključne komponente membrane
kloroplasta su fotosustav I i II, gdje se
hvata energija svjetla i koristi za prijenos
e-. Tok e- proizveden pomoću fotosustava
2013
Prirodno-matematički fakultet
kloroplasta pokreće prijenos e- smjerom
obrnutim od onog u mitohondriju:
e- se uzimaju od H2O za proizvodnju O2 i dovode (preko NADPH) do CO2 za sintezu ugljikohidrata.
Kloroplasti stvaraju O2 i ugljikohidrate, dok ih mitohondriji troše.
MITOHONDRIJ
Mitohondriji zauzimaju znatan dio citoplazme svih eukariotskih stanica, i bili su neophodni za
evoluciju životinja.
∅ 0.5 do 1μm → podsjećaju na bakterije.
Mitohondrij sadrži vanjsku membranu i unutarnju membranu koja stvara dva unutarnja odjeljka:
prostor matriksa i mnogo uži međumembranski prostor.
Kriste - povećavaju površinu unutarnje membrane, tako da njezina ukupna površina sačinjava 1/3
svih membrana u stanicama jetre. Svaki pododjeljak sadrži jedinstvenu kolekciju proteina:
Vanjska membrana sadrži:
- veliki protein koji stvara kanal (nazvan porin), propusna je za sve molekule od 5000 daltona i manje.
- enzime koji su uključeni u mitohondrijsku sintezu lipida
Međumembranski prostor sadrži:
- nekoliko enzima koji koriste ATP za fosforilaciju drugih nukleotida
Matriks sadrži:
- enzime za oksidaciju piruvata i masnih kiselina
- enzime ciklusa limunske kiseline
- nekoliko istovjetnih kopija mitohondrijskog DNA genoma, posebne mitohondrijske ribosome (70s),
tRNA i različite enzime potrebne za ekspresiju mitohondrijskih gena
Unutarnja membrana ⇒ složena je u brojne kriste koje jako povećavaju njezinu ukupnu površinu,
sadrži:
- enzime respiratornog lanca (lanac prijenosa elektrona) ⇒ neophodni za proces oksidativne
2013
Prirodno-matematički fakultet
fosforilacije
- enzimski kompleks nazvan ATP sintaza, koji stvara ATP u matriksu
- specifične transportne proteine koji reguliraju prolaz metabolita u i iz matriksa
- kardiolipin, fosfolipid koji povećava nepropusnost unutarnje membrane za ione jer sadrži četiri
masne kiseline
Genetički sustav
Genom mitohondrija izrazito je sličan genomu bakterija roda Rikecijia (unutrašnji paraziti,
razmnožavaju se samo unutar eukariotske stanice). Kod čovjeka, genom mitohondrija kodira 13
proteina uključenih u transportni lanac i oksidativnu fosforilaciju. Mutacije nastale u DNA
mitohondrija prenose se u slijedeću generaciju samo po majčinoj liniji .
[ Leberova hereditarna op\čka neuropatija
Mitohondriji se kreću po citoplazmi i za to koriste mikrotubule citoskeleta. Mitohondriji nekih stanica
stvaraju duga pokretna vlakna ili lance, dok su u drugim staničnim tipovima smješteni u blizini mjesta
gdje se izuzetno puno troši ATP:
npr. oni su pakirani između mišićnih vlakana srčanog mišića ili čvrsto omotani oko biča spermija.
PREGLED STANIČNOG DISANJA
Stanično disanje je kumulativna funkcija triju metaboličkih procesa:
Glikoliza se događa u citosolu, započinje razgradnju cijepanjem glukoze na dvije molekule piruvata.
Krebsov ciklus odvija se u mitohondrijskom
matriksu, → završava razgradnjom derivata, nastalih iz piruvata, do ugljičnog dioksida.
Lanac prijenosa elektrona, prihvaća elektrone iz razradnih produkata prva dva stadija (preko NADH).
Na kraju lanca, elektroni se vežu s vodikovim ionima i molekulskim kisikom da bi nastala voda.
Oslobođena energija pohranjuje se u obliku protonskog gradijenta, koji mitohondrij koristi za
stvaranje ATPa. Ovaj način sinteze ATPa zove se oksidativna fosforilacija, jer se opskrbljuje
energijom pomoću prijenosa elektrona iz hrane do kisika. Mjesto prijenosa elektrona i oksidativne
2013
Prirodno-matematički fakultet
fosforilacije je unutarnja membrana mitohondrija. Na oksidativnu fosforilaciju otpada skoro 90%
ATPa stvorenog disanjem.
NAD+ = koenzim nikotinamid - adenin-dinukleotid
NADH = reducirani oblik NAD+
NAD+ + 2e- + H+ ↔ NADH
U nekim reakcijama glikolize i Krebsovog ciklusa manja količina ATPa nastaje direktno mehanizmom
nazvanim fosforilacija na razini substrata. Ovaj način sinteze ATPa događa se kada enzim prenosi
fosfatnu skupinu sa supstrata na ADP.
PEP = fosfoenol piruvat, donor fosfata
Glukoza se procesom glikolize u citosolu razgrađuje na dvije molekule piruvata, koji još uvijek sadrži
većinu ukupne energije koja se može dobiti oksidacijom glukoze. Piruvat prolazi dvostruku
membranu mitohondrija i ulazi u matriks, gdje se Krebsovim ciklusom razgrađuje do ugljičnog
dioksida. NADH prenosi elektrone nastale glikolizom i Krebsovim ciklusom do lanaca prijenosa
elektrona, koji su ugrađeni u membranama krista. Lanac prijenosa elektrona pretvara kemijsku
energiju u protonski gradijent koji se može koristiti za izvođenje oksidativne fosforilacije, na koju
otpada većina ATPa stvorenog staničnim disanjem ⇒ 32 molekule ATPa. Manja količina ATPa nastaje
direktno tijekom glikolize i Krebsovog ciklusa pomoću fosforilacije na razini supstrata ⇒ 4 molekule
ATPa. Piruvat i masne kiseline selektivno se prenose iz citosola u mitohondrijski matriks.
Piruvat dehidrogenaza, enzimatski kompleks veći od ribosoma, brzo pretvara piruvat u acetil
koenzim A (acetil CoA), središnji međuprodukt proizveden u mitohondriju tijekom razgradnje hrane.
piruvat + CoA + NAD+ → acetil CoA + CO2 + NADH
Acetil CoA zajedno s acetil CoA proizvedenim iz masnih kiselina, ulaze u ciklus limunske kiseline gdje
se dalje razgrađuju. Proces završava prolazom visokoenergetskih elektrona kroz respiratorni lanac ⇒oksidativna fosforilacije. Da bi se osigurala stalna zaliha goriva za oksidacijski metabolizam, masne
kiseline i piruvat pohranjeni su u životinjskim stanicama; masne kiseline u obliku masti, a glukoza kao
2013
Prirodno-matematički fakultet
glikogen. Kvantitativno, masti su važniji oblik uskladištenja od glikogena, djelomično i zbog toga što
se oksidacijom masti oslobađa šest puta veća energija nego oksidacijom iste mase glikogena.
Molekula masti je sastavljena iz tri molekule masnih kiselina koje su esterskom vezom vezane za
glicerol. Takvi trigliceroli (trigliceridi) su bez naboja i netopljivi u vodi, pa se u citosolu spajaju u
kapljice. Jedna jedina velika kapljica masti zauzima skoro cijeli volumen stanice adipocita, velike
stanice specijalizirane za pohranjivanje masti u masnom tkivu. U matriksu mitohondrija svaka
molekula masne kiseline potpuno se razgrađuje nizom cikličkih reakcija. Svaki ciklus skraćuje lanac
masne kiseline za dva ugljika i stvara jednu molekulu acetil CoA i po jednu molekulu NADH i FADH2.
U 19 st., istraživači su opazili da u odsutnosti kisika, stanice razgrađujući glukozu, proizvode mliječnu
kiselinu (ili alkohol), dok u njegovoj prisutnosti stvaraju CO2 i H2O. 1937. otkriven ciklus limunske
kiseline, poznat i kao ciklus trikarbonskih kiselina ili Krebsov ciklus. Ciklus limunske kiseline oksidira
acetilnu grupu acetil CoA dobivenu oksidacijom masnih kiselina i glukoze i stvara NADH i FADH2 koji
prenose elektrone na respiratorni lanac. U većini stanica, na ciklus limunske kiseline otpadaju 2/3
ukupne oksidacije ugljikovih spojeva. Krajnji produkti su: CO2, NADH i FADH2. NADH i FADH2 hrane
svojim elektronima respiratorni lanac, na kraju kojeg se ti elektroni koriste za redukciju O2 u H2O.
Energija pohranjena u elektrokemijskom protonskom gradijentu kroz unutarnju membranu kristi se
za:
• proizvodnju ATP
• prijenos metabolita u prostor matriksa
Univerzalna pojava ATP sintaze u mitohondrijima, kloroplastima i bakterijama potvrđuje središnju
važnost kemiosmotičkih mehanizama u svim stanicama. Prolaskom elektrona velike energije duž
serije nosača elektrona (citokromi), dio oslobođene energije koristi se za vođenje tri enzimatska
respiratorna kompleksa (protonske crpke) koji crpe H+ iz prostora matriksa u međumembranski
prostor. Kompleksi respiratornih enzima uklopljeni su u unutarnju membranu s određenom
orijentacijom, tako da se svi protoni crpe iz matriksa u međumembranski prostor. Nastali
2013
Prirodno-matematički fakultet
elektrokemijski gradijent protona prebacuje H+ natrag kroz unutarnju membranu mitohondrija
pomoću ATP sintaze, transmembranskog proteinskog kompleksa koji koristi energiju toka H+ za
sintezu ATP iz ADP i Pi u matriksu. ATP sintaza je reverzibilna, ona obično pretvara struju protona u
matriksu u energiju vezanu za fosfat ATPa, ali ona također može hidrolizirati ATP za crpljenje protona
u međumembranski prostor.
Unutrašnja membrana mitohondrija sadrži neobično velik udio proteina, i to u težinskim postotcima
70% proteina i 30% lipida. Mnogi proteini pripadaju lancu prijenosa elektrona, koji uspostavlja
elektrokemijski protonski gradijent. Druga glavna komponenta je enzim koji katalizira sintezu ATP. Taj
enzim, ATP sintaza, je veliki proteinski kompleks kroz koji protoni teku natrag niz elektrokemijski
gradijent u matriks.
Osim što pokreće sintezu ATPa, potencijalna energija pohranjena u elektrokemijskom gradijentu
pokreće transport metabolita u mitohondrije i iz mitohondrija: ATP u citosol, ADP i Pi te piruvat i
masne kiseline u matriks mitohondrija.
Kemiosmotička hipoteza, predložena 1960. god., sastoji se od četiri neovisna postulata. S obzirom na
funkcije mitohondrija oni su sljedeći:
-Respiratorni lanac (lanac prijenosa elektrona) na unutarnjoj membrani mitohondrija
premješta protone; on crpi H+ iz prostora matriksa u međumembranski prostor, dok se
elektroni prenose duž lanca.
-Mitohondrijska ATP sintaza također premješta protone kroz unutrašnju membranu. Ona je
reverzibilna, može koristiti energiju hidrolize ATPa da crpi H+ kroz membranu, međutim ako
je već prisutan dovoljno veliki elektrokemijski protonski gradijent, protoni će teći obrnutim
smjerom kroz kompleks pri čemu se oslobađa energija za sintezu ATPa.
-Unutarnja membrana mitohondrija opremljena je skupinom proteina nosača (transportni
proteini) koji posreduju pri ulazu i izlazu bitnih metabolita i anorganskih iona.
- Unutarnja membrana mitohondrija inače je nepropusna za H+ i OH-, te općenito za anione I
2013
Prirodno-matematički fakultet
katione.
KRATKI SAŽETAK
Piruvat i masne kiseline ulaze u mitohondrij, razgrađuju se do acetil CoA, a onda ulaze u ciklus
limunske kiseline koji proizvodi NADH i FADH2. Kada se elektroni visoke energije prenose s vodika na
NADH i FADH2 niz lanac prijenosa elektrona na unutrašnjoj membrani mitohondrija (respiratorni
lanac), energija koja se oslobađa njihovim prijelazom od jedne molekule nosača na sljedeću koristi se
za crpljenje protona kroz unutarnju membranu iz matriksa mitohondrija u međumembranski prostor.
To stvara elektrokemijski protonski gradijent kroz unutarnju membranu mitohondrija, a povratnu
struju protona niz taj gradijent koristi enzimatski kompleks ATP sintaza, vezan za membranu, koji
katalizira pretvorbu ADP + Pi u ATP, čime se završava proces oksidativne fosforilacije.
NADH nastao glikolizom također prenosi elektrone do respiratornog lanca.
ENERGETIKA BILJNE STANICE
Plastidi su organeli karakteristični isključivo za biljnu stanicu. Kod gljiva i nekih visoko specijaliziranih
biljnih stanica nema plastida.
Proplastidi se nasljeđuju sa citoplazmom biljne jajne stanice.
Kako se nezrele biljne stanice diferenciraju, proplastidi se razvijaju u skladu s potrebama
specijalizirane stanice: oni se mogu razviti u kloroplaste (u zelenim listovima), ili skladišne plastide,
leukoplaste koji akumuliraju škrob (u gomolju krumpira), ili kromoplaste koji sadrže pigmente (u
laticama cvijeta).
Različiti tipovi plastida mogu se reverzibilno transformirati iz jednog oblika u drugi.
Koji će tip plastida biti zastupljen u stanici ovisi o:
• razvojnom stadiju stanice
• njenom smještaju unutar biljke
• fiziološkim uvjetima, pri čemu je svjetlost odlučujući faktor
U jednoj biljnoj stanici javlja se uvijek samo jedan tip plastida, dok u čitavoj biljci nalazimo
2013
Prirodno-matematički fakultet
različite tipove.
→ semiautonomni organeli sa značajnom autonomijom, jer sadrže vlastitu nasljednu poruku u
plastidnoj DNA (ptDNA). Ona međutim, nije dovoljna za samostalan život plastida izvan stanice.
Proplastidi su slabo diferencirani, bezbojni plastidi meristemskih stanica. Sadrže malo unutarnjih
struktura, dijele se, a iz njih će se razviti određeni tip plastida ovisno o smjeru diferencijacije stanice u
kojoj se nalaze. Etioplasti su plastidi koje nalazimo u stanicama biljaka koje rastu u mraku. Neke
reakcije u izgradnji fotosintetskog aparata i tilakoida ovisne su o svjetlosti. Protoklorofil reduktaza
primjer je enzima ovisnog o svjetlosti. Etioplasti sadrže parakristaličnu strukturu tzv. prolamelarno
tijelo i malo membrana - protilakoida. Prilikom osvjetljavanja prolamelarno tijelo se razgrađuje i
formiraju se funkcionalni tilakoidi. Kromoplasti su žuto ili crveno obojani plastidi cvjetova i plodova,
sadrže karotene i vrlo mnogo lipida u obliku lipidnih globula. Osim globularnog tipa kromoplasta,
poznati su kromoplasti s membranama u obliku tubula, kao i s karotenskim kristalima. Leukoplasti su
bezbojni plastidi u stanicama koje nisu fotosintetski aktivne. Često imaju pričuvnu funkciju i sadrže