A SEJT 1. ÁLTALÁNOS TUDNIVALÓK DIA 1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 A sejtbiológia a biológiának az a tudományterülete, amely a sejt szerkezeti felépítésével, a különféle sejtfolyamatokkal (sejtlégzés, anyagtranszport, fehérjeszintézis, sejthalál, stb.), a sejtosztódással, stb. foglalkozik. A sejtbiológia szoros kapcsolatban áll a molekuláris biológiával és a biokémiával. A sejtelmélet A mikroszkópia előtti időkben nem volt világos, hogy a szervezet hogyan épül fel mikroszinten. A sejtek felfedezését követően pedig úgy vélték, hogy a sejtek valamilyen homogén masszából alakulnak ki az embriogenezis során. A sejtelmélet ezekre a problémákra ad választ. Schwann és Schleiden (1838, 1839) kimutatták, hogy (1) minden élőlény sejtekből áll, (2) és, hogy a sejt az élő anyag szerkezeti és funkcionális egysége. Virchow (1855) híres aforizmája egészítette ki a sejtelmélet tételeit, (3) mely szerint, egy sejt csak már létező sejtből keletkezhet, mégpedig osztódás révén. Modern felfogásban a sejtelmélet újrafogalmazása úgy hangzana, hogy a molekuláris folyamatok a sejtek belsejében játszódnak le, s a sejtek egymással kommunikálva hajtják végre a test élettani feladatait. Az élő szervezet tulajdonképpen sejtek koalíciója. Egy egyed sejtjei genetikailag azonosak, hiszen egyetlen sejtből, a zigótából keletkeznek, de funkcionálisan különbözhetnek (ennek oka az, hogy ugyanazok a gének az egyes sejttípusokban másként fejeződnek ki). A zuzmó esetében a genetikai azonosság nem áll fenn, hiszen ez az élőlény két faj (egy zöldmoszat és egy gomba) sejtjeiből áll. Tulajdonképpen, a magasabbrendű élőlények (pl. az ember) is különböző fajok sejtjeiből épülnek fel, hiszen sokféle baktérium, közte számunkra hasznos faj (pl. E. coli baktérium a bélben), található a testünkben. A csíra elmélet Korábban azt gondolták, hogy a mikrobák az élettelen anyagból keletkeznek (pocsolyák, romlott hús, stb.). Pasteur kísérletei (1860-as évek) igazolták, hogy élő csak élőből keletkezhet. Pasteur kimutatta, hogy ha felforralás után lezárjuk a húslevest tartalmazó lombikot, nem erjed meg a leves (mivel kívülről nem került be baktérium). A csíra elmélet valójában az élő szervezetek kialakulására vonatkozik, de mivel prokarióta sejtekről van szó alkalmazhatjuk rá Virchow alapszabályát, mely így hangzana: minden baktérium sejt csak egy másik baktérium sejtből keletkezhet. Az élőlények rendszere A ma élő szervezetek három divízióba sorolhatók: a prokariótákhoz tartozó (I) eubaktériumok és (II) archeobaktériumok (= archaeák), valamint az (III) eukarióták. A prokarióták és az eukarióták közötti legfontosabb különbség az, hogy a prokariótáknak nincs sejtmagjuk és membránnal körülvett sejtszervecskéik. Az eubaktériumok (eu = valódi) közé tartozik az ismert baktériumok többsége, valamint a cianobaktériumok (Cyanobacteria, korábbi nevük: kékmoszatok). Az ismert archaebaktériumok (= archeobaktériumok; archeo = ősi) zöme manapság szélsőséges környezeti viszonyok között él: hőforrások, magas só-, kén-, vas-, savtartalmú vizek, óceánok mélye, aktív vulkánok környéke, oxigén-szegény környezet, stb. Az utóbbi években azonban sok normális körülmények között élő archaebaktériumot is felfedeztek. Az eukarióták bizonyos sajátságai az eubaktériumokra (mitokondrium, kloroplasztisz), más sajátságai az archeobaktériumokra (genetikai hasonlóság) hasonlítanak az eukarióták kialakulásában mindkét prokarióta divízióhoz tartozó fajok vettek rész. A Protisták (egysejtűek) a legegyszerűbb eukarióták; pl. az amőba és a papucsállatka tartozik ide. Az eukarióták másik 3 országa (gombák, növények, 1
állatok) az egysejtűekből alakult ki. A többsejtűek különböző sejtjei más-más feladatra specializálódtak. A növények képesek megélni szerves anyagok felvétele nélkül is (autotrófok), míg a gombák és az állatok (heterotrófok), nem. DIA 5 DIA 6 DIA 7 DIA 8 DIA 9 DIA 10 Mi a helyzet a vírusokkal? A vírusokat külön rendszerbe sorolják, mert nem tartják őket élőlényeknek. Ennek oka az, hogy csak a gazdasejtben mutatnak életjelenségeket. A vírusok lényegében sejtparaziták, mert a sejt genetikai és biokémiai apparátusát használják fel a szaporodásukhoz. Két fő elmélet magyarázza az eredetüket. Az egyik szerint, a vírusok leegyszerűsödött sejtek, a másik szerint a sejt DNS-éből kiszabadult, önálló életre kelt nukleinsav darabok. A két elmélet nem feltétlenül zárja ki egymást: a nagy vírusok (pl. pox vírusok) sok sajátsága arra utal, hogy valószínűleg egy baktériumsejt egyszerűsödési folyamata révén keletkeztek. A vírusok többsége pedig egy sejt önállósodott genom szegmenseiből keletkezett. A sejt eredete Az első sejtek membránnal körülvett szerkezetek voltak, melyekben, az RNS Világ hipotézis szerint, az örökítőanyag és a fehérjék funkcióját egyaránt RNS-ek töltötték be (RNS sejtek). Az a folyamat, melynek révén az ősi progenota sejtekből kialakultak a prokarióta sejtek, nem ismert. Az eukarióta sejtek eredetével kapcsolatban viszont tudjuk azt, hogy azok több lépésben jöttek létre (ld. eukarióta sejtek eredete). A DNS eredete Nincs egyértelmű válasz arra a kérdésre, hogy hogyan alakult ki a DNS-alapú genetikai anyag az RNS világ RNS-eiből. A vírus hipotézis szerint a vírusok találták fel a DNS-t, ami egy sikertelen fertőzés révén a sejt alkotórészévé vált. A fehérjék eredete Egy további kérdés az, hogy hogyan vették át a fehérjék az RNS-ektől azokat a funkciókat, amiket ma a sejtben betöltenek; erre sem tudjuk a választ. A sejtmembrán eredete Nem tudjuk azt sem, hogy az első önállóan szaporodó életformák rendelkeztek-e membránnal vagy csupasz nukleinsavak voltak. Membrán nélkül lehetetlennek tűnik a nukleinsavak replikációjának biztosítása, ezért valószínűleg a legkorábbi élőlényeket is membrán borította, de ezeket lehet, hogy nem saját maguk állították elő az ősi lények, hanem pl. magukra öltötték a spontán (segítség nélkül) keletkezett membránokat. Ismert, hogy a foszfolipidek spontán képesek lemez- vagy gömbszerű formák kialakítására vízben. 2. A PROKARIÓTA SEJT SZERKEZETE ÉS MŰKÖDÉSE A prokarióta sejt A prokarióta citoplazmát kívülről a sejtmembrán (plazmamembrán) borítja, amit sejtfal és legkívül nyálkaburok (tok) vesz körül. Látható, hogy a baktérium sejt a külső hatásoktól rendkívüli módon védett. A baktériumok örökítő anyaga a gyűrű alakú DNS (genomiális DNS, nukleoid), ami ellentétben az eukarióta sejtekkel, nem határolt membránnal. Magyarán, a baktériumoknak nincs sejtmagjuk. A baktérium sejtekben vannak ún. plazmidok, amik kisméretű, szintén gyűrű alakú önálló DNS-ek. A plazmidok kódolják rendszerint az antibiotikum rezisztenciáért felelős géneket, ill. egyes típusai beépülhetnek a genomiális DNS-be is. A plazmidok, a pilusokon keresztül, átkerülhetnek más baktériumokba is. A pilusok másik funkciója az eukarióta sejtek szénhidrátburkának a felismerése. A riboszómák a fehérjeszintézisben vesznek részt. A mezoszóma egy felületnövelő membránszerkezet, ehhez kapcsolódnak pl. a terminális oxidáció enzimjei. A cianobaktériumokban a fotoszintézis molekuláris komponensei sejten belüli membránokhoz kötődnek. Az egyes baktérium fajok különböző alakot ölthetnek, úgymint gömb (pl. Streptococcus), pálcika (pl. Escherichia coli), - ill. spirális (pl. Treponema pallidum). 2
DIA 11 DIA 12 DIA 13 Többsejtű prokarióták Egyes prokarióta fajok is ráléptek a többsejtűvé válás útjára. Az Anabaena cylindrica faj legtöbb sejtje a fotoszintézisben vesz részt, egyes sejtek a nitrogén megkötésben játszanak szerepet, mások (spórasejtek) a mostoha viszonyokat túlélésre specializálódott spórává képesek differenciálódni. Látható, hogy a prokarióta sejtek nem jutottak messzire a többsejtűség felé vezet úton. Ennek a fő oka az, hogy baktériumsejt nem képes olyan komplex feladatokat ellátni, mint egy eukarióta sejt. 3. AZ EUKARIÓTA SEJT EREDETE Az eukarióta sejtek létrejöttét illetően határozott elképzeléseink vannak, melynek alapját az a tény képezi, hogy a mitokondrium és a kloroplasztisz több tekintetben az eubaktériumokra, míg a gének átírásának módja az archaeákra hasonlít. (1) A sejtmag eredete Az eukarióta sejt kialakulásában a sejtmag létrejötte a vízválasztó. Az is kérdés, hogy milyen sejt volt az, amelyben kialakult a sejtmag. (a) Az archaezoa hipotézis szerint (T. Cavalier-Smith javasolta) az eukarióta sejt őse egy DNS genommal rendelkező archeobaktérium lehetett. Az elmélet szerint, a sejtmaghártyát valószínűleg egy ilyen baktériumsejt citoplazmamembránjának befűződése eredményezte. A lefűződött membrán magában foglalta a DNS-t, mely így elkülönült a sejt többi részétől. Az archaezoa hipotézist erősítik azok az újabb adatok, melyek szerint az eukarióták DNS szekvenciái nagyobb hasonlóságot (homológiát) mutatnak az archeobaktériumoké-val, mint az eubaktériumokéval. (b) Az RNS sejt hipotézis Egy másik lehetőség az, hogy egy RNS-sejt (RNS világ!) bekebelezett egy archeobaktériumot, s ebből lett a sejtmag. Itt a probléma az, hogy ebben az esetben az RNS-sejteknek egyidőben kellett létezniük az RNS DNS váltáson már átesett archaeákkal. (2) Az ER és a Golgi eredete Az archaezoa hipotézis szerint hasonlóan a sejtmaghoz - az endoplazmás retikulum (ER) és a Golgi készülék is a citoplazma membrán befűződésével keletkezett. 3 DIA 14 DIA 15 (3) A mitokondrium eredete Lynn Margulis endoszimbionta (= endoszimbiózis) elmélete szerint egy sejtmaggal rendelkező ősi eukarióta sejt bekebelezett egy bíborbaktériumot, amely a továbbiakban szimbiózisban maradt a sejttel. A mitokondrium átvette a sejtben az energiaszolgáltató funkciót. A baktérium a DNS-ének nagy részét elveszítette, más része beépült a gazdasejt genomjába, a mai mitokondriumban csupán néhány gén maradt meg. A mitokondrium saját prokarióta-szerű riboszómákkal rendelkezik, s a DNS-ének szerkezete is a prokariótákéhoz hasonlít (szabályozó régiók felépítése, nincsenek intronok*, stb). A mitokondrium, hasonlóan a sejtmaghoz kettős membránnal rendelkezik: a belső baktériumszerű, a külső eukarióta eredetű. Ennek magyarázata az, hogy a baktérium bekebelezéssel kerülhetett a sejtbe, megtartván eredeti membránját. (4) A színtestek eredetét szintén a Margulis-féle endoszimbiózis elmélet magyarázza. Eszerint, egy már mitokondriummal rendelkező korai eukarióta sejt bekebelezett egy fotoszintézis képességével rendelkező baktériumot (cianobaktérium), mely ezt követően szimbiózisban élt a befogadó sejttel. Hasonlóan a mitokondriumhoz, a színtest is kettős membránnal körülvett, s saját DNS-ének nagy részét elveszítette. Egy megdöbbentő eset világít rá, hogy ilyen bonyolult folyamatok valóban végbemehetnek. Az Elysea chlorotica nevű meztelen csigafaj képes fotoszintetizálni. Ez az organizmus a táplálékul fogyasztott zöldmoszatból származó kloroplasztiszokat felhalmozza a köpenyében, s fotoszintézisre használja. A közelmúltban derült csak ki, hogy a csiga a moszat több, fotoszintézisben résztvevő, génjét is beépítette a saját genomjába (tehát örökíteni tudja), s képes előállítani a klorofillt is. A folyamat azért bonyolult, mert nem elég megszerezni a kloroplasztiszt, a sejt biokémiai és genetikai mechanizmusainak is alapvetően át kell alakulnia ahhoz,
DIA 16 DIA 17 DIA 18 hogy a fotoszintézis hatékonyan végbemehessen. Nemrégen a borsótetűnél találtak egy állatban még jobban integrált fotoszintetizáló rendszert: http://index.hu/tudomany/2012/08/17/a_rovarok_is_fotoszintetizalnak/ (5) Csillók és ostorok A Margulis-féle endoszimbionta elmélet szerint az egyes sejtek felszínén található csillók és az ostorok is bakteriális eredetűek. Ez a feltételezés azonban nem nyert bizonyítást. Tehát, ezek a sejtstruktúrák valószínűleg nem idegen eredetűek, hanem maga a sejt fejlesztette ki őket. Összefoglalva: A kloroplasztisz és a mitokondrium eredetével kapcsolatban nagy egyetértés van, Margulis endoszimbiózis elméletét egyöntetűen elfogadja a tudományos világ. A sejtmag (+ ER és Golgi) kialakulását illetően csak hipotéziseink vannak, nem tudjuk a pontos igazságot. Elképzelhető az is, hogy, hogy az eukarióta sejtek egy archeobaktérium és egy eubaktérium összeolvadásával jöttek létre, az előzőektől örökölve a sejtmagot, míg az utóbbiaktól a citoplazmát. Ez utóbbi eset nem teljesen ugyanaz, mint amit a Margulis-féle elmélet állít. 4. AZ EUKARIÓTA SEJT SZERKEZETE ÉS MŰKÖDÉSE Az eukarióta sejt Az állati eukarióta sejteket kívülről a sejtmembrán borítja. Sejtmagjuk van, melyet egy kétrétegű (4 foszfolipid réteg) magmembrán választ el a citoplazmától. Az eukarióta sejtek jellegzetességei a membránokkal határolt kompartmentek. A kompartmentek lehetővé teszik az egyes biokémiai reakciók egymástól való elhatárolódását, s ezért egy eukarióta sejtben nagyszámú reakció mehet végbe egyidejűleg. Az endoplazmás retikulum a magmembránnal áll összeköttetésben. Ezenkívül a Golgi készülék, a mitokondrium, az endoszómák, peroxiszómák, lizoszómák is a sejt részei. A sejt folyékony állományát citoplazmának, másként citoszólnak nevezzük. Elektronmikroszkóppal láthatóak még a riboszómák, melyek a fehérjeszintézisben vesznek részt. A sejtváz (citoszkeleton) a sejtek alakját határozzák meg, részt vesznek a sejt mozgásában és a sejten belüli transzport (szállítás)-ban, ill. a kromoszómák széthúzásában is. A sejtváz alkotóelemei a mikrotubulusok, a köztes filamentumok és a mikrofilamentumok (pl. aktin filamentumok). Az extracelluláris (sejten kívüli) mátrix fő feladata a sejtek összeköttetésének és kommunikációjának biztosítása. A kromatin a DNS és az azt körülvevő fehérjékből álló komplex. A sejtmagvacska a riboszómális RNS-ek szintézisének helye, az rrns-eken kívül, riboszómális fehérjéket is tartalmaz. Az állati és növényi sejtek összehasonlítása A növényi sejtek szerkezetileg három alapvető sajátságban különböznek egymástól. A növényi sejtek (1) képesek a fotoszintézisre, melynek helyszíne a kloroplasztisz (színtest), ill. (2) vastag sejtfal választja el őket a külvilágtól. A növényi sejtek további jellegzetessége (3) a zárványok jelenléte. Egyes zárványtípusok a feleslegessé vált anyagokat, mások tápanyagokat raktároznak. Az eukarióta és prokarióta sejtek összehasonlítása. A két csoport között a legfontosabb különbség a membránnal körülvett struktúrák jelenléte vagy hiánya. A prokariótáknak nincs sejtmaghártyájuk, ennek következtében sejtmagjuk sem. Továbbá, a prokarióták nem rendelkeznek, mitokondriummal, ER-al, Golgi készülékkel, ill. enzimeket tartalmazó struktúrákkal (endoszóma, peroxiszóma, lizoszóma). Tehát, az eukarióta sejt legfontosabb újítása a kompartmentalizáció, ami annyit jelent, hogy a sejt, a membránok által, fel van osztva különböző részekre (kompartmentekre), amelyek lehetővé teszik a különböző folyamatok térbeli elválasztását egymástól. Továbbá, a prokarióta sejtek mérete jóval kisebb, mint az eukariótáké. 4
4a. SEJTMEMBRÁN DIA 19 DIA 20 DIA 21 DIA 22 Minden sejt membránnal határolt. A sejtmembrán kettős funkcióval bír: (1) Elkülöníti a sejtet a külvilágtól és meghatározza, hogy milyen anyagok kerüljenek be a sejtbe, ill. a sejtből kifelé. (2) A sejtmembrán tartalmazza azokat a molekuláris komponenseket is, amik segítségével a sejtek kommunikálnak egymással, azaz jeleket fogadnak más sejtektől vagy küldenek más sejtek felé. A sejtmembrán alapszerkezetét egy foszfolipid molekulákból álló kettős réteg alkotja, amely a legtöbb vízben oldható molekula és ion számára átjárhatatlan (impermeábilis). Ezek a molekulák különféle fehérje természetű csatornákon keresztül, vagy transzporterek segítségével közlekednek a sejt és a sejtek közötti (intracelluláris) tér között. A Folyékony Mozaik Modell szerint a sejtmembrán kettős foszfolipid rétegből és az abba beépülő proteinekből áll. A membrán nem merev képződmény, hanem többirányú mozgás figyelhető meg a lemez síkjában. A foszfolipid molekulák azonos síkban történő rotációja és helycseréje gyakori, míg a síkok közötti helyzetváltoztatás ritka esemény. A szerkezet a fehérjék miatt mozaikos, ezek a molekulák megtörik az egyhangú lipid területeket. Jonathan Singer és Garth Nicolson 1972-ben javasolta a folyékony mozaik modellt. Lipidek a sejtmembránban A foszfolipidek, eltérően az apoláros lipidektől, egy poláros és egy apoláros részből állnak (az ilyen molekulákat nevezzük amfipatikus-nak). A molekula apoláros részét a glicerin és két zsírsav képezi, míg a poláros rész az adott vegyülettől függ (pl. a foszfatidil kolin esetében egy foszfát és egy kolin csoport alkotja). A kettős lipid rétegben az apoláros részek állnak egymással szemben. Ez a szerkezet megakadályozza a vízben oldható anyagok (az ionok és biológiai molekulák zöme ilyen) szabad áramlását a sejt és környezete között. A membrán külső rétegének fő komponense a foszfatidil kolin, de egyéb foszfolipidek pl. szfingomielin is előfordulnak. A belső membránréteg foszfolipidjei a foszfatidil szerin, foszfatidilinozitol és a foszfatidiletanolamin. A foszfolipidek mellet egyéb lipidek is előfordulnak a sejtmembránban, pl. glükolipidek (szénhidrát csoportokat tartalmazó lipidek) és a koleszterin. A glükolipidek a sejtmembrán külső felszínén helyezkednek el; funkciójuk a szomszédos sejtekhez való kapcsolódás és a sejtek közötti kommunikációjában való részvétel. A koleszterin, normális hőmérsékleten, csökkenti a membrán komponenseinek oldalirányú mozgását, azaz a fluiditást. A koleszterin alacsony hőmérsékleten ellenkező hatást fejt ki: növeli a fluiditást és ezáltal fenntartja a membránfunkciókat és véd a fagyás ellen. A glükolipidek aránylag kis mennyiségben (2%) vannak jelen a sejtmembránban, a koleszterin mennyisége viszont elérheti a foszfolipidekét. Membránfehérjék Míg a lipidek a membránok alapvető szerkezeti elemei, addig a fehérjék specifikus funkciókat töltenek be. A két molekulacsoport aránya a membránban a molekulasúly alapján 50-50% körüli, de mivel a fehérjék jóval nagyobbak a molekulák száma alapján 1 fehérjére kb. 50-100 lipid molekula jut. A fehérjék beépülhetnek a membránba, ezek az (1) integráns fehérjék, melyeknek két fajtájuk van: (1a) a membránt átérő (transzmembrán) fehérjék, és a (1b) membrán sejtfelszíni vagy belső rétegébe beépülő, de a membránt át nem érő fehérjék. Ez utóbbi molekulák rendszerint kovalens kötést létesítenek a membrán lipid molekuláival, ezért tartoznak az integráns fehérjék közé. A másik membrán fehérje típust a (2) perifériás fehérjék képviselik. Ezek a fehérjék rendszerint lazán kapcsolódnak a membrán belső felszínéhez ezért viszonylag könnyen elválaszthatók a membrántól. Az integráns fehérjék, különösen a transzmembrán proteinek, viszont stabilan beékelődnek a membránba, csak a kettős lipid réteg szétesésével választhatók el attól. Ez utóbbi molekulák a sejtfelszíni részükön gyakran szénhidrát csoporttal kötődnek (glükoproteinek). A transz-membrán proteinek membránt átérő szakaszai rendszerint -hélix 5
szerkezetűek, melyek 20-25 aminosavnyi szakaszt foglalnak magukba. A belső membrán felszínhez kötődő perifériás fehérjék rendszerint a jelátviteli folyamatokban vesznek részt, nevezetesen a sejtfelszíni receptoroktól érkező jeleket közvetítik a citoplazmába (pl. G fehérjék, Ras, stb.; ld. Jelfolyamatok előadás). DIA 23 DIA 24 Glikokálix A sejtek felszínét egy vastag szénhidrát réteg borítja, ez a glikokálix, melyet a glükoproteinek és glükolipidek szénhidrát komponensei alkotnak. Ez a szerkezet védi a sejtet a különféle stressz hatásoktól (mechanikai, ionos) és a mikroorganizmusok támadásától. Továbbá, a glikokálix részt vesz különféle sejt-sejt kölcsönhatásokban is, pl. a sejtadhézióban (sejt kötődés). Membrán mikrodomének lipid raftok A klasszikus folyékony mozaik membrán modellben a foszfolipidek és a membrán fehérjék eloszlása véletlenszerű, s ezért egyenletes. A valóságban azonban ez nincs így. A koleszterin, a glükolipidek és a szfingolipidek nem egyenletesen oszlanak el a membránban, hanem ún. membrán mikrodoméneket (lipid raftok) képeznek. A lipid raftokhoz specifikus fehérjék is csatlakoznak. A membrán mikrodomének funkciója az egyes jelfolyamatok komponenseinek összegyűjtése, bizonyos membrán területekre való lokalizálása. Más szavakkal, a membrán egyes területei más-más feladatot látnak el. A lipid raftok stabilizálásához a sejtváz is hozzájárul. DIA 25 DIA 26 DIA 27 4b. SEJTMAG A sejtmag A sejtmag a genetikai anyag (DNS) tároló helye. A sejtmag nem csupán raktározza a genomot, hanem fontos szerepet játszik annak működtetésében is. A sejtmagot kívülről a kétrétegű magmembrán borítja. Nyugalmi állapotban a nukleoplazma nagy részét kromatin tölti ki, amely a DNS és azt körülvevő hiszton és nem-hiszton fehérjék által alkotott komplex. Az erősen feltekeredett DNS szakaszok alkotják a heterokromatint (a kromoszómák végén és a centroszómák környékén helyezkednek el), a lazább szerkezetű nukleo-protein komplexek pedig az eukromatint. Az eukromatinról mrns képződés folyhat, vagy folyik is, a heterokromatin azonban transzkripciós szempontból inaktív. A sejtmagvacska (nukleolusz) a riboszómális RNS-ek képződési helye. A sejtmag membrán kétrétegű (tehát két foszfolipid kettősréteggel rendelkezik), a külső és belső réteg között található az ún. perinukleáris tér. A külső magmembrán folytonos az ER-al. A külső magmembrán funkcionálisan hasonló a durvafelszínű ER-hoz (pl. riboszómákat is tartalmaz), de fehérje összetételében jelentősen különbözik attól: gazdag olyan fehérjékben, amelyek a sejtvázat alkotó proteinek megkötésében játszanak szerepet, de hiányoznak azok a fehérjék, amelyek az ER jellegzetes tubuláris (csőszerű) szerkezetének kialakításában vesznek részt. A belső sejtmagmembrán összetételében alapvetően különbözik a külsőtől; sok olyan fehérjét tartalmaz, amelyek csak erre a membránféleségre jellemzőek (pl. a nukleáris lamina kötődéséért felelős proteinek). A sejtmaghártya belsejét a nukleáris lamina borítja. Ez a szerkezet alapvetően sejtváz komponensekből épül fel (lamin fehérje, a köztes filamentek egyik fajtája), amelyekhez speciális egyéb fehérjék is kapcsolódnak. A nukleáris lamina nem csupán egyfajta vázként stabilizálja a sejtmagszerkezetét, hanem a kromatin bizonyos pontjaihoz kapcsolódván (egyes hiszton molekulákon keresztül) részt vesz a kromatin sejtmagon belüli elrendeződésében, ill. a DNS kifejeződésének szabályozásában. A progéria (korai öregség) betegséget a lamin gének egyikének mutációja okozza. Kromoszómák A sejt osztódási fázisában a kromatin még jobban összetömörödik, s kromoszómák képződnek. Az embernek 23 pár kromoszómája van, melyek közül 22 pár testi 6
kromoszóma, a 23. pár pedig ivari kromoszóma. Az ábrán az ember haploid* kromoszóma garnitúrája látszik. Az ún. Giemsa festéssel a kromoszómák sávosan festődnek. DIA 28 Kromatin A kromatin a DNS és a hiszton fehérjék által alkotott komplex. A kromatin elrendeződése metafázisos osztódó sejtekben a legtömörebb, nyugalmi állapotban pedig a leglazább. A tömörséget a kromatin fonal tekeredettsége határozza meg. Egy nukleoszómát a következő komponensek alkotnak: egy 8 tagból álló hiszton mag (H2A, H2B, H3, H4: mindegyikből 2-2 molekula), a mag köré tekeredő DNS, és a DNS szálat átfogó H1 hiszton molekula. A hisztonok funkciói: (1) a DNS kis darabokba való csomagolás (hogy elférjen a sejtben); (2) kromoszómák képzése (hogy a sejtosztódás végbemehessen); (3) a génkifejeződés és a (4) DNS replikáció szabályozása. 4c. RIBOSZÓMÁK, ENDOPLAZMÁS RETIKULUM, GOLGI, LIZOSZÓMÁK, stb. DIA 29 DIA 30 DIA 31 DIA 32 DIA 33,34 Riboszómák A riboszómák proteinek és RNS által képzett komplexek, melyek funkciója a fehérjeszintézis lebonyolítása. A vízben oldódó fehérjék a szabad, citoplazmatikus riboszómákon képződnek, míg a membránba épülő, a membránokon áthaladó és az exportálandó fehérjék a durva felszínű ER-on lévő riboszómákon. Az endoplazmás retikulum két típusát különböztetjük meg. A durvafelszínű ER-ok riboszómákat tartalmaznak a membránjaik felszínén; itt folyik azoknak a fehérjéknek a szintézise, amelyek valamilyen membránba épülnek majd be, vagy kiválasztásra kerülnek. Emellett, a durvafelszínű ER-ok rész vesznek a lizoszómális enzimek képzésében, és bizonyos fokú glükoziláció* is folyik bennük. A simafelszínű ER-ok részt vesznek a lipid és szteroid szintézisben és a szénhidrát anyagcserében. Fontos funkciójuk a kalcium ionok raktározása. A Ca 2+ -ok a sejtben fontos másodlagos hírvivő szerepet töltenek be. Mindkét típusú ER lumene tele van enzimekkel. Az endoplazmás retikulumba az N-terminális* végükön szignál peptiddel rendelkező molekulák jutnak be. Más-más típusú szignál peptidek szükségesek az egyes sejt szervecskékbe való bejutáshoz: NLS: sejtmagba be, NES: sejtmagból ki, NOS: sejtmagvacskába, MTS: mitokondriumba, PTS: peroxiszómába, stb. A szignál peptiddel rendelkező fehérje az ER membránjában elhelyezkedő transzlokátor molekula segítségével jut be az ER-ba, a folyamat során a szignál peptidáz enzim eltávolítja a szignál peptidet. A Golgi készülék funkciója a fehérjék és lipidek kémiai módosítása (glikoziláció, foszforiláció), transzport hólyagocskákba való becsomagolása és szortírozása a célrégió felé. A Golgi apparátus emellett a szénhidrátok szintézisében is szerepet játszik. Endocitózis, exocitózis A sejtbe érkező anyagok befűződnek a sejtmembránba, mely által endoszómákat képeznek (endocitózis). Az endoszómák enzimeket tartalmaznak, melyek elkezdik degradálni a bekerült szerves molekulákat, s így a kései endoszóma fázis követően lizoszómákká válnak. A kiválasztásra kerülő fehérjék (exocitózis) az ER-ban módosulnak, ahonnan transzport vezikulumok segítségével a Golgi készülékbe kerülnek, ami további módosulást eredményez. A Golgi készülékből transzport hólyagocskák viszik az anyagot a citoplazma membránhoz, ahol a két membrán egyesül, s ez a kiválasztandó fehérje extracelluláris térbe való kikerülését eredményezi. Lizószómák, peroxiszómák A peroxiszómák kis, egy-rétegű membránhólyagocskák, melyek enzimjei elbontják a peroxidot (H 2 O 2 ) és egyéb szabad gyököket. Emellett ezek a sejtszervecskék részt vesznek a zsírsavak anyagcseréjében is. Enzimjeik gyakran kristályos formában fordulnak elő. 7
A sejtbe kívülről bejutó anyagok fagoszómákba kerülnek, amelyek egyesülnek a lizoszómákkal létrehozván a másodlagos lizoszómákat. Ezekben emésztődik meg az anyag, majd a salakanyagok a sejtmembránon keresztül távoznak a sejtből a lizoszóma és a sejtmembrán összeolvadása révén. Az új peroxiszómák más peroxiszómákból keletkeznek osztódással. Ritkán azonban de novo (újonnan) is keletkezhetnek. DIA 35 A proteaszómák enzim komplexek, melyek fehérjéket emésztenek. A proteaszómákba a fehérjék irányított formában kerülnek: egy kis peptid (ubikvitin) tapad hozzájuk, amely egy jel arra, hogy az adott fehérje lebomlásra van ítélve. A fehérjék különböző okok miatt bontódnak le: 1. hibás szerkezet, 2. rövid élettartam az optimális, 3. már nincs szüksége rájuk a sejtnek, 4. éhezés aminosavakra. 4d. MITOKONDRIUM ÉS KLOROPLASZTISZ DIA 36 DIA 37 Mitokondrium Hasonlóan a sejtmaghoz, az ER-hoz és a Golgi készülékhez, a mitokondriumot is kettős membrán réteg veszi körül, melyek közül a belső a baktériumokéra hasonlít. Több kópiában előforduló kis, kör alakú DNS-ei vannak, melyek szintén prokarióta jellegűek (nincs bennük intron*). A mitokondrium fő funkciója az ATP előállítása. Minél több energiára van szüksége egy sejttípusnak, annál több mitokondrium van benne (átlagosan néhány ezer db/sejt). A mitokondriumok a baktériumokhoz hasonló hasadással osztódnak. Kloroplasztisz A növények sejt szervecskéje, melynek funkciója vízből és CO 2 -ből való szőlőcukorképzés. A fotolízishez (víz elbontása) szükséges energiát a klorofill által elnyelt fényenergia biztosítja. A klorofill molekulák a tilakoid membránon helyezkednek el. A sztrómában található enzimek végzik a CO 2 szintézist és a cukor, ill. keményítő előállítását. 8 DIA 38-44 4e. SEJTVÁZ Sejtváz Alkotórészeik és átmérőjük lapján három sejtváz alkotót különböztetünk meg: Mikrofilamentumok Az aktin fehérje szálát alkotja; gyakran kölcsönhatásban áll más fehérje szálakkal A sejt alakját változtatja és sejtes mozgásokban játszik szerepet (pl. összehúzódás, citoplazma mozgás, stb. A mikrofilamentumok és a miozin az izomműködésben játszik szerepet Köztes filamentumok Rostos fehérjékből áll, melyek kötélszerű csoportosulásokba szerveződve a sejt alakjának fenntartásában és a sejtszervecskék stabilizálásában vesz részt Néhány típusuk a szomszédos sejtekhez kapcsolódásban vesz részt Mások a nukleáris laminát alkotják Mikrotubulusok A tubulin fehérjék alkotórészei. A tubulin dimer 2 alegységből áll: -tubulin and -tubulin A mikrotubulusok a tubulin dimerek hozzáadásával növekednek, vagy elvételével csökkennek A mikrotubulus rövidülés okozza a kromoszómák mozgását A mikrotubulusok közötti kölcsönhatások mozgatják a sejtet A mikrotubulusok egyfajta sínként szolgálnak a vezikulák mozgásában
DIA 45 DIA 46 Sejtváz sejtosztódás A sejtosztódásban 3-féle mikrotubulus vesz részt: az asztrális mikrotubulusok rögzítik a sejtmembránhoz a centroszómákat; a kinetochor mikrotubulusok kapcsolódnak egyik végükkel a homológ kromoszómapárokhoz (leány kromatidák), másikkal pedig a centroszómához; az interpoláris mikrotubulusok pedig egymáshoz kapcsolódnak. A mikrotubulusok és a hozzájuk kapcsolódó struktúrák mozgását a motorfehérjék biztosítják. 5. A TÖBBSEJTŰSÉG A többsejtű lét nehézségei Az egysejtű élőlények sejtjeiben is működnek jelutak. A külső környezetből jelek érkeznek, amit a sejt feldolgoz, s végül válaszol rá. Sőt, az egysejtű élőlények egymással is kommunikálnak, főként a szaporodással és az egyedsűrűséggel kapcsolatos információkat osztanak meg egymással. A sejtek közötti kommunikáció azonban a többsejtű élőlényeknél vált rendkívül bonyolulttá, információcsere nélkül a sejtek még rövid ideig sem létezhetnek. A fosszilis maradványok szerint, az első többsejtű élőlények már 600-800 millió éve léteznek (az első állatok 570 millió éve jöttek létre). A korábbi 2.5-3 milliárd évben egysejtű (prokarióta, majd eukarióta) élőlények népesítették be a Földet. Mi lehet az oka, hogy ilyen sokáig tartott a többsejtűség kialakulása a 3 fő élőlénycsoportban (gombák, növények és állatok)? A nehézséget az okozhatta, hogy meg kellett találni azt a nyelvet, amely lehetővé teszi, hogy azonos genommal rendelkező sejtek együttműködjenek, koordinálják a viselkedésüket, specializálódjanak különféle feladatokra, és alárendeljék a saját túlélési stratégiájukat a többsejtű szervezet, mint egész, érdekének. Érdekes, hogy a fő alapelvek és komponensek lényegében ugyanazok a baktériumoktól az emberig. A különböző életformák közötti különbségek csupán a finom részletekben rejlenek. A többsejtűség eredete Három különböző elmélet próbálja magyarázni a többsejtű életformák létrejöttét: (1) A Szimbióta Elmélet szerint az első többsejtű szervezetek különböző fajú egysejtűek együttműködése által jöttek létre. Tehát, a sejtek nem differenciálódtak különféle funkciókra, hanem eredendően különbözőek voltak, mint pl. ma a zuzmók. Idővel, ezek a sejtek már nem tudtak egymás nélkül élni. A fő probléma ezzel az elmélettel az, hogy nem világos, hogy a különféle genomok hogyan egyesültek végül is egyetlen sejtmagba. Még ha végbe is ment ez a folyamat, ismét visszajutunk az eredeti kérdéshez: hogyan ment végbe a sejtek közötti funkcionális differenciálódás? (2) A Cellularizáció Elmélet azt állítja, hogy a többsejtűek őse több sejtmagot tartalmazott, amelyek később belső membránnal választódtak el egymástól. Több ma élő egysejtű is rendelkezik több sejtmaggal, pl. a csillósok kettővel. A csillósokét sejtmagja azonban elkülönült funkcióval rendelkezik: a makronukeusz irányítja a sejtfolyamatokat, a mikronukleusz pedig az örökítő anyag (ez kerül át egy másik sejtbe a szexuális szaporodás során). Az emberi testben is vannak többmagvú sejtek (pl. vázizomban), melyeket szincíciumoknak nevezünk, de ezek kialakulása a cellularizáció elmélet forgatókönyvének fordítottjaként zajlott: a sejtek elvesztették a membránjukat, s egyesültek a hatékonyabb funkció ellátása végett. (3) A Kolónia Elmélet szerint több azonos egysejtű szervezet lépett szimbiózisra egymással (a szimbózis elméletnél különböző fajok!). Valószínűleg arról volt szó, hogy a sejtek az osztódást követően egyszerűen nem váltak szét, hanem együtt maradtak a nem teljesen végigvitt citokinézis következtében. Rengeteg ilyen esetre találunk példát a mai szervezetek között: pl. táplálékhiány esetén az amőba Dictyostelium sejtek együtt maradnak, s a kolónia együtt vándorol új helyekre. Néhány amőba némileg differenciálódik is. Egy másik példát a Volvox (egy zöld alga nemzetség) szolgáltatja: a telepek nagysága fajtól függ: 500-tól 50,000-ig. A sejtek csak kis hányada vesz részt a szaporodásban (25-35 ivartalan, 15-25 ivaros szaporodás). Egyes baktériumok is képesek funkcionálisan differenciált sejtekből álló kolóniák létrehozására (pl. Anabaena cylindrica). A tudományos világban a Kolónia Elmélet élvezi magasan a legnagyobb támogatást a három elképzelés közül. 9
Szótár Diploid: kétszeres kromoszóma garnitúra (minden kromoszóma 2 példányban van meg). A magasabbrendű élőlények diploidok. Glükoziláció: enzimatikus folyamat, amely cukrokat aggat lipidekre és fehérjékre. Haploid: egy egyed egyszeres kromoszómaszerelvénye. Intron: az eukarióta génekben a kódoló részeket (exonok) elválasztó DNS szakasz. N-terminális vég: a fehérje molekulák eleje, a C-terminális a fehérjék vége. 10