Buněčné operace udivují, inspirují

Publikováno 16. července 2011
Autor neuveden

(Z http://crev.info/index.php/content/110716-cell_operations_amaze_inspire [2] přeložil M. T. - 8/2011)

Pohled studenta na buňku pod optickým mikroskopem je zavádějící. Takový pohled bez podrobné analýzy odhalí pouze nepatrný zlomek dějů, které v buňce reálně probíhají. Neviditelné pro studentův zrak pracují v tomto chomáčku života složité stroje v buněčných továrnách v dokonalém souladu. Složitými sítěmi putují signály sem a tam. Celé knihovny kódů jsou přepisovány a překládány do strojních součástí. Ochranka otvírá a zavírá brány a týmy záchranářů opravují poškození. I prostá bakteriální buňka má ekvivalenty městské rady, knihovny, hasičů, policie, průmyslové zóny, dopravní infrastruktury, střediska pro odpady a jejich recyklaci, systém civilní obrany a další a další složky. Přinášíme zde jen pár útržkovitých informací z posledních vědeckých článků nabízejících podrobnější pohled, než jaký uvidíte v mikroskopu, a odhalujících zázraky, které si ještě před pár desítkami let nikdo nedokázal představit.

1. Elektrické buňky: Znáte elektrické úhoře; a co takhle elektrické bakterie? Badatele na Harvardu zajímaly elektrické vlastnosti buněk a napsali o nich do časopisu Science [3]:

Potenciál bakteriální membrány představuje hlavní složku hybné síly pro oxidativní fosforylaci, membránovou dopravu a pohyb bičíků. Tohle elektrické napětí nejsou však vzhledem k malým rozměrům bakterie a přítomnosti buněčné stěny s to zaznamenat žádné techniky konvenční elektrofyziologie. Víme jen málo o bakteriální elektrofyziologii na úrovni jednotlivých buněk.

A tak se rozběhl výzkum. Vědci pozorovali, jak bakterie E. coli vysílají elektrické impulzy rychlostí zhruba jeden za sekundu. Elektrický náboj generují iontové kanály v membráně, které zvyšují a snižují napětí, čímž působí proti přirozené tendenci nábojů vzájemně se rušit. „Elektrická aktivita byla citlivá na chemické i fyzikální poruchy a souvisela s rychlým odtokem mikromolekuly fluoroforu“, napsali, „což svědčí o tom, že efluxní aparát bakterie může být regulován elektricky.“ Jinými slovy, nepozorovali stochastický jev, nýbrž koordinovanou činnost mnoha iontových kanálů, které musí koordinovat své aktivní transportní mechanizmy. Zvažovali pak možnost, že impulzy odpovídá organizmus na stres. Koordinovanou elektrickou odpověď známe u vyšších organizmů jako je elektrický úhoř či člověk, ale „Tahle prostá předběžná zjištění svědčí o tom, že budeme muset zřejmě znovu promyslet v souvislosti s bakteriemi některé axiomy neuronové fyziologie.“

2. Tým stavitelů vysílače: Bičíky jsou složité organely v buněčné membráně, které vyčnívají do mezibuněčného prostředí, kde mohou přijímat signály z okolí a plnit i další funkce. Některé jsou pohyblivé, jako bičíky v lidském dýchacím ústrojí, které koordinovanými záběry vymetají cizorodý materiál. Buňky budují bičíky pomocí molekulárních transportérů poháněných motorky na kinesin-2 procesem zvaným intraflagelární doprava (IFT), kdy je materiál na stavbu bičíků vytahován po kolejničkách zmíněných dopravníků. Vědci měli podezření, že budování bičíků regulují ještě další faktory. Nyní se dvěma americkým molekulárním biologům publikujícím v časopisu Current Biology [4] podařilo identifikovat jednoho takového člena stavební party zvaného KLP6, který se pohybuje nezávisle na kinesinu-2 a omezuje jeho rychlost. Pozor: zjistili to na zvláštní buňce škrkavky.

3. Tanec vrátného: Iontové kanály hrají v našem těle mnoho životně důležitých rolí. Podle Science Daily [5] jsou „zásadně důležité pro regulaci primárních biologických procesů jako třeba napětí hladkého svalstva a schopnost neuronů tvořit, vést a předávat vzruchy“. Jeden takový kanál zvaný BK prodlužuje vodivost iontů draslíku v přítomnosti iontů vápníku. Vědci měli za to, že na všechny iontové kanály lze aplikovat jednotnou teorii aktivace. Badatelé na Texaské univerzitě v Austinu zjistli, že u kanálů BK to není tak jednoduché.

V polovině sestupu aktivačním kanálem si jistý aminokyselinový zbytek M314 v jednom z transmembránových proteinů trochu zatancuje, „přičemž otáčí svůj postranní řetězec z polohy v uzavřeném stavu nevystaveném hydrofilnímu póru do polohy, která je tak vystavena ve stavu otevřeném.“ Tahle změna konformace je součástí rozsáhlejšího validačního procesu, který zaručuje, že selekčním filtrem projdou pouze ty správné ionty. M314 „by vlastně nemusel být součástí aktivační brány, která uzavírá průchod iontů, avšak zmíněné pohyby v hlubinném póru mohou sloužit blokaci průchodu iontů jinou částí kanálu“, vysvětlili autoři článku. Tolik k jednotným teoriím; „Ze studie podle vědců vyplývá důležitý poznatek o tom, že k aktivaci kanálu BK nedochází jeho jednoduchým mechanickým otevíráním a zavíráním, jak se dříve vědci domnívali.“

4. Sůl v buňce: Těšíte-li se ze zdravého srdce, mozku a slinivky, poděkujte svým sodíkovým kanálům. Podobně jako draslíkové kanály BK, regulují i sodíkové kanály široké spektrum fyziologických aktivit. Podle Science Daily [5], „Mutace v sodíkových kanálech ovládaných voltáží stojí za dědičnými formami padoucnice, záchvaty migrény, srdečními arytmiemi, periodickou paralýzou i některými syndromy bolesti.“ Když vám zubař aplikuje lokální anestezii, neudělá nic jiného než že zabrání místním sodíkovým kanálům v práci – v předávání signálů o bolesti do mozku.

Článek v Science Daily [6] referoval o tom, že tým v Lékařském institutu Howarda Hughese zobrazil sodíkový kanál s dosud nejvyšší rozlišovací schopností. Z následujícího úryvku je patrný úžas, který lékaři pocítili při prvním tak podrobném pohledu do zmíněného kanálu:

„Doufáme, že se nám podaří pochopit, proč propouštějí pouze sodíkové ionty a nic jiného“, napsali vědci, a jak reagují na změny ve voltáži buněčné membrány, jak otvírají a zavírají i to, jak generují elektrické signály.“ Badatelům se již podařilo pozorovat určité složité molekulární pohyby jako třeba valivé pohyby některých funkčních složek molekul sodíkového kanálu i jejich stykových orgánů…

5. Orchestr DNA: Článek na webu PhysOrg [7] začíná slovy, „Stejně jako orchestrální hudebníci čekají na dirigentův pokyn, jsou molekuly RNA polymerázy II přichystány na startovních ploškách mnoha kaskádově ovládaných genů a čekají na pokyn „Vpřed!“, aby začaly se čtením své části genomické symfonie.“ Badatelé ve Stowersově institutu lékařského výzkumu zjistili, že soustava superelongace (SEC), soubor zhruba 10 transkripčních elongačních faktorů, postupuje určené znaky translačnímu mechanizmu a „pomáhá aktivizovat dosud nečinné polymerázy RNA a začít s přepisem příslušného genu.“ Tohle odpalovací zařízení „omezuje počet kroků nutných pro efektivní přepis a umožňuje buňkám reagovat rychle na vnitřní i vnější signály“, vysvětlil jeden z badatelů. Článek pak dále používá příměr k fungování orchestru a konstatuje, že „Kontrola procesu přepisování RNA polymerázou II (Pol II) je perfektně sehraným procesem tvořeným mnoha kroky, který vyžaduje souhru velkého počtu hráčů, aby úspěšně přepsal geny v celé jejich délce.“

6. Inspektoři kontrolující kvalitu: U výchozí brány ribozomů, kde se shromažďují nové proteiny, kontrolují molekulární stroje zvané chaperony, aby byly tyto proteiny řádně poskládány. Tým ze Stanfordu studoval dva takové chaperony, částice k rozeznávání signálů (SRP) a soubor pro rodící se sdružené řetězce (NAC), které mají pozoruhodnou schopnost pracovat se širokou škálou proteinů a pomáhat jim řádně se poskládat. V článku v PLoSBiology [8] členové týmu napsali,

Naše výsledky pomáhají nově pochopit selektivitu SRP a odhalují, že NAC je hlavním kotranslačním chaperonem. Zjistili jsme překvapivě odlišnou substrátovou specificitu u tří podjednotek NAC, které jak se zdá rozeznávají na rodících se řetězcích konkrétní znaky. Naše výsledky odhalily také fakt, že se sady rodících se polypeptidů reagujících s NAC zčásti překrývají s polypeptidy reagujícími se SRP, a ukázaly, že NAC obměňuje specificitu i přesnost SRP in vivo. Tahle zjištění nám umožňují nově chápat dynamické interakce chaperonů pracujících s rodícími se řetězci.

7. Figuranti k RNA: Viděli jsme všichni v kině, jak záchranáři házejí lano přes zeď či na sloup, aby po něm mohli vylézt nahoru. Něco podobného provádějí některé stroje, které rozmotávají RNA. V PNAS [9] popsal badatelský tým helikázu s hrůzostrašným názvem „mitochondriální protein Mss116p s MRTVOU schránkou“, který funguje jako základní chaperon RNA. (Opravdu by měli dávat těmhle strojům lepší názvy, jako třeba kladivový svěrák Chucka Norrise). Tenhle stroj nejenže přidrží RNA, on se na ni nejprve napojí párem kliček, které se zaklesnou do RNA a svážou stroj s jeho cílem:

Z analýzy komplexů s velkými chimérickými oligonukleotidy vyplývá, že základní kličky obou proteinů jsou upevněny pružně, což jim umožňuje spojit pevné úseky dvojité DNA rozvětvující se z jádra buňky do různých směrů. Naše výsledky naznačují, že hlavní kličky proteinů s MRTVOU schránkou podporují aktivitu chaperonů RNA tak, že se nespecificky napojují na velké substráty RNA a pružně aktivují v jádře rozmotávání sousedících dvojitých úseků.

8. Řiditelné měchýřky: Buňky někdy budují z částí buněčné membrány ke splavování velkých nákladních molekul k jiným organelám v buňce „přepravní ředitelné měchýřky“. Tohoto složitého procesu se účastní mnoho hráčů včetně proteinů, které měchýřky potahují, a přístavních dělníků, kteří měchýřky vytahují na břeh; v případě buňky však potah měchýřku splyne s cílovou organelou, takže obsah může bezpečně procházet membránovým tunelem. Elizabeth Conibearová (Univerzita Britské Kolumbie) zveřejnila některé poznatky o složitosti tohoto procesu zvaného endocytóza v časopisu Současná biologie [4]: „Když se plášťový přepravní měchýřek spojuje s cílovou membránou, musí se otevřít plášťové proteiny i spojovací aparát, aby mohlo dojít k propojení obou membrán. Z nedávné studie vyplývá, jak je tahle demontáž odstartována na sekundu včas.“ V prvním odstavci své recenze zmíněné studie Conibearová popsala alespoň zlomek procesů, které v rámci celé takové operace probíhají:

Přepravní měchýřky jsou hotové, když se plášťové proteiny shromáždí na ploché membráně, převezmou náklad a sbalí membránu do tvaru pupenu. Sbalený pupen je pak dopraven k cílové organele, kde ho upoutají „řetězy“, než dojde k propojení membrán. Dříve se vědci domnívali, že proteinový obal měchýřku odpadne, jakmile je náklad zabalen, nyní však víme, že obal je důležitý jako pojivo pro stavbu řetězů, které pomáhají měchýřku identifikovat tu správnou organelu. Ovšem plášťové proteiny i řetězy musí být odstraněny dříve, než může dojít k propojení, ale co odstartuje jejich demontáž, zůstávalo stále tajemstvím. Z článku publikovaného nedávno v časopisu Nature teď vyplývá, že jakmile jeden druh přepravního měchýřku přistane u cílové membrány, setká se s kinázou, která zruší vazbu mezi plášťovými proteiny a řetězy a tak nastartuje proces demontáže.

Problém, nad kterým se Conibearová zamýšlela, bylo to, jak jsou všechny ty kroky koordinovány: „jak může měchýřek vydržet se svým potahem dost dlouho na to, aby dosáhl cíle, ale jakmile zakotví, okamžitě se ho zbavit?“ Zdá se, že to lze zčásti zdůvodnit dobrou organizací celého systému. I když tomu ještě úplně nerozumíme, „Z výsledků studií vyvstává představa Sec23 jako mistrovského regulátoru balení a propojování podílejícího se na sledu interakcí, které jsou regulovány fosforylací.“ Autorka však zároveň dodala, že „I když jde o přitažlivou představu, nemusí se jednat o celý příběh.“ Známe totiž i další životně důležité interakce dalších proteinových strojů se Sec23. Na autorčině diagramu vidíme několik kousků zapadajících jeden do druhého jako součásti Lega napojující se a odpojující se v procesu připomínajícím spojování a rozpojování raketoplánu s vesmírnou stanicí.

Tahle složitost vyvrací tvrzení na webu PhysOrg [10] o tom, že „Endocytóza je jednodušší než jsme se domnívali.“ Tehdy totiž postavili v Nizozemí jednodušší hypotézu o způsobu, kterým v průběhu formování měchýřků vznikají z plochých plášťových molekul (clathrinu) molekuly kulaté. To je ovšem jen podružný aspekt mnohem složitějšího mnohastupňového procesu, kterého se účastní mnoho proteinových částí, a jak je zřejmé z animace na PhysOrg, geoidoidní molekuly clathrinu jsou pěkně chytré stavební kameny.

9. Stereozesilovač: Badatelé z techniky Notre Dame a Virginia zjistili, že důležitý signální enzym zvaný Pin 1 je stereoselektivní. „Pin 1 je modulační enzym, který urychluje cis-trans izomerizaci fosforylovaných prvků serinu/threoninu-prolinu (pS/T-P) přítomných v četných signálních proteinech regulujících růst buněk a životnost neuronů“, napsali v PNAS [11] a demonstrovali skutečnost, že vodivá odpověď se liší podle toho, zda se enzym naváže na jeden nebo druhý kanál. Tady je sólokapr pro bioinženýry:

Dále demonstrujeme, že interakce mezi peptidylovo-prolylovou izomerázou a doménami tryptofan-tryptofan (WW) umocňují vodivou odpověď a mění vazebné vlastnosti na vzdáleném aktivním konci peptidylovo-prolylové izomerázy. Z výsledků naší studie vyplývá, že specifické příkonové struktury mohou hradlovat dynamické změny, které podporují intraproteinovou komunikaci. Takové hradlování může pomáhat při kontrole šíření chemických signálů Pin 1 a dalších modulačních signálních proteinů.

10. Měděný pryžový pumpař: V článku v Nature [12] nazvaném „Strukturální biologie: Základna pro čerpadla mědi“ napsal Nigel Robinson, „Měď je pro většinu buněk životně důležitá, ale je-li jí příliš mnoho, může to buňku usmrtit. Ze struktury proteinu, který pumpuje měděné ionty z cytosolu, lze dešifrovat jak mechanizmus pumpování tak proces, kterým jisté mutace v proteinu způsobují nemoci.“ Na Robinsonově diagramu je molekulární stroj zvaný LpCopA tvořený přinejmenším 5 proteinovými doménami, který spolehlivě pumpuje měděné ionty z buňky. Nejprve musí pumpa ionty nasát, což obstarají zvláštní chaperonové molekuly, které vědí, jak s ionty bezpečně zacházet. V pumpě jsou tři vazebná místa, která předají iont na plošinu ve tvaru L, která jemně podrží iont jako rameno vnitřních sil, zatímco iont prochází strukturálními změnami, a pak ho klidně vystrčí ven. Pak se plošina připraví k přijetí dalšího iontu. Poškodí-li zmíněné pumpy mutace, mohou se u dotyčného rozvinout těžké poruchy mozkové činnosti.

Pro zájemce tu jsou další články s velmi lákavými tituly:

• „Ribozom využívá dva aktivní mechanizmy k rozvinutí informační RNA během překladu.“ (Nature)

• „Krystalové struktury (lambda) exonukleázy v soustavě s DNA svědčí o tom, že fungování celého systému zajišťuje elektrostatická západka.“ (PNAS)

• „Mechanizmus aktivačního hradlování v nezkráceném kanálu KcsA K+.“ (PNAS)

Čas mi neumožňuje rozebírat všechny tyhle články; klikněte si na linky a přečtěte si abstrakty. Zmíněné tituly představují část široké škály článků o zázracích na buněčné úrovni. Každý z nich si zaslouží zevrubnou analýzu. Mnoho z nich se zmiňuje o tom, jak jsou součásti buněk „do značné míry stejné (tj. nevyvinuté) od bakterií po lidi“, a žádný se přitom ani nepokouší o alespoň trochu rozumné vysvětlení faktu, jak se tady jen tak vzaly.

V těchto vzrušujících dnech, kdy otevíráme buněčnou černou skříňku, bychom měli postát v posvátné úctě před celou tou promyšlenou konstrukcí (a Konstruktérem) a neměli bychom připisovat konstrukci nitrobuněčného aparátu bezduché, bezúčelné nicotě. Záznam mluví sám za sebe. Badatelé potřebují Darwina podobně jako alkoholici potřebují víno (Dar-vína). Stávají se z nich pak badatelé jen podle jména, kteří žijí v permanentním omámení.

Příloha	Velikost
00450-20.8.2011-bunecne_operace_udivuji_inspiruji.doc [13]	64 KB