A sejt az élő szervezetek alapvető - legkisebb - szerkezeti és funkcionális egysége. Míg az egysejtű szervezetek (pl. baktériumok, protozoák) egyetlen, az élet fenntartására képes sejtből állnak, addig a többsejtű szervezetek (pl. állatok, szárazföldi növények) számos, magasan specializált és változatos sejtekből állnak, amelyek különböző szövettípusokba szerveződnek. A sejteket egy lipid kettősrétegből álló membrán veszi körül, amelybe fehérjék vannak beágyazódva. A szervezeteket sejtszerkezetüktől függően prokarióta vagy eukarióta csoportokba oszthatjuk. A prokarióták, amelyek a baktériumok és az archeák alcsoportjait foglalják magukban, olyan egysejtű szervezetek, amelyekből hiányoznak a membránhoz kötött organellumok, például a sejtmag és a mitokondriumok. Az eukarióták olyan egy- és többsejtű szervezetek, amelyek sejtje vagy sejtjei különböző specializált, membránhoz kötött organellumokat, például sejtmagot és mitokondriumokat tartalmaznak.

Sejt típusok

A sejtek vagy eukarióták vagy prokarióták. A prokarióták egysejtű szervezetek, amelyek a baktériumok és az archeák alcsoportjait foglalják magukban. Egyetlen citoplazmával teli, sejtmembránnal körülvett kompartmentből állnak. Az eukarióták ezzel szemben sejtmagot és egyéb membránhoz kötött sejtszervecskéket tartalmaznak. Az eukariótákhoz tartozik minden többsejtű szervezet, valamint néhány egysejtű (protozoa). Az eukarióta sejtek nagyobbak (100-10 000-szer nagyobbak), mint a prokarióta sejtek, és lényegesen összetettebb szerkezetűek.

Sejtmembrán

Mind a prokarióták, mind az eukarióták rendelkeznek sejtmembránnal. A sejtmembrán határt képez a külső környezet és a sejt belseje között, így az élő rendszerek alapvető alkotóeleme. Az eukarióta sejtek intracelluláris membránokkal is rendelkeznek, amelyek az egyes organellumokat burkolják, és lehetővé teszik, hogy a citoplazmatikus folyamatoktól elkülönülve történjenek a speciális folyamatok. Továbbá a legtöbb prokarióta és növényi sejt rendelkezik sejtfallal, amely beburkolja a sejtmembránt, stabilizálja és védi a sejteket a külső környezettől.

A sejtmembrán struktúrája

A sejtmembrán (vagy plazmamembrán) egy aszimmetrikus lipid kettősrétegből áll, amelybe membránfehérjék vannak beágyazva vagy hozzácsatolva. A membránkomponensek szintézise a sima endoplazmatikus retikulumban (SER) történik.

Lipid kettősréteg

• Struktúra: Amfifil lipidekből, például foszfolipidekből vagy szfingolipidekből áll, amelyek poláros fejjel (pl. foszfát, szfingozin) és hidrofób végekkel (zsírsavak) rendelkeznek,
• A nem poláris és poláris csoportok eloszlása: Vizes oldatban a nem poláros szénhidrogén-farkak befelé néznek, míg a poláros fejek mindkét irányban határt képeznek a vízzel szemben. Ennek eredményeképpen stabil lipid kettősrétegek alakulnak ki, amelyek gömb alakú egységet (pl. sejteket vagy vezikulákat) alkotnak,
• A membránlipidek eloszlása: A különböző típusú lipidek aszimmetrikusan oszlanak el a membrán két lemeze között,
• Külső lipidréteg: Foszfatidil-kolinban és szfingomielinben gazdag,
• Belső lipidréteg: Foszfatidil-szerinben, foszfatidil-etanolaminban és foszfatidil-linozitolban gazdag,
• Karakterisztika:
• Permeabilitás:
• Szinte áthatolhatatlan a poláris molekulák számára,
• Nagymértékben áteresztő a nem poláros molekulák és a víz számára,
• Fluiditás: A membrán lipid kettősrétegének folyékonysága a kettősréteg összetételétől és a környezet hőmérsékletétől függően változik,
• A telítetlen zsírsavak növelik a membránok folyékonyságát, mert a telítetlen zsírsavaknak a kettős kötések helyén elgörbült szénhidrogén-farkuk van, ami megváltoztatja a szénhidrogén-oldalláncok elrendeződését,
• A koleszterin és a glikolipidek (azaz a glikozidos kovalens kötéssel szénhidrátot tartalmazó lipidek) stabilizálják a membránt,
• Diffúzió (transzport): A lipid kettősréteg folyékonysága lehetővé teszi az egyes molekulák mozgását a membránon belül,
• Oldalirányú (paralell) diffúzió: Az egyes lipidmolekulák szabadon diffundálnak a lipid kettősrétegen belül,
• Transzverzális diffúzió: Diffúzió a kettősréteg belső felületéről a külső felületre vagy fordítva. Nagyon lassú; enzimatikus támogatást igényel flippázok, floppázok vagy szkramblázok (foszfolipid-transzlokátorok) által,
• Flippázok: A foszfolipideket a külső felszínről a belső felszínre mozgatják,
• Floppázok: A foszfolipideket a belső felszínről a külső felszínre mozgatják,
• Szkramblázok: A foszfolipideket mindkét irányba mozgatják,
• Könnyített (facilitált) diffúzió: Molekulák diffúziója a sejtmembránon keresztül szállítófehérjék, csatornafehérjék vagy ionok segítségével (pl. glükóz és fruktóz szállítása a sejtekbe GLUT transzportereken keresztül).

Membrán proteinek

• Definíció:
• A membránok lipid kettősrétegébe ágyazott fehérjék,
• Általában glikoproteinek,
• Membránfehérje-tartalom a lipid kettősrétegben: 20-80%,
• A membránfehérjék típusai:
• Integrális membránfehérjék:
• Az integráns membránfehérjék felszínük bizonyos régióiban hidrofób aminosavakat tartalmaznak, amelyek kölcsönhatásba lépnek a membránlipidek hidrofób végeivel,
• Erősen kötődnek a kettős lipidréteghez,
• Részlegesen behatolnak a membránba,
• Transzmembrán fehérjék: Teljesen áthatolnak a lipid kettős rétegen (pl. Na⁺/K⁺-ATPáz),
• Perifériás membránfehérjék:
• Gyengén kötődnek a kettős lipidréteghez: A perifériás membránfehérjék nem rögzülnek szilárdan a membránhoz; vagy a membrán belső vagy külső felületéhez kapcsolódnak,
• Általában elektrosztatikus affinitással vagy hidrogénkötésekkel kötődnek egy perifériás és egy integrális membránfehérje között,
• A membránfehérjék eloszlása: A belső és a külső membránfelszínen változó összetételben. Az aszimmetria azért marad fenn, mert a membránfehérjék nem tudnak keresztirányban diffundálni, mint a lipidek.

Glikokalix

• Definíció: Laza glikoprotein-poliszacharid réteg, amely a sejtmembrán külső oldalát borítja egyes eukarióta és prokarióta sejtekben,
• Struktúra:
• Poliszacharidok hosszú, elágazó hálózata,
• Kovalens módon kötődik fehérjékhez és kisebb mértékben a sejtmembrán lipidjeihez,
• Funkció:
• Védi a sejtet a kiszáradástól,
• Antigén funkció:
• Lehetővé teszi az immunsejtek számára, hogy különbséget tegyenek a gazdasejtek és az idegen organizmusok között,
• Az RBC membránon: A vércsoportok megkülönböztetése.

Membrán funkciók

• Védi a sejtet a külső környezettől:
• Sejtmembrán: Elválasztja a sejtet a külső környezettől,
• A sejtszervecskék membránja (endomembrán rendszer): A sejtkompartmenteket választja el a citoszolon belül,
• Anyagok szállítása a sejt belsejéből a sejten kívülre vagy a sejten kívülről a sejt belsejébe,
• Szignál transzdukció: Az extracelluláris szignálok átalakítása intracelluláris reakciókká,
• Sejt identifikáció:
• Minden sejt a felszínén specifikus fehérjéket expresszál, amelyek többnyire glikoziláltak (glikoproteinek),
• Ezek a glikoproteinek nagyon specifikusak az egyes sejttípusokra, és lehetővé teszik a saját sejtek megkülönböztetését egymástól, valamint az idegen sejtektől,
• Elektromos excitabilitás:
• A membránon keresztüli elektrokémiai grádiens létrehozása membránpotenciált hoz létre. Alapállapotban a sejt belseje negatívan töltött a sejten kívüli térhez képest. Ezt az állapotot nyugalmi potenciálnak nevezzük,
• Az excitáció aktiválja a feszültségfüggő ioncsatornákat, átmenetileg csökkentve a negatív membránpotenciált (depolarizáció),
• Sejt összeköttetések (junkciók): Horgonyfehérjék (sejtadhéziós molekulák) alkotják, amelyek a citoszkeletonhoz rögzülnek és a sejten kívülre nyúlnak.

Sejt organellumok

A sejtszervecskék olyan sejteken belüli kompartmentek, amelyeket membrán vesz körül, és amelyeknek nagyon specifikus funkcióik vannak. Az eukarióták számos organellumot tartalmaznak, míg a prokariótáknál nincs kompartmentalizáció.

Sejtmag

Struktúra

A sejtmag a sejt irányító központja. Kettős membrán veszi körül, és a sejt teljes genetikai anyagát tartalmazza, a mitokondriális DNS kivételével.

Maghártya

A magmembrán egy belső és egy külső membránból áll, amelyek mindegyike egy-egy lipid kettősrétegből áll. Mindkét membrán körülveszi a perinukleáris teret, amely átmegy a durva endoplazmatikus retikulum ciszternáiba.

• Külső magmembrán: Számos riboszómát tartalmaz,
• Belső magmembrán: A sejtmaghártyát a maghártyát stabilizáló, intermedier filamentumok (laminok) hálózata fedi,
• A nukleáris laminok mechanikai támaszt nyújtanak a sejtnek és részt vesznek a sejtciklus különböző folyamataiban (pl. transzkripció, jelátvitel, kromatinszerveződés),
• A lamin A-t kódoló gén mutációja a Hutchinson-Gilford progéria szindrómát eredményezi,
• Nukleáris pórusok: A belső és a külső magmembrán egyes pontokon összeolvad, és nagy fehérjekomplexek segítségével magpórusokat képez,
• Funkciók:
• Szabályozza az anyagszállítást a citoszol és a nukleoplazma között (nukleocitoplazmatikus transzport),
• A ∼40 kDa feletti nagy fehérjék (pl. nukleoplazminok) és az RNS aktív transzportja, amelyet importinok és exportinok közvetítenek.

Nukleáris tartalom

• Kromatin: DNS, hisztonok és nem hiszton fehérjék komplexe,
• Nukleolusz: Az rRNS szintézis és a riboszómális alegység összeszerelésének helye.

Funkciók

• A szervezet teljes genetikai információjának tárolása kromatin formájában (kivéve a mitokondriális DNS-t),
• A genetikai információ megkettőzése a sejtosztódás előtt (DNS-replikáció),
• Transzkripció: A fehérjeszintézis kezdeti lépése,
• Az rRNS szintézise a nukleoluszban,
• Az inaktív DNS csomagolása és védelme hisztonok által.

Endoplazmás retikulum

Az endoplazmatikus retikulum (ER) egy kiterjedt membránhálózat, amely közvetlenül a külső magmembránhoz kapcsolódik. Az ER hosszúkás üregekből álló csatornarendszert alkot. Legfontosabb funkciója a sejtkomponensek és a sejt-export termékeinek szintézise. Az ER mikroszkópia és funkcionális megfontolások alapján sima és durva felszínű ER-ekre klasszifikálható.

Struktúra

• Membrán csatornarendszer,
• Direkt kontakt a külső magmembránnal,
• Két mikroszkopikusan és funkcionálisan különböző régióból áll:
• Durva felszínű endoplazmatikus retikulum (DER): A felszínhez kötött riboszómák jellemzik,
• Sima felszínű endoplazmatikus retikulum (SER): Felszíni riboszómák nélkül.

Funkciók

• DER:
• Membrán-, szekréciós és lizoszomális fehérjék szintézise (transzláció) és modifikálása (pl. N-hez kötött glikoziláció),
• Az újonnan szintetizált fehérjék vezikulákba csomagolása a Golgi-apparátusba (további feldolgozás céljából) vagy közvetlenül egy adott helyre történő szállítás céljából,
• A sejtorganellumokban (pl. Golgi-apparátus, lizoszómák, ER) található összes fehérje a RER-ből származik,
• A RER-ben gazdag sejtek közé tartoznak az exokrin hasnyálmirigy sejtek, az antitest-szekretáló plazmasejtek és a mucust szekretáló kehelysejtek,
• Nissl-testek: A neuronok szomájában és dendritjeiben található RER,
• A peptid neurotranszmitterek szintézisének helye, amelyek a preszinaptikus végződésekhez szállítódnak,
• Nissl-festék: Kationos (bázikus) festék, amelyet a negatív töltésű riboszómák fénymikroszkópos megjelenítésére használnak,
• SER:
• Foszfolipidek, zsírsavak, koleszterin és szteroidok szintézise,
• A gyógyszerek, az alkohol és a toxinok biotranszformációja a májban: A CYP450 enzimek a máj hepatocitáinak SER-jén találhatók, amelyek fontos szerepet játszanak a detoxikálásban,
• Szénhidrátok tárolása és felszabadítása: A glükóz a sejtekben glükóz-6-foszfát formájában tárolódik. Ahhoz, hogy el tudja hagyni a sejtet, és energiaforrásként hasznosulhasson, a foszfátcsoportokat újra le kell róla hasítani. Ezért a folyamatért a glükóz-6-foszfatáz enzim felelős, amely a SER-membránon található,
• Glükóz-6-foszfatáz tárolás,
• Ca²⁺ tárolása,
• A SER-ben gazdag sejtek közé tartoznak a hepatociták és a szteroidokat kiválasztó sejtek (pl. mellékvesekéreg vagy gonádsejtek).

Golgi-készülék

Struktúra

Membránnal borított, korong alakú, enyhén ívelt, vezikula rendszer, amelynek két oldala van:

• Cis-Golgi-oldal (konvex oldal):
• Enyhén elhajlik az ER körül,
• Az ER-ből származó, fehérjékkel megrakott membránvezikulákat a cisz-Golgi fogadja,
• Trans-Golgi-oldal (konkáv oldal):
• A sejtmembránnal szemben,
• A vezikulák leválnak a transz-Golgi oldaláról, és a sejtmembrán, illetve a lizoszómák felé irányulnak.

Funkciók

• A lizoszómák szintézise és enzimekkel való feltöltése,
• A plazmamembrán fehérjék újrahasznosítása endocitózison keresztül,
• Hormonok és más fehérjék aktiválása,
• A RER-ből érkező glikoproteinek és hormonprekurzorok modifikációja:
• O-kötésű glikoziláció: O-oligoszacharidok kötődése szerinhez vagy treoninhoz,
• Az N-oligoszacharidok modifikációja az aszparginon az N-kötött glikoziláció után a RER-ben,
• Foszforiláció: A glikoproteinek (pl. lizoszomális savas hidrolázok) mannóz-maradványai foszforilálódnak mannóz-6-foszfáttá, ami lehetővé teszi a lizoszómákba való szállításukat. (Ennek a folyamatnak a hibái I-sejtes betegséghez vezetnek),
• A fehérjék célszekvenciájuk vagy a hozzájuk kapcsolódó oligoszacharidok alapján való csoportosítása.

Vezikuláris trafficking proteinek

• COPI fehérje: Transz-Golgi hálózat (TGN) → cisz-Golgi hálózat (CGN) → endoplazmatikus retikulum (retrográd forgalom),
• COPII fehérje: Endoplazmatikus retikulum → CGN → TGN (anterográd forgalom),
• Klatrin: Bevont vezikulák (endoszómák) képződése a sejteken belüli szállításhoz,
• Receptor-mediált endocitózis: A plazmamembrán endoszómákat képez (pl. LDL-receptor által közvetített),
• TGN is képezhet endoszómákat (az endoszómák lizoszómákká alakulhatnak).

Endoszómák

Struktúra

• A Golgi-apparátus transz-Golgi-feléből származó hólyagos, membránnal körülzárt sejtorganellumok,
• Érési stádiumuktól függően korai és késői endoszómákra oszthatók.

Funkció

• Intracelluláris szortírozó és transzport rendszer:
• Korai endoszómák:
• A sejten kívülről származó anyagok internalizálása a plazmamembrán invaginációján keresztül,
• A receptorok (pl. LDL-receptor) újrahasznosítása és visszaszállítása a sejtfelszíni membránba,
• Képes vezikulákat fogadni a Golgi-apparátusból és visszaküldeni azokat,
• Kései endoszómák: Összeolvadnak a lizoszómákkal, és ezáltal lehetővé teszik az endoszómális tartalom lizoszomális lebontását.

Mitokondriumok

A mitokondriumokat gyakran nevezik a sejt erőműveinek, mivel központi szerepet játszanak az ATP szintézisében, amely a szervezet számára létfontosságú energiaforrás. Kettős membránból, intramembrán térből és mátrixból állnak. A belső membrán szerkezete alapján különböző mitokondriumtípusok különböztethetők meg.

Struktúra

Mitokondriális membrán

A mitokondriumot két, magasan specializált mitokondriális membrán veszi körül. Ezek adják a keretet az elektrontranszportláncnak és az ATP-termelésnek.

• Külső membrán:
• Szerkezet: Sima,
• Permeabilitás: Pórusokkal átszőtt, nagymértékben áteresztő a különböző molekulák számára,
• Belső membrán:
• Szerkezet: Kanyarulatos,
• Permeabilitás: Impermeabilis, különösen az ionok számára; a belső membrán azonban számos különböző, igen specifikus transzportfehérjét tartalmaz. Ezek a transzporterek lehetővé teszik az enzimatikus aktivitáshoz szükséges kismolekulák specifikus szállítását a mátrixban,
• Jellegzetes összetevő: Kardiolipin (stabilizálja az oxidatív foszforiláció enzimjeit),
• A belső mitokondriális membránok típusai:
• Mitokondriális kriszták:
• A belső membrán vékony invaginációi (cristae),
• A legtöbb sejtben jelen van,
• Tubuláris mitokondriumok:
• A belső membrán tubulusokat képez,
• Főleg a szteroidokat termelő sejtekben vannak jelen,
• A belső mitokondriális membrán hordozói: Specifikus transzporterek szabályozzák az anyagok szállítását a belső membránon keresztül,
• Funkcionális mechanizmus: Két molekula antiportere (két különböző molekula egyidejű szállítása történik a membránon keresztül ellentétes irányban),
• Példák:
• Malát-aszpartát sönt: Redukáló ekvivalensek szállítása. A citoszolban (pl. a glikolízisben) termelt energia felhasználásához a NADH-ra átvitt elektront a belső mitokondriális membránon keresztül kell átszállítani → légzési lánc → ATP,
• Karnitin-acil-karnitin-transzlokáz,
• Glutamát-aszpartát transzporter.

Mitokondriális mátrix

• Mitokondriális DNS-t (mtDNS) és a mitokondriális fehérjék ∼15%-ának szintéziséért felelős riboszómáit tartalmazza,
• A fennmaradó mitokondriális fehérjék a sejtmagban kódolódik. A fehérjék a mitokondriumba szállítódnak, ahol felveszik végleges szerkezetüket.

Funkció

• Energiatermelés: A belső mitokondriális membrán tartalmazza a légzési lánc enzimjeit és az ATP-szintetázt, amelyek együttesen ATP-t állítanak elő (oxidatív foszforiláció),
• Egyéb metabolikus utak a mátrixban:
• Citromsav ciklus,
• Béta-oxidáció,
• Ketogenezis,
• Urea-ciklus,
• Piruvát dekarboxiláció,
• Hem-szintézis,
• Glükoneogenezis,
• Acetil-CoA előállítás,
• Az apoptózis beindítása.

Lizoszómák

A lizoszómák a sejt hulladékkezelő rendszerének tekinthetők. Fő funkciójuk az intracelluláris emésztés (pl. a polimerek monomerekre való lebontása).

Struktúra

Kicsi, gömb alakú organellumok, amelyeket lipid kettősréteg vesz körül, és amelyek tele vannak emésztő hidrolitikus enzimekkel, amelyek a makromolekulák lebontásáért felelősek,

• Hidrolitikus enzimek: Lipázok, glükozidázok, savas foszfatázok, nukleázok, endoproteázok (pl. kathepszinek),
• A hidrolitikus enzimek származási helye:
• Az enzimek a durva ER riboszómáiban szintetizálódnak, majd a Golgi-apparátusba szállítódnak,
• A Golgi-apparátusban lévő N-acetilglükozaminil-1-foszfotranszferáz a transzláció után egy mannóz-6-foszfát molekulát csatol az enzimekhez,
• Savas környezet (pH-érték ∼5):
• Ez az optimális pH-érték a hidrolitikus enzimek számára,
• Ez a pH a H⁺ aktív transzportja révén tartható fenn a membrán H⁺-ATPázain keresztül.

Funkció

• Folyamat:
1. A primer lizoszómák olyan vezikulák, amelyekben újonnan szintetizált hidrolitikus enzimek vannak, és a Golgi-apparátusból fűződnek le,
2. Összeolvadnak az emésztőanyagokat tartalmazó vezikulákkal, pl. endoszómákkal, fagoszómákkal, és ezáltal szekunder lizoszómákat alkotnak,
3. A szekunder lizoszómákban lévő hidrolitikus enzimek lebontják a makromolekulákat,
4. A hasadási termékek a citoszolba ürülnek, de más szintetikus folyamatokhoz újra felhasználhatók,
5. Reziduális testek: A makromolekulák lebontásából visszamaradt, lipidekben gazdag, meg nem emésztett anyag (lipofuscin) kiürül a sejtből, vagy a citoszolban tárolódik a reziduális testekben,
• Az intracelluláris lipofuszcin depozitok (sárgásbarna pigmentált szemcsék) a neuronokban, hepatocitákban és kardiomiocitákban az életkor előrehaladtával felhalmozódnak,
• A makromolekulák származási helye:
• Endocitózis:
• Receptor-mediált endocitózis: A plazmamembránból származó endocitikus vezikulák először a korai endoszómákkal, majd a lizoszómákkal fuzionálnak. A legtöbb anyag receptor mediált módon jut a lizoszómába,
• Fagocitózis: A részecskéket a fagocita sejtek elnyelik és felveszik, fagoszómákat alkotva. A fagocitózisra azonban csak speciális sejtek, például a makrofágok vagy a dendritikus sejtek képesek. A fagoszómák egész mikroorganizmusokat tartalmazhatnak, és általában sokkal nagyobbak, mint az endoszómák,
• Autofágia: Az autofagoszómák membránjai összeolvadnak és autofagoszómát alkotnak, amely elkülöníti az intracelluláris törmeléket (pl. fehérjéket, lipideket, sejtorganellumokat). Később összeolvad a lizoszómákkal a makromolekulák lebontása érdekében.

A lizoszómák fontos szerepet játszanak az adaptív immunitásban. Az antigénprezentáló sejtek (pl. makrofágok, dendritikus sejtek) internalizálják az antigéneket és proteolízis útján lebontják azokat a lizoszómákban. Ezt követően a keletkező peptideket MHC II. osztályú molekulákra töltik fel, a sejtfelszínre juttatják és a naiv T-sejtek elé tárják.

Autolízis

Súlyos sejtkárosodás esetén a lizoszómák a citoszolba engedik tartalmukat, ami a sejt szétesését (apoptózis) okozza.

Peroxiszómák

A peroxiszómák gömb alakú, egyetlen membránnal körülvett organellumok; kulcsszerepet játszanak a zsírsavak oxidációjában, valamint bizonyos molekulák bioszintézisében és lebontásában.

Struktúra

• Viszonylag kicsi, kerek, membránnal körülvett vezikulák.

Funkció:

• Zsírsav oxidáció:
• Az elágazó láncú zsírsavak α-oxidációja,
• A nagyon hosszú láncú zsírsavak (VLCFA) β-oxidációja oktanoil-koenzim-A-vá (CoA),
• Hidrogén peroxid metabolizmus:
• A mono-oxigenázok a szubsztrátokat molekuláris oxigén felhasználásával alakítják át, ami hidrogén-peroxid szintézisét eredményezi,
• A katalázok a citotoxikus hidrogén-peroxidot (H₂O₂) vízzé és oxigénné alakítják (2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂), ami megvédi a sejtet a reaktív oxigénfajoktól,
• Bioszintetikus funkciók:
• Szteroid hormonok,
• Epesavak,
• Plazmalogén:
• A sejtmembránokban található éteres foszfolipidek egy fajtája,
• Az agy fehérállományú sejtjeire és a szívizomsejtekre specifikus,
• Katabolikus funkció: Aminosav és etanol anyagcsere.

A Zellweger-szindrómát a károsodott peroxiszóma-képződés okozza, ami a sejteken belül a citotoxikus hidrogén-peroxid felhalmozódását eredményezi.

A Refsum-betegséget az elágazó láncú zsírsavak elégtelen α-oxidációja okozza.

Az adrenoleukodisztrófiát a nagyon hosszú láncú zsírsavak elégtelen β-oxidációja okozza.

Citoszol és riboszómák

Citoszol

A citoszol, más néven mátrix, a citoplazma része, és a sejtmembrán zárja körül. A prokariótákban szinte minden anyagcserefolyamat közvetlenül a citoszolban zajlik. Az eukariótákban számos ugyanilyen folyamat a sejtorganellumokban zajlik, de ezeket membrán választja el a citoszoltól (kompartmentalizáció).

Struktúra

• Víz, oldott ionok és kismolekulák (70%),
• Fehérjék, pl. az anyagcsere folyamatokban részt vevő enzimek (30%).

Funkció

• Glikolízis, hexóz-monofoszfát sönt, glükoneogenezis,
• Nukleotidok szintézise,
• Transzláció, fehérjék lebontása,
• Hem-szintézis,
• Karbamidciklus.

A sejtmagot körülvevő citoplazma a citoszolból és a sejtszervecskékből áll.

A hemszintézis, a karbamid ciklus és a glükoneogenezis a citoplazmában és a mitokondriumokban egyaránt zajlik.

Riboszómák

A riboszómák nagy molekulakomplexek, amelyek RNS-ből és fehérjékből állnak. A citoszolban, a durva endoplazmatikus retikulum (DER) citoszol felőli oldalán és a mitokondriumokban találhatók. A riboszóma a fehérjeszintézis (transzláció) helye.

Struktúra

• Struktúra:
• RNS-ből és fehérjékből álló szemcsés részecske, amely egy kis és egy nagy alegységet alkot,
• Az egy hírvivő RNS-hez (mRNS) kapcsolódó több riboszómát poliszómának nevezzük (egyszerre több fehérje is szintetizálható egy mRNS-en),
• Tömeg: A riboszómális alegységek tömegét a szedimentációs együtthatóval (egység: Svedberg vagy S) mérik,
• Kis alegység: 40S eukariótákban, 30S prokariótákban,
• Nagy alegység: 60S eukariótákban, 50S prokariótákban,
• Teljes tömeg: 80S eukariótákban, 70S prokariótákban.

Lokalizáció

• Citoszolikus riboszómák:
• Nem kötődnek membránhoz; megtalálhatók a citoszolban lebegve (szabad riboszómák) vagy a citoszkeletonhoz kötődve,
• Számos intracelluláris fehérje szintézisének helye (pl. citoszolikus és mitokondriális fehérjék),
• Membránhoz kötött riboszómák: A DER-hez kötődnek. Ez a lizoszomális és szekretoros fehérjék szintézisének helye. A szintézist követően a fehérjéket a Golgi-apparátusban vezikulákba csomagolódnak, és a specifikus célhelyükre szállítódnak.

Funkció

• Transzláció:
• A riboszómák alkotják a fehérjeszintézis szerkezeti előfeltételeit, és katalitikusan aktívak,
• A riboszómák RNS komponensei (rRNS) kölcsönhatásba lépnek az mRNS-sel és a tRNS-sel, és katalizálják a peptidkötések kialakulását.

A citoszolikus proteinek (pl. a tubulin) szabad riboszómákon szintetizálódnak. A lizoszomális és membránfehérjék a DER riboszómáin szintetizálódnak.

Citoszkeleton

Áttekintés

• Definíció: Filamentumok (fehérjeszálak) hálózata, amely az egész citoszolon keresztül áthúzódik,
• Funkciók:
• A sejt és sejtorganellumok stabilitása és mozgása,
• A sejten belüli transzportfolyamatok,
• A sejtosztódáshoz nélkülözhetetlen,
• Struktúra:
• Filamentumok:
• Monomerekből álló hosszúkás sejtstruktúrák. A szálak hossza a sejt igényeihez igazítható. A filamentumok kovalensen kapcsolt monomerekből álló polimerek. Könnyen depolimerizálhatók az egyes komponensek szétkapcsolásával,
• A vörösvérsejtek a sejtmembránjuk citoszol felőli oldalán egy speciális citoszkeleton-filamentumot tartalmaznak, amely a spektrin nevű filamentumből áll. A spektrin más fehérjékkel (pl. band 3, az ankyrin és band 4.1 fehérjékkel) hálót alkot. A spektrin felelős a plazmamembrán alakjáért,
• Járulékos proteinek:
• Felelős a citoszkeleton különböző funkcióiért (pl. mozgás, monomerek rögzítése és leválása),
• Motorfehérjék: A filamentumok mozgásáért felelős fontos kiegészítő fehérjék.

Kongenitális szferocitózisban a vörösvértestek spektrin-alapú citoszkeletonja deficites.

Az intermedier filamentumok immunhisztokémiai tumormarkerként használhatók a daganat eredetének kimutatására.

Sejtkapcsoló struktúrák

A test sejtjei sejt-sejt és sejt-mátrix kapcsolódási pontok (junkciók) révén kapcsolódnak más sejtekhez és a környező struktúrákhoz. A kapcsolódási pontok típusa és száma a különböző sejttípusok között változik. Míg a vörösvérsejtek nem képeznek sejtkötéseket, addig a hámsejtek szorosan kapcsolódnak egymáshoz és az alapréteghez (lamina basalis).

Okklúziós junkciók

• Szoros kötés (tight junkció, zonula occludens): A hámsejtek közötti sejtközi gátat képező tömítő kapcsolat,
• Struktúra:
• Két sejt membránfehérjéi (klaudinok és okkludinok) kölcsönhatásba lépnek egymással,
• Adapterfehérjék segítségével kapcsolódnak a citoszkeleton aktin filamentumaihoz,
• Lokalizáció: Általában az apikális felszínen a hámsejtek között,
• Funkció:
• Összezárja a szomszédos hámsejteket, és ezáltal elválasztja a hám apikális és bazális oldalát,
• Megakadályozza az ionok és molekulák paracelluláris szállítását,
• Diffúziós gátként szolgál.

Kihorgonyzós junkciók

A sejtek közötti mechanikai kötések csoportja. Ilyenek például a deszmoszómák, a hemideszmoszómák és az adherens junkciók.

Adherens junkciók (zonula adherens, övdeszmoszóma)

• Leírás: Szorosan összeköti a sejteket egy szélesebb, öv alakú területen,
• Struktúra:
• A vinkulin és a katenin a sejtmembrán intracelluláris oldalán található, és összekapcsolja az intracelluláris aktin filamentumokat a transzmembrán adhéziós fehérjékkel, például a kadherinekkel (főként az E-kadherinnel),
• Kadherinek:
• Ca²⁺-függő transzmembrán fehérjék, amelyek a sejtek más sejtekhez való tapadásáért felelősek,
• A kadherinek elvesztése a daganatok metasztatikus átalakulásával jár együtt,
• Funkció: Összeköti például a hámsejteket és az endotélsejteket folyamatos, övszerű módon.

Dezmoszómák (makula adherens, folt dezmoszóma)

• Leírás: Két sejt összekapcsolása intermedier filamentumokon keresztül. A hámsejtek főként keratint, míg a kardiomiociták dezmint tartalmaznak,
• Struktúra:
• Az intermedier filamentumok intracellulárisan, a kadherinek (főként a dezmoglein és a dezmokollin) pedig extracellulárisan sugároznak a sejtmembrán citoplazmatikus oldalán elhelyezkedő dezmoszomális plakkból,
• A kadherinek két sejt dezmoszomális plakkjait kötik össze,
• Funkció:
• Elsősorban a nagy mechanikai igénybevételnek kitett sejteket (pl. hámsejtek és kardiomiociták) kötik össze,
• Pemphigus vulgaris: Dezmoglein 1 és/vagy 3 elleni autoantitestek.

Hemidezmoszóma

• Leírás: Nem köt össze két sejtet, hanem a sejteket az extracelluláris mátrixhoz rögzíti,
• Struktúra: Az integrinek összekötik az intracelluláris citoszkeletont (keratin) az bazálmembrán molekuláival (laminin, fibronectin és kollagén),
• Funkció:
• Összeköti a hámsejteket a bazálmembránal és fenntartja a bazálmembrán integritását,
• Bullous pemphigoid: Autoantitestek a hemidezmoszómák ellen.

Kommunikációs junkciók

A kommunikációs junkciók lehetővé teszik az elektromos vagy kémiai jelek átvitelét.

• Réskapcsolat (gap junkció, nexus): Két sejtet összekötő sejtközi csatornák,
• Struktúra: Két szomszédos sejt konnexonjainak kölcsönhatásából alakul ki,
• Konnexon: Hat membránon átívelő fehérjéből (connexin) áll, egy centrális pórussal,
• Előfordulás/funkció:
• Elsősorban kardiomiociták; az elektromos ingerület átvitelét szabályozzák a kardiomiocitákban, valamint a hám- és retinasejtekben,
• Kémiai kommunikáció a sejtek között szekunder hírvivő molekulákkal (pl. IP3, Ca²⁺),
• Szinapszis: Olyan területek, ahol a szignálok vagy akciós potenciálok egy preszinaptikus struktúrából egy posztszinaptikus struktúrába (pl. neuronok, izmok) továbbítódnak.

Sejtciklus

A sejtciklus azon események sorozata, amelyek a DNS-replikáció és a sejtosztódás lehetővé tételéhez szükségesek. Két szakaszra osztható: Az interfázisra és a mitózisra. Az interfázis tovább oszlik a G1 (gap 1), S (szintézis) és G2 (gap 2) fázisokra, amelyek előkészítik a sejtet az osztódásra. A mitózisban az egyetlen sejt két azonos leánysejtre osztódik. A sejtciklus szigorú kontroll alatt zajlik, amelyek megakadályozzák, hogy a sérült vagy hibás DNS-sel rendelkező sejtek tovább osztódjanak és a hibákat továbbadják a leánysejteknek. Programozott sejthalál (apoptózis) indul be, ha a DNS-károsodás irreverzibilis. E szabályozási mechanizmusok zavarai fontos szerepet játszanak a karcinogenezisben.

A sejtciklus részei

Áttekintés

• Definíció: Azon események sorozata, amelyeken keresztül a sejtnövekedés, a DNS-replikáció és a sejtosztódás végbemegy,
• Karakterisztika:
• Két fázist foglal magában: Az interfázist és a mitózist,
• Az interfázis magában foglalja továbbá a G1 fázist (gap 1), az S fázist (szintézis) és a G2 fázist (gap 2), amelyek előkészítik a sejtet az osztódásra.

Interfázis

• Definíció: A sejtosztódások közötti intervallum, amelyben a sejt felkészül a következő osztódásra,
• Időtartam: Változó,
• Az interfázis 3 fázisa (kivéve a G0 fázist):
1. G1 fázis (néhány órától hónapokig):
• RNS, fehérjék és sejtorganellumok szintézise,
• A mitózis után következik be,
• Kromoszómánként egy kromatida van jelen,
• A sejt ebben a fázisban növekszik,
• Nukleotid-kivágási javítás zajlik,
• G1 ellenőrzőpont az S fázisba lépés előtt,
2. S fázis (∼8 óra):
• A DNS-replikáció eredményeként kromoszómánként két testvérkromatida keletkezik,
• A DNS-csomagoláshoz szükséges fehérjék (különösen a hisztonok) szintézise,
• A legtöbb hibás illesztés javítása az S fázisban történik,
• Ha egyszer az S fázis elkeződik, a sejtciklus lezajlik,
3. G2 fázis (∼2-5 óra):
• A mitózishoz szükséges fehérjék további szintézise,
• A DNS-replikációs hibák javítása,
• G2 ellenőrzőpont a mitózisba lépés előtt.

G0 fázis (nyugalmi fázis)

• Definíció: Nyugalmi fázis, amelybe a sejt a sejtciklus G1 fázisból való kilépése után kerül,
• Időtartam: Változó,
• Karakterisztika:
• A G0 fázisba lépő sejtek differenciáltak, specifikus funkciókkal rendelkeznek, ezért már nem mennek át sejtosztódáson,
• A legtöbb érett szöveti sejt a G0 fázisban van,
• Bizonyos sejttípusok a G0 fázis után bizonyos ingerek hatására újra belépnek a G1 fázisba (pl. hepatocita proliferáció hepatektómia után).

Az érett szövetekben a legtöbb sejt nyugalmi fázisban van (G0 fázis). A mitózis ritka az érett differenciált.

A rosszindulatú daganatok egyik jellemzője a magas mitotikus ráta és a tumorsejtek dedifferenciálódása (azaz a magas mitotikus rátával rendelkező, kevésbé differenciált sejtekké való átalakulás).

M fázis

• Definíció: A sejtosztódás folyamata a DNS szétosztásától a sejttest kettéválásáig,
• Időtartama: ∼1 óra (a sejtciklus legrövidebb fázisa).

Mitózis

• Definíció: A sejtciklus utolsó fázisa, a DNS replikációját követően,
• 5 fázisa van:
1. Profázis:
• Kromoszóma kondenzáció,
• Centroszóma-szétválás: A centroszóma a mitotikus orsó kiindulópontja. Két centriolából és egy körülötte lévő mátrixból áll, amelyből a mikrotubulusok erednek,
• A mitotikus orsó kialakulása: A két kromoszóma a progresszív kondenzáció eredményeként látható. A testvérkromatidák a centroméránál kapcsolódnak össze. A két centroszóma a sejt ellentétes pólusaihoz vándorol, és mikrotubulusok gyűlnek össze közöttük (poláris mikrotubulusok),
2. Prometafázis:
• A magmembrán lebomlása kis vezikulákká és a sejtközötti vezikulák tárolása,
• A mitotikus orsó kialakulásának befejezése,
3. Metafázis: A kromoszómák maximális kondenzációja, amelyek a sejt ekvatoriális síkja mentén igazodnak egymáshoz. Mivel a magmembrán lebomlik, a mitotikus orsó hozzáfér a kromoszómákhoz. Számos mikrotubulus a dinein motorfehérje segítségével kapcsolódik a kromoszómákhoz. Ezeket a mikrotubulusokat kinetochor-mikrotubulusoknak is nevezik,
4. Anafázis:
• A testvérkromatidák szétválása a centromérában a szeparáz enzim általi kohézió feloldása miatt,
• A sejt megnyúlása,
5. Telofázis:
• A kromoszómák dekondenzációja,
• A mitotikus orsó dezintegrációja,
• Új magmembrán képződése,
• A sejttestek osztódása az ekvatoriális síkban,
• Riboszomális RNS (rRNS) szintézise,
• Mitotikus index: A mitózisban lévő sejtek számának aránya az adott populációban lévő összes sejthez viszonyítva (pl. 1000 sejtre vagy a minta mikroszkópikus területére vetítve).

A mitotikus orsó megfelelő működése a kromoszómák szállításának előfeltétele. Az orsó-toxinnal történő gátlás a mitózis és ezzel a sejtosztódás leállásához vezet. Az orsó-toxinok közé tartozik a kolhicin, amely gátolja a mikrotubulusok polimerizációját, valamint a vinka-alkaloidok és a taxánok.

Citokinézis

• Definíció: A sejt citoplazmájának két új sejttestre történő osztódása,
• Karakterisztika:
• Általában az anafázis végén kezdődik,
• A citoplazma és a sejtorganellumok szétoszlanak a két új sejt között,
• Az új sejtek mindegyike tartalmazza a testvérkromatidák egy-egy példányát.

Reguláció

A sejtciklus szabályozásának alapelvei

• S fázis iniciáció:
• Bizonyos növekedési faktorok (pl. inzulin, EGF, EPO, PDGF) a tirozinkináz-receptorokhoz kötődve serkentik a sejtet, hogy a G1 fázisból az S fázisba lépjen,
• Az epidermális növekedési faktor gátlók (EGFRi), mint például az erlotinib (nem kissejtes tüdőráknál használt) és a cetuximab (vastagbélráknál és fej-nyakráknál használt) gátolják a sejt G1 fázisból az S fázisba való átmenetét,
• Ciklinfüggő kináz (CDK):
• Az inaktív kináz egy típusa, amelyet aktiválni kell ahhoz, hogy a sejtciklus egyik fázisából a másikba való átmenet lehetővé váljon,
• A teljes sejtciklus alatt jelen van,
• Aktiválódik a ciklinekhez való ködőtés után (ciklin-CDK komplex),
• A ciklinfüggő kinázgátló fehérjék (CDKI-k) gátolják, ha a genomban hibát észlelnek,
• Ciklinek:
• Szabályozó fehérjék egy csoportja, amelyek aktiválják a CDK-kat, és ezért fontos szerepet játszanak a sejtciklus szabályozásában,
• A sejtciklus egyes fázisaihoz specifikus ciklinek tartoznak,
• Ciklin-CDK komplexek:
• Egyfajta enzimatikus funkcióval rendelkező fehérjekomplex, amely más fehérjéket foszforilál, hogy szabályozza a sejtciklus előrehaladását,
• A sejtciklus fiziológiás progressziója a ciklin-CDK komplexek megfelelő aktiválódásától és deaktiválódásától függ a specifikus ellenőrző pontokon,
• Tumor szuppresszorok:
• Fehérjék egy csoportja, amelyek megállítják és modifikálják (pl. javítják vagy apoptózist indukálnak) a rendellenes genommal rendelkező sejtek sejtciklusát,
• A DNS-mutációk hibás tumorszupresszor génekhez vezethetnek, amelyek lehetővé teszik a sejtek kontrollálatlan osztódását,
• Példák:
• BRCA-1/BRCA-2 (DNS-javító fehérjék): Mellrákkal összefüggésbe hozható hiba,
• NF1: Az 1-es típusú neurofibromatózissal kapcsolatos hiba,
• p53: A Li-Fraumeni szindrómához társuló hiba,
• APC: A familiáris adenomatózus polipózissal összefüggő hiba,
• pRb: A retinoblasztómával összefüggő hiba.

A p53 tumorszuppresszor megakadályozza, hogy a genetikai hibás sejtek a sejtciklus S fázisába lépjenek.

A tumorszupresszor gének mutációi kontrollálatlan proliferációt eredményeznek. Fontos példa erre a Li-Fraumeni szindróma, amely a p53 tumorszupresszor gén mutációjából ered.

Fontos és tranziens pontok

• Definíció: A sejtciklus ellenőrzőpontja egy meghatározott időpont, amely az egyik sejtciklus fázisból a másikba való átmenetet jelzi, amely során a sejt aktuális állapota felülvizsgálódik (azaz, ha a következő fázisba való átmenet minden követelménye teljesül),
• Ha a DNS hibás vagy sérült, a sejtciklus leállhat a DNS javítása érdekében,
• Apoptózis indul be, ha a DNS-károsodás nem reparálható.

G1 ellenőrzőpont

• Definíció: A sejtosztódás ellenőrző pontja a G1 fázisban, amely korlátozza az S fázisba való belépést,
• Karakterisztika:
• Szabályozza a sejt mag-citoplazma arányát, az elegendő tápanyagszintet és a DNS-károsodást,
• A növekedési faktorok feloldják az ellenőrzőpontot,
• Az ellenőrzőponton áthaladó sejtek elköteleződnek az osztódásra,
• Ennek az ellenőrzőpontnak a diszfunkciója (pl. a p53 funkciójának elvesztése miatt) nem kontrollált sejtosztódáshoz vezet,
• Reguláció:
• Ciklin D/Cdk4 komplex:
• Szabályozó fehérjekomplex, amely a pRb inaktiválásával elindítja a DNS-replikációt,
• A ciklin D/CDK4 komplex foszforilálja a pRb-t → a pRb inaktiválása → a korábban megkötött E2F transzkripciós faktor felszabadulása → a DNS-replikációhoz szükséges gének átírása,
• p53 tumor szuppresszor:
• Egy fehérje, amely a pRb aktiválásával gátolja a DNS-replikációt, és a irreverzibilis DNS-károsodással rendelkező sejtek apoptózisát indítja el (a "genom őrzőjének" nevezik),
• DNS-károsodás → fehérje kinázok aktiválása → a p53 foszforilációja → p21 aktiváció → Cdks gátlása → pRb Cdk-mediált foszforilációjának gátlása → pRb aktiváció és az E2F transzkripciós faktor kötődése → sejtmegállás a G1 fázisban (nem lép be az S fázisba),
• A p27 fehérje (egy foszfoprotein, amely a ciklin/ciklinfüggő kináz komplexek gátlásával megakadályozza a sejtciklus progresszióját) aktiválása ugyanezen az eseménysorozathoz vezet,
• Minden sejtben jelen van, de folyamatos ubikvitiláción és degradáción megy keresztül,
• A foszforilált p53 már nem tud ubikvitilálódni és lebomlani, így szabadon működhet transzkripciós faktorként,
• A Bcl-2 család proapoptotikus aktív fehérjéi, mint például a Bax és a Bad.

Az Rb gén mutációi a sejtciklus diszregulációjához és ezáltal a retina tumorsejtjeinek korlátlan növekedéséhez vezetnek (pl. retinoblasztóma).

G2 ellenőrzőpont

• Definíció: A sejtosztódás ellenőrző pontja a G2 fázisban,
• Karakterisztika:
• Ellenőrzi a DNS-károsodást és a DNS-replikáció teljességét,
• Különböző fehérjék (pl. hisztonok) foszforilációjával elindítja a mitózist,
• Szintén fontos szabályozója a több sejt szinkronizált sejtosztódásának.
• Reguláció: Mitózist promotáló faktor (MPF), amely Cdk1-ből és ciklin B-ből áll.

M ellenőrzőpont (orsó ellenőrzőpont)

• Definíció: A mitózis metafázisa és anafázisa közötti ellenőrző pont,
• Karakterisztika: Biztosítja a kromoszómák és a testvérkromatidák helyes igazodását az ekvatoriális síkban a testvérkromatidák szétválása előtt.

A sejtek típusai