BUŇKA, TKÁŇ, ORGANISMUS; BUNĚČNÁ SIGNALIZACE Pro pochopení složitých dějů, kterými se zabývá biologie člověka, je v následující kapitole uveden zjednodušený přehled o dějích na buněčné úrovni. Najdete zde stručné porovnání stavby a funkce buňky dvou typů organismů a to prokaryot a eukaryot. Jako zástupce prokaryot jsou uvedeny základní charakteristiky baktérií, popis eukaryotní buňky, a jejich vyšší organizace je zaměřený na lidský organismus. Buňka je základní stavební a funkční jednotka živých soustav, základní stavební jednotka těl všech živých organismů. Organismy mohou existovat jako jednobuněčné organismy (např. baktérie), jiné organismy jsou mnohobuněčné, kdy různé typy buněk mají odlišné specializované funkce. Věda, která se zabývá všemi jevy na buněčné úrovni se nazývá cytologie. Během vývoje mnohobuněčných organismů dochází k buněčné diferenciaci (a to zejména represí a aktivací genů), při které vznikají různé typy buněk, které jsou nezbytné pro existenci mnohobuněčného organismu jako celku. Některé vlastnosti jsou společné pro všechny typy buněk (obecné vlastnosti buněk). Je to jednotný princip chemického složení, stejný princip struktury, stejné základní biochemické procesy. Buňky procházejí obdobím, kdy se množí a jsou ve fázi metabolické aktivity.
o k jednotkami vyšších organismů. Tkáně jsou základem stavby orgánů, z orgánů ja vznikají é a k r c orgánové soustavy, které pak tvoří organismus. i to g u Chemické složení buňky a lo o m 60% - 90% buňky tvoří voda. Sušina, která vznikne odpařením vody, obsahuje 1n - 10% l e h á s c i kyseliny). a a nukleové anorganických látek a látky organické (bílkoviny, sacharidy, tuky r l te e í h t o a Voda slouží především jako rozpouštědlo. Většinu láteku přijímá buňka ve k vodných roztocích, en o m ic ř í s š í protože většina reakcí v buňce probíhá ve vodě. Pouze výjimečně přijímá fagocytózou pevné e jn m í s š i e l í částice. Ve vodě jsou některé molekuly disociovány na ionty, které pak vstupují do dalších a no ž ud ch d u á biochemických reakcí. Voda také funguje y . a st akumulátor. lo jakoýtepelný z l s á osekvencí e m k Bílkoviny jsou makromolekulárnít sloučeniny tvořené aminokyselin. Základních k v z a n š ra elů z e ko ékódu); aminokyselin je dvacet (viz tabulka genetického jejich pořadí (sekvence) a zastoupení e č P k m ň j l ú o u kódovanou) vstrukturu bílkovin. a Molekuly bílkovin p s vytváří primární (geneticky specifickou k r o y m o o d buněčných V struktur.nýVšechnyutenzymy, které zajišťují d jsou stavební součástí všech o v buňce, jsourůbílkoviny. Bílkoviny a při regulaci buněčných ji majíuvýznam treakce biochemické o n k e tí hormony as jsou bílkovinné povahy), při ob regulacež(některé procesůTjako je např. hormonální i l h iu u u d o so u p t s o ez h e b k Je
Soubory stejných typů buněk se nazývají tkáně (viz dále). Tkáně jsou základními stavebními
regulaci buněčné proliferace růstovými faktory a jejich specifickými receptory, účastní se při imunitní ochraně organismu (protilátky) atp. Bílkoviny jsou štěpeny enzymy (proteasami). Nukleové kyseliny jsou další základní makromolekulární molekulou živých organismů (viz Molekulární genetika). Obecná struktura buňky Na každé buňce můžeme rozlišovat buněčné povrchy, cytoplasmu a jádro. Buněčné povrchy tvoří zejména plasmatická membrána. Uzavírá obsah buňky a zprostředkovává kontakt s okolím, např. aktivním transportem nebo osmózou. Je polopropustná (semipermeabilní). Plasmatická membrána je tvořena lipidovou dvouvrstvou, do které jsou zabudovány různé bílkoviny. Její funkcí je regulovat příjem a výdej látek, regulovat chování buňky podle podnětů z prostředí. Cytoplasma je strukturovaná vodní emulze tvořící vnitřní prostředí buňky. Obsahuje: a) buněčné struktury - plasmatické organely (viz dále). b) cytoskeletární aparát tvořený mikrovlákny aktinu a mikrotubuly. Cytoskelet udržuje tvar buněk a tvoří dráhy pro pohyb molekul nebo útvarů
uvnitř buněk (např. ventriklů,
chromosomů). c) buněčné inkluze - látky zásobní (bílkoviny, tuky, škrob) a látky odpadové (soli, pigmenty)
o k Žádné buňky nemohou vzniknout jinak než rozdělením buňky mateřské, kterája předává é a k r c dceřiné buňce geneticky zakódovanou informaci týkající se opětné reprodukce a funkce i to g u buňky (viz Molekulární genetika). V buňkách probíhají chemické proměny a látek. Buňky lo o m l n reagují na vnější podněty. e h á s c i tvlastností Buňky dělíme podle toho, zda obsahují buněčné jádro laa podle r dalších na e e í h t n o a u prokaryotické a eukaryotické. Na pomezí živého a neživého světa se vyskytují viry. Virové e o m ick ř í s š í závislé. partikule jsou na buňkách prokaryot a nebo eukaryot e existenčně í n m s j š l o í di h e Prokaryota a ž d án u yc ubuněčnéstjádro. Prokaryota jsou organismy, které nemají o a l ý z l e. s á o t m k Do této skupiny organismů patří archebaktérie, k aazsinice.lůJsou to jednobuněčné a n kov é šbaktérie e z r čea eukaryotní organismy, které mohou tvořit kolonie. Při k srovnání P prokaryotní buňky se e m ň j l ú o u buněk p s zaměříme na obecnýkpopis baktérií, kterévumožnily vznikramnoha molekulárně o y m uplatnily, o Tyto o mimo jiné, i ve d technologie t ý V se významně d genetických technologií. u in a o procesech. rů j t farmaceutických o n k su e b í T baktérií lze osledovat např. mutagenní Na klonech it húčinky la látek (viz mutace, mutageny). ž u i např. restrikční u endonukleasy, u Některé bakteriální d enzymy, mají nezastupitelný význam pro o o s u p t s o ez h e b k Je Cytosol je vysoce koncentrovaný roztok bílkovin, ve kterém nejsou přítomné organely.
genové inženýrství; umožnily např. vývoj nepřímé diagnostiky v rodinách s výskytem monogenně děděných chorob (viz Molekulární genetika – RFLP) nebo konstrukci rekombinantní DNA. Používají se pro klonování DNA, uchovávání DNA v DNA knihovnách atp. Genom baktérií je haploidní, tzn. že obsahuje jeden (nepárový) chromosom. Prokaryotní buňka na rozdíl od jaderných chromosomů eukaryot obsahuje jediný hlavní kruhový chromosom s jednou douvláknovou molekulou DNA. Cirkulární chromosom obvykle neobsahuje histony. Chromosom baktérií není ohraničen vůči cytoplasmě biomembránou, nemá centromeru, je připevněný k buněčné membráně a spolu s proteiny tvoří nukleoid. Většina genů baktérie je pouze v jedné kopii. Geny bakterií neobsahují uvnitř genu nekódující sekvence (introny – viz Molekulární genetika). Bakteriální mRNA není po transkripci modifikována (viz Molekulární genetika - posttranskripční modifikace mRNA u eukaryot). Pouze geny pro ribosomální RNA (rRNA) jsou ve více kopiích. Ribosomy bakterií jsou menší než ribosomy eukaryotních buněk. Baktérie mohou mít ještě další genetickou informaci uloženou v plasmidech. Plasmidy obsahují malé kruhovité molekuly DNA, které se replikují nezávisle na bakteriálním chromosomu. Nesou variabilní genetické informace, tyto informace nejsou pro baktérii životně nezbytné. Jde ale o informace, které mohou existenci
o k ja pillu umožňují konjugaci s jinou baktérií tím, že iniciují vytvoření pohlavního é a k r c (cytoplasmatický můstek) a tím umožní přenos genetické informace mezi baktériemi. i to g u Můstkem prochází jedno vlákno dvoušroubovice DNA plasmidu F. a V obou buňkách po lo o mkomplementarity nbasí) a konjugaci dojde k semikonzervativní replikaci DNA (na základě l e h á s c a eri te k opětnému vzniku dvoušroubovice DNA v plasmidu. l í h genetického t oinženýrství n a u Plasmidy baktérií jsou využívány jako jeden z nástrojů (viz e o m ick ř í s š Molekulární genetika). e j ní m í s š i he struktury (tzn.,ažel chybío í na dmembránové Obecně platí, že cytoplasma baktérií je chudá ž c baktérií vnitřní n d systém u stu v cytoplasmě á organely). Mimo jednoduchých váčkůlo se nevyskytuje y a z l e. s á o ý t m membrán. Chybí i cytoskelet. n kov é šk raz elů zak e U prokaryot a některých primitivních eukaryot se nevyskytuje meiotickéedělení. Baktérie č P k m ň j l ú o u v a p s se rozmnožují nepohlavně, tj. dělením. Po replikaci chromosomálního materiálu se k o r y m o o d a vzniknou t se velmi rychle a ýbuňky.uMnoží V dvě dceřiné d cytoplasma rozdělí cytokinezí n i apřípadech existuje u baktérií rů populace.kVjněkterých tovytvoří mnohamilionové v krátké době o n u e b íději. Jelatoskonjugace (viz výše), transformace t přenos T genetické informaceotzv. parasexuálními i ž uh u i u a transdukce. d o so u p t s o ez h e b k Je baktérie zvýhodnit jako například vznik rezistence k antibiotikům. Plasmidy F (fertilizační)
Transformace je přenos volné DNA do bakteriální buňky. Jde o aktivní proces závislý na membránových receptorech, enzymové výbavě baktérie a velikosti DNA, která může být následně integrována do bakteriálního chromosomu. Transdukce je přenos genetické informace bakteriofágy. Po infekci baktérie bakteriofágem dochází k integraci vnesené genetické informace (genom bakteriofága) do bakteriálního chromosomu. DNA bakteriofága může být z bakteriálního chromosomu opět vyštěpena a virus opustí buňku. Při nepřesném vyštěpení může virus získat i úsek bakteriální DNA a při následné infekci další baktérie přenést část DNA původního hostitele do jiné baktérie. Eukaryota Mezi eukaryotní organismy se řadí houby, rostliny a živočichové (jednobuněční i mnohobuněční). Zásadní odlišnost mezi buňkami eukaryot a prokaryot je v přítomnosti buněčného jádra (nukleus) v eukaryotních buňkách. V jádře je, mimo jiné, lokalizováno jedno nebo více jadérek (nukleolus) a lineární chromosomy (s lineárními molekulami DNA). Chromosomy obsahují jako nezbytnou součást své struktury centromeru a telomery (viz Cytogenetika). Jadérko, které nemá jaderný obal, slouží k syntéze ribosomální RNA. Nukleus je od cytoplasmy oddělen jadernou membránou. Vnitřní struktura genů je členěna na kódující
o k a posttranskripčními úpravami (viz Molekulární genetika). V cytoplasmě jsou jpřítomné é a k r c organely a cytoskeletární aparát. i to g u Druhý zásadní rozdíl mezi prokaryotními a eukaryotními organismyase týká buněčného lo o m je dělení n dělení. U eukaryot existují dva typy dělení – mitóza a meióza. Mitóza somatických l e h á s c i u eukaryot a Meióza buněk a zajišťuje vznik geneticky identických buněk dceřiných. r l te slouží ní e h t u a ko k sexuální reprodukci (viz buněčné dělení). e o ř m c í s i š Eukaryotní buňka e j ní m í s š i souborně e membránováasoustava l o í nazýváme Všechny organely membránového charakteru h d ž c pochodů, kterédse v buňce n uorganizaci u lepší t á buňky. Vnitřní systém membrán umožňuje o y a s l ý z l e. s á o t m k odehrávají. Biomembrány plasmatických organel a bílkovin. z fosfolipidů a n kov éobsahují šk molekuly ů a l e z r V jedné e buňce Mitochondrie jsou drobné tyčinkovité až vláknité útvary. jich může být e č P k m ň j l ú o u tisíc. pJsou tvořeny v membránou. rVnější a biomembrána s několik stovek až desítek dvojitou k o y m o o d zřasena t přehrádky - kristy. ý členité V a vytváří neúplné d tvoří obal, vnitřní je bohatě u n o a a zároveň kristy zvětšují ji reakce růpro různé chemické toddělené Vznikají tak prostory o n u k e tí matrix. asMitochondrie jsou semiautonomní ob prostor se žnazývá možnouTreakční plochu. Vnitřní i l h iu se uvolňujeouenergieozuchemických organely. V mitochondriích látek (z živin) - jsou to tedy d s u p t s o ez h e b k Je (exony) a nekódující (introny) sekvence. mRNA je po transkripci modifikována
energetická centra buňky. Genom mitochondrií (mtDNA) se podobá genomu bakterií, mtDNA je cirkulární dvouvláknová molekula. Mitochondrie se staly buněčnými organelami během
evolučních
procesů
na
základě
původní
symbiózy
eukaryotních
buněk
s archebaktériemi. Geny lokalizované v mtDNA kódují zejména enzymy Krebsova cyklu, dále enzymy katalyzující procesy buněčného dýchání (terminální oxidace a cyklická fosforylace, oxidativní získávání energie) a geny pro molekuly mitochondriální tRNA. Mitochondriální DNA je děděna pouze od matky (maternální typ dědičnosti) prostřednictvím cytoplasmy vajíčka. Jejich distribuce do gamet je nahodilá. Mitochondriální dědičnost se neřídí Mendelovými zákony. Endoplasmatické retikulum je systém navzájem propojených membrán, které tvoří váčky obvykle v blízkosti jádra. Hrubé endoplasmatické retikulum má k membráně přisedlé ribosomy. Funkcí hrubého retikula je proteosyntéza. Hladké endoplasmatické retikulum (bez ribosómů) zajišťuje syntézu lipidů a glykogenu. Golgiho systém je soustava velkých zploštělých měchýřků s množstvím malých měchýřků na periferii. Probíhá zde řada biochemických procesů, dochází zde např. k vazbě cukrů na lipidy nebo proteiny a tvorbě škrobu a úpravě látek, které jsou z buňky vyměšovány. Endoplasmatické retikulum a Golgiho systém jsou syntetická centra buňky.
o k ja hydrolytickou funkcí. é a k r c Cytoskeletální aparát je soustava bílkovinných vláken. Vlákna jsou uspořádána do svazků. i to g u Mikrofilamenta slouží k pohybu buňky, váčků v buňce a vnitřních abuněčných struktur. lo o m během n Mikrotubuly tvoří bičíky, brvy a dělící vřeténko. Dělící vřeténkoevzniká buněčného l h á s c i pólům dělení, transportuje chromosomy eukaryotních buněk la k protilehlým r te buňky. ní e h t u a ko Intermediární filamenta mají podpůrné a vyztužovací funkce. e o ř m c í s i š í ms jadernými póry, íkteré Jádro je ohraničeno dvouvrstvou membránou (jaderným e jnobalem) s š i he(zejména RNA).aHlavním l o í makromolekul pomocí speciálních bílkovin umožňují transport d ž c a nehistonového n d typu). u stu histonového á obsahem jádra je chromatin (komplexlo DNA a bílkovin y a z l e. s á o ý t m kodlišitelné Chromatin je spiralizován během buněčného z morfologicky a n kov é cyklu šk aratvoří ů l e z chromosomy. V jádře je jedno nebo více jadérek, složených ze bílkovinea RNA. Jádro č P k m ň j l ú o u v a p s uchovává většinu genetické informace eukaryotní buňky. k o r y m o o d t ý V d U eukaryotních organismů se během evoluce vyvinulngenetický program buněk, který řídí u ů i o a j r jejich funkce. t diferenciaci aoreguluje jejich proliferaci, n u realizaci se podílejí nukleové k Nasjeho e b í o rRNA) a proteiny. T(DNA, mRNA, tRNA, kyseliny it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J
Lysosomy jsou malé měchýřky, které obsahují převážně enzymy s proteolytickou a
Legenda
o k ja é a cytoplasma; 12) lysosomy; 13) centrioly (viz Buněčné dělení) k r c i to g u o a l o U vyšších organismů dochází k buněčné diferenciaci. Buněčná diferenciace je proces, kdy m l n e h á s se nezralá buňka (primordiální buňky) vyvíjí do různých buněčných typů. Specializované c a eri te l - – orgány. ní t organizace buňky se seskupují, vzájemně na sebe působí, tvoří tkáně ah vyšší stupně o a u k a mohou seíře o informaci m c Všechny buňky organismu obsahují shodnou genetickou (DNA) s i š í m e mají í n s j š diferencovat do jakéhokoliv typu buněk. Lidské buňky v každé buňce veškeré genetické l o í di h e a ž c genů. To znamená, d ánže u jen yurčitých u funkce informace, ale liší se tím, že využívají t o a s zTento l ztrátuegenetické . sl genů, á diferencované buňky mají odlišnou expresi ne však informace. o ý t m k k jev se nazývá totipotence. en kov é š Praz čelů e za kzachovává m buňkylň si stále j prostřednictvím Jádro i plně diferencované schopnost řídit ú o u v a p s k o až do stadia r y kompletníhoýjedince. m o genetické informaceo vývoj buněk d t V n au somatické buňky celý ů vytvořit zjidiferencované o d je tedy schopnost Totipotence tbuněk r o totipotence ísekrozvíjejísuobory zabývající se klonováním nNa základě fenoménu e b organismus. o T it hla ž u (viz dále). i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J 1) jadérko; 2) jádro; 3) ribosom; 4) vesikuly; 5) drsné endoplasmatické retikulum; 6) Golgiho
aparát; 7) cytoskelet; 8) hladké endoplasmatické retikulum; 9) mitochondrie; 10) vakuoly; 11)
Kmenové buňky jsou nediferencované nebo méně specializované buňky, mají zachovanou schopnost pozdější diferenciace. Rozlišujeme dva typy kmenových buněk. Embryonální kmenové buňky (např. získané ze spontánně potracených embryí nebo pupečníkové krve) je možné v in vitro podmínkách ovlivnit a přeměnit na specifické buňky (viz dále), např. nervové, svalové, krevní a jiné. V současné době se rozvíjí výzkum léčby jinak nevyléčitelných chorob pomocí transplantace kmenových buněk. Tento směr výzkumu a následného využití v terapii nese vedle technických problémů celou řadu problémů etických. U dospělého jedince jsou kmenové buňky přítomny v různých tkáních. Například v kostní dřeni jsou běžně přítomné a zajišťují plynulou krvetvorbu. Velkým překvapením bylo zjištění, že kmenové buňky existují i v mozku dospělého člověka, zatímco donedávna platilo, že neurony dospělého jedince postupně ubývají a nenahrazují se. V současnosti je známo, že čichové nervové buňky a buňky oblasti mozku zvané hipokampus tvoří nové obnovující se kmenové buňky. Buněčná diferenciace, proliferace a veškerá koordinace buněčných pochodů zabezpečující existenci mnohobuněčného organismu je zajištěna působením celé kaskády různých signálních molekul. Buněčná signalizace
o k ja signalizační systém. Mezibuněčná signalizace je složitý proces, který je zprostředkováván é a k r c různorodými signálními molekulami. Buňky jsou vystaveny působení velkého množství i to g u různých signálních molekul v mnoha různorodých kombinacích. a V buňkách vyšších lo o m l prostředí n organismů existuje mnohastupňový systém přenosu signálu z extracelulárního e h á s c i nebo tnitrobuněčné do jádra. Signalizační systém zahrnuje signální molekuly,la povrchové r e e í h t n o a receptory, proteinkinasy, proteinfosfatasy, G-proteiny, u ATP a další molekuly. Buňky jsou e o m ick ř í s š í reagovat geneticky naprogramovány tak, že mohou na signální selektivně podle e molekuly í n m s j š i je většinou e schopná reagovat l nao í buňka vývojového stádia organismu a typu buněk.žCílová a h d csignální molekuly ds receptorem n u vazba u přisčemž t á signální molekuly prostřednictvím receptorů, o y a l ý z l e. s á o t m k je vysoce specifická. Receptory jsou lokalizovány k amembráně z lůnebo nitrobuněčně. a n kov énašbuněčné e z r čenebo difúzí Endogenní signální molekuly jsou uvolňoványkz buněk exocytózou plasmatickou e P m ň j l ú o urychléhop uvolňování v molekuly exocytózou a můžeme uvést s membránou. Jako příklad signální k r o y m o o d při poškození t infekci žírnými buňkami ýpři lokální V tkání nebo d histamin. Je převážně uvolňován u n a se stanou prostupné pro ji cévy,u které rů místní krevní to pojivové. Rozšiřuje (mastocyty)ntkáně o k skrvinky. e b í aj.) a bílé t a sérové T proteiny (protilátky,osložky komplementu i l ž uh u i u Signální molekuly mohou (např. léky, složky potravin). d mít též exogenní o původ o s u p t s o ez h e b k Je U mnohobuněčných organismů zajišťuje koordinaci pochodů v organismu komplexní
Schematické znázornění buněčné membrány: Světle šedě jsou znázorněny fosfolipidové molekuly s hydrofóbními (lipidickými) částmi; sdružují se a vytvářejí horizontální útvar, na základě kterého vzniká membrána. Na povrchu membrány jsou fosfátové části molekuly a další hydrofilní části molekul (v obrázku jsou vyznačeny různými výraznými barvami.
Charakteristika signálních substancí
o k ja (např. k receptorům plasmatické membrány. Mezi hydrofilní látky patří některé hormony é a k r c inzulín a glukagon, růstové hormony) a růstové faktory. Mezi hydrofilní signální to molekuly gi u také patří aminokyseliny, nukleotidy anebo katecholaminy. Katecholaminy (dopamin, a lo o m l Jejich hhlavním n adrenalin, noradrenalin) jsou přenašeči nervových vzruchů na esynapsích. á s c i te a řečiště. r zdrojem jsou buňky dřeně nadledvin, které je uvolňují do krevního l e í uhpřežitíatbuněk,koproteosyntézu Růstové faktory jsou signální molekuly nezbytnéopro a en ř m c í s i š í buněčný růst. Mohou řídit diferenciaci buněk veprůběhu embryogeneze, jejich vyzrávání, í s ijn em š l í migraci i funkci v závislosti na vlivech okolního a no h faktory jsou produkovány d Růstové ž prostředí. c d u u t ly a lymfocyty anebo buňkami á různými typy buněk; například makrofágy, lo ý sgranulocyty z . s á o zcévy). e Často tpojivové m k k to jsou produkty mesenchymálního původu (buňky tkáně,šsvalstvo, v a n o é apatří i eněkteré lů hormony. e alekmezi z Mohou r protoonkogenů (viz Onkogenetika), růstové faktory e č P k m ň j l smembránovým ú o u v a p působit teprve v komplexu se specifickým receptorem, který má enzymovou k o r y m o o d V faktory především t buňky k proliferaci. ý stimulují d aktivitu. Jejich účinek je různorodý. Růstové u n i a rů inhibovatk j(např. to Mohou alen i buněčnou proliferaci buněčnou proliferaci inhibuje o u í lasnebývá podnícena pouze jediným t obbeta – TGF-β). Te růstový faktor i transformující Proliferace ž uh u i u růstovým faktorem,d je to výsledek účinku kombinace několika odlišných růstových o specifické o s u p t s o ez h e b k Je
Lipofóbní signální molekuly (hydrofilní) jsou rozpustné ve vodě a většinou se připojují
faktorů vážících se na různé receptory. Působí jak specificky, tak pleiotropně – to znamená, na více místech a úrovních organismu. Vybrané příklady růstových faktorů: Růstové faktory odvozené od krevních destiček (PDGF – platelet-derived growth factor) tvoří rodinu růstových faktorů, kdy protoonkogeny, které je kódují jsou lokalizovány na různých chromosomech; PDGFA – chromosom 7p22, PDGFB – chromosom 22q13, PDGFC – chromosom 4q32. Jejich produkty navzájem kooperují a mají pleiotropní účinky. Jsou převážně uvolňovány z krevních destiček, ale i z jiných hematopoietických a epiteliálních buněk. Stimulují buněčnou proliferaci fibroblastů, buněk hladké svaloviny, neurogliálních buněk atp. Mají významnou úlohu v průběhu embryonálního vývoje a při hojení ran. Erythropoietin (EPO) je specificky působící růstový faktor, který ovlivňuje pouze proliferaci prekursorů erytrocytů. Jeho zdrojem jsou buňky ledvin a hepatocyty. Cévní endoteliální růstový faktor (VEGF – vascular endotheliar growth factor; gen lokalizován na chromosomu 6p21) existuje v několika isoformách v důsledku odlišného sestřihu mRNA (viz Molekulární genetika). Jednotlivé isoformy podporují angiogenezu, růst endoteliálních buněk, permeabilizaci cévních stěn. Aktivita genu VEGF je regulována jinými růstovými faktory (např. EGF2), cytokiny
(např. interleukiny – IL-8), gonadotropiny
o k jabuněk. Epidermální růstový faktor (EGF) stimuluje proliferaci epidermálních a dalších a ké Fibroblastové růstové faktory (FGF) podněcují proliferaci fibroblastůorchondrocytů, ic t u og stimulují angiogenezu. Členové rodiny nervových růstových faktorů (NGF) podporují a l o m n přežití a růst neuronů. Gliový růstový faktor (GGF) stimuluje proliferaci Schwanových e iál ch s a buněk a astrocytů. l ter -te í h n o a u Interleukiny (IL1 až IL23) je heterogenní skupina faktorů, které regulují rozličné stránky e o m ick ř í s š vývoje a aktivace leukocytů. e j ní m í s š i substancemi e do nitra abuňky l seo í signálními Na převodu signálu vyvolaného lipofóbními h d ž c receptory, které n d aktivují u ykanály, uJsou tostiontové á podílejí tři typy membránových receptorů. o a l ý z l e. s á o t m k(viz dále G proteiny (GTP-vázající regulační proteiny) z lů aktivitou a n kov a éreceptory šk rsaenzymovou e z e je Receptory). č P k m ň o v ve vodě ú(jsou hydrofóbní). u jsoupltéměř nerozpustné a s Lipofilní signální substance Mezi tyto k r o y m o o d hormony t androgeny, estrogeny ý kortikoidy, V (gestageny, d molekuly patří například steroidní u n avitamíny (např. vitamín D) jiněkteré rů (thyroxin), to thyroidní ohormony a prostaglandiny), n u k s vzniká z vitaminu A1. Jako tí laretinová ob A - retinolu).žiKyselina Te (deriváty vitamínu a retinoidy h obratlovců. iu význam během u u lokální mediátor mád zejména ontogeneze o so u p t s o ez h e b k Je (pohlavní hormon tvořený v podvěsku mozkovém), molekulami NO atp.
Mezi lipofilní signální molekuly patří i některé malé molekuly jako je např. oxid dusnatý (NO) a oxid uhelnatý (CO). Tyto molekuly snadno procházející plasmatickou membránou. NO a CO jsou malé hydrofóbní molekuly, které snadno prostupují buněčnou membránou cílových buněk a váží se v ní na specifické nitrobuněčné receptory. Typickým příkladem je účinek NO na endoteliální buňky cévních stěn jako odezva na působení acetylcholinu na sousedící buňky hladké svaloviny cév. Acetylcholin přenáší nervový vzruch a odezvou je relaxace endoteliálních buněk cévních stěn, kterou vyvolá NO. Na stejném principu je založen rychlý účinek nitroglycerinu u pacientů s anginou pectoris. Nitroglycerin je v organismu rychle rozložen a uvolněný NO relaxuje a roztahuje krevní cévy v srdci a tak zvyšuje průtok krve k srdeční svalovině. NO se také podílí při nespecifické obraně organismu proti mikrobiální infekci. Je lokálně produkován makrofágy a neutrofily, které byly aktivovány mikrobiální infekcí. Na rozdíl od těchto malých molekul jsou hormony z buněk endokrinní žlázy (žláza s vnitřní sekrecí) uvolňovány do krevního řečiště. V krvi se reverzibilní vazbou připojují na bílkovinné nosiče a jsou přemístěny z místa vzniku k cílovým buňkám. Teprve zde jsou od bílkovinného nosiče uvolněny a do cílové buňky pak vstoupí plasmatickou membránou prostou difúzí. V buňce se reversibilně váží ke specifickým nitrobuněčným receptorům.
o k ja být v popředí zájmu farmakologického výzkumu. Léčba některých onemocnění by mohla é a k r c právě založena na zásahu do regulace buněčné signalizace. i to g u Přenos signálu a lo o m l se kterou n jsou Přenos signálu mezi buňkami závisí na vzdálenosti, rychlosti aeselektivitě, h á s c a eri te signální molekuly dopravovány z místa sekrece k cílovým buňkám. l í hv bezprostřední t oblízkosti n a u 1. Lokální signalizace. Signální molekuly mohou působí svého e o m ick ř í s š vzniku, mluvíme pak o autokrinní nebo parakrinníesignalizaci.í í n m s j š i hbuněk, e které samyaprodukují l o í sdreceptory Autokrinní signalizace je vazba signálníchžmolekul c téhož typu. Přidparakrinní n u buněk u sousedních t á tuto signální substanci, nebo s receptory o y a s l ý z l e. s á o t m k Jde o signalizaci jde o signalizaci mezi sousedními typu. k aleazjiného lbuněčného a n kov buňkami, š ů e z r molekul é signálních e okolními signalizaci, kdy dochází k rychlému zachycení cílovými e č P k m ň j l ú o u molekula v okamžitě komplex a s receptorem, je p s buňkami. Pokud signální nevytvoří téměř k r o y m o o d V ý ut d rozložena extracelulárními enzymy. n o a při buněčné diferenciaci ji uplatňuje rů se významně Autokrinnínit parakrinní typ o signalizace u k e í las t ob během T časného stádia ontogeneze. i ž uh u i u 2. Přímá mezibuněčná d komunikacep-ogap junction o s u t s o ez h e b k Je V současné době pochopení funkce a struktury růstových faktorů a jejich receptorů je
Přímá mezibuněčná komunikace je zprostředkována spojením plazmatické membrány sousedících buněk a vytvořením úzkých kanálků (gap junction). Tím je umožněna výměna malých intracelulárních molekul jako jsou Ca2+ a cyklický 3', 5'-adenosinmonofosfát (cAMP). Tento způsob buněčné signalizace má zejména velký význam v průběhu embryonálního vývoje živočichů. 3. Synaptické signalizace Typickým příkladem je přenos signálních molekul zvaných neurotransmitery (přenašeči vzruchu na synapsích) mezi presynaptickým zakončením axonu a postsynaptickou cílovou buňkou. Prostor, ve kterém k synapsi dochází, se nazývá prostor chemické synapse. Nachází se zde konec axonu v těsném kontaktu s receptory cílové buňky. Těsný kontakt axonu a cílové buňky umožňuje velice rychlý přenos neurotransmiteru (v milisekundách, i rychleji). Neurotransmitery působí jako lokální mediátory s parakrinním typem signalizace. Různé neurony uvolňují vždy tytéž neurotransmitery, ale cílové buňky reagují specifickým způsobem v závislosti na jejich typu. Neurotransmiterů je vylučováno velké množství, ale receptory cílových buněk k nim mají nízkou afinitu, což umožňuje při ukončení odpovědi rychlou disociaci neurotransmiteru z receptoru. 4. Endokrinní signalizace
o k ja je přenášeny vázané na bílkoviny a působí tak i na velké vzdálenosti od místa sekrece. Přenos é a k r c pomalý, koncentrace hormonů je přenosem snížena. Jelikož hormony mohou působit i ve i to g u velmi nízkých koncentracích, snížení koncentrace přenosem na větší a vzdálenost onenílo m l n překážkou pro jejich působení. e h á s c a eri te Receptory l - (ligandy). ní h at molekuly o Receptory jsou proteiny, které jsou schopny specifickyuvázat signální e o m ick ř í s š í receptory), Jsou uloženy buď v plasmatických membránách e (membránové v cytosolu anebo í n m s j š i Membránové e receptory lzealrozdělito íreceptory). v některých případech i v jádře (nitrobuněčné h d ž c G proteinůda receptory n u sspojené tu lsyaktivací á na tři základní typy: iontové kanály, lreceptory o a z . s á o ý e t m s enzymovou aktivitou. n kov é šk raz elů zak e 1. Iontové kanály m lň ok v P úč je u a s Iontové kanály se knacházejípv plasmatických membránách elektricky vzrušivých r o y m o o d rychlou t Signální látky, které se V synaptickounýsignalizaci. postsynaptických d buněk. Zajišťují u asignální molekuly přechodně ji Tyto rů neurotransmitery. toreceptorům jsouopřevážně vážou k těmto n u k e uzavírají iontové tí dráždivost as buněčných membrán. ob kanály a tímžmění Tnebo otevírají i l h iu u u d o so u p t s o ez h e b k Je Buňky endokrinních žláz většinou uvolňují hormony do krevního řečiště. Hormony jsou krví
Základem pro podráždění nervové buňky a i pro vedení nervového vzruchu je fenomén, že hladina sodíku a draslíku není uvnitř a vně buňky rovnoměrně rozdělena. Na vnitřní straně buněčné membrány se udržuje vyšší hladina draslíku a nižší hladina sodíku, na vnější straně buněčné membrány je to naopak. Při podráždění dochází k náhlé propustnosti buněčné membrány nervové buňky a sodné ionty proudí dovnitř buňky za vzniku akčního potenciálu. 2. Receptory spojené s aktivací G proteinů Všechny receptory spojené s aktivací G proteinů (GTP-vázající regulační proteiny – viz Onkogenetika - protoonkogeny) jsou evolučně příbuzné a mají obdobnou strukturu. Jsou tvořeny jediným polypeptidovým řetězcem, který se skládá ze tří částí: (i) z části uložené vně plasmatické membrány, (ii) části prostupující plasmatickou membránou a (iii) části uložené uvnitř buňky. K vnější části se váže signální molekula, která mění stavbu receptoru a aktivuje ho. K vnitřní (cytoplasmatické) části se po aktivaci receptoru váží G proteiny. G proteiny převádějí signál od receptoru k signálním molekulám v buňce. Na následujícím schématu pro představu o průběhu buněčné signalizace ukazujeme signální dráhu, kdy signální molekula EGF (epidermální růstový faktor) se váže se specifickým receptorem (EGFR), mění jeho stavbu a tím se aktivuje signální dráha (kaskáda dějů) spojená s aktivací G proteinu. Po aktivaci receptoru je uvolněn GDP vázaný k RAS (produkt
o k ja aktivuje RAS, ten předá signál fosforylací RAF – první v kaskádě MAP-kinas – mitogeny é a k r c aktivované proteinkinasy (fosforylace ve schématu viz „P-“). Tato signální dráha vede v jádře i to g u k aktivaci genů časné odpovědi jako např. MYC. Jejich produkty jsou transkripčních faktory a lo o m lbuněk. hn pro další geny, které následně regulují konkrétní kroky vedoucí k proliferaci e as eriá tec Obrázek převzat z otevřené encyklopedie Wikipedia. l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J protoonkogenu c-ras, který se podílí na regulaci buněčné proliferace) a naváže se GTP. GTP
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š 3. Membránové receptory s enzymovou aktivitou e j ní m í s š i pro ligandy e ležící na zevní l straněo í oblastí Jsou to transmembránové proteiny s vazebnou a h d ž c receptoru a aktivuje n d ho.áNa u měnístuuspořádání plasmatické membrány. Vazba s ligandem o y a l ý z l e. s á o t m kenzymů vnitřní straně membrány dochází k přenosu k aktivací z nitrobuněčných a n kov signálu š ů a l e z r a diferenciačních é růstových e je faktorů. proteinkinas. Jde o receptory, které se váží s většinou č P k m ň l so v ú ra u tkání. p Stručný výčet typů a k funkce mfunkcí,tonebo i soubor tvarově i o dopodobných ý Vy buněk s určitou Tkáň je soubor d morfologicky n au ů i o j r t funkčně odlišných n buněk, kdybojeden typ buněkí jekzákladní ua další typ buněk má podpůrný s e o T charakter. it hla ž u u ou Příklady typů tkání:di o p zs tu s o e h b e ke J
Epitel (krycí tkáň) je soubor těsně k sobě přiléhajících buněk. Pokrývá vnější nebo vnitřní povrchy. Vyskytuje se ve většině žláz (játra, pankreas, štítná žláza atp.). Specializované epitely jsou např. neuroepitel, který má smyslovou funkci nebo epitelová síťovina v thymu (retikulum), která má funkci podpůrnou. Podle tvaru buněk dělíme epitel na plochý (dlaždicovitý), kubický, cylindrický. Podle funkce pak na krycí, řasinkovitý smyslový, pigmentový, žlázový. Pojivová tkáň má mechanickou a podpůrnou funkci. Obsahuje velké množství mezibuněčné hmoty. Za pojivovou tkáň mohou být považovány i tělní tekutiny, tzn. krev a lymfa. Svalová tkáň je tvořena buňkami, které mají v cytoplasmě vláknité struktury (myofibrily) umožňující kontrakci buněk. Svalová tkáň se vyskytuje v organismu člověka ve formě hladké svalové tkáně jako je např. svalovina vnitřních orgánů, stěn cév, nebo jako svalovina příčně pruhovaná (kosterní svalovina, srdeční svalovina). Nervová tkáň je tvořena neurony a neurogliemi. Neurony jsou odpovědné za funkci nervové tkáně. Jsou vysoce specializované. Přijímají, zpracovávají a vysílají vzruchy. Neuroglie zajišťují ochranu a výživu neuronů a plní podpůrnou funkci. Velikost buněk je v jednotlivých tkáních přibližně stejná. Je omezená fyzikálními zákonitostmi jako např. poměrem povrchu a objemu.
o k ja(mimo Eukaryotní buňka je za určitých podmínek schopna samostatné existence ex vivo é a k r c organismus). i to g u Primární kultury buněk jsou odvozené přímo z odňatého kousku tkáně a (excize). Rostou lo o mplast –l Petrihohnmiska, buď v jedné vrstvě (monolayer) na podložním materiálu (sklo, e á ec roztoku as erv ikultivačním kultivační lahev atp.) nebo v suspenzi. Primární kultury lze ludržovat t í h t n o a u (médium) jen po omezenou dobu. Během kultivace ztrácejí diferenciační charakteristiky e o m ick ř í s í pasážováním tkáně, ze které vznikly. Kontinuální kultury jsou (přenášenímšdo e udržované í n m s j š i e l í nového kultivačního prostředí). Mají limitovaný počet pasáží (30 – 50), dochází u nicho a h d ž c n d u u (stárnutí). t á postupem času k tzv. replikativní senescenci Udržují si určitý stupeň diferenciace. o y a s l ý z l e. s á o t m kdiploidní Jak primokultury, tak kontinuální kultury odvozené z tkánílůzachovávají a n kov é šodk zdravých a e z r če j e počet chromosomů bez přestaveb (viz cytogenetika). P k m ň l sotkání na vrozdíl od výše ú uvedených u od nádorových a kultivací nebo p Nádorové buňky odvozené k r o y m o o d Vna buňky normální ý majíutv podmínkách in vitro d získané po působení kancerogenů n i a jzměněna. růchromosomů bývá to Počet i struktura neomezenýnrůst. o u k í las t ob Te i ž uh u i u d o so u p t s o ez h e b k Je Buněčné kultury
Kultivace in vitro probíhá za sterilních a definovaných nutričních podmínek (definované typy médií), při řízené teplotě (nejčastěji 37 oC) a v atmosféře (5 – 7% CO2). Kultury lze uchovávat dlouhodobě zmrazené (méně než -135 oC) v médiu obohaceném kryoprotektivy. Buněčné kultury jsou nezastupitelným materiálem pro různá vyšetření z oblasti medicíny, např. cytogenetická vyšetření počtu chromosomů a vyšetření chromosomálních přestaveb. Slouží jako jeden z nástrojů při testování možných genotoxických (poškození geonomu na chromosomální i molekulární úrovni) a cytotoxických účinků (zástava buněčného dělení, apoptóza nebo nekróza) nově vyvíjených farmak (viz testování mutagenních a teratogenních účinků). Klonování Nejprve několik obecných poznámek. Klon je chápán na buněčné úrovni jako skupina (populace) geneticky identických buněk (tedy i molekul DNA), které vznikly rozmnožením jediné buňky. Klonování můžeme chápat jako: a) pěstování geneticky identických buněk nebo organismů in vitro; b) přenos geneticky plně vybaveného jádra z tělesné (somatické) buňky do vajíčka zbaveného vlastního jádra, které se pak dále vyvíjí jako embryo. Touto asexuální reprodukcí lze získat geneticky identické jedince;
o k ja modifikovaných buněk (zejména baktérií nebo kvasinek); é a k r c d) nepohlavní množení rostlin. i to g u Z pohledu lidské populace nás zajímá klonování reprodukční a klonováníaterapeutické. lo o m1996l narozením novce Klonování reprodukční bylo poprvé oficiálně představeno v e roce h á s c i tzopakováno. a méněerúspěšně Dolly a od té doby bylo několikrát u různých živočichů více nebo e l í h t n o a u Při reprodukčním klonování je genetický materiál vajíčka odstraněn a nahrazen genetickým e o m ick ř í s š í Geneticky materiálem dospělého zvířete (získaném ze somatické upravené vajíčko e buňky). í n m s j š ise v nového e jedince. Reprodukční l o (pre-embryo) je implantováno do dělohyžía vyvíjí a h d n dpostnatální u ytakc pro plod i jeho u organismus t á klonování není bez rizika jak pro mateřský o a s l ý z l e. s á o t m k proces přežívání. Ke klonování jedince je potřeba kmnožství z pokusůlů než jezacelý n kov velké š a e r v rovině e diskusí úspěšný. Reprodukční klonování člověka jeké v současnosti o etických e č P m ň j l ú o ujasné, jestli v nepředvídatelnými a fyzickými nebo p s důsledcích. Není např. by klony netrpěly k r o y m o o d V ý ut d duševním problémy. n i o akmenových buněk. Kmenové rů pre-embryakkjprodukci Klonováníntterapeutické je o využití u s e tí seladiferencovat ob(univerzální) ža imohou buňkyT jsou nediferencované do různých typů buněk. h u i uovlivnit. uMohou z nich vzniknout buňky nervové, Jejich diferenciaci d je možné v laboratoři o o p zs tu s o e h b e ke J c) produkce DNA cestou genových manipulací spojených s množením geneticky
svalové, krevní atp. Je možné je též využít k náhradě poškozených, nefunkčních buněk v různých orgánech. Perspektivně se uvažuje i o využití k léčbě určitých onemocnění. Pro terapeutické klonování lze aplikovat vajíčko ženy (oocyt), ze kterého bylo odstraněno jádro a zaměněno jádrem somatické buňky člověka (např. buňky kůže), který má být léčen. Zárodečná buňka se dělí a vytvoří blastocytu složenou z trofoblastu a embryoblastu. Z embryoblastu se pak získávají kmenové buňky. Pomocí diferenciačních faktorů lze ovlivnit vznik žádaného typu buněk (např. nervovou tkáň). Nově vzniklá tkáň bude geneticky shodná s tkání dárce jádra (pacienta) a tím by byla odstraněna imunitní reakce, která je problémem při transplantacích (viz imunogenetika). Pro terapeutické klonování lze využít i aktivovaná vajíčka uchovávaná na pracovištích, kde se provádí oplodnění in vitro. Klonování lidských embryonálních buněk je zatím stále etickým problémem a v mnoha zemích je tento výzkum omezen legislativou. Klonování kmenových buněk dospělého jedince nebo i potracených embryí je, na rozdíl od využití aktivovaných vajíček, z hlediska etiky a legislativy možné.
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e h b e ke J
