Buněčný cyklus a buněčná smrt

Biologie I

Buněčný cyklus a buněčná smrt ► Funkce buněčného dělení ► Struktura chromosomu ► Buněčný cyklus

► Mitoza ► Kontrola buněčného cyklu ► Programovaná buněčná smrt

Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se Funkce: Růst a vývoj

100 µm

Dělící se Amoeba (nepohlavní rozmnožování prvoka) = dva samostatné organismy

Obnova tkání/pletiv 200 µm

Embryo krátce po prvním dělení oplozeného vajíčka.

20 µm

Kmenová buňka kostní dřeně – nové buňky dají vzniknout diferencovaným krvinkám

► Výsledkem jsou geneticky identické dceřiné buňky ► Buňky zdvojí svůj genetický materiál ► Před rozdělením buňka (několikrát) kontroluje, zda dceřiné buňky získají přesné kopie genomu

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Reprodukce

Reprodukce prokaryot ►(jeden cirkulární) bakteriální chromosom se replikuje ► buňka roste a dosahuje přibližně dvojnásobku původnívelikosti

Rozmonožování bakterií jednoduchým dělením uprostřed buňky

► tvorba přepážky – nová cytoplasmatická membrána + buněčná stěna separují genomy (a tím dceřiné buňky)

chromosom

počátek replikace

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Replikace začíná v jednom místě (počátek replikace). Chromosomy jsou v jednom bodě připojeny k cytoplasmatické membráně a s růstem buňky dochází k jejich separaci.

Buněčné dělení eukaryot … je mnohem komplikovanější proces:

► počet chromosomů v somatických buňkách většiny eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50.

► Homologní chromosomy ► mají stejný vzhled

homologní chromosomy

(délka, umístnění centromery, barvení)

► Kontrolují stejné vlastnosti

(obecně stejné pořadí genů)

centromera

► Mohou nést různé fromy jednoho genu (alely)


► Nehomologní chromosomy ► Odlišný vzhled ► Kontrolují odlišné vlastnosti

(nesou různé geny)

Pohlavní chromosomy ► Podle tvaru mitotického chromosomu X a Y a určují pohlaví: - typ Drosophila (i člověk): XX = samičí / ženské, XY = samčí / mužské - typ Abraxas (např. ptáci): XY = samičí, XX = samčí - typ Protenor (rovnořídlý hmyz): XX = samičí, X0 = samčí

Eukaryotní chromosom před rozdělením buňky ► Před rozdělením zdvojení chromosomů = vznik sesterských chromatid spojených v oblasti centromery Nesesterské chromatidy

zdvojení (replikace)

sesterské chromatidy dva chromosomy

sesterské chromatidy

dva zdvojené chromosomy

► Následuje kondenzace chromosomů (chromosomy se sbalí se do „zhuštěné“ podoby)


centromera

Struktura chromosomu eukaryot - nukleosomy ► komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny =


Nukleosom – základní jednotka sbalování chromatinu

Proteinové jádro z histonů (H2A, H2B, H3, H4)2

► DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra, délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí ► vyšší úrovně sbalování DNA → kondenzace chromatinu

Struktura chromosomu eukaryot – vyšší

úrovně sbalování

Nukleosom jako „korálek“ (bead) napojení histonu H1 mimo nukleosom napomáhá dalšímu svinutí

nukleosomy

30-nm chromatinové vlákno

kostra z nehistonových proteinů jako lešení (scaffold) smyčkové domény


metafázní chromosom

Typy chromosomů telomera p = petite (malý)

Metacentrický

raménko p

Submetacentrický

centromera

q = v abecedě po „p“

raménko q telomera

Akrocentrický

sesterská chromatida

Telocentrický


Telomera - ochrana konců chromosomů (proteiny) - brání rekombinaci s jinými chromosomy - zamezuje/omezuje zkracování chromosomu při replikaci mitotické

interfázní

Centromera ► Zúžení na kondenzovaném chromosomu (oblast se specifikými repetitivními sekvencemi)

► Místo spojení sesterkých chromatid ► Na centromeře se uskupí proteinové disky kinetochory ► Kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů (pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky) metafázní chromosom

oblast centromery kinetochora kinetochorové microtubuly (svazek)



Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se Fáze buněčného cyklu • Interfáze Buňka roste, vytváří proteiny, zmnožuje /zvětšuje organely

mitoza metapro-

anatelo-

fáze

– G1 – (growth) buňka roste

– S – navíc replikace (Syntéza) chromosomů

– G2 – rychlejší růst, – příprava na dělení

interfáze (G1, S, G2) mitoza (M) cytokineze (C)

• M - mitoza • C - cytokineze Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

... u prokaryot mitoza chybí


Děje těsně před mitozou

Živočišná buňka barvy:

Konec fáze G2

-chromosomy -mikrotubuly -mikrofiilamenta

• Zdvojení centrosomů (centrioly charakteristické pro živočišné buňky)

• Výrazné jádro se zdvojenými chromosomy (zůstávají v nekondenzovaném stavu)

• Zjevné jadérko (či dvě)

G2GFÁZE INTERFÁZE 2 OF INTERPHASE

centrosomy (s cetriolami)

chromosomy (zdvojené)

• Od centrosomů se paprsčitě rozbíhají mikrotubuly (astrosféra)

jadérko

jaderný obal

cytoplasmatická membrána

Mitoza ► Každá buňka získává kopii každého chromosomu

(jednu ze sesterských chromatid)

► Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou interfáze

prometafáze profáze metafáze anafáze

telofáze

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

• Zivočichové a rostliny během mitozy dochází k „rozpadu“ buněčného obalu

• Houby a (někteří) prvoci mitoza probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí

Animalia & Plantae

• Kondenzace chromosomů,

chromosomy viditelné jako dvě spojené sesterké chromatidy • Mizí jadérka • Prodlužováním mikrotubulů z obou centrosomů se začíná vytvářet mitotické vřeténko

PROFÁZE

časné mitotické vřeténko

astrosféra centromera

• Centrosomy se pohybují k opačným pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly) • Maturace kinetochor

chromosom (vždy dvě sesterské chromatidy)

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

1. Profáze

Animalia & Plantae

• Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů) • Napojování kinetochorových mikrotubulů na zralé kinetochory • Vzájemná interakce nekinetochorových mikrotubulů

rozpad jadené laminy

PROMETAFÁZE

fragmenty jaderného obalu

po fosforylaci laminů

pól vřeténka Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

kinetochora nekinetochor. mikrotubuly

kinetochorové mikrotubuly


2. Prometafáze

Animalia & Plantae

• Centrosomy na opačných stranách buňky • Kinetochory sesterských chromatid napojeny na mikrotubuly (ve skutečnosti svazek mikrotubulů) vycházející opačných pólů mitotického vřeténka METAFÁZE

• Chromosomy se shromažďují v metafázové destičce stejně vzdálené od pólů vřeténka

metafázová destička

• Metafáze je nejdelší fází mitozy Po kontrole připojení všech chromatid na mikrotubuly je aktivován tzv. APC (anaphase promoting complex) Pojmenování mitotické (dělící) vřeténko odkazuje na tvar aparátu

vřeténko

centrosom na pólu vřeténka


3. Metafáze

Mitotické vřeténko

chromosomys

astrosféra centrosom metafázová destička kinetochory

nekinetochorové mikrotubuly centrosom

1 µm

kinetochorové mikrotubuly

0.5 µm

•

Kinetochorové mikrotubuly pohybují chromosomy a ustavují centromery všech chromosomů v jedné rovině (metafázová destička) následně se budou zkracovat a oddělovat sesterské chromatidy

•

Astrosféra krátké microtubuly směřující k cytoplasmatické membráně (živočichové - zpevňuje aparát při „smršťování vřeténka retrakci; rostliny mají rigidní buněčnou stěnu)

•

Nekinetochorové mikrotubuly se překrývají a následně se budou prodlužovat a tím připívat k „transportu“ chromatid


mikrotubuly


Animalia & Plantae

• Fyzické rozdělení sesterských chromatid = vznik nezávislých dceřiných chromosomů • Uvolněné chromosomy se pohybují k opačným pólům rychlostí ~ 0,5 až 1 µm/min • Anafáze končí když je na opačných kocích buňky kompletní sada chromosomů

ANAFÁZE

• Anafáze je nejkratší fází mitozy Při anafázi se • kinetochorové mikrotubuly zkracují • nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují, živočišná buňka se protahuje dceřiné chromosomy


4. Anafáze


Kinetochorové mikrotubuly pohyb chromosomu

mikrotubulus

molekulový motor

kinetochora

- chromosom tažen motorem podél mikrotubulu - uvolňovaný + konec depolymeruje

tubuliny (volné) chromosom

mechanismus

Nekinetochorové mikrotubuly mikrotubulus

označení - laser

molekulový motor

+ konec se prodlužuje tubulin

- vzájemný posun zprostředkován molekulovým motorem experiment

•Nekinetochorové mikrotub. se dále prodlužují a připtavují buňku na cytokinezi a téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi

• • • • •

Zánik mitotického vřeténka Tvoří se jaderné obaly Chromosomy despiralizují Znovu se utváří jadérko Konec mitosy

TELOPHASE CYTOKINESIS TELOFÁZEAND A CYTOKINEZE dělící rýha

Profáze – rozpad ER, Golgiho útvaru a jaderné membrány na membránové váčky

Telofáze – i) znovuutváření ER, ii) Golgiho útvaru (z původních váčků a ER) iii) a jaderného obaly (z původních váčků a ER)

tvorba jaderného obalu

tvorba jadérka


5. Telofáze

Animalia & Plantae

Telofáze znovuutváření jaderného obalu

de novo

přejímání membrány

(i)

fúze membrán a utvoření póru vnější membrána

vnitřní membrána



Cytokineze

Nitrobuněčný sval

100 µm

váčky z Gogliho a. buněčná 1 µm fragmoplast pro stavbu nové stěna stěny (pektiny) nová b. stěna

dceřiné buňky dceřiné buňky

Rýhování živočišné buňky

Tvorba buněčné stěny rostlin


dělící rýha

jako první se vytváří střední lamela

Pravděpodobný vývoj mitozy Chromosom Chromosomy připojeny k plasmatické membráně

prokaryota chromosomy Chromosomy připojeny k vniřní jaderné membráně

mikrotubuly

Mikrotubuly prostupující tunely v jaderném obalu udržují jádro ve správné pozici, protahují buňky

evoluce (?)

obrněnky (Protista)

jaderný obal celistvý

kinetochora+ mikrotubulus Uvnitř intaktního jádra se vytváří mitotické vřeténko, protahuje jádro

jaderný obal celistvý

Chromosomy připojeny k mikrotubulům rozsivky (Protista)

kinetochora+ mikrotubulus centrosom fragmenty jaderného obalu Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

většina eukaryot („klasická“ mitoza)

► a může nastat další kolo cyklu Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit:

Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace (oblasti s geny, které nejsou exprimovány)

Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčmímu aparátu.

jádro

jadérko

heterochromatin je viditelný jako granule uvnitř jádra

► a nebo taky ne •

G0 je stadium buňky mimo buněčný cyklus

•

Některé buňky přechází dočasně z G0 do buněčného cyklu (např. hepatocytes)

•

Jiné (neurony) stráví život v G0

život v cyklu

rakovinná buňka

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

život v G0

Řízení buněčného cyklu

► Cyklin-dependentní protein kinasy (Cdk) řídí buněčný cyklus ► Cdk jsou bez cyklinů neaktivní ► Cycliny navigují Cdk na cíle

MPF mitosis-promoting factor komplex Cdk:cyklin)


Poškozená DNA → ukončení cyklu v G1 fázi


Kontrolní bod v G2

detailněji

► Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu) interfáze

mitoza


mitoza

(i)

interfáze

aktivita MPF koncentrace M-cyklinu

► M cyclin a Cdk vytváří MPF (zůstává v neaktivní formě – fosforylace v inaktivačním místě)

► Aktivní MPF: fosforylace v aktivačním místě (a defosforylace v inaktivačním místě) inaktivní MPF

inhibující kinasa inhibující fosfát

aktivující fosfatasa

M-cylkin

mitotická Cdk

aktivační kinasa

aktivující fosfát

aktivní MPF


inaktivní MPF

Kontrolní bod v G2 detailněji

► Hladina aktivovaného MPF během G2 roste do prahové hodnoty → → spuštění mitozy

(i)

► Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta, and proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka ► nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu → snižování konc. MPF

→ procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy Beck et al. 2012. doi:10.1073/pnas.1213333109

M-cyklin Cdk

ubikvitinylace

aktivní MPF

ubikvitiny (Ubi)

destrukce M-cyklinu

6x a-

inaktivace Cdk

inaktivní Cdk

• označení M-cyklinu (kovalentně) ubiquitinem (zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC]) → proteolyza v proteasomu Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

12x bpodjednotky

6x a-

Proteasom komplex proteinů (26S) -cytoplasmatický -jaderný Funkce Ubi-protein → rozbalení → hydrolýza v póru z b podjednotek (mitoza, stres, apoptosa)

Apoptoza - programovaná buněčná smrt •

Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky)

•

Ontogeneze – tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk

interdigitální mezenchym

apoptoza (role lysozomů)

vývoj prstů


porucha fce lysozomů Tay-Sachsova nemoc

Maturace nervového systému tělo neuronu

apoptoza neuronů

neurony

smrt „přebytečných“ neuronů

axon

terčové buňky

sjednocení počtu neuronů a terčových buněk

„survival“ faktor uvolněný buňkami Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

Apoptoza není NEKROZA -pasivní proces s rychlým nástupem doprovázený zánětem -patologický proces způsobený fyzikálně-chemický traumatem, infekcí -postihuje mnoho buněk tkáně / pletiva NEKROZA

trauma

rozpad buněčných struktur b. spoje mitochondrie jádro

voda

buňky a organely botnají chromatin kondenzuje memnrána poškozena

Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier

lyze buněk, nástup fagocytů, zánět

APOPTOZA:

-aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem -vyžaduje energii -nepůsobí zánět buňka prudce „imploduje“, chromatin dále kondenzuje

APOPTOZA

b. spoje mitochondrie jádro přeruší se b. spoje začíná kondenzovat chromatin

buněčné fragmenty uzavřeny ve apoptických váčcích

buňka se smrští, chromatin kondenzuje okolo okraje jádra

apoptické váčky jsou fagocytovány okolními buňkami a makrofágy

b. spoj

Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier

Kaspasy: specializované proteasy aktivované v apoptoze • Kaspasy jsou přítomny jako neaktivní monomery – prokaspasy • Prokaspasy se aktivují po přiblížení (agregaci) na organizujících proteinech • Naštěpení proteinu vede ke změně konformace → aktivní kaspasa → aktivace dalších kaspas – proteolyza

aktivace prokaspas štěpením řetězce

inaktivní prokaspasa

jedna aktivní iniciační kaspasa

aktivní kaspasa velká podjednotka

místa štěpení

kaspasová kaskáda

malá podj.

velké množství exekučních kaspas

štěpení aktivní kaspasa domény ‘pro’

štěpení proteinů cytoplasmy


štěpení jaderných laminů

Vnitřní (mitochondriální) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasa 9)


(i)

Vnější (receptorová) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasy 8 nebo 10)


(i)

Centromera

Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

(i)

Buněčný cyklus a buněčná smrt

Recommend Documents