Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek 2008

ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE

Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek 2008 UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Přírodovědecká fakulta, 2008

Projekt „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“, v rámci kterého je tato příručka vydána, je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta

Nobelovy ceny 21. století Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek

Olomouc 2008

Univerzita Palackého v Olomouci

http://atraktivnibiologie.upol.cz doc. RNDr. Eva Matalová, Ph.D. [email protected] RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D. [email protected] prof. MVDr. Jaroslav Doubek, CSc. [email protected] Ústav fyziologie, Veterinární a farmaceutická univerzita Brno www.vfu.cz Ústav živočišné fyziologie a genetiky Akademie věd ČR, Brno www.iapg.cas.cz Mendelianum, Moravské zemské muzeum www.mzm.cz Katedra zoologie, Univerzita Palackého, Olomouc www.upol.cz

1. vydání © Eva Matalová, Ivana Fellnerová, Jaroslav Doudek, 2008 ISBN 978-80-244-1948-0

Dostává se vám do rukou publikace „Nobelovy ceny 21. století“, která je součástí propagace projektu ESF „Aktivní začlenění SŠ pedagogů do tvorby a využití multimediálních výukových programů v biologii“ (CZ.04.I.03/3.2.15.2/0270). Cílem tohoto projektu je: • Modernizace a zatraktivnění výuky biologie na SŠ • Rozvoj osobní motivace a schopností SŠ pedagogů v oblasti využívání multimediální techniky ve výuce biologie • Vytvoření široké funkční komunikační sítě mezi pedagogy napříč moravskými SŠ a prohloubení spolupráce mezi SŠ a VŠ, integrované Přírodovědeckou fakultou UP v Olomouci. Výuka moderní biologie dnes stojí před obtížným úkolem, jak studentům objasnit složité funkční a vývojové vztahy, které se neobejdou bez poznatků molekulární a buněčné biologie. Procesy, které probíhají na této úrovni, jsou velmi abstraktní a obtížně představitelné. Abstraktní rovina učiva v kombinaci s jednotvárností výuky velmi ztěžuje pochopení a zapamatovatelnost látky. Studenti pak snadno ztrácejí motivaci a zájem o předmět, což se zpětně odráží ve zhoršených studijních výsledcích. Náš projektový tým se snaží přispět ke zlepšení této situace ve dvou základních směrech: • Pořádáme cyklus bezplatných instruktážních kurzů „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“ (*), ve kterých zájemce učíme, jak efektivně využívat, resp. modifikovat a rozšiřovat multimediální výukové prezentace (**). Kurz je díky dotacím ESF a MŠMT bezplatný, stejně jako veškeré školicí a propagační materiály (*) pro všechny registrované účastníky kurzu. V rámci tohoto projektu je kurz určen pro SŠ pedagogy. Vzhledem k velkému zájmu o kurz bychom chtěli uspořádat jeho opakování pro nové zájemce, resp. pokračující v kurzu pro absolventy první série. Cílovou skupinu lze rozšířit i na SŠ a VŠ studenty, popř. širší veřejnost. Také počítáme s rozšířením instruktáže o poslední verzi PowerPoint 2007. Pokud máte zájem o základní, resp. pokračující kurz, registrujte se na projektových webových stránkách: http://atraktivnibiologie.upol.cz/. • Druhým krokem k naplnění projektových cílů je vytvoření sady 40 variabilních MULTIMEDIÁLNÍCH VÝUKOVÝCH PREZENTACÍ (**) využitelných při výuce biologie na SŠ, resp. VŠ. Prezentace jsou pro registrované účastníky kurzu Atraktivní biologie zdarma. Publikace „Nobelovy ceny 21. století“ poskytuje stručný a přitom názorný výklad Nobelových cen za medicínu/fyziologii, resp. chemii, doposud udělených v novém 3

století. Přehled o oceněných tématech a jejich porozumění patří ke všeobecným znalostem biologicky zaměřených pedagogů. Přitom Nobelovy ceny v biomedicínských oborech jsou čím dál častěji udělovány za objasnění složitých procesů probíhajících na molekulární úrovni. Porozumět jim není pro laika jednoduché. Díky názorným ilustracím a výstižnému popisu jsou přehledně a srozumitelně vysvětleny i značně komplikovaná abstraktní témata. Mnohé z těchto informací lze dobře využít k doplnění výuky biologie jak na SŠ, tak na VŠ. I když je publikace „Nobelovy ceny 21. století“ určena především pro účastníky kurzu „Atraktivní biologie“, věříme, že bude vítanou pomůckou i mnoha dalším zájemcům, kteří se snaží udržet krok s rychle se rozšiřujícími znalostmi moderní biologie. Autorský kolektiv

4

(*) Kurz „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“ Prezenční forma kurzu „Atraktivní biologie “ probíhá na školicích pracovištích v Olomouci a Brně. Skupiny 10–12 účastníků absolvují společný úvodní blok vedený VŠ lektorem. Následuje individuální část, kdy každý účastník pracuje na vlastním počítači (poskytnutém organizátory kurzu) za stálé asistence osobního konzultanta. Následuje šestiměsíční distanční forma kurzu, během které jsou školitelé připraveni odpovídat elektronicky, popř. telefonicky na dotazy absolventů kurzu. Absolventi kurzu obdrží zdarma řadu školicích a propagačních materiálů: CD nosiče se 40 multimediálními programy ve čtyřech základních oblastech středoškolské biologie

Zjednodušený, vysoce názorný obrazový manuál pro sestavování multimediálních prezentací v programu Microsoft Office PowerPoint XP Professional 2003

Projektové propagační materiály doplněné zajímavými tématy z různých oblastí biologie

5

(**) MULTIMEDIÁLNÍ VÝUKOVÉ PREZENTACE Jde o vysoce názorné a didakticky promyšlené PowerPoint prezentace, využívající především efektních názorných animací v kombinaci s obrázky, mikroa makrofotografiemi, videosekvencemi a hypertextovými odkazy vč. propojení na relevantní internetové stránky. Prezentace jsou velmi snadno ovladatelné a nevyžadují žádné speciální technické vybavení ani zdlouhavé vzdělávání v oblasti počítačové technologie. Jsou vysoce variabilní, s možností aktualizace a doplnění. Jsou multifunkční, lze je použít jako základ nebo doplněk výuky s ohledem na individuální požadavky školy, úroveň a zaměření studentů a pojetí učiva pedagogem. Jsou sestavovány otevřeným týmem VŠ odborníků, který vítá jakékoli nové, zajímavé podněty a příspěvky externích spolupracovníků.

HYPERTEXTOVÉ odkazy (ppt, Word, Excel aj. soubory)

http://www...

VIDEO (DVD)

FOTO (makro, mikro)

multimediální

(střihové sekvence, textový a zvukový komentář ))

PowerPoint prezentace

ANIMACE (různé grafické programy: Flash, Corel aj.)

OBRÁZKY DIAGRAMY (výukové, procvičovací a testové)

(kresba, scan, kombinace s animacemi)

Prezentace multimediálních programů probíhají např. v rámci výročních konferencí Fyziologické dny, Pedagogický software, „Olomoucké dny antropologie a biologie“ , Mendel Forum, NSTA konference (USA). Pro aktuální podrobnější informace sledujte projektové webové stránky http://atraktivnibiologie.upol.cz

6

Nobelovy ceny 21. století Udělování Nobelových cen probíhá již od roku 1901, pět let po smrti Alfreda Nobela. Ten v roce 1895 založil nadaci určenou na odměňování osobností, které dosáhly významných objevů v oblasti fyziologie nebo medicíny, fyziky, chemie, literatury a míru. O udělení ceny rozhodují na přání Alfreda Nobela členové The Royal Swedish Academy of Science (fyzika a chemie), Karolinska Institutet (fyziologie – medicína), The Swedish Academy (literatura) a komise volená norským parlamentem (mír). Cenu za ekonomii uděluje Sveriges Riksbank až od roku 1969. Molekulární biologie ovládla Nobelovy ceny v 21. století nejenom na poli fyziologie/medicíny, ale také chemie. Byly oceněny objevy objasňující komunikaci buněk ve složité síti nervového systému, vytváření paměťových stop (2000), mechanismy řídící životní rytmus buněk – klíčové regulátory buněčného cyklu (2001), genetická podstata řízení embryonálního vývoje a uplatnění programované smrti buněk (2002), využití magnetické rezonance pro účely medicíny (2003), dále objevy týkající se receptorů pro odoranty umožňující čichové vjemy (2004), objasnění bakteriálního původu vředových onemocnění a otevření nových možností léčby (2005). Modifikace genomu a genové exprese od RNA interferencí (2006) až po uplatnění kmenových buněk a transgenní organismy (2007) ukazují současný směr výzkumu na poli fyziologie, genetiky a biomedicíny. Do této oblasti zasahují také objevy zařazené mezi Nobelovy ceny za chemii, především vysvětlení struktury a funkce iontových kanálů v buněčných membránách (2003), dále mechanismy regulující funkce proteinů v buňkách, tedy modifikace na úrovni proteomu (2004), a v neposlední řadě objevy týkající se transkripce genomu v eukaryontních buňkách (2006).

7

Přehled Nobelových cen 2000 – Fyziologie/medicína transdukce signálu v nervovém systému Arvid Carlsson (Švédsko), Paul Greengard (USA), Eric Kandel (USA) 2001 – Fyziologie/medicína klíčové regulátory buněčného cyklu Leland Hartwell (USA), Tim Hunt (UK), Paul Nurse (UK) 2002 – Fyziologie/medicína genetická regulace vývoje orgánů a programované buněčné smrti Sydney Brenner (USA), Robert Horvitz (USA), John Sulston (UK) 2003 – Fyziologie/medicína zobrazování s využitím magnetické rezonance Paul Lauterbur (USA), Peter Mansfield (UK) 2003 – Chemie objevy týkající se kanálů v buněčných membránách Peter Agre (USA), Roderick MacKinnon (USA) 2004 – Fyziologie/medicína receptory pro odoranty a organizace čichového systému Richard Axel (USA), Linda Buck (USA) 2004 – Chemie degradace proteinů v buňce Aaron Ciechanover (Izrael), Avram Hershko (Izrael), Irwin Rose (UK) 2005 – Fyziologie/medicína Helicobacter pylori – záněty a vředová onemocnění žaludku Barry J. Marshall (Austrálie), J. Robin Warren (Austrálie) 2006 – Fyziologie/medicína RNA interference, umlčování genů dvouřetězcovou RNA Andrew Fire (USA), Craig Mello (USA) 2006 – Chemie molekulární podstata eukaryotické transkripce Roger D. Kornberg (USA) 2007 – Fyziologie/medicína specifické genové modifikace u myší s využitím embryonálních kmenových buněk Mario Capecchi (USA), Martin J. Evans (UK), Oliver Smithies (USA)

9

2000 Arvid Carlsson USA Göteborg University Göteborg, Švédsko *1923

Paul Greengard USA Rockefeller University New York, NY, USA *1925

Eric R. Kandel USA Columbia University New York, NY, USA *1929 (Rakousko)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2000/index.html

Fyziologie / medicína TRANSDUKCE SIGNÁLU V NERVOVÉM SYSTÉMU Parkinsonova choroba je stále častějším onemocněním v moderní lidské populaci. Jde o neurodegenerativní chorobu provázenou omezením koordinovaných pohybů a pohybu obecně a také ztuhnutím svalů. Arvid Carlsson objevil v padesátých letech 20. století dopamin, který funguje jako neurotransmiter (přenašeč signálu na synapsích) (obr. 1) lokalizovaný v určitých částech savčího mozku. Dopamin byl nalezen především v tzv. bazálních gangliích, které se podílejí na kontrole pohybů. A. Carlsson dokázal vyvolat symptomy Parkinsonovy choroby u myší, kterým byl podán reserpin, což je látka vyprazdňující zásoby dopaminu v mozku. Po dodání prekurzoru dopaminu (L-DOPA) došlo k výraznému zlepšení pohybových možností těchto zvířat. Uvedené experimenty otevřely možnosti využití této terapie při návratu milionů pacientů s Parkinsonovou chorobou do normálního života. Nejenom dopamin, ale neurotransmitery obecně aktivují specifické receptory v membránách cílových nervových buněk (obr. 1). Drogy jako kokain nebo amfetamin zvyšují hladinu dopaminu na synapsích, opiáty působí přímo na receptorech. Antipsychotické drogy blokují receptory pro dopamin. Paul Greengard ukázal, že aktivace membránových receptorů nervových buněk mění hladinu vnitrobuněčného posla – např. cyklický adenosinmonofosfát (cAMP), který spouští kaskádu enzymatických reakcí (obr. 2). Výsledkem je změna funkce některých proteinů, případně změna genové exprese (proces přepisu genů do proteinů) a změna excitability (vzrušivosti) cílového neuronu. Tak je zajištěna funkčnost velmi složitých nervových sítí. Eric Kandel ukázal, že zvýšená hladina cAMP (a proteinkináz) souvisí i s procesem učení a vytváření paměťových stop v mozkové kůře. Fosforylace proteinů je tedy základem pro krátkodobou paměť, při dlouhodobé paměti se navíc uplatňuje i růst synapse. Synapse a transdukce (převod) signálu formou druhého posla (cAMP) jsou tedy základním principem vytváření paměti.

11

Obr. 1 Transdukce signálu na synapsi. Synapse představují funkční spojení mezi neurony, kdy dochází k transformaci elektrického potenciálu na chemický působením neurotransmiterů. Tyto neurotransmitery (tmavě modře) jsou skladovány ve vezikulech (světle modře) synaptického knoflíku (zeleně), odkud se uvolňují do synaptické štěrbiny. Vazba na receptor (oranžově) v membráně postsynaptické buňky – jiná nervová buňka, sval, žláza – spouští kaskádu reakcí (viz např. transdukce signálu prostřednictvím druhého posla – obr. 2).

12

Obr. 2 Transdukce signálu prostřednictvím druhého posla. Velké signální molekuly nemohou vstupovat přímo do buněk, a proto je pro přenos tohoto signálu nezbytný tzv. druhý posel. Po vazbě signální molekuly (modře) na membránový receptor (oranžově) dochází k aktivaci G-proteinu (fialově). Po odštěpení z G-proteinu aktivuje α-podjednotka (tmavě fialově) enzym adenylátcyklázu (zeleně), která vytváří druhého posla – cAMP (červeně). Ten dokáže aktivovat proteinkinázy (žlutě), které modifikují proteiny cestou fosforylace, což vede k buněčné odpovědi.

13

2001 Leland H. Hartwell USA Fred Hutchinson Cancer Research Center Seattle, WA, USA *1939

Tim Hunt Velká Británie Imperial Cancer Research Fund Londýn, UK *1943

Sir Paul M. Nurse Velká Británie Imperial Cancer Research Fund Londýn, UK *1949


Fyziologie / medicína KLÍČOVÉ REGULÁTORY BUNĚČNÉHO CYKLU Buňky jsou základní stavební a funkční jednotkou organismů a procházejí mnohonásobným dělením (proliferace). Během buněčného dělení dochází k replikaci DNA (zdvojení počtu chromozomů) a její distribuci do dceřiných buněk. Časování proliferace a její přesné řízení je zajištěno mechanismy buněčného cyklu (obr. 3). V první fázi (G1) buňka zvětšuje svůj objem, pak podstupuje syntézu DNA (S), připravuje se na dělení (G2) a nakonec projde mitózou (M). Leland Hartwell použil buňku kvasinky jako modelový systém pro genetické studie buněčného cyklu a objevil geny zodpovědné za jeho řízení (CDC-genes – cell division cycle genes). Tyto geny se uplatňují v tzv. kontrolních bodech buněčného cyklu (obr. 3) a umožňují jeho správný průběh v jednotlivých fázích. Paul Nurse identifikoval klíčový regulátor buněčného cyklu u kvasinek – gen cdc2 a izoloval odpovídající gen také u lidských buněk – CDK1. Gen cdk1 kóduje protein, který je členem rodiny cyklin- dependentních kináz (CDK). Tyto enzymy jsou schopny fosforylovat proteiny a řídit tak jejich funkčnost (inhibice, aktivace). Množství CDK molekul je během cyklu stejné, jejich aktivita je však výrazně měněna působením cyklinů (obr. 4). Proto jsou často CDK přirovnávány k motoru auta a cykliny k řadicí páce. Funkci brzdy pak plní inhibiční proteiny buněčného cyklu. Cykliny objevil Tim Hunt a pojmenoval je podle jejich charakteristické změny množství v různých fázích buněčného cyklu (koncentrace jednotlivých cyklinů vlastně „informují“ buňku, ve které fázi se nachází). Periodická syntéza a degradace cyklinů během buněčného cyklu je tedy opravdu klíčovým regulačním mechanismem. Klíčové regulátory buněčného cyklu jsou vysoce evolučně konzervované. Znalost těchto mechanismů umožňuje lepší pochopení, diagnostiku a terapii procesů souvisejících s deregulacemi buněčného cyklu, jako je např. kancerogeneze.

15

Obr. 3 Buněčný cyklus. Jako buněčný cyklus se označuje souslednost několika fází, které zajistí rozdělení buňky. Správnost tohoto procesu je prověřována ve dvou kontrolních bodech (šedě) označovaných jako G1 a G2/M. Po přípravné fázi na syntézu DNA (G1) dochází k replikaci – zdvojení DNA molekul (syntetická fáze – S) a po další mezifázi (G2) a úspěšném projití G2/M kontrolním bodem podstupuje buňka mitózu (M). Pokud se buňky nedělí, vystupují z buněčného cyklu a jsou v tzv. G0 fázi.

16

Obr. 4 Synchronizace buněčného cyklu. Časování jednotlivých fází buněčného cyklu je zajištěno měnící se koncentrací cyklinů. Cyklin-dependentní kinázy (CDK – žlutě) jsou aktivovány po vazbě cyklinu (modře). Aktivované CDK jsou schopny fosforylace (červeně) cílových molekul (substrát – zeleně). Fosforylace je základním mechanismem aktivace a deaktivace cílových molekul, což vede např. ke změnám jejich enzymatické aktivity apod.

17

2002 Sydney Brenner Velká Británie The Molecular Sciences Institute Berkeley, CA, USA *1927 (JAR)

H. Robert Horvitz USA Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA, USA *1947

John E. Sulson Velká Británie The Wellcome Trust Sanger Institute Cambridge, UK *1942


Fyziologie / medicína GENETICKÁ REGULACE VÝVOJE ORGÁNŮ A PROGRAMOVANÉ BUNĚČNÉ SMRTI Z jediného oplozeného vajíčka (zygoty) vznikají miliardy buněk dospělého organismu. Ty se kromě dělení dále diferencují (rozrůzňují) a tvoří stovky různých buněčných typů se specifickou funkcí v jednotlivých tkáních. K masivnímu buněčnému dělení však dochází nejen během embryonálního vývoje, ale i u dospělého organismu; každodenní obnova tkání zahrnuje produkci miliard buněk. Pro udržování tkáňové homeostáze (tedy dynamické stálosti) je nutné balancovat tento vysoký nárůst buněk jejich kontinuální eliminací. Sydney Brenner použil hlístici Caenorhabditis elegans jako ideální model pro studium buněčné diferenciace a vývoje orgánů. Tělo tohoto asi 1 mm velkého tvora totiž sestává z přesně daného počtu buněk (959), jehož je docíleno přesně řízeným buněčným dělením a likvidací určitých buněk cestou programované buněčné smrti (obr. 5). Robert Horvitz využil tento model pro výzkum genetického programu řídícího buněčnou smrt. R. Horvitz identifikoval první „geny buněčné smrti“, označené jako ced-3 a ced-4, a ukázal, že jsou nezbytné pro její průběh. Později objevil také gen zabraňující buněčné smrti – ced-9. Obdobné geny byly později nalezeny také u člověka (např. ced-9 odpovídá Bcl-2) a ukazují vysokou evoluční konzervovanost genetických mechanismů programované buněčné smrti. John Sulston vyvinul techniku studia buněčných linií u C. elegans a potvrdil přesné řízení buněčné smrti. Každá buňka mnohobuněčného organismu je naprogramována k sebedestrukci, což umožňuje řízené spouštění tohoto programu na správném místě a ve správný čas. Následkem chybných regulací tohoto programu jsou vývojové poruchy, jako např. syndaktylie (srůsty prstů); rezistence k programované buněčné smrti je spojena s výskytem nádorových a autoimunitních onemocnění, zvýšená senzitivita pak s neurodegenerativními chorobami (obr. 6). Poznání mechanismů buněčné smrti ale také otevírá možnosti terapií těchto závažných onemocnění.

19

Obr. 5 Buněčná smrt. Apoptóza je základní formou programované buněčné smrti. Na rozdíl od nekrotické smrti (černá šipka), kdy dochází k prasknutí buněčné membrány a vylití obsahu buňky do okolí, apoptóza (červená šipka) znamená rozpad buňky na malá tělíska, která jsou pohlcena fagocytujícími buňkami (šedě). Během apoptotické smrti je membrána buněk neporušená, na rozdíl od nekrózy tedy nedochází k imunitní odpovědi. Pokud však apoptotická buňka není odstraněna fagocytózou, dochází k sekundární nekróze (modrá šipka).

20

Obr. 6 Apoptóza v homeostáze. Programovaná buněčná smrt (apoptóza) výrazně přispívá k udržování homestáze tkání, orgánů i organismu. Zvýšená rezistence (odolnost) k apoptóze má závažné následky jako nádorové změny, poruchy imunitní tolerance a chronické virové infekce. Zvýšená senzitivita (citlivost) k apoptóze je pak spojena s Alzheimerovou chorobou a dalšími formami neurodegenerace, s AIDS a řadou cévních onemocnění.

21

2003

Paul C. Lauterbur USA University of Illinois Urbana, IL, USA *1929 († 2007)

Sir Peter Mansfield Velká Británie University of Nottingham Nottingham, UK *1933


Fyziologie / medicína ZOBRAZOVÁNÍ S VYUŽITÍM MAGNETICKÉ REZONANCE Princip magnetické rezonance (MRI) byl popsán již v polovině 20. století, kdy byla ukázána možnost zobrazení různých struktur s využitím této metody. Silné elektromagnety vytvářejí magnetické gradienty ve třech dimenzích, dojde k synchronizaci molekul a k odlišení jednotlivých struktur v rámci orgánů (obr. 7). Tyto objevy jsou základem pro široké využití magnetické rezonance pro potřeby medicíny. Paul Lauterbur objevil, že vytvořením gradientu magnetického pole lze dosáhnout dvourozměrného zobrazení struktur. Dále ukázal, že přidání dalšího magnetického gradientu umožňuje vizualizaci řezu zkumavkou s běžnou vodou a s těžkou vodou. Žádná jiná metoda nedokáže tyto dva druhy vody vizuálně odlišit. Voda je součástí každé buňky, každá tkáň má však odlišný obsah vody. Silné magnetické pole ovlivňuje pohyb vodíkových atomů v molekulách vody a dokáže je srovnat jedním směrem. Elektromagnetický signál vychýlí směr magnetického momentu jádra vodíku a detekční přístroj tyto změny zaznamenává. Peter Mansfield objevil, že gradienty magnetického pole dávají signály, které mohou být rychle a efektivně analyzovány a převedeny v zobrazení. MR vlastně dokáže „rozřezat“ tělo a vytvořit trojrozměrný obraz jeho vnitřních struktur bez jakéhokoliv kontaktu (obr. 8). V současnosti je zobrazování s využitím magnetické rezonance využíváno při vyšetřování jednotlivých orgánů v těle. Tato metoda je nezastupitelná při vyšetření mozku a míchy, například u pacientů se zánětem mozku nebo roztroušenou sklerózou. Umožňuje včasnou diagnostiku, ale také průběžné sledování choroby a účinnosti terapie. MRI může ukázat také rozsah nádorů, což umožňuje přesnější chirurgický zákrok a cílení následné radioterapie. Přestože je MRI již běžnou technikou, podléhá stále dalšímu vývoji. MRI nahradila řadu invazivních (k pacientovi méně šetrných) metod, výrazně snížila riziko komplikací vyšetřovaných pacientů a zvýšila jejich komfort.

23

Obr. 7 Princip nukleární magnetické rezonance. Za normálních okolností mají magnetické momenty atomových jader (tmavě modře) v určité látce (např. vodíku z vody v buňkách) chaoticky rozházené směry (A). Po vložení vzorku (nebo těla pacienta) do silného magnetického pole (analyzačního tunelu) (růžově) se magnetické momenty jader seřadí jedním směrem (B). Působení vysokofrekvenčního elektromagnetického pole (C – oranžově) tato zorientovaná jádra vychyluje v určitém směru (D – červená šipka). Po vypnutí tohoto pole vysílají vychýlená jádra elektromagnetický signál (D – zelená šipka). Tyto změny jsou dále analyzovány a softwarově převáděny na finální obraz.

24

Obr. 8 MRI. Výsledek MRI hlavové části pacienta ukazuje kontrastní struktury jednotlivých tkání, které lze zobrazit v libovolném úhlu pohledu (nahoře – z boku, dole – zezadu) a řezu, popř. poskládat do trojrozměrného obrazu.

25

2003

Peter Agre USA Johns Hopkins University, School of Medicine Baltimore, MD, USA *1949

Roderick MacKinnon USA Rockefeller University Howard Hudges Medical Institute New York, NY, USA *1956

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/index.html

Chemie KANÁLY V BUNĚČNÝCH MEMBRÁNÁCH Buněčná membrána představuje polopropustnou vrstvu umožňující komunikaci buněk s prostředím, kdy dochází k výměně látek, energií a informací. Voda a soli jsou nejdůležitějšími anorganickými složkami buněk i mezibuněčného prostoru, proto i jejich transport musí být přesně regulován. Peter Agre provedl řadu experimentů, které vedly k vysvětlení, jak prochází voda buněčnou membránou a dostává se do buňky. P. Agre objevil proteinové kanály pro transport vody – aquaporiny („vodní póry“). Další výzkum pak přinesl objasnění struktury těchto kanálů. Přestože aquaporiny jsou obecnou složkou buněčných membrán, jejich funkci lze nejlépe demonstrovat v ledvinných kanálcích. Denní filtrace krevní plazmy ledvinami vede u člověka k produkci asi 170 litrů tekutiny, tzv. primární moče. Pro zamezení enormním ztrátám vody musí být tento filtrát dále zahuštěn mechanismem zpětné resorpce v ledvinných tubulech. Tato recyklující mašinérie sestává i z aquaporinů, kterých je v každé ledvině několik set milionů. Vmezeření aquaporinů do buněčné membrány je také cesta regulace zpětného vstřebávání vody antidiuretickým hormonem, který je do krve vylučován systémem hypotalamus-hypofýza v mozku (obr. 9). Roderick MacKinnon jako první ukázal detailní strukturu buněčného iontového kanálu. Na základě struktury jednotlivých kanálů objasnil také princip jejich funkce. Například draselný kanál propustí pouze ionty draslíku. Sodný ion je sice menší než draselný, ale udržuje pevnější vazbu s okolními molekulami vody, takže do tohoto kanálu vstoupit nemůže. Princip řízeného vstupu a výměny sodných a draselných iontů je základním mechanismem přenosu nervového vzruchu (obr. 10) Během čtení této krátké věty se v mozku čtenáře otevírá řádově trilion iontových kanálů a dojde k přečerpání špetky soli. Vzhledem k tomu, že iontové kanály i aquaporiny jsou přítomny v membránách každé buňky, využití těchto znalostí v základním výzkumu i humánní medicíně je nesmírné.

27

Obr. 9 Aquaporiny. Při zvýšeném výdeji vody z těla se uvolňuje do krevního oběhu antidiuretický hormon (ADH), který se váže na buňky distálního tubulu v ledvinách. Vazba této molekuly na odpovídající receptor vede k transdukci signálu (obr. 2). Výsledkem je zvýšení počtu aquaporinů (žlutě) v membránách buněk distálního tubulu, a tím zvýšené vstřebávání vody z moči do krve (světle modrá šipka).

28

Obr. 10 Funkce iontových kanálů. Iontové kanály v membránách jsou rozhodující i pro přenos nervového vzruchu. V klidovém stavu je rozdílné zastoupení iontů vně a uvnitř buňky, více sodných iontů (červeně) je vně buňky. Akční potenciál vzniká otevřením sodných kanálů a rychlým vstupem sodíku do buňky (červená šipka), který je částečně vyvážen přesunem draslíku v opačném směru. To vede k depolarizaci a dalšímu šíření vzruchu po nervovém vlákně. Pro dosažení klidového stavu jsou pak ionty přečerpávány energeticky náročným mechanismem membránových pump, tzv. ATPáz.

29

2004

Richard Axel USA Columbia University New York, USA *1946

Linda B. Buck USA Fred Hutchinson Cancer Research Center Seattle, WA, USA *1947


Fyziologie / medicína RECEPTORY PRO ODORANTY A ORGANIZACE ČICHOVÉHO SYSTÉMU Přestože čich u člověka není nepostradatelným smyslem, dokáže rozlišit asi 10 000 různých vůní a pachů. Čichové vnímání navíc umocňuje kvalitu dalších vjemů, především chuti, a může ovlivnit i sociální chování. Čichový epitel v dutině nosní obsahuje miliony nervových buněk a je jediným místem přímého styku nervového systému s vnějším prostředím. Richard Axel a Linda Buck studovali receptorové čichové buňky a popsali geny, které kódují specifickou rodinu receptorů – receptory vázající odoranty. Tyto receptory jsou lokalizovány na buněčných membránách čichových receptorových buněk (obr. 11). Každý receptor sestává z proteinového řetězce, který sedmkrát prochází buněčnou membránou. Po vazbě odorantu (vonné chemické látky) na tento receptor dojde k aktivaci vnitrobuněčného přenosu signálu přes membránově vázané G-proteiny (Nobelova cena, Fyziologie/medicína, 1998). Elektrický signál vytvořený v receptorových buňkách je přenášen čichovými nervovými drahami do mozku (mechanismu akčního potenciálu a synapsí – obr. 10). Stovky genů kódujících tyto proteinové receptory tvoří asi 3 % lidského genomu. Proteinové řetězce receptorů pro odoranty se liší v několika málo aminokyselinách (obr. 12), což umožňuje první rozlišení vůní. Druhé rozlišení pak probíhá v glomerulech, kde se scházejí nervová vlákna z více receptorů. Finální čichový vjem je vytvořen v mozku (čichová kůra, amygdala atd.), který se podílí i na vytváření čichové paměti (vyvolání čichového vjemu spojeného s určitým zážitkem nebo událostí). Čichový epitel je v popředí výzkumného zájmu také z hlediska předpokládané schopnosti regenerace, což by představovalo jedinečnou možnost cílené regenerace neuronů. Dosud se pro experimentální regenerace nervového systému využívá především kmenových buněk, které jsou prekurzory buněk gliových.

31

Obr. 11 Receptory vázající odoranty. Čichový epitel obsahuje miliony neuronů, které jsou obklopeny podpůrnými buňkami (šedě). Tyto neurony jsou smyslovými buňkami čichu a ve svých membránách obsahují specifické receptory (obr. 12). Při čichání dochází k turbulentnímu proudění vzduchu s rozptýlenými vonnými látkami (odoranty) kolem výběžků neuronů. Pokud receptory na daném neuronu odpovídají molekule odorantu, dojde k jejich vazbě a přenosu signálu do nervových center k dalšímu zpracování.

32

Obr. 12 Čichové spektrum. Odlišení jednotlivých pachů (vůní) je dáno aminokyselinovou strukturou proteinových receptorů na membráně čichových neuronů. Každý receptor sestává z aminokyselinových řetězců (barevné kuličky), které jsou ukotveny v membráně (šedě). Pokud dojde k vazbě odorantu, spouští se transdukce signálu přes G-proteiny (obr. 2) a výsledkem je nervový vzruch vedoucí do centrální nervové soustavy. Tam dochází ke kombinaci signálů z jednotlivých čichových buněk a skládání celkového obrazu vůně.

33

2004 Aaron Ciechanover Izrael Technion – Israel Institute of Technology Haifa, Izrael *1947

Avram Hershko Izrael Technion – Israel Institute of Technology Haifa, Izrael *1937 (Maďarsko)

Irwin Rose USA University of California Irvine, CA, USA *1926


Chemie UBIKVITINEM ZPROSTŘEDKOVANÉ DEGRADACE PROTEINŮ V každé buňce dochází k masivní produkci celé škály proteinových molekul, které jsou součástí vlastní struktury buňky, ale podílejí se také na řízení chemických reakcí (enzymy) a regulaci buněčných funkcí. Proteiny jsou výsledkem genové exprese, vznikají přepisem genomu a stávají se součástí proteomu. Zastoupení a životnost jednotlivých proteinových molekul spolurozhoduje o správném fungování buňky. Řízená degradace proteinů je tedy důležitým regulačním mechanismem. Rozpoznání proteinů určených k degradaci je zprostředkováno molekulární značkou – ubikvitinem (obr. 13). Je to protein běžný ve všech buňkách (ubique – všude), který sestává z krátkého polypeptidového řetězce. Ubikvitinový řetězec navázaný k proteinu určenému k degradaci (rozštěpení) směřuje k proteazomu. Proteazom (obr. 14) je často označován jako vnitrobuněčný odpadkový koš, který připomíná i svou prostorovou strukturou. V proteazomu dochází ke štěpení ubikvitinem označených proteinů na jejich základní stavební jednotky – aminokyseliny. Ty mohou být znovu použity pro proteosyntézu. Ubikvitin degradaci v proteazomu nepodléhá a je znovu využit pro značení proteinů k degradaci. Aaron Ciechanover, Avram Hershko a Irwin Rose přispěli právě k objasnění tohoto energeticky náročného mechanismu, kterým buňka reguluje kvalitu a kvantitu svých proteinů. Značení ubikvitinem hraje významnou roli také při separaci chromozomů při tvorbě pohlavních buněk (meióza). Chyby v rozchodu mateřských a otcovských chromozomů jsou nejčastějším důvodem spontánních potratů. Ubikvitinem zprostředkovaná likvidace proteinů umožňuje zabránění samoopylení u rostlin, a to cílenou degradací vlastního pylu. Řízená degradace proteinů umožňuje správný průběh buněčného cyklu, opravu DNA, zabraňuje nádorovému bujení a alergickým reakcím. Ubikvitinový systém je tak slibným cílem mnoha terapií.

35

Obr. 13 Ubikvitinová značka. Enzym E1 aktivuje molekulu ubikvitinu (Ub) za účasti energie (ATP) a aktivovaná molekula se váže na enzym E2. Enzym E3 rozezná tento komplex, který se váže spolu s cílovým proteinem. Enzym E3 je poté uvolněn a protein označený ubikvitinovým řetězcem směřuje k proteazomu (obr. 14).

36

Obr. 14 Proteazom. Po označení ubikvitinem (obr. 13) je protein transportován k proteazomu (hnědě). V této cytoplazmatické struktuře dojde k rozštěpení aminokyselinového řetězce na malé fragmenty, které mohou být dále využity jako zdroj aminokyselin. Ubikvitinový řetězec (červeně) se rozpadá a jednotlivé molekuly jsou recyklovány pro další značení.

37

2005

Barry J. Marshall Austrálie University of Western Australia, NHMRC Helicobacter pylori Research Laboratory, QEII Medical Centre; Nedlands, Australia *1951

J. Robin Warren Austrálie Perth, Austrálie *1937


Fyziologie / medicína BAKTERIE HELICOBACTER PYLORI A JEJÍ ROLE V ZÁNĚTLIVÝCH A VŘEDOVÝCH ONEMOCNĚNÍCH ŽALUDKU Zánětlivá a vředová onemocnění žaludku byla dlouhodobě řazena mezi chronické stavy, které jsou vyvolány především stresem a následnou autodegradací žaludeční sliznice žaludečními šťávami. Z tohoto hodnocení vycházely i následné terapie založené na inhibici produkce žaludeční kyseliny, které však mají pouze krátkodobý léčebný efekt. Barry J. Marshall a J. Robin Warren ukázali, že zánětlivá a vředová onemocnění žaludku lze trvale vyléčit. Objevili totiž, že na rozvoji těchto chorobných stavů se výrazně podílí bakterie Helicobacter pylori, která může být zlikvidována antibiotiky. Helicobacter pylori je vysoce variabilní a kolonizuje žaludeční mukózu člověka, kde může způsobit rozsáhlé záněty (obr. 15). Zajímavostí je, že tuto bakterii lze detekovat u poloviny lidí, může dojít i k přenosu z matky na plod. Pouze u 10–15 % lidí však jde o infekci symptomatickou. Hlavním příznakem je krvácení, někdy může dojít až ke vzniku nádorů žaludku. H. pylori produkuje enzym, který neutralizuje žaludeční kyseliny, a umožňuje tak přežití této bakterie v extrémních podmínkách. Bakterie se provrtává sliznicí a díky produkci adhezivních molekul dochází k jejímu pevnému přichycení. Invaze bakterií vede k imunitní odpovědi organismu, bakterie však mají mechanismy, které této reakci zabraňují. Vylučují například toxin, který zabíjí T-lymfocyty – součást specifické imunity (obr. 16). H. pylori byl izolován v roce 1982 na základě rozsáhlého studia vzorků pacientů podstupujících gastroskopii, což umožnilo korelaci výskytu této bakterie s vředovými onemocněními trávicího traktu. Tyto objevy umožnily detekci a spolehlivou léčbu těchto chorob, a to s využitím standardních postupů gastroskopie, endoskopie, analýzy histologických řezů, kultivačních technik bakterií a překrytí antibiotiky. V současnosti se pátrá po možné bakteriální spoluúčasti u dalších chronických zánětlivých onemocnění (např. revmatické záněty kloubů).

39

Obr. 15 Kolonizace žaludeční sliznice bakterií Helicobacter pylori. Bakterie (červeně) se přichycují na epiteliální buňky (oranžově) žaludeční stěny v oblasti, kde je produkován mukózní sekret (modře). Tento sekret chrání žaludeční sliznici (a současně i bakterie) před účinky žaludečních kyselin vylučovaných parietálními buňkami (žlutě). Červeně je zobrazena kapilára pronikající do žaludeční sliznice.

40

Obr. 16 Helicobacter pylori a imunitní systém hostitele. T-lymfocyty se podílejí na imunitě namířené proti bakteriální invazi. Bakterie je pohlcena makrofágem (antigen prezentující buňka), který informuje T-lymfocyty o charakteru patogena. T-lymfocyty proliferují a spouští se rozsáhlá imunitní odpověď vedoucí k likvidaci mikroorganismů. Helicobacter pylori však produkuje toxiny, které zabíjejí T-lymfocyty. Tak bakterie aktivně zabraňuje lokální imunitní reakci v těle hostitele, čímž se sama chrání.

41

2006

Andrew Z. Fire USA Stanford University School of Medicine Stanford, CA, USA *1959

Craig C. Mello USA University of Massachusetts Medical School Worcester, MA, USA *1960


Fyziologie / medicína RNA INTERFERENCE, UMLČOVÁNÍ GENŮ DVOUŘETĚZCOVOU RNA Základní biologické dogma předpokládá přepis dvouřetězcové DNA do jednořetězcové molekuly mRNA (transkripce) a následný překlad (translaci) této informace do proteinového řetězce na ribozomech (obr. 17). Andrew Fire a Craig Mello objevili, že základním mechanismem řídícím tok genetické informace je dvouřetězcová RNA. Jejich klíčový experiment představoval injekci RNA odpovídající genu pro svalovou funkci hlístice C. elegans. Jednořetězcová RNA neměla žádný vliv, dvouřetězcová RNA však způsobila svalové záškuby, které odpovídají projevům při ztrátě odpovídajícího genu. Tím bylo prokázáno, že dvouřetězcová RNA eliminuje cílovou mRNA. K této tzv. RNA interferenci (RNAi) dochází v každém typu buňky u živočichů i rostlin. Dvouřetězcová RNA (dsRNA) se váže k proteinovému komplexu Dicer, který štěpí dsRNA na malé kousky. Jeden z řetězců RNA reaguje s dalším proteinovým komplexem RISC a váže se na mRNA (mechanismus párování bází). mRNA je poté rozštěpena a nemůže dojít k syntéze odpovídajícího proteinu (obr. 18). Výsledný efekt je tedy stejný jako při nefunkčnosti výchozího genu. RNA interference se tedy mohou stát slibnou cestou pro řadu terapií, protože umožňují „umlčení genů“ bez riskantních zásahů do genomu buněk pacientů. Tyto postupy se aktuálně testují např. pro makulární degenerace oka, kdy dochází k nadměrné produkci cév v sítnici, které snižují schopnost vidění. RNAi je zacílena proti VEGF (endoteliální růstový faktor cév), což vede k omezení růstu cév v postižené oblasti oka. Další oblasti uplatnění RNAi se otevírají u virových onemocnění (chřipka, HIV), ale také aterosklerózy, kde dvouřetězcová RNA umožní zablokování produkce škodlivých LDL (lipoproteiny s nízkou hustotou), které se usazují v aterosklerotických plátech. Řada těchto postupů je v současné době ve fázi klinického testování.

43

Obr. 17 Genová exprese. Jako genová exprese se označuje transkripce (přepis) informace z DNA do mRNA (v buněčném jádře), která se přesouvá k ribozomům (v cytoplazmě), kde dochází k translaci (překladu) a sestavení řetězce proteinů. Tyto proteiny pak mohou být dále upravovány. RNAi zasahuje v místě po transkripci, kdy dochází ke štěpení RNA matrice. Transkripce tedy probíhá normálně, k translaci však nedochází.

44

Obr. 18 Mechanismus RNAi. Dvouřetězcová RNA (ds – double stranded) se váže k proteinu Dicer (zeleně), který štěpí dsRNA na malé fragmenty. Jeden z RNA řetězců je navázán na komplex RISC (žlutě), který mRNA váže na základě párování bází. V tomto komplexu je mRNA štěpena a degradována. Odpovídající protein (produkt takto „umlčeného“ genu) tedy není syntetizován.

45

2006

Roger D. Kornberg USA Stanford University Stanford, CA, USA *1947


Chemie MOLEKULÁRNÍ PODSTATA EUKARYOTICKÉ TRANSKRIPCE Transkripce je jedním z kroků realizace genetické informace cestou genové exprese (obr. 17). Transkripce znamená přepis sekvence nukleotidů genů zapsaných v molekulách DNA do sekvence další nukleové kyseliny RNA. Důvodem transkripce je přenos informace z jádra (kde je lokalizována DNA) do cytoplazmy (kde jsou přítomny ribozomy, na nichž probíhá translace – proteosyntéza). Přepis během transkripce je zajištěn mechanismem párování nukleotidových bází, který je umožněn velmi složitou mašinérií. Tyto molekulární komplexy zahrnují obecné transkripční faktory, které pomáhají klíčovému enzymu, RNA-polymeráze, nasednout na úsek promotoru (před vlastním genovým lokusem) a zahájit transkripci (obr. 19). Roger Kornberg a jeho tým se zaměřili na trojrozměrné zobrazování těchto komplexů a detailní objasnění jejich molekulární podstaty a funkce. Jako model byly použity buňky kvasinek, které stejně jako člověk patří mezi eukaryotní organismy (s pravým buněčným jádrem). Transkripční aparát je navíc vysoce evolučně konzervovaný, řada výsledků proto může být úspěšně mezidruhově extrapolována. RNA-polymeráza představuje velký molekulární komplex, který fixuje jednotlivé řetězce DNA a umožňuje transkripci. Pro objasnění struktury RNA-polymerázy byla zastavena transkripce odebráním stavebních bloků (nukleotidů), kdy dojde k pozastavení syntézy RNA řetězce. Všechny molekuly tak byly „zmrazeny“ při své činnosti a dále studovány s využitím řady biochemických metod a rentgenové krystalografie (obr. 20). Výsledky jsou tak detailní, že umožňují hodnocení i jednotlivých atomů. S využitím těchto modelů lze hodnotit také vzájemnou spolupráci jednotlivých molekul a jejich časové a prostorové uplatnění během transkripce. Tato zobrazení by navíc v budoucnosti mohla napomoci pochopení dalších procesů, od embryonálního vývoje až po složité mezibuněčné komunikace umožňující fungování dospělých mnohobuněčných organismů.

47

Obr. 19 Transkripce. Promotor označuje úsek na DNA před vlastním zápisem genu (genový lokus). Promotor je startovacím místem pro transkripci, na které nasedá enzym RNA-polymeráza (zeleně). Ten v souladu s dalšími faktory zajišťuje přepis informace z řetězce DNA do RNA. Principem je párování nukleotidových bází: adeninu (A) – uracilu (U), tyminu (T) – cytosinu (C).

48

Obr. 20 Zobrazování molekul. Pro získání obrazu musejí molekuly vytvořit krystal (zeleně). Potom je možné s pomocí rentgenových paprsků stanovit vzájemnou pozici atomů v této molekule. Využívá se velmi silného rentgenového záření o dané vlnové délce, které je upraveno tzv. synchrotronem. Struktura krystalu způsobuje určitou difrakci (červeně) dopadajícího záření, kterou zachycuje počítač. Po vyhodnocení série takových difrakčních vzorců může počítač vymodelovat konečnou strukturu molekuly (dole).

49

2007 Mario R. Capecchi USA University of Utah Howard Hughes Medical Institute Salt Lake City, UT, USA *1937 (Itálie)

Sir Martin J. Evans Velká Británie Cardiff University Cardiff, UK *1941

Oliver Smithies USA University of North Carolina at Chapel Hill Chapel Hill, NC, USA *1925 (Velká Británie)


Fyziologie / medicína SPECIFICKÉ GENOVÉ MODIFIKACE U MYŠÍ S VYUŽITÍM EMBRYONÁLNÍCH KMENOVÝCH BUNĚK Kmenové buňky jsou základem embryonálního vývoje a nezbytností pro obnovu orgánů a tkání. Tyto buňky se dokážou nejenom sebeobnovovat, ale současně diferencovat v rozmanité typy tkání na základě mezibuněčných komunikací v určité tkáni. Takové buňky jsou tedy i lákavým cílem pro terapie, které by kmenové buňky diferencovaly do nových tkání (např. kůže vytvořená z kmenových buněk je již v medicíně úspěšně používána). Sir Martin Evans izoloval embryonální kmenové buňky, v buněčné kultuře je s využitím virového vektoru geneticky modifikoval, injikoval tyto buňky do blastocysty, kterou zavedl do „náhradní“ matky pro vytvoření geneticky upraveného potomstva (obr. 21). Kultivované embryonální kmenové buňky tak byly využity pro vytvoření transgenních zvířat (obr. 22). Mario Capecchi a Oliver Smithies nezávisle použili metodu homologické rekombinace, která umožňuje obdobné modifikace embrya. Znalosti týkající se biologie kmenových buněk a technologie tzv. genově modifikovaných (pozměněných) myší umožňují rychlé pokroky v pochopení normálního embryonálního vývoje, souvisejících abnormalit a onemocnění a také navržení účinných prevencí a terapií. Genom myší i člověka má obdobný počet genů, asi 22,5 tisíce. Genetickou manipulací embryonálních kmenových buněk lze vytvářet i myší modely lidských onemocnění. Příkladem je zavedení mutovaného genu HPRT, který je příčinou Lesch-Nyhanova syndromu (psychické poruchy a močové kameny následkem defektu v metabolismu purinu). Dalším cílem je cystická fibróza, dědičné kardiovaskulární defekty (hypertenze, ateroskleróza) a v neposlední řadě také různé typy nádorů. Na takových zvířecích modelech pak mohou být sledovány nejenom přesné příčiny daných onemocnění, ale především jejich možná léčba. Možné je ovlivnění genů pouze v určitých tkáních umístěním genové modifikace za tkáňově specifický promotor (obr. 19).

51

Obr. 21 Obecná strategie modifikace genů u myší. Kmenové buňky nesoucí vložený gen (růžově) jsou injikovány do blastocysty, která je implantována náhradní matce. Narozené potomstvo je potom chimérické (tělo je tvořeno jak původními, tak upravenými buňkami). Takové potomstvo se dále kříží (obr. 22) pro získání čistých linií.

52

Obr. 22 Generace genově manipulovaných myší. U chimérických myší (obr. 21) dochází k tvorbě spermií, z nichž některé nesou vložený gen a jiné jsou normální. Pokud normální myš oplodní spermie nesoucí vložený gen, tento je předán potomstvu. V druhém případě se narodí normální potomstvo.

53

Nobel Archive – www.nobelprize.org

Nobelprize.org je oficiální webovou stránkou Nobelovy nadace. Poskytuje přehled udělených Nobelových cen od roku 1901, bibliografické údaje o nositelích Nobelových cen, rozhovory, fotografie, články, videoklipy, tiskové zprávy, prezentace a spoustu dalších informací týkajících se Nobelových cen.

54

Osobní setkání s nositeli Nobelových cen

Studenti a mladí vědečtí pracovníci mají každoročně možnost setkání s nositeli Nobelových cen. Účastníci setkání jsou vybíráni na základě odesláné přihlášky obsahující údaje o zájemci a jeho motivační dopis, pro pokrytí cestovních nákladů je poskytováno stipendium. Více informací je dostupných na webové stránce www.nobel-lindau.de, kde je přehled připravovaných setkání i archiv setkání již konaných.

55

Slovníček Adenylátcykláza: též adenylcykláza, enzym zprostředkující vytvoření cAMP z adenozintrifosfátu (ATP) Adhezivní molekula: zprostředkovává adhezi, tedy přilnutí, přisednutí k povrchu např. buňky Aktivace: podpora funkce (receptoru, enzymu, signální molekuly) Amygdala: seskupení neuronů mandlovitého tvaru v mozku s podílem na emocích, paměti, chování Antigen: obecně každá molekula, která vyvolává imunitní odpověď Apoptóza: jedna z cest programované buněčné smrti Ateroskleróza: též arterioskleróza, kornatění tepen v důsledku usazování tukových látek ve stěnách tepen (arterií) Autoimunitní onemocnění: stav, kdy imunitní systém reaguje na složky vlastního těla jako na cizí Blastocysta: fáze v embryonálním vývoji savců tvořená sférickým uspořádáním buněk kolem centrální dutiny, u lidí vzniká týden po fertilizaci (oplození) Caenorhabditis elegans: háďátko obecné, nepatogenní půdní hlístice, modelový organismus ve výzkumu; první organismus, jehož genom byl osekvenován cAMP: cyklický adenozinmonofosfát, slouží mj. jako druhý posel CDC geny: z anglického „cell division cycle“, geny, jejichž produkty se zúčastňují řízení buněčného cyklu, a to především v tzv. kontrolních bodech CDK: cyklin-dependentní kináza/y, tedy kinázy aktivované cykliny Cystická fibróza: dědičné onemocnění, kdy dochází k nadměrné produkci hlenu v některých orgánech (hlavně v plicích), způsobené poruchou transportního mechanismu chloridů v membránách buněk (mutace genu CFTR) Cyklin: protein regulačního systému buněčného cyklu, jehož koncentrace se v průběhu cyklu mění (proto cyklin), sám nemá enzymovou aktivitu, ale dokáže aktivovat proteinkinázy (proto cyklin – dependentní proteinkinázy) Dopamin: 4-(2-aminoetyl)benzen-1,2-diol, přirozeně vzniká v mozku, působí jako neurotransmiter Endoskopie: vyšetřovací metoda, která pomocí zvláštních přístrojů se světelným zdrojem (endoskopů) umožňuje zrakové vyšetření tělních dutin a dutých orgánů Gastroskopie: endoskopické vyšetření žaludku G1 fáze: fáze buněčného cyklu, která předchází syntéze (replikaci) DNA G2 fáze: fáze buněčného cyklu mezi fází syntetickou (replikace DNA) a vlastní mitózou Genom: veškerá genetická informace uložená v DNA konkrétního organismu, tedy kompletní sekvence DNA jedné sady chromozomů

57

Genová exprese: vyjádření genu ve struktuře proteinu, zahrnuje transkripci (přepis z DNA do RNA), translaci (přepis z RNA do proteinu) a související úpravy těchto molekul (modifikaci) Genový lokus: místo na chromozomu, kde je lokalizován určitý gen Gliová buňka: podpůrná buňka v nervovém systému s řadou funkcí, ale bez schopnosti vytváření a přenosu nervového vzruchu Glomerulus: obecně klubíčko, v čichové dráze místo, kde se setkávají neurony vedoucí z receptorů stejného typu G-proteiny: proteiny vázající GTP a přenášející signál z receptorů na cytoplazmatické membráně dovnitř buňky GTP: guanozintrifosfát, zdroj energie pro aktivaci G-proteinů Histologický řez: tenký řez tkání nebo orgánem umístěný na podložní sklíčko a dále barvený pro pozorování struktur pod mikroskopem Homologická rekombinace: též homologní rekombinace, probíhá mezi dvěma molekulami DNA s obdobnou nukleotidovou sekvencí, kdy dojde k výměně částí řetězců mezi těmito molekulami HPRT: hypoxantin-guanin-fosforibosyltransferáza Hypertenze: vysoký tlak krve Chimérický organismus: jedinec složený z geneticky rozdílných buněk nebo tkání Imunitní (imunologická) tolerance: specifická nereaktivita (neodpovídavost) organismu na určitý antigen, který za jiných podmínek vyvolá imunitní reakci. Inhibice: potlačení funkce (receptoru, enzymu, signální molekuly) Interference: vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetávání, RNAi interference: ovlivňování genové exprese na úrovni RNA („rušení RNA“) Kancerogeneze: proces vzniku a rozvoje zhoubného bujení (nádorů) Magnetická rezonance: v biomedicíně znamená tomografické (vrstevnaté) znázornění vyšetřovaných orgánů na základě rozdílů absorpce energie magnetického pole ve vyšetřovaných tkáních M fáze: mitotická fáze buněčného cyklu Mitóza: mitotické dělení, proces rozdělení buňky, kdy je rovnoměrně předána genetická informace dceřiným buňkám Neurotransmiter: chemická sloučenina, která přirozeným způsobem vzniká v nervové soustavě živočichů a slouží v ní k přenášení vzruchů Nukleotid: stavební kámen nukleových kyselin, látka složená z nukleové báze (purinové nebo pyrimidinové), pětiuhlíkatého monosacharidu (ribóza nebo deoxyribóza) a jednoho nebo více zbytků kyseliny fosforečné

58

Odorant: látka postižitelná čichem Prekurzor: v buněčné biologii výchozí buňka, která dává vznik buňce specializované Proliferace: množení buněk (buněčných populací) Promotor: specifická nukleotidová sekvence na DNA, která váže RNA polymerázu a vyznačuje místo, kde začíná přepis genu Proteinkináza: enzym, který dokáže přenášet fosfátové skupiny na proteiny, tzv. fosforylace proteinů (jeden z mechanismů aktivace a inhibice proteinů) Proteom: soubor proteinů, které jsou produkované z genomu daného organismu Proteosyntéza: proces syntézy proteinů z jednotlivých aminokyselin Receptory: buněčné receptory – struktury na povrchu buněk schopné se vázat s určitými látkami (ligandy) Rentgenová krystalografie: metoda využívající rentgenových paprsků pro stanovení struktury krystalů látek Replikace DNA: zdvojení DNA (např. před dělením buňky mitózou) Syndaktylie: spojení, srůst prstů, vrozená vývojová vada, u které nedochází k oddělení prstů S fáze: syntetická fáze buněčného cyklu, kdy dochází k syntéze (replikaci) DNA T-lymfocyty: bílé krvinky, které se účastní buněčné specifické imunitní odpovědi, spolupracují také s B-lymfocyty, které tvoří protilátky Transdukce signálu: mechanismus propojující určitý molekulární stimul (signál) a specifickou buněčnou odpověď (např. vazba adrenalinu na receptor jaterní buňky vede k uvolnění glukózy do krve) Transgenní organismy: obsahují ve svém genomu nové nebo pozměněné geny Transkripce: přepis, v genové expresi přepis z DNA do RNA Transkripční faktory: soubor molekul, které se podílejí na transkripci DNA Translace: překlad, v genové expresi syntéze proteinů podle RNA matrice, tedy překlad z jazyka nukleových kyselin do jazyka aminokyselin Vnitrobuněčný posel: molekula, která zprostředkovává předání a zesílení informace z cytoplazmatické membrány dovnitř buňky (většinou do jádra)

59

Doc. RNDr. Eva Matalová, Ph.D. RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D. Prof. MVDr. Jaroslav Doubek, CSc.

Nobelovy ceny 21. století Publikace je určena jako informační a vzdělávací materiál pro účastníky kurzu ,,Atraktivní biologie“ Výkonný redaktor prof. RNDr. Tomáš Opatrný, Dr. Odpovědná redaktorka Jarmila Kopečková Technický redaktor Mgr. Petr Jančík Návrh obálky autoři Vydala Univerzita Palackého v Olomouci Křížkovského 8, 771 47 Olomouc www.upol.cz/vup e-mail: [email protected] Vytiskl Papírtisk Lindnerova 108/5 779 00 Olomouc www.papirtisk.cz Olomouc 2008 1. vydání ISBN 978-80-244-1948-0 NEPRODEJNÉ

ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE

Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek 2008 UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Přírodovědecká fakulta, 2008

Projekt „ATRAKTIVNÍ BIOLOGIE“, v rámci kterého je tato příručka vydána, je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Eva Matalová Ivana Fellnerová Jaroslav Doubek 2008

Recommend Documents