PROKARYOTA – např. baktérie • Nemají buněčné jádro • Genom – dvoušroubovice DNA uložená v kruhovitém chromosomu • Chromosom nemá centromeru • Spolu s proteiny tvoří nukleoid (připevněn k membráně) • Většina genů v jedné kopii • Geny pro rRNA – více kopií → struktura ribosomů odlišná od ribosomů eukaryot • Plasmidy → malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na bakteriálním chromosomu • Plasmidy → získání a přenos rezistence
PROKARYOTA
PROKARYOTA Buněčné dělení a) • Replikace dvoušroubovice DNA • Následuje cytokineze (rozdělení cytoplasmy) → vzniknou dvě dceřinné buňky
PROKARYOTA – např. baktérie Buněčné dělení b) • Konjugace
EUKARYOTA
Jednobuněčné i mnohobuněčné organismy • Většina genetické informace v jádře • Genetický program → řídí proliferaci, diferenciaci, reguluje funkce eukaryotních buněk • Realizace prostřednictvím nukleových kyselin a proteinů • Jaderná DNA + histony → chromatin • Část genetické informace extranukleární – mitochondrie (cytoplasmatické organely)
EUKARYOTA stavba buňky - schéma
EUKARYOTA – anatomie buňky
EUKARYOTA – BUNĚČNÉ ORGANELY • Jádro • Jaderná membrána → fosfolipidová dvojvrstva, póry • Jaderná DNA + proteiny histonového a nehistonového typu → chromatin • V komplexu s dalšími proteiny → spiralizace → chromosomy • Dvě sady DNA (chromosomů) v somatických buňkách • Nukleolus (jadérko) → syntéza prekursorů ribosomů (rRNA + ribosomální proteiny z cytoplasmy → vznik velké ribosomální partikule) → uvolnění do cytoplasmy → připojení čtvrté molekuly rRNA vázané na specifické proteiny → funkční ribosom • Ribosomy se podílejí na průběhu proteosyntézy
RIBOSOMY - syntéza S – Svedbergova jednotka; stupeň sedimentace v rozpouštědle
5.8 S; 5 S; 28 S RNA
5.8 S; 18 S; 28 S RNA - geny lokalizovány na chromosomech s nukleolárními organizátory 5 S – geny ve větším počtu na různých místech genomu
18 S RNA
EUKARYOTA – další buněčné organely
• Endoplasmatické retikulum – síť membrán → proteosyntéza a syntéza lipidů • Golgiho aparát – soustava membrán → vazba cukrů s lipidy, proteiny, tvorba škrobu • Lysosomy → obsahují trávicí enzymy • Vesikuly → dočasné zásobárny transportovaných látek
EUKARYOTA – buněčné organely MITOCHONDRIE • Mitochondrie – dvě membrány, uvnitř kristy • Sta až desetitisíce mitochondrií v buňce • Genom podobný genomu bakterií, původ→ → symbióza s archebaktériemi • DNA cirkulární, dvouvláknová • 2 – 10 molekul DNA v jedné mitochondrii • Kooprace s jaderným genomem • Geny kódují např. enzymy Krebsova cyklu; enzymy katalyzující buněčné dýchání • Geny pro mitochondtiální tRNA • Mitochondriální dědičnost matroklinní • Distribuce do gamet nahodilá
Specifikace buněk
• Kmenové buňky – nediferencované buňky s vysokou proliferační aktivitou • Diferencované buňky – krátká životnost (Ery, krevní destičky); - dlouhá životnost (neurony, endokrinní buňky) • Fetální kmenové buňky • Nové směry léčby: Parkinsonova choroba, cirrhosa jater, Diabetes mellitus I
Specifikace buněk – housekeeping geny
• Aktivní ve všech buňkách • Zajišťují základní funkce buněčného metabolismu – syntéza nukleových kyselin a proteosyntéza, transport živin a jejich zpracování, biosyntéza cytoskeletu a organel
Specifikace buněk – specializované geny
• • • •
Určují jedinečné rysy různých typů buněk Epigenetická regulace diferenciace Změny chromatinu Modifikace v DNA sekvenci (metylace)
• V dceřinných buňkách je udržována stabilní sekvence shodných genů
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE • Zajišťuje koordinaci pochodů v organismu • Buňky geneticky naprogramovány tak, že mohou na signální látky reagovat selektivně podle vývojového stadia organismu a typu buněk • Přenos signálu od signální molekuly do jádra je zprostředkován mnohastupňovým signalizačním systémem
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE - organogeneze
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE - přenos signálu
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE • Signalizační systém: povrchové a nebo nitrobuněčné receptory proteinkinázy, proteinfosfatázy, G proteiny, ATP a další molekuly • signální molekuly (ligandy) - uvolňované z buněk exocytózou nebo difúzí plasmatickou membránou • k cílovým buňkám přepravovány (např. hormony) nebo vázány k povrchu secernující buňky → autokrinní anebo parakrinní signalizace • cílová buňka reaguje se signálními molekulami pouze prostřednictvím receptorů • vazba s receptorem je vysoce specifická →ligand-receptorové komplexy
SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofilní signální substance (téměř nerozpustné ve vodě – •
• • • • • •
hydrofóbní) například steroidní hormony (gestageny, kortikoidy, androgeny, estrogeny, prostaglandiny), thyroidní hormony (thyroxin), vitamin D, retinoidy (deriváty vitaminu A retinolu) a další hormony - secernovány do krevního řečiště, v krvi reversibilní vazba na bílkovinné nosiče po vazbě s receptorem cílové buňky z vazby uvolněny vstupují do buňky plasmatickou membránou prostou difuzí v buňce se reversibilně váží na proteiny nitrobuněčných receptorů působí i na velké vzdálenosti od místa sekrece přenos je pomalý
SIGNÁLNÍ MOLEKULY Lipofóbní signální substance (převážně substance rozpustné ve vodě) – vazba s receptory plasmatické membrány • na převodu signálu do nitra buňky se podílejí tři typy membránových receptorů: a) iontové kanály, b) receptory, které aktivují G proteiny (GTP/GDP), c) receptory s enzymovou aktivitou • například růstové faktory, hormony insulin a glukagon, aminokyseliny, nukleotidy, katecholaminy atp. • katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin) jsou přenašeči nervových vzruchů na synapsích, hlavním zdrojem katecholaminů jsou buňky dřeně nadledvin, uvolňují je do krevního řečiště
RŮSTOVÉ FAKTORY • růstové faktory – většinou produkty protoonkogenů • ale i některé steroidní hormony, produkty buněk mesenchymálního původu, makrofágů, granulocytů, lymfocytů • působí v komplexu se specifickým membránovým receptorem převážně s tyrosinkinázovou aktivitou • růstové faktory stimulují proliferaci, regulují proteosyntézu, buněčný růst, diferenciaci buněk, jejich vyzrávání, migraci • některé růstové faktory (často v závislosti na množství) buněčnou proliferaci inhibují (například transformující růstový faktor beta - TGF-β) • působí jak specificky, tak pleiotropně • často nutná kombinace účinku více faktorů
RŮSTOVÉ FAKTORY - vybrané příklady Rodina růstových faktorů PDGF/VEGF PDGF - destičkové růstové faktory (platelet-derived growth factor) • několik isoforem růstových faktorů PDGF, jejich geny (protoonkogeny) jsou lokalizovány na různých chromosomech (např. gen PDGFA - chromosom 7p22, PDGFB - chromosom 22q13, PDGFC - chromosom 4q32) • jejich produkty mohou navzájem kooperovat, pleiotropní účinky • PDGF 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 EPO (erythropoietin) - specificky působící růstový faktor • má vliv pouze na proliferaci prekursorů erytrocytů • jeho zdrojem jsou hepatocyty a ledviny
RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování • VEGF - cévní endoteliální růstové faktory (vascular endotheliar growth factor - chromosom 6p21) • V důsledku odlišného sestřihu transkriptu genu existuje několik isoforem VEGF (VEGF-A, VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, VEGF-E) • Jednotlivé isoformy VEGF podporují angiogenezu, vaskulogenezu, růst endoteliálních buněk, podněcují permeabilizaci cévních stěn • Aktivita genu VEGF je regulována jinými růstovými faktory (např. FGF2), cytokiny (např. IL-8), gonadotropiny, NO, hypoxií a hypoglykemií.
RŮSTOVÉ FAKTORY - pokračování • EGF (epidermální růstový faktor) stimuluje proliferaci epidermálních i neepiteliálních buněk • FGF (fibroblastové růstové faktory) - proliferace fibroblastů, chondrocytů, stimulace angiogeneze • členové rodiny NGF (nervový růstový faktor) - podpora přežití a růstu neuronů • GGF (gliový růstový faktor) stimuluje Schwanovy buňky a astrocyty • TGF-alfa a TGF-beta - rodina strukturně odlišných transformujících růstových faktorů, působí nepřímo - transkripční faktory • TGF-alfa stimuluje mitózu, podporuje hojení ran, stimuluje zánětlivé reakce • TGF-beta inhibuje mitózu, má protizánětlivý účinek. Inhibice buněčné proliferace je spojena s aktivací inhibitorů Cdk-kináz (tumorsupresorový gen Rb), které regulují průběh G1 fáze.
Receptory aktivující G proteiny • tvoří je jediný polypeptidický řetězec - skládá se 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 - mění konformaci receptoru a aktivuje ho • k vnitřní části se po aktivaci receptoru váží G proteiny • G proteiny (GTP-vázající regulační proteiny) převádějí signál od receptoru k signálním molekulám v buňce • jsou tvořeny třemi podjednotkami - alfa, beta a gama (trimerické GTPázy) • G proteiny aktivují enzymy, které podněcují vznik nitrobuněčných mediátorů (sekundárních poslů)
KOMPLEX ligand-receptor aktivující G proteiny (VAZBA HORMONU S RECEPTOREM)
Receptory aktivující G proteiny VAZBA HORMONU S RECEPTOREM
G protein
Protoonkogen ras • produkty protoonkogenů ras - G proteiny • proteiny Ras regulují buněčnou proliferaci a diferenciaci pomocí posttranslační úpravy bílkovin – fosforylací • aktivace Ras proteinů - fosforylace tyrosinů tyrosinkinázami • signál v cytosolu předán MAP-kinázám (mitogen-activated protein kinases) • aktivované Ras proteiny fosforylují a tím aktivují kaskádu tří typů MAPkináz • MAP-kinázy - fosforylace serinů, threoninů a nebo i tyrosinů (u první MAP-kinázy (Raf) a druhé - seriny/threoniny, u poslední MAP-kinázy jak threoniny tak tyrosiny) • třetí MAP-kináza po vstupu do jádra fosforyluje nejprve regulační protein genů časné odpovědi - genu myc, jun a fos • produkty genů myc, jun a fos stimulují transkripci genů pozdní odpovědi • produkty genů pozdní odpovědi - regulace aktivity cyklinů a cyklindependentní proteinkináz
Signální dráha - protein Ras
Aktivace a inaktivace proteinu Ras
Mezibuněčná komunikace Gap-junction • spojení plazmatické membrány sousedících buněk a vytvoření úzkých kanálků, zejména velký význam v průběhu embryonálního vývoje živočichů. • výměna malých intracelulárních molekul jako jsou Ca2+ a cyklický 3',5'adenosinmonofosfát (cAMP)
Mezibuněčná komunikace Synaptická signalizace Přenos neurotransmiterů mezi presynaptickým zakončením axonu a postsynaptickou cílovou buňkou - prostor chemické synapse. V prostoru chemické synapse se nachází 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 - parakrinní typ signalizace. Různé neurony uvolňují vždy tytéž neurotransmitery, ale cílové buňky reagují specifickým způsobem podle typu buněk. Neurotransmiterů je vylučováno velké množství, ale receptory cílových buněk k nim mají nízkou afinitu. Nízká afinita umožňuje rychlou disociaci neurotransmiteru z receptoru.
Mezibuněčná komunikace - synapse
Mezibuněčná komunikace - Iontové kanály Iontové kanály se nacházejí např. v plasmatických membránách elektricky vzrušivých postsynaptických buněk – rychlá synaptická signalizace • signální látky - převážně neurotransmitery • neurotransmitery přechodně otevírají nebo uzavírají iontové kanály - tím mění dráždivost buněčných membrán • základem pro podráždění nervové buňky a i pro vedení nervového vzruchu je nerovnoměrná hladina sodíku a draslíku uvnitř a vně buňky • na vnitřní straně buněčné membrány - vyšší hladina draslíku a nižší hladina sodíku; na vnější straně buněčné membrány naopak • při podráždění - náhlá propustnost membrány nervové buňky; sodné ionty proudí dovnitř buňky - dochází ke vzniku akčního potenciálu
Mezibuněčná komunikace - iontové kanálky
