• Základní učební text: • Elektronické zpracování – Biologie člověka; přednášky • Učebnice B. Otová, R. Mihalová Základy biologie a genetiky člověka, Karolinum 2012 • Doporučená literatura: • Kočárek E. - Genetika. Scientia, Praha 2004 • Prezentace přednášek - SIS • Konzultace podle osobní domluvy • Doc. B. Otová;
[email protected], tel. 224968143 • RNDr. K. Bobková;
[email protected]; tel. 224968143 • Mgr. M. Krupková;
[email protected] tel. 224968147
PROKARYOTA – např. baktérie • • • • • • • •
Jednobuněčné organismy prokaryotického typu Většina – buněčná stěna Nukleoid – „ buněčné jádro“ bez membrány Plasmidy malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na bakteriálním chromosomu Neobsahují mitochondrie, plastidy Nepohlavní rozmnožování – binární dělení, pučení Všudypřítomné, některé patogenní (toxiny) Výživa dusík: např. pro syntézu aminokyselin, nukleotidů síra a fosfor: aminokyseliny, ATP uhlík: aminokyseliny, nukleotidy, cukry, lipidy atp. → tvorba skeletu proteinů a nukleových kyselin růstové faktory (auxotrofní baktérie - mutované): vitaminy, purinové a pyrimidinové báze, aminokyseliny
PROKARYOTA – např. baktérie • Nukleoid → genom dvoušroubovice DNA uložená s proteiny v kruhovitém chromosomu • Chromosom nemá centromeru • 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: a) přenos rezistence b) konjugace (parasexuální děj) c) využití v genetickém inženýrství
PROKARYOTA Typická prokaryotní buňka
Plasmid kruhová molekula DNA
Dvoušroubovice DNA + proteiny v kruhovitém chromosomu
PROKARYOTA Buněčné dělení a) Replikace dvoušroubovice DNA Následuje cytokineze (rozdělení cytoplasmy) vzniknou dvě dceřinné buňky Dělení bakteriální buňky
PROKARYOTA – např. baktérie Buněčné dělení b) Konjugace Konjugace buněk Baktérie s F- plasmidem konjuguje s baktérií s F+ plasmidem Obě buňky syntetizují komplementární vlákno DNA
Obě dceřiné buňky obsahují F+ fertilizační plasmid
Viry • Genom virových partikulí – jedna molekula DNA nebo RNA • Replikace pouze v hostitelské buňce • Retroviry (genom – RNA) - informace z RNA do DNA (enzym reverzní transkriptasa); dvouvláknová DNA se včleňuje náhodně do genomu hostitelské buňky. • • Extracelulární forma virové partikule - genom viru obklopuje proteinový obal (kapsida) - kodováno virovým genomem. Některé viry - kapsidy obklopeny fosfolipidovou membránou (buněčný původ). • Podle genomu dělíme viry na DNA viry a RNA viry. Genom virů může obsahovat: • a) jednovláknovou DNA (parvoviry) • b) dvouvláknovou DNA (adenoviry, herpesviry, poxoviry) • c) jednovláknovou RNA (togaviry, myxoviry; retroviry) • d) dvouvláknovou RNA (reoviry). Lidská DNA obsahuje sekvence virové DNA - pozůstatek virové infekce u dávných předků
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 a další proteiny chromatin • Část genetické informace extranukleární – mitochondrie (cytoplasmatické organely) • Epigenetické děje → regulace na úrovni transkripce - má vliv na utlumení transkripční aktivity a) CpG ostrůvky –methylace cytosinů na methylcytosin; b) modifikace histonů, vede k vytváření transkripčně neaktivního heterochromatinu
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 (G2 fáze buněčného cyklu) • V somatických buňkách dvě sady (chromosomů) • Nukleolus (jadérko) syntéza prekursorů ribosomů (3 typy rRNA (5.8 S; 5 S; 28 S) + ribosomální proteiny vznik velké ribosomální partikule) uvolnění do cytoplasmy připojení čtvrté molekuly rRNA (18 S) vázané na specifické proteiny funkční ribosom • Ribosomy se podílejí na průběhu proteosyntézy
Chromosom chromosom telomera
jádro
centomera
telomera buňka
histony
dvoušroubovice DNA
páry bazí
Typy chromosomů • • • •
A – telocentrický B – akrocentrický C – submetacentrický D – metacentrický
Člověk nemá typ telocentrický!
G - pruhování
Barveno Giemsou po reakci metafazických chromosomů s trypsinem
Koncové části lineárních chromosomů - telomery
Koncová oblast chromosomu – tandemové repetitivní sekvence telomer
TCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC AA 5' AGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TT 3'
Dvoušroubovice DNA
Ribosomy eukaryotní buňky • Jadérko - místo transkripce ribosomálních genů • Fibrilárních centra; uvnitř řetězec DNA → z něho přepis do vlákna pre-rRNA • Fibrilární centrum - hustá síť vláken + malé molekuly RNA → úprava molekul rRNA z rRNA prekursoru • Prekursor rRNA vyzrává, štěpení na jednotlivé molekuly rRNA → shluk rRNA molekul (organizační centrum) → vytváření malých a velkých ribosomálních podjednotek (rRNA + ribosomálními proteiny) • Vyzrálé malé i velké podjednotky → jadernými póry do cytoplazmy • • V cytoplazmě vznikají funkční ribosomy • Ribosomy - nezbytná součást průběhu proteosyntézy
RIBOSOMY – syntéza v jadérku 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 se vyskytují ve větším počtu na různých místech genomu
18 S RNA
EUKARYOTA – další buněčné organely
• Endoplasmatické retikulum – síť membrán • (hrubé) proteosyntéza • (hladké) syntéza lipidů, glykogenu (polymer glukózy) • 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 archebakteriemi • 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 - dělí se nesymetricky: a) kmenová buňka (nediferencovaná); b) progenitorová buňka (postupně se terminálně diferencuje, proliferační aktivita) • Typy kmenových buněk: a) pluripotentní buňky z časných embryí (fetální kmenové buňky); diferencují ve všechny typy buněk kromě buňky totipotentní b) totipotentní → pouze zygota a buňky vzniklé prvním dělením (mohou se přeměnit v jakýkoliv typ buněk) c) multipotentní kmenové buňky – produkce příbuzných buněk danému typu (např. kmenové buňky krvetvorby → všechny typy krvinek) e) unipotentní kmenové buňky – diferencují v jediný typ buněk (např. střevní epitel)
Terapeutické využití kmenových buněk Kmenové buňky – naděje pro terapii • Kmenové buňky z pupečníkové krve • umožňují nahradit odběry kostní dřeně; jsou méně citlivé na reakci imunitního systému; menší nebezpečí GvHR, menší riziko nákazy (nesetkaly se většinou s patogeny)
• Hematopoietické kmenové buňky • léčba lymfoproliferativních onemocnění, vrozených imunodeficitů
• Ve stádiu výzkumu: a) léčba cukrovky I. typu - znovuvytvoření B-buněk Langerhansových ostrůvků v pankreatu b) léčba ochrnutí po úrazu c) léčba následků infarktu d) léčba Parkinsonovy choroby a dalších neurodegenerativních chorob
Specifikace buněk Diferencované buňky • Specializovaná struktura, funkce, doba životnosti a) krátká životnost - např. erytrocyty, krevní destičky, buňky sliznic → zanikají apoptózou b) dlouhá životnost - neurony, endokrinní buňky
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 (imprinting) a) Změny chromatinu b) Modifikace v DNA sekvenci (methylace) V dceřiných buňkách je udržována stabilní sekvence a transkripce shodných genů
BUNĚČNÁ SIGNALIZACE → mezibuněčná komunikace • Koordinace pochodů v organismu • Buňky geneticky naprogramovány → 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: Vazba receptoru a signální molekuly zahajuje signalizační kaskádu
