Fyziologie základní principy buněčné fyziologie Buněčná membrána a transportní mechanismy Buněčné dýchání Buněčná signalizace Nádorová transformace Jan Kučera 150663@muni.czunless cited otherwise Vnitřní a vnější prostředí otevřený systém s ustáleným vnitřním prostředím protichůdné požadavky => separace a komunikace, boj proti entropii okolního prostředí, investice energie homeostáza buňky (organismu) je dynamický stav, balancující rovnováha výměna látek, energií a informací s okolím Adaptace součet cost vs. benefits často je výhodné nebýt dokonale adaptovaný na okolní podmínky úspěšnost druhu určuje celková životní strategie… (ale co je vlastně úspěšnost druhu?) investice do vzniku orgánových soustav! (=> při větších rozměrech přestane fungovat difuze) Základní adaptační strategie: • uteč • akceptuj změnu homeostázy • vyreguluj systém zpětnovazebných okruhů, vždy kompromis mezi chybou, rychlostí a stabilitou 1. Reproductive Success •Viruses: Extremely successful. They replicate rapidly, with some producing millions of copies in hours. •Humans: Reproduce relatively slowly, with a long gestation period and limited offspring. Winner: Viruses 2. Adaptability & Evolution •Viruses: Evolve quickly due to high mutation rates, allowing them to adapt to new hosts and environments rapidly. •Humans: Adapt through intelligence, technology, and cultural evolution rather than just biological evolution. Winner: Viruses for biological evolution, humans for technological adaptation. 3. Global Presence & Biomass •Viruses: Found everywhere—deep oceans, extreme heat, even inside other organisms. Estimated to outnumber all life forms combined. •Humans: Dominant on land but dependent on specific conditions. Winner: Viruses 4. Longevity & Impact •Viruses: Have existed for billions of years and will likely persist far into the future. •Humans: Have shaped the planet but might be more vulnerable to self-destruction. Winner: Viruses in terms of longevity, humans in terms of planetary impact. 5. Control Over Environment •Viruses: Dependent on hosts to replicate. •Humans: Can manipulate environments, cure diseases, and even alter genetic material. Winner: Humans Overall? If "success" is about sheer numbers, persistence, and evolutionary adaptability, viruses win. If it's about intelligence, control, and technological advancement, humans win—for now. Buněčná membrána https://iu.pressbooks.pub/humanphys/chapter/cell-membrane/ Buněčná membrána II separace od okolního prostředí, separace organel, regulace příjmu a výdeje, signální a strukturní role asymetrie membrány Buněčné struktury https://www.genome.gov/genetics-glossary/Gene-Expression https://www.genome.gov/genetics-glossary/Central-Dogma Buněčná komunikace receptory, kanály, přenašeče, pumpy (všechno to jsou proteiny!) selektivní případně procesy jako exocytóza a endocytóza membrána (+ proteiny) + energie => aktivní udržování vhodného prostředí Proteiny jako signální molekuly prostorově konfigurovatelné molekuly enzymy vazba recptor a ligand => změna ve vazebných silách => změna konfigurace => efekt (změna vlastností molekuly, odpoutání jiné molekuly, otevření kanálu, spuštěné genové exprese) zesilování signálu, rozdílné intracelulární dráhy a přenašeče signálu vykonávání mechanické práce, konverze ATP na pohyb, význam cytoskeletu (opět vše v režii proteinů!) Role proteinů https://www.genome.gov/genetics-glossary/Protein Role membránových proteinů Základ buněčné signalizace Základní typy receptorů https://en.wikipedia.org/wiki/Signal_transduction#/media/File:Signal_transduction_pathways.svg https://mokaspetridish.files.wordpress.com/2013/08/metabolic_map.png Transport látek přes membránu Aktivní transport je narozdíl od pasivního spojen se spotřebou energie. Díky dodané energii, která vzniká nejčastěji štěpením ATP, je možné vykonávat tento transport i proti směru koncentračního gradientu (koncentračního spádu). https://slcc.pressbooks.pub/collegebiology1/chapter/the-atp-cycle/ ATP Makroergní sloučenina => obsahuje vazby, které při rozštěpení uvolňují velké množství energie. Funkční buněčné celky => mezibuněčná spojení typu gap junction typ spojení dvou sousedních buněk v místě, kde dochází k přiblížení membrán => pomocí transmembránových kanálků, konexonů https://en.wikipedia.org/wiki/Gap_junction#/media/File:Gap_cell_junction-en.svg Transcelulární a paracelulární transport u složitějších organismů je třeba oddělit vnější a vnitřní prostředí plošně (nestačí už membrána jedná buňky) selektivní bariéra = buněčné seskupení (význam bazální membrány tvořené extracelulární matrix) např. epitely prostupnost epitelů je dána typem buněčných spojení (a velikostí prostupujících molekul) https://www.pharmacy180.com/article/mechanisms-of-drug-absorption-2450/ Iontové kanály Jako zdroj energie je využito spřažení s přenosem jiné látky ve směru koncentračního gradientu. Energie uložená v gradientu, který následuje pasivně přenášená částice, je využita k přenosu druhé částice proti směru koncentračního spádu. Vezikulární transport https://jackwestin.com/resources/mcat-content/plasmamembrane/exocytosis-and-endocytosis Membránový potenciál Membránový potenciál je elektrické napětí mezi vnitřní a vnější stranou biologické membrány, vznikající nerovnoměrným rozložením iontů. Udržují ho iontové pumpy (např. Na⁺/K⁺ ATPáza => 3 Na⁺ ven 2 K⁺ dovnitř) a iontové kanály. V klidovém stavu má většina buněk vnitřek záporný vůči vnějšku. toto napětí lze použít pro děje vyžadující energii (transport proti koncentračnímu spádu, signalizace, udržení osmotické rovnováhy) Na⁺ chce dovnitř (je nabitý pozitivně a vnitřek b. je negativní; navíc je ho uvnitř málo, ale membrána ho nepropouští) elektrická + koncentrační (gradientová) síla generuje membránový potenciál osmosis.org Akční potenciál neurony, svalové buňky, endokrinní buňky osmosis.org osmosis.org osmosis.org osmosis.org osmosis.org elektrický signál, který umožňuje komunikaci mezi neurony a dalšími buňkami, například ve svalech. Tento signál vzniká náhlou změnou membránového potenciálu nervové buňky díky pohybu iontů (Na⁺, K⁺) přes buněčnou membránu. Fáze akčního potenciálu 1.Klidový stav (-70 mV) 1. Membrána neuronu je v klidu, vnitřek buňky je záporný oproti vnějšku. 2. Sodíko-draslíková pumpa udržuje vysokou koncentraci Na⁺ venku a K⁺ uvnitř. 2.Depolarizace (stoupání napětí k +30 mV) 1. Po dosažení prahového potenciálu (-55 mV) se otevírají sodíkové kanály a Na⁺ proudí dovnitř. 2. Vnitřek neuronu se stává kladně nabitým. 3.Repolarizace (návrat k negativnímu napětí) 1. Sodíkové kanály se zavírají, otevírají se draslíkové kanály. 2. K⁺ ionty proudí ven, což obnovuje záporný náboj uvnitř buňky. 4.Hyperpolarizace (přechodné „přepálení“ pod -70 mV) 1. Draslíkové kanály zůstávají chvíli otevřené déle, což způsobí, že membránový potenciál dočasně klesne pod klidovou hodnotu. 2. Poté sodíko-draslíková pumpa vrací ionty na původní místa, čímž se neuron vrací do klidového stavu. Akční potenciál se šíří po nervovém vlákně jako vlna otevírajících se sodíkových kanálů – podobně jako když dominové kostky padají jedna po druhé. Tento proces umožňuje přenos nervových vzruchů Akční potenciál - summary Kde se bere energie a co s ní? Hlavní biochemické dráhy získávání energie Buňky získávají energii primárně katabolickými procesy, které rozkládají glukózu, mastné kyseliny a aminokyseliny. Hlavní dráhy zahrnují: 1. Glykolýza (cytoplazma) – anaerobní i aerobní proces •Rozklad glukózy (C₆H₁₂O₆) na 2 pyruváty. •Čistý zisk: 2 ATP + 2 NADH. •Pokud není kyslík, pyruvát se mění na laktát 2. Pyruvátdehydrogenázová reakce (mitochondrie) •Pyruvát je přeměněn na acetyl-CoA za vzniku 1 NADH a CO₂. •Acetyl-CoA vstupuje do Krebsova cyklu. 3. Krebsův cyklus (citrátový cyklus, mitochondrie) •Úplná oxidace acetyl-CoA na CO₂. •Výstupy z jednoho cyklu: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 ATP. •Poskytuje redukované kofaktory pro dýchací řetězec. 4. Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace (mitochondrie, vnitřní membrána) •Elektrony z NADH a FADH₂ procházejí přes komplexy I-IV. •Pumpování protonů (H⁺) vytváří elektrochemický gradient. •ATP syntáza využívá gradient k syntéze ~34 ATP na molekulu glukózy. •Konečný akceptor elektronů = kyslík (O₂), vzniká voda (H₂O). 5. Beta-oxidace (mitochondrie, peroxizomy u dlouhých MK) •Postupná oxidace mastných kyselin na acetyl-CoA. •Výstupy: FADH₂, NADH, acetyl-CoA pro Krebsův cyklus. •Energeticky efektivnější než glykolýza (např. palmitát → 129 ATP). 6. Katabolismus aminokyselin •Odstranění aminoskupiny (deaminace), uhlíkaté kostry vstupují do Krebsova cyklu nebo jsou přeměněny na glukózu (glukoneogeneze). •Dusíkatý odpad je vylučován jako močovina (savci) nebo amoniak (ryby). biochemický proces probíhající v mitochondriích, při kterém se z NADH a FADH₂ přenášejí elektrony na kyslík za vzniku vody. Tento proces zahrnuje čtyři enzymové komplexy a koenzym Q a cytochrom c jako přenašeče elektronů. Přenos elektronů vytváří protonový gradient přes vnitřní mitochondriální membránu, který pohání syntézu ATP pomocí ATP syntázy. Tento mechanismus je klíčový pro získávání energie v podobě ATP z živin. Dýchací řetězec Buněčná a tkáňová homeostáza organizace tkáně: • tkáňově specifické kmenové buňky • replikační potenciál srovnatelný s dobou života celého organismu; koncentrace ve tkáni velmi nízká; neomezený, avšak nízký mitotický potenciál; chybění většiny fenotypových znaků maturovaných buněčných populací. • progenitorové buňky • omezený generační potenciál; rychlé dělení; schopnost migrace; schopnost diferenciace do podoby specializovaných buněčných populací příslušné tkáně • maturované buňky • tkáňově specifických funkcí; mají nízký replikační ; terminální a specializovaný fenotyp; omezená nebo žádná schopnost migrace (platí pro solidní tkáně). rovnováha mezi vznikem a zánikem buněk => nezbytný předpoklad fyziologické integrity organismu proliferace vs. diferenciace vs. buněčná smrt https://www.enzo.com/note/stem-cells-from-embryonic-origin-to-induced-pluripotency-an-overview/ Ontogeneze a kmenové buňky https://portlandpress.com/emergtoplifesci/article/5/4/563/229697/Stem-cells-and-regenerative-medicine-in-sport Typy kmenových buněk https://www.nature.com/articles/nature08602 https://www.nature.com/articles/nrm3772/figures/1 Asymetrické dělení kmenových buněk předpoklad funkční tkáně https://www.nature.com/articles/nrm3772/figures/5 Buněčný cyklus regulace a kontrolní body https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitosis Mitóza Typy buněčné smrti Nádorová transformace nekontrolovatelný růst nádoru => selhání dvou kritických dějů – buněčného cyklu a apoptózy Poruchy obou dějů jsou podmíněny mutacemi doprovázenými epigenetickými alteracemi genů, které oba děje řídí (onkogeny resp. protoonkogeny – podílející se na stimulaci buněčného cyklu a inhibici apoptózy a opačně působící tumorsupresorové geny Poškození DNA mutageny Mutace je změna v sekvenci DNA organismu. Mutace mohou vzniknout v důsledku chyb v replikaci DNA při dělení buněk, působením mutagenů nebo virovou infekcí. Zárodečné mutace (které se vyskytují ve vajíčkách a spermiích) se mohou přenášet na potomky, zatímco somatické mutace (které se vyskytují v tělesných buňkách) se nepřenášejí. https://www.cancer.gov/about-cancer/understanding/what-is-cancer Rakovina může být spojena s chromozomálními abnormalitami Theodor Boveri (1862 – 1915) https://pathsocjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/path.4410 „When I published the results of my experiments on the development of double-fertilized sea-urchin eggs in 1902, I added the suggestion that malignant tumors might be the result of a certain abnormal condition of the chromosomes, which may arise from multipolar mitosis...So I have carried on for a long time the kind of experiments I suggested, which are so far without success, but my conviction remains unshaken“ https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.4161/cbt.1.5.225 https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mutation Genetické změny potenciálně vedoucí k rakovině Missense mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Missense-Mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Frameshift-Mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Nonsense-Mutation Postupné hromadění mutací nebo „single catastrophic event“? https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3065307/ Rakovina je způsobena somaticky získanými bodovými mutacemi a chromozomálními přestavbami, o nichž se obvykle předpokládá, že se v průběhu času postupně hromadí ledaže… https://jackwestin.com/resources/mcat-content/control-of-gene-expression-in-eukaryotes/cancer-as-a-failure-of-normal-cellular-controls-oncogenes-tumor-suppressor-genes Onkogeny a tumor supresorové geny zpomalení/zastavení buněčného cyklu indukce apoptózy opravy DNA zrychlení/indukce buněčného cyklu inhibice apoptózy pravděpodobnost že za normálních získáte sadu mutací vedoucích k rakovině je velice nízká (je potřeba cca 5 mutací) (ale jen do doby, než máte první mutaci co zrychlí b. cyklus nebo zastaví opravy DNA) => Genetická nestabilita Proto-onkogeny Tumor supresorové geny Onkogeny Onkogen je mutovaný gen s potenciálem způsobit rakovinu. Předtím, než se gen stane mutovaným, nazývá se protoonkogen a má úlohu při regulaci dělení buněk. Rakovina může vzniknout, když je protoonkogen mutován, čímž se změní na onkogen a způsobí, že buňka začne dělit a množit se nekontrolovaně. Mutace jsou obvykle získané a stačí mutace v jednom z páru (dominantní efekt). https://www.genome.gov/genetics-glossary/Oncogene Mutace v tumor supresorových genech jsou často získané. Mutace v obou kopiích páru genů potlačujících nádory se mohou vyskytnout jako výsledek stárnutí, vlivu životního prostředí nebo obojího. Mutace může být také dědičná (např. retinoblastom, pRB). V těchto případech je mutace v jedné kopii páru genu předána od rodiče a je přítomna ve všech buňkách (germinální mutace). Mutace ve druhé kopii genu je získaná a obvykle se vyskytuje pouze v jediné buňce nebo v několika málo buňkách => Two-hit hypothesis (Knudson, 1971) Tumor supresorové geny https://www.genome.gov/genetics-glossary/Tumor-Suppressor-Gene https://theory.labster.com/heritable-cancer/ https://jnm.snmjournals.org/content/49/Suppl_2/24S https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5852963/pdf/41389_2018_Article_34.pdf Nádorová buňka https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(00)81683-9 • růst bez přítomnosti růstových faktorů • neschopnost odpovídat na signály pro ukončení růstu • omezená citlivost vůči indukci programované buněčné smrti • stimulace růstu krevních kapilár zásobujících nádor • schopnost šířit se do vzdálených tkání • neomezená schopnost dělení (nenaráží na Hayflickův limit) koncept tzv. "klíčových znaků rakoviny" byl poprvé navržen výzkumníky Douglasem Hanahanem a Robertem Weinbergem v roce 2000 https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-95228-4_12 https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(00)81683-9 https://aacrjournals.org/view-large/figure/13775671/31fig1.jpeg Nádorové kmenové buňky (Cancer stem cells) https://www.nature.com/articles/nm.4409 subpopulace buněk nádoru zodpovědná za jeho vznik, rezistenci a rozvoj? https://www.nature.com/articles/nrc1590