Biologie Jádro, buněčné dělení, buněčná smrt Doc. RNDr. Jan Hošek, Ph.D. hosek@mail.muni.cz Ústav molekulární farmacie FaF MU Genofory • Nukleoid • Plasmidy • Jádro – karyolema, perinukleární prostor, nukleární póry – nukleární lamina – lamininy – jadérko – chromozómy • Mitochondriová a chloroplastová DNA 2 https://sciencenotes.org/prokaryotic-vs-eukaryotic-similarities-and-differences/ Prokaryotické „jádro“ - nukleoid • Tvořen DNA, RNA a proteiny • Není obaleno • Většinou 1 kruhová molekula dsDNA • DNA je silně kondenzovaná a organizovaná do 3D struktury pomocí proteinů (Nucleoidassociated proteins - NAPs) 3 https://www.sciencephoto.com/media/209697/view/c oloured-tem-of-dna-from-e-coli-bacterium https://doi.org/10.1038/nrg3375 Plasmidy • extrachromozomální kružnicové dsDNA • výskyt u mnoha bakteriálních druhů • velikost 1 000 až 200 000 bp • nesou pouze geny kódující druhotné znaky (rezistence k antibiotikům) • autonomní replikace • replikační cyklus synchronizovaný nebo nesynchronizovaný • musí obsahovat svůj počátek replikace (lokus ori) 4 Typy plasmidů • F-plasmid – fertilizační plasmid pro „sexuální“ množení bakterií – přenáší se konjugací • R-plasmid – nese geny rezistence k antibiotikům • Col plasmidy – nesou geny pro tvorbu bakteriocidních peptidů • Plasmidy s geny pro štěpení atypických substrátů • Plasmidy s geny pro virulenci Organizace eukaryotického jádra • Vnější jaderná membrána – navázána na drsné ER • Vnitřní jaderná membrána – váže laminy – proteiny vázající DNA • Jaderné póry • Jadérko – Geny pro rRNA – Funkční oblast vořena sekvencemi satelitů akrocentrických chromosomů • Nukleoplasma – obsahuje DNA a proteiny 6 https://www.wikiskripta.eu/w/Bun%C4%9B%C4%8Dn %C3%A9_j%C3%A1dro#/media/Soubor:Diagram_hum an_cell_nucleus.svg Organizace eukaryotického jádra DOI: 10.3389/fcell.2021.761469 Chromozómy Chromozóm se skládá z chromatinu. Ten je tvořen: ❖ dlouhá lineární molekula DNA ❖ proteiny, které jsou navázány na DNA - pomáhají DNA sbalit (histony) - podílejí se na genové expresi, - replikaci a opravě DNA DNA je rozdělena do sady chromozómů. Geny jsou uloženy na chromozomech lineárně v přesné pozici = lokusu Chromozómy vypadají rozdílně v interfázi (rozvolněné) a při mitóze (vysoce kondenzované) Chromozómy Rozlišujeme homologní (autologní) chromozomy, které jsou do páru. Člověk má 22 párů chromozomů + XX nebo XY X a Y = pohlavní (nehomologní ; heterologní) chromozomy Lidské chromozomy v mitóze. Použité barvy obvykle rozlišují sekvence bohaté na A-T páry od sekvencí s C-G páry. Jeden chromozom v páru je vždy paternální (P), druhý maternální (M) Chromozómy Uměle seřazené chromozomy jedné buňky do párů = KARYOTYP Jak vypadají chromosomy? – update VI/2024 Barley (Hordem vulgare) mitotic metaphase chromosomes observed by A-ESEM, secondary electron detector. (a) Overview of a chromosome with protrusions covering it’s the entire body, including centromeric region, top view. (b) Histogram of chromosome length distributions as determined using A-ESEM (95 measurements). (c) Detailed view of the protrusions on the terminal telomeric chromosome region, with the sizes of the protrusions indicated (yellow bars). (d) Histogram of the protrusion widths (183 measurements). (e) Close-up of a chromosome region showing ~ 12 nm features, which may represent nucleosome fibers. (f,g) The ~ 12 nm features form ~ 37 nm structures (yellow bars), whose molecular composition is not clear (see the text for more details). Proužkování lidských chromozómů Chromozómy jsou barveny v časném stádiu mitózy (kondenzované) Podle pozice centromery se rozlišují: metacentrické; submetacentrické; akrocentrické Krátké rameno = p (petit) Dlouhé rameno = q (queue) Barvení podle Giemsy . Tmavé oblasti = vysoký obsah párů A-T Výčnělky obsahují geny pro velké ribozomální RNA ➢ Umístění chromosomů v jádře není náhodné ➢ Shlukování oblastí se stejnou funkcí a aktivitou DOI: 10.1038/nsmb.2474 E. Lieberman-Aiden et al., Science 326, 289-293 (2009) https://unlockinglifescode.org/the-genome-ball Buňka se rozmnožuje prováděním uspořádaného sledu reakcí = BUNĚČNÝ CYKLUS Je to základní mechanismus, kterým se rozmnožuje vše živé. Každá buňka pochází pouze z jiné buňky. Buněčná doktrína R.Virchow 1858 Buněčný cyklus ❖ zdvojení buněčné hmoty ❖ replikace buněčného genomu ❖ vlastní rozdělení mateřské buňky ve dvě buňky dceřinné Dochází tak k přenosu genetické informace na další generaci buněk Buněčný cyklus zahrnuje děje, při kterých dochází: K buněčnému dělení u mnohobuněčných organismů nedochází pouze při vzniku nového jedince, ale i v průběhu života a to u různých typů buněk s různou rychlostí Obvykle se vůbec nedělí : nervové, svalové Minimálně se dělí: jaterní buňky (1x ročně) Intenzivně se dělí: buňky střevního epitelu, prekurzorové (kmenové) krevní buňky (více než 1x denně), buňky vlasových folikulů. Každý z nás vytvoří každou sekundu milion nových buněk, zástava dělení vede ke smrti. Má jediný kruhový chromozom, který je přichycen k plazmatické membráně a zůstává k ní přichycen i během replikace chromozomu. Oba chromozomy jsou od sebe oddělovány růstem buněk. Buněčná stěna a plazmatická membrána se vchlípí mezi oba chromozomy → vznikají dvě buňky. = BINÁRNÍ DĚLENÍ Buněčné dělení u baktérií (E. coli) https://genesdev.cshlp.org/content/12/7/1036/F6.expansion https://www.sciencephoto.com/ media/12477/view/tem-of- dividing-e-coli-bacterium G0 -FÁZE M-FÁZE + INTERFÁZE (G1, S, G2) G1 a G2 fáze jsou fáze, kdy dochází k růstu buňky, k duplikaci cytoplazmatických organel Buněčný cyklus eukaryontních buněk S-fáze (syntetická) ❖ replikace jaderné DNA ❖ syntéza histonů G1-fáze (presyntetická) probíhají procesy duplikace ribozomů, ER, mitochondrií, syntéza enzymů, nukleotidů M-fáze (mitotická) G2-fáze (postsyntetická) ❖ syntéza proteinů, RNA Mitóza (karyokineze) = dělení jádra Cytokineze = cytoplazmatické dělení ❖G0-fáze (klidová) ❖ udržován pouze bazální metabolismus ❖ Vyskytuje se jen u některých typů buněk, hl. těch, které jsou již terminálně diferencovány (neurony, erytrocyty) INTERFÁZE Buněčný cyklus eukaryontních buněk Délka buněčného cyklu je rozdílná Buněčný typ Délka buněčného cyklu Buňky časného žabího embrya 30 minut Buňky kvasinek 1,5 – 3 hodiny Buňky střevního epitelu 12 hodin Savčí fibroblasty v kultuře 20 hodin Lidské jaterní buňky 1 rok S –fáze (syntetická) Buňka replikuje jadernou DNA dochází ke zdvojení chromozomů M–fáze (mitotická) Růst buňky se zastaví a následuje 1) Jaderné dělení - kondenzace chromozomů - vznik mitotického vřeténka… 2) Cytoplazmatické dělení - vznik kontraktilního prstence - rozdělení organel MT a ChL se rozdělí GA a ER se rozpadá na malé fragmenty, což zvyšuje pravděpodobnost rovnoměrného rozdělení. G2-fáze Kontrola buněčného dělení a růstu buněk Buněčné dělení a růst je regulován extracelulárními signálními molekulami, které svůj účinek zprostředkovávají přes specifické receptory. ❖ mitogeny Tyto proteiny lze rozdělit do tří hlavních tříd: ❖ růstové faktory ❖ faktory pro přežití (survival factors) ❖Mitogeny – stimulují buněčné dělení spuštěním aktivity G1/S-Cdk, která „odblokuje“ intracelulární negativní kontrolní mechanismy, které bez přítomnosti těchto mitogenů blokují buněčné dělení. ❖Růstové faktory – stimulují buněčný růst (zvyšují nárůst buněčné hmoty) podporou syntézy proteinů a jiných makromolekul a inhibicí jejich degradace. ❖Faktory pro přežití (survival factors) – napomáhají buňce přežít tím, že potlačují děje směřující k apoptóze. VSTUP DO G1 FÁZE Přítomnost mitogenů a růstových faktorů Přítomnost pouze růstových faktorů VSTUP DO G0 FÁZE Buněčný cyklus musí být v mnohobuněčném organismu dobře regulován a koordinován → zajištění návaznosti a posloupnosti jednotlivých kroků a procesů ❖ aktivovat a inaktivovat příslušné enzymy ❖ umožnit regulaci buněčného cyklu prostřednictvím chemických signálů (signální molekuly) ❖ využití tzv. molekulárních brzd (Rb-protein, p53, p21) zastavit buněčný cyklus v tzv. kontrolních bodech (checkpointech) Živočišné buňky mají vnitřně limitovaný počet buněčných dělení, kterými mohou projít Tento jev se nazývá buněčné stárnutí a délka se liší se typ od typu buňky. I přesto, že jsou přítomny příslušné faktory, buňka na ně přestává reagovat. Za nejdůležitější příčinu stárnutí buňky považováno postupné zkracování telomér (malé útvary na konci chromozomů) při každém buněčném dělení. Buňka není schopná telomery replikovat bez enzymu telomerázy. Některé buňky nemají tento enzym vůbec, nebo se může měnit jeho aktivita vlivem stáří. Kontrolní body buněčného cyklu 1) před vstupem do S-fáze = spuštění replikace DNA → REPLIKACE DNA Kontrolu buněčného cyklu zajišťují tři kontrolní body: Je okolí pohostinné? Je buňka dostatečně velká? Není DNA poškozená? Kontrolní body buněčného cyklu 2) před vstupem do M-fáze = spuštění mitózy → TVORBA MITOTICKÉHO VŘETÉNKA Kontrolu buněčného cyklu zajišťují tři kontrolní body: Je okolí pohostinné? Je všechna DNA zreplikovaná? Kontrolní body buněčného cyklu 3) Na rozhraní metafáze / anafáze = spuštění anafáze → dokončení DĚLENÍ jádra a následně buňky Kontrolu buněčného cyklu zajišťují tři kontrolní body: Jsou všechny chromozomy připojené k vřeténku? Řízení buněčného cyklu Je prováděno aktivací a deaktivací příslušných CYKLIN-DEPENDENTNÍCH KINÁZ. Jsou aktivovány pomocí regulačních proteinů „CYKLINŮ“ Tyto aktivované kinázy potom katalyzují fosforylaci příslušných proteinů a řídí průchod buňky fázemi cyklu. Poté, co cykliny vytvoří komplex s Cdk, kináza se aktivuje a je schopna spustit příslušnou část buněčného cyklu. Bez cyklinů je Cdk inaktivní. Řízení buněčného cyklu • Vstup do jednotlivých fází buněčného cyklu je dán koncentrací cyklinů a aktivitou CdK https://mysciencesquad.weebly.com/ib-hl-16u5.html https://facts.net/science/biology/15-astounding-facts-about-cyclin- dependent-kinases-cdks/ Řízení buněčného cyklu https://doi.org/10.3390/ijms21061960 INTERFÁZE mitotická profáze mitotická prometafáze mitotická metafáze mitotická anafáze mitotická telofáze MITÓZA - jednotlivé fáze časná mitotická profáze pozdní mitotická profáze (prometafáze) Profáze Dochází ke kondenzaci chromozómů Vně jádra začíná vznikat mitotické vřeténko Stručně o jednotlivých fázích mitózy Metafáze Chromozomy se seskupují v ekvatoriální rovině a vytvářejí tak metafázovou destičku. Stručně o jednotlivých fázích mitózy Anafáze Dochází k rozchodu sesterských chromatid Stručně o jednotlivých fázích mitózy Telofáze Kolem každé sady chromozomů se vytváří nový jaderný obal a vznikají dvě dceřiná jádra Stručně o jednotlivých fázích mitózy Profáze 1. Na konci S-fáze dochází k replikaci DNA, duplikuje se také centrozom (nejprve jsou spolu u jednoho pólu) 2. Kondenzace a spiralizace chromozomů (50 000 krát zkrácení). Sesterské chromatidy jsou spolu spojeny po celé délce. centrosom tvořící se mitotické vřeténko kinetochor intaktní jaderný obal Kondenzující se chromozom se dvěma sesterskými chromatidami spojenými po celé své délce Účastní se struktury cytoskeletu: centrozom, mikrotubuly, kinetochor a molekulární motory: kinesin, dynein Profáze 3. Oba centrozómy se začínají pohybovat k opačným pólům jádra – pohyb se děje podél mikrotubulů a je řízen molekulovými motory. Spotřebovává se při tom ATP. centrosom tvořící se mitotické vřeténko kinetochor intaktní jaderný obal Kondenzující se chromozom se dvěma sesterskými chromatidami spojenými po celé své délce Profáze 4. Kolem každého centrozomu (u každého pólu) se organizuje svazek mikrotubulů. Ty spolu interagují za vzniku mitotického vřeténka. centrosom tvořící se mitotické vřeténko kinetochor intaktní jaderný obal Kondenzující se chromozom se dvěma sesterskými chromatidami spojenými po celé své délce Kinetochor = proteinová struktura, jejímž prostřednictvim se chromozomy napojují na mitot. vřeténko – dotváří se v prometafázi Tři druhy mikrotubulů mitotického vřeténka Pól vřeténka Molekulový motor kinetochor Replikovaný chromozomsesterské chromatidyCentrozom Astrální mikrotubuly kinetochorové mikrotubuly polární mikrotubuly Kinetochorové mikrotubuly spojují chromozomy s oběma póly Prometafáze (pozdní profáze) 1. Rozpad jaderného obalu na membránové váčky. Fragmenty jaderného obaluPól vřeténka Kinetochorový mikrotubulus Chromozom Začíná fosforylací jaderných laminů (= proteinové podjednotky intermediárních filament) a následným rozpadem jaderné laminy Jaderné laminy se nacházejí pod jaderným obalem (stabilizuje ji). Tím se mikrotubuly vřeténka dostávají do kontaktu s chromozómy. Prometafáze 2. Chromozomy se připojují k mikrotubulům mitotického vřeténka Mikrotubuly se vážou na chromozomy prostřednictvím speciálních proteinových komplexů zvaných kinetochory. Fragmenty jaderného obaluPól vřeténka Kinetochorový mikrotubulus Chromozom Kinetochory vznikají na chromozomech během pozdní profáze. Každá sesterská chromatida má v oblasti centromery vlastní kinetochor, kterým se připojuje ke kinetochorovému mikrotubulu. Kinetochor je kódován speciální centromerovou sekvencí DNA. Její odstranění znamená, že kinetochory nemohou vzniknout a chromozomy se během mitózy nemohou správně segregovat Replikovaný chromozom Oblast centromery kinetochor Kinetochorové mikrotubuly Na lidský kinetochor se váže 20-40 mikrotubulů Metafáze 1. Začátek metafáze je definován tvorbou metafázové destičky. Chromozomy jsou srovnány v ekvatoriální rovině uprostřed mezi póly. Rovněž kinetochory všech chromozomů jsou srovnány v rovině. Kinetochorový mikrotubulus Centrozom na pólu vřeténka Metafáze 2. Chromozomy v metafázové destičce jsou drženy značnou silou. Na vzniku a udržení tohoto stavu se podílí jak mikrotubulární molekulové motory (motorové proteiny), tak také postupné narůstání a odbourávání mikrotubulů (tubulinové jednotky jsou buď přidávány nebo odstraňovány, což vede k pohybu). Kolchicin = jed mitotického vřeténka blokuje přidávání mikrotubul. podjednotek Kinetochorový mikrotubulus Centrozom na pólu vřeténka Anafáze 1. Spojení mezi sesterskými chromatidami je přerušeno proteolytickými enzymy. Zkracující se kinetochorový mikrotubulus Pól vřeténka se pohybuje k okraji buňky Dceřiné chromozomy Každá chromatida (dceřiný chromozom) se pohybuje směrem k pólu vřeténka, ke kterému je připojeno. Anafáze 2. Tato segregace chromozomů vede k rozdělení chromozomů do dvou identických sad na opačných koncích mitotického vřeténka. Zkracující se kinetochorový mikrotubulus Pól vřeténka se pohybuje k okraji buňky Dceřiné chromozomy Rychlost pohybu chromozomů 1μm za minutu. Pohyb je výsledkem dvou nezávislých procesů (anafáze A - anafáze B) Chromozomy jsou taženy dopředu Póly se od sebe vzdalují ANAFÁZE A ANAFÁZE B Zkracování kinetochorových mikrotubulů → pohyb dceřiných chromozomů k pólům. Hnací síly jsou generovány hlavně v kinetochorech (1) Klouzavý pohyb je generován mezi polárními mikrotubuly z opačných pólů a tlačí tyto póly od sebe. Polární mikrotubuly se také prodlužují - tažná síla působí přímo (2) na póly, které se pohybují proti sobě Mikrotubuly rostou na + konci polárních mikrotubulů A: Molekulové motory (motorové proteiny) kinetochoru „kráčí“ i s připojeným chromozomem podél kinetochorového mikrotubulu Chromozomy jsou taženy dopředu Póly se od sebe vzdalují ANAFÁZE A ANAFÁZE B Zkracování kinetochorových mikrotubulů → pohyb dceřiných chromozomů k pólům. Hnací síly jsou generovány hlavně v kinetochorech (1) Klouzavý pohyb je generován mezi polárními mikrotubuly z opačných pólů a tlačí tyto póly od sebe. Polární mikrotubuly se také prodlužují - tažná síla působí přímo (2) na póly, které se pohybují proti sobě Mikrotubuly rostou na + konci polárních mikrotubulů B: Hybné síly zajišťovány sadami „molekulových motorů“ jsou na dlouhých polárních mikrotubulech jsou na mikrotubulech vybíhajících z pólu vřeténka + + Chromozomy jsou taženy dopředu Póly se od sebe vzdalují ANAFÁZE A ANAFÁZE B Zkracování kinetochorových mikrotubulů → pohyb dceřiných chromozomů k pólům. Hnací síly jsou generovány hlavně v kinetochorech (1) Klouzavý pohyb je generován mezi polárními mikrotubuly z opačných pólů a tlačí tyto póly od sebe. Polární mikrotubuly se také prodlužují - tažná síla působí přímo (2) na póly, které se pohybují proti sobě Mikrotubuly rostou na + konci polárních mikrotubulůB: Oddalování pólů vřeténka je doprovázeno prodlužováním polárních mikrotubulů – na jejich plus koncích dochází k polymeraci nových podjednotek Molekulové motory (motorové proteiny) účastnící se pohybu sesterských chromatid Astrální mikrotubuly Mikrotubuly mitotického vřeténka (polární mikrotubuly) 4 hlavní typy: kinesin-5, kinesin-14, kinesin-4,10 a dynein Kinetochorové mikrotubuly Pól vřeténka ODSTRAŇOVÁNÍ TUBULÍNU ODSTRAŇOVÁNÍ TUBULÍNU PŘIDÁVÁNÍ TUBULÍNU PŘIDÁVÁNÍ TUBULÍNU Pohyb směrem k pólu + + + + Telofáze Kolem každé sady chromozomů se začíná vytvářet nový jaderný obal a vznikají dvě dceřiná jádra. Pól mitotického vřeténka - centrozom Tvoří se kontraktilní prstenec – začal již v anafázi !! Sada dceřiných chromozomů na pólu vřeténka Částečně se překrývající mikrotubuly Kolem chromozomů se znovu vytváří jaderný obal Váčky jaderné membrány se shlukují kolem jednotlivých chromozomů a pak fúzují za vzniku jaderného obalu. Jaderné laminy, které byly v prometafázi fosforylovány se defosforylují a reasociují zpětně do jaderné laminy, která je pod jaderným obalem (má vnitřní a vnější jadernou memb.) Telofáze Přes póry v nově vzniklém jaderném obalu pronikají do jádra další jaderné proteiny a jádro roste. Pól mitotického vřeténka - centrozom Začíná se tvořit kontraktilní prstenec Sada dceřiných chromozomů na pólu vřeténka Částečně se překrývající mikrotubuly Kolem chromozomů se znovu vytváří jaderný obal Chromozomy se dekondenzují do tzv. interfázového stavu, takže může být obnovena transkripce genů. Mitóza končí. Cytokineze Cytokineze je dělení cytoplazmy a všech jeho součástí. Začíná už v anafázi – kolmo k podélné ose mitotického vřeténka se vytváří dělicí rýha. V anafázi se rovněž začíná vytvářet kontraktilní prstenec. Hotový jaderný obal obklopuje dekondenzující se chromozomy Kontraktilní prstenec tvoří dělicí brázdu Vytvářejí se nové interfázové mikrotubuly – vytvářejí se z centrozomu Cytokineze Kontraktilní prstenec je tvořen ze svazků aktinových a myosinových filament. Je připojen k proteinům asociovaným s vnitřní stranou membrány a je schopen vyvinout velkou sílu. Kontraktilní prstenec tvoří dělicí brázdu Vytvářejí se nové interfázové mikrotubuly – vytvářejí se z centrozomu Pohyb aktinových vláken proti myosinovým vláknům je obdobný jako při kontrakci svalu. Prstenec je však struktura pouze přechodná !! Zmizí. Hotový jaderný obal obklopuje dekondenzující se chromozomy Při rychlém dělení někdy nenásleduje bezprostředně po mitóze cytokineze, vzniká tzv. SYNCYTIUM (vícejaderná buňka) Membrány se potom vytvářejí najednou v koordinované cytokinezi = CELLULARIZACE Buňky v živočišných tkáních jsou obvykle v pevném adhezním kontaktu se svými sousedy, jsou zploštělé a adherovány k podkladu. Jakmile buňka vstoupí do M-fáze, dojde k fosforylaci integrinů (zodpovědné za vzájemnou soudržnost buněk v tkáních) a zeslabení těchto interakcí a vazeb, buňka se zakulacuje. Po dokončení cytokineze se buňky znovu zploští a vzájemné adhezní síly se obnoví. Buňka tak přeuspořádala své kontakty se sousedními buňkami – to umožňuje začlenění nových buněk do tkání. Odlišnosti cytokineze u rostlin Rostlinná buňka nemá jen plazmatickou membránu, ale také pevnou buněčnou stěnu. Dceřiné buňky nejsou odděleny kontraktilním prstencem, ale nově se tvořící buněčnou stěnou. Ta se začíná tvořit na začátku telofáze a její vznik je řízen strukturou nazývanou FRAGMOPLAST. Vytváří se ze zbytků polárních mikrotubulů v ekvatoriální rovině mitotického vřeténka. Mateřská buněčná stěna Zbytky polárních mikrotubulů z vřeténka Vezikuly odvozené z GA Fragmoplastové mikrotubuly Nová buněčná stěna interfázové mikrotubuly TELOFÁZE CYTOKINEZE G1 Buněčná destička Malé membránou obalené váčky odvozené od Golgiho aparátu s polysacharidy a glykoproteiny putuje podél mikrotubulů k fragmoplastu. Jsou nezbytné pro tvorbu buněčné stěny. Byla objevena v r. 1883. Meios = zmenšení Je to buněčné dělení, které se uplatňuje při vzniku gamet (specializovaných buněk určených k rozmnožování). Gamety jsou HAPLOIDNÍ = mají pouze jednu sadu chromozomů. Ostatní lidské buňky jsou DIPLOIDNÍ = mají dvě sady chromozomů. Od otce Od matky Meióza Rozdíl mezi meiózou a mitózou 1) Zreplikované chromozomy se seřadí náhodně v metafázní destičce 2) Sesterské chromatidy se pak od sebe oddělí a vzniknou samostatné chromozómy. 3) Vzniklé dceřiné buňky mají každá jednu kopii každého maternálního a jednu kopii paternálního chromozomu. = DCEŘINÉ BUŇKY JSOU DIPLOIDNÍ A GENETICKY IDENTICKÉ 1) Zreplikované chromozomy se před uspořádáním do metafázní destičky párují se svým homologem a vytvářejí struktury = bivalenty, které tím pádem obsahují čtyři chromatidy (2x2) 2) Tvorba bivalentu umožňuje genetickou rekombinaci mezi paternální a maternální částí stejného chromozomu = CROSSING OVER 3) K pólům se rozcházejí bivalenty Rozdíl mezi meiózou a mitózou 1) Před druhým meiotickým dělením nedochází k replikace DNA, přítomna není ani interfáze. 2) Sesterské chromatidy se rozcházejí běžným způsobem jako při mitóze. = VZNIKAJÍ CELKEM ČTYŘI HAPLOIDNÍ BUŇKY, KTERÉ NEMUSÍ NÉST ZCELA TOTOŽNÝ GENETICKÝ MATERIÁL. Díky crossing-overu dochází k promíchání genů otce a matky. Rozdíl mezi meiózou a mitózou crossing-over homology centroméra sesterské chromatidy nesesterské chromatidy Výsledek crossing-overu Chiasmata = uzlíky Meióza Meióza zahrnuje dvě buněčná dělení: 1. a 2. meiotické dělení. (profáze, prometafáze, metafáze, anafáze, telofáze) Před prvním meiotickým dělením dochází k replikaci DNA (S-fáze), před druhým nikoliv. Meióza 1. MEIOTICKÉ DĚLENÍ Nejdelší stádium je profáze, kdy vznikají bivalenty. Toto stádium může trvat i řadu let. Rozlišujeme proto 5 stádií první profáze: leptoten, zygoten, pachyten, diploten a diakineze Na konci profáze se rozpadá jaderný obal, což signalizuje začátek prometafáze. Zbylá stádia se už odehrávají rychle a obdobně jako u mitózy. LEPTOTENE: spiralizace vláken DNA a diferenciace chromozómů. ZYGOTENE: homologické chromozomy se přibližují k sobě a za pomoci speciální bílkoviny vytvářejí se bivalenty PACHYTENE: chromozomy dokončují spiralizaci a bivalenty jsou pozorovatelné jako tzv. tetrády (4chromatidové komplexy. Nesesterské chromatidy se proplétají - vznik chiazmat (uzlíků). V této fázi dochází k tzv. crossing-overu. DIPLOTENE: bílkovinné vazby mezi homologickými chromozomy se uvolňují a postupně se oddalují. Nesesterské chromatidy pořád spojené chiazmaty (uzlíky). DIAKINEZE: dochází k přeuspořádání a rozchodu homologických chromozomů. Chiazmata se posunují na konec chromatid kde zanikají (terminalizace chiazmat). https://www.toppr.com/ask/question/give-an-account-of-prophase-1-of- meiosis/ Meióza 1. MEIOTICKÉ DĚLENÍ (heterotypické dělení) Do dceřiných buněk se rozcházejí zreplikované homology (bivalenty). Vznikají haploidní buňky. Pokud se homology od sebe neoddělí (= nondisjunce), vznikají na konci gamety, kde jedné chybí a druhé určitý chromozom přebývá. Sesterské chromatidy zůstávají po celou dobu spolu spojené (chovají se jako jeden celek). 2. MEIOTICKÉ DĚLENÍ (homotypické dělení) Sesterské chromatidy se rozcházejí do dceřiných buněk až během druhého meiotického dělení. https://en.wikipedia.org/wiki/Meiosis#/media/File:Meiosis_Stages.svg Meiotická S-fáze K DUPLIKOVANÉ CHROMOZOMY SE ŘADÍ JEDNOTLIVĚ DO VŘETÉNKA K K PÁROVÁNÍ ZDUPLIKOVANÝCH HOMOLOGŮ HOMOLOGOVÉ PÁRY SE ŘADÍ DO MITOTICKÉHO VŘETÉNKA SEGREGACE HOMOLOGŮ V ANAFÁZI I. SEGREGACE SESTERSKÝCH CHROMATID V ANAFÁZI II. SEGREGACE SESTERSKÝCH CHROMATID V ANAFÁZI SHRNUTÍ Všechny buňky mohou vznikat pouze dělením z jiné buňky Buněčný cyklus eukaryot zahrnuje: M-fázi (dělení jádramitóza+ dělení cytoplazmy-cytokineze) a interfázi skládající se z G1 a G2 –fáze a S-fáze(replikace DNA). Na počátku M-fáze se duplikují centromery. Ve fázích G1 (presyntetická) a G2 (postsyntetická) je buňce poskytován čas k růstu. Dělení jádra – mitóza má 5 stádií: profáze, prometafáze, metafáze, anafáze a telofáze. SHRNUTÍ Na počátku PROFÁZE se kondenzují a spiralizují chromozomy tvořené dvěma sesterskými chromatidami. Dceřiné centromery se rozcházejí na opačné póly buňky a vytvářejí póly vřeténka.Z nich pak vyrůstají mikrotubuly (polární m.) a vzniká kompletní dělicí vřeténko. V PROMETAFÁZI dochází k rozpadu jaderného obalu. Mikrotubuly pronikají až ke chromozomům. Prostřednictvím proteinových komplexů kinetochorů se vážou na chromozomy, resp. jednotlivé sesterské chromatidy (kinetochorové mikrotubuly). SHRNUTÍ V METAFÁZI se chromozomy připojené k mikrotubulům vřeténka začínají pohybovat sem tam až se nakonec uspořádají do ekvatoriální roviny a vytvoří metafázovou destičku. V ANAFÁZI dochází k přerušení spojení mezi sesterskými chromatidami účinkem proteolytických enzymů– to umožňuje segregaci dceřiných chromozomů k opačným pólům vřeténka. Chromozomy jsou taženy dopředu zkracováním kinetochorových mikrotubulů a zároveň se prodlužují polární mikrotubuly a póly se od sebe oddalují. Na konci anafáze jsou již chromozomy rozděleny u opačných pólů vřetének a začíná se vytvářet dělicí rýha. SHRNUTÍ Během TELOFÁZE se obnovuje jaderný obal a vznikají dvě dceřiná jádra. Při CYTOKINEZI se vytváří z aktinových a myosinových vláken kontraktilní prstenec a to v místě dělicí rýhy. Kontrakcí tohoto prstence (obdoba svalové kontrakce) dochází k rozdělení cytoplasmy. Rozděleny jsou i další buněčné organely. Rovina buněčného dělení je určena mitotickým vřeténkem. SHRNUTÍ Gamety (spermie, vajíčka) vznikají specializovaným dělením – MEIÓZOU. Jedná se o dvě meiotická dělení za sebou, mezi nimiž není S-fáze. Z diploidní buňky (2n) tak vznikají čtyři haploidní buňky (n). Redukce počtu chromozomů je nezbytná, protože při pohlavním rozmnožování dochází je splynutí dvou gamet. Většina rysů meiózy je shodná s mitózou. Základní rozdíl spočívá v tom, že během 1. mitotického dělení se párují homologní chromozomy a vytvářejí bivalenty. To umožňuje výměnu homologních úseků mezi paternálním a maternálním chromozomem (crossing-over) V anafázi se pak rozcházejí do dceřiných buněk bivalenty. Sesterské chromatidy se rozcházejí až při druhém meiotickém dělení. Buněčná smrt • Programovaná buněčná smrt – řízená a plánovaná smrt buňky • Neprogramovaná buněčná smrt – nekróza, zánik buňky působením významného stresu https://doi.org/10.3892/wasj.2020.40 https://doi.org/10.3892/wasj.2020.40 Apoptóza • Řízená buněčná smrt – po signálu „ZEMŘI“ buňka spustí sled kroků vedoucí k zániku buňky • Vnější dráha – signál vně buňky (např. imunitní buňky) • Vnitřní dráha – signál uvnitř buňky (např. poškození DNA) https://doi.org/10.3390/biom11040534 Kondenzace a rozpad chromatinu https://en.wikiversity.org/wiki/WikiJournal_of_ Medicine/Cell_disassembly_during_apoptosis https://medical-junction.com/apoptosis-vs-necrosis/ https://plos.figshare.com/articles/figure/ _Confirmation_of_apoptosis_mediated_c ell_death_in_HSC_4_cells_through_obse rvation_of_A_DNA_laddering_using_DNA _fragmentation_assay_on_cells_treated_ with_CEB4_for_12_and_24_h_followed_ by_analysis_of_extracted_DNA_on_0_1_ w_v_agarose_gel_electrophoresis_Smea /416013