Molekulární podstata patofyziologických procesů Michal Masařík http://www.med.muni.cz/masariklab/ https://www.facebook.com/MasarikLab/ Úvod • Proč tento předmět? • Co by měl přinést? • Propojení klinické biochemie, molekulární biologie a MMMP. • Interaktivita a vzájemné učení. Týden Datum Téma 1 23.2. MM Úvodní fyziologické poznámky. Buňka, tkáň, orgán. Regulační procesy podstatné pro proliferaci, diferenciaci a zánik buněk. 2 2.3. PBL Zánět. Regenerace vs. reparace. Obecné projevy nemocí (horečka, bolest). Nespecifická a specifická imunitní odpověď. Poruchy funkce imunitního systemu (imunodeficience, hypersenzitivita, autoimunita). 3 9.3. MM Kontrola buněčného cyklu. Nádorová transformace buňky. Interakce nádoru a organismu. Metastazování. 4 16.3. PBL Patofyziologie endokrinního systému. 5 23.3. MM Homeostáza – principy regulace a poruchy fyziologických regulací. Neuroendokrinní regulace, patofyziologie vnitřní sekrece – obecné poznámky. Poruchy transport kyslíku, kyslíkové radikály, oxidativní stres, mechanismy antioxidační obrany. 6 30.3. PBL Poruchy metabolismu a výživy – sacharidy, lipidy, bílkoviny. Poruchy metabolismu mikronutrientů a stopových prvků. Mentální anorexie a bulimie. Obezita. 7 6.4. MM Patofyziologice trávicího systému – dutina ústní, žaludek, játra, žlučové cesty, slinivka, tenké a tlusté střevo. 8 13.4. PBL Patofyziologie krve, krvetvorné tkáně a krevního srážení. 9 20.4. MM Patofyziologie vylučovacího systému. Poruchy acidobazické rovnováhy. 10 27.4. PBL Patofyziologie srdce a cévního systému. Ateroskleróza. Ischemická choroba srdeční. Poruchy srdečního rytmu. Hypertenze. Nemoci periferních cév. 11 4.5. MM Patofyziologie dýchacího a nervového systému. Obstrukční a restrikční plicní nemoci. Motorický systém a nejdůležitější neurodegenerativní onemocnění. 12 11.5. PBL Základy genetiky. Monogenní vs. komplexní nemoci. Michal Masařík Petra Bořilová Linhartová • Patofyziologie v obrazech. Monika Pávková Goldbergová, MU, 2017 • Základy buněčné biologie. Alberts and spol. ESPERO publishing • Atlas fyziologie člověka. Edited by Stefan Silbernagl. 3. české vydání. Praha: Grada publishing, 2004. ISBN 80-247-0630-X • Atlas patofyziologie člověka. Edited by Stefan Silbernagl. 1. české vydání. Praha: Grada publishing, 2001. ISBN 80-7169-968-3 • Patologická fyziologie orgánových systémů. Edited by Emanuel Nečas. 1. vyd. Praha : Karolinum, 2003. S: 381-760. ISBN 80-246- 0674-7. • Nečas, E.a.s. Obecná patologická fyziologie. 1. vyd. Praha : Karolinum, 2000. 377 s. ISBN 80-246-0051-X. • Patologická fyziologie orgánových systémů. Edited by Emanuel Nečas. 1. vyd. Praha : Karolinum, 2003. 379 s. ISBN 80-246-0615-1. Co nás dnes čeká ? • Patologická fyziologie - definice • Buňky, tkáně • Transportní pochody • Proliferace (a její regulace) • Realizace genové exprese • Buněčná signalizace • Adaptace/Diferenciace • Nekróza/Apoptóza Historie patofyziologie • Patologie (patologická anatomie) – První dokumentovaná pitva Avenzoar (Ibn Zuhr) (1091-1161) – Rudolf Virchow (1821-1902) zakladatel mikroskopické patologie • Experimentální patologie – Morfologické a funkční studie onemocnění pomocí mikroskopických a molekulárně biologických metod na úrovni orgánů, tkání, buněk a tělesných tekutin • Fyziologie – Studie funkcí zdravého organismu • Patofyziologie – Funkční studie procesů v nemocném organismu a vývoj experimentálních modelů onemocnění (buněčné linie, experimentální zvířata) + vzorky biol. materiálu Claude Bernard 1813-1878 • l'Introduction à l'étude de la médecine expérimentale 1867 • „Les principes de la médecine expérimentale sont les principes de toute science expérimentale.“ Patologická fyziologie – definice • Zabývá se funkčními změnami v nemocném organismu • Integrující biomedicínský obor založený na metodách základního a klinického výzkumu • Zabývá se mechanismy ovlivňujícími vznik, vývoj a léčbu patologických stavů člověka (a zvířete). • Studium patologických stavů – lab zvířata • Etiologie (αἰτία [aitiá] = příčina) onemocnění – Zabývá se • Poškozením, které vede ke vzniku onemocnění • Podmínkami za kterých je dané poškození schopné vyvolat onemocnění • Pathogeneze (pathos = bolest, utrpení, strádání, genesis = vznik) – Mechanisms vzniku a vývoje chorobných změn v těle • Onemocnění – Výsledek interakce příčiny, obraných mechanismů a faktorů okolních prostředí Terminologie Patologická fyziologie jako věda • studium nemocí – patologická anatomie – patobiochemie – patologická fyziologie • experimentální • klinická • etiologie – příčiny onemocnění • patogeneze – rozvoj onemocnění • symptom (příznak) – subjektivní • únava, dušnost, bolest – objektivní • zarudnutí, otok, zvracení • syndrom – soubor příznaků • choroba (nozologická jednotka) – typický soubor příznaků Definice nemoci • WHO (normativní) – 1946 – zdraví není jen absence nemoci či poruchy, ale je to komplexní stav tělesné, duševní i sociální pohody (well-being) • ideální stav, zdůrazněna pozitivní stránka, dobrá pohoda • nemoc – dysfunkce alespoň jednoho orgánu/systému – akutní nebo chronická – vrozená nebo získaná – objektivní příznaky, vnímaná subjektivně Průběh nemoci - terminologie • primární (prvotní, nezávislá na jiné) vs. sekundární • idiopatický (=esenciální) – např. hypertenze • exacerbace – zhoršení • remise – vymizení příznaků • recidiva – znovuobjevení nemoci Patogeneze, morfologie a histologie • patogeneze – sekvence událostí na molekulární, buněčné a tkáňové úrovni – od kontaktu s etiologickým agens po vznik nemoci – nezaměňovat s etiologií • ateroskleróza vs. ICHS • morfologie – anatomické změny charakteristické pro nemoc • histologické preparáty – nádorová diagnostika • popis a charkteristika léze – radiografie – ultrasonografie – zobrazovací metody Příčiny nemocí • vnitřní – genetická výbava jedince • zevní – biologické – fyzikální • mechanické, teplo/chlad, zvuk, radiace – chemické • kouření, toxiny, jedy – nutriční deficit nebo nadbytek – velmi často kombinace obou Stadia rozvoje nemoci • prodromální – příznaky ohlašující příchod nemoci • nechutenství, podrážděnost, bolesti kloubů • chřipka, hepatitida, revmatologické onemocnění • akutní (1 – 21 dní) • chronické – navazující na akutní – od začátku chronické • komplikace Důsledky nemoci • poškození určitého orgánu • patologická anatomie • vliv na funkci orgánu (orgánového systému) • patologická fyziologie – funkční rezerva (ledvina, játra) – kompenzace, dekompenzace – nedostatečnost orgánu (insuficience) – selhání orgánu – smrt Buňky • Lidský organismus obsahuje více než 200 druhů buněk • Jsou uspořádány do různých typů tkání – Epitel – Pojivová tkáň – Sval – Nervová tkáň Epitel Pojivo Nervová tkáň Sval a krev Koordinace jednotlivých buněk ve tkáních Buněčná stěna – nachází se u některých eukaryotických a většiny prokaryotických buněk Stavba: tvoří ji vrstva peptidoglykanů (murein, pseudomurein) Funkce: - je pevná a uděluje buňce tvar a chrání ji. - je plně propustná PERMEABILNÍ Plasmatická membrána – většinou jediná membrána prokaryotických buněk Stavba: základ tvoří dvojitá vrstva fosfolipidů a mezi nimi jsou vmezeřeny bílkoviny – INTEGRÁLNÍ a PERIFERNÍ Funkce: - je místem metabolických dějů - je částečně propustná SEMIPERMEABILNÍ Buněčné povrchy Některé funkce proteinů plasmatické membrány • Přenašeče • Spojníky • Receptory • Enzymy Úloha glykoproteinů v infekci Příjem a výdej látek buňkou 1.Pasivní příjem (transport) a) Prostá difuze – pohyb látek po koncentračním spádu, je velmi pomalá a prochází takto málo látek, malé a málo polární látky (voda, CO2, organické molekuly do 3C…) b) Usnadněná difuze – probíhá ve směru koncentračního spádu. Látka je navázána na přenašeč a přenesena na druhou stranu membrány Koncentrace iontů uvnitř a vně buňky • Na+ • K+ • Cl- 2.Aktivní příjem (transport) Aktivní transport je řízený přenos látek přes plazmatickou membránu i proti koncentračnímu spádu. Jsou to enzymatické děje řízeny enzymově tzv. ATP-ázami. Sodno-draselná ATPáza Sodno-draselná ATPáza Buněčný cyklus Kontrolní body buněčného cyklu Chromozomální podstata dědičnosti • DNA, RNA, proteiny – DNA nese informaci potřebnou pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a reprodukce – složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze [A, G, C, T]) • DNA kostra – polynukleotidový řetězec – zbytky deoxyribózy a kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou • DNA dvojšroubovice - 2 polynukleotidové řetězce v opačné orientaci – jedno vlákno v 5’  3’ směru, druhé opačně – vodíkové vazby mezi páry bází (AT, GC) – dvojšroubovice se rozpadá při replikaci a transkripci – molekulárně-biologické dogma: DNA  RNA  protein Centrální dogma molekulární biologie DNA replikace Gen • DNA obsahuje definované úseky zvané geny – základní jednotky dědičnosti • gen = segment molekuly DNA, který obsahuje kód pro AK přísl. polypeptidu a nezbytné regulační sekvence pro regulaci své exprese – promotor (5’-konec) • vazebná místa pro transkripční faktory – exony – introny – 3’ nepřepisovaná oblast (UTR) • při transkripci vzniká RNA – 1) hnRNA je komplementární celému genu (1. exon  poly-A konec) – 2) mRNA vzniká sestřihem hnRNA (intronů) • translací vzniká protein RNA “splicing” Translace Translace – detail tRNA/AK Genetický kód • určuje pořadí AK v proteinu – univerzální • podobný princip u většiny živých organizmů – tripletový • trojkombinace z celkem 4 nukleotidů (A, C, G, T) – degenerovaný • 43 = 64, ale aminokyselin jen 21 Buněčná signalizce – co všechno musí buňka vnímat ? • Přítomnost živin/růstových faktorů • Toxické látky • Signály produkované ostatními buňkami • Signál je poté zachycen buď na povrchu buňky nebo v cytoplazmě Princip signalizace • úlohu signálů zajišťují speciální molekuly • pro jejich detekci jsou buňky vybaveny příslušnými receptory Na buňku působí současně několik typů signálů • Na každé buňce jsou speciální receptory • Rozhoduje se na jaké signály bude buňka reagovat Komplex signál-receptor vyvolá specifickou odpověď • Změnu genové exprese • Změnu aktivity metabolických enzymů • Změnu konfigurace cytoskeletonu • Změnu permeability membrány pro ionty • Aktivaci syntézy DNA • Smrt buňky Signální dráhy podle rychlosti reakce Rozdělení signálů živočišných buněk podle dosahu • Endokrinní – hormony • Parakrinní – lokální • molekuly regulující buněčnou proliferaci při hojení ran • zánětlivé molekuly • Nervové – synapse • Přímý kontakt – důležité např. v embryonálním vývoji • Autokrinní Delta/notch signalizace Typy signálů • proteiny • peptidy • aminokyseliny • nukleotidy • steroidy • mastné kyseliny a jejich deriváty • plyny Význam rozpustnosti signální molekuly – hydrofilní vs. lipofilni signály Adaptace • Hyperplazie vs. aplazie • Hypertrofie vs. atrofie • Metaplazie Diferenciace Faktory nutné pro hemopoezu • pluripotentní buňka – schopná zracího i meiotického dělení • mikroprostředí - např. kostní dřeň – součástí jsou buňky a extracelul. hmota • růstové faktory – tzv. kolonie stimulující faktory = CSF – např. erytropoetin – uvolňované podle potřeby Vyzrávání erytrocytů • erytropoetin, Fe, kys. listová, vit. B12 • proerytroblast – krajkový chromatin • bazofilní erytroblast - silně baz. ctpl. – bazofilní vzhledem k syntéze Hb • polychromatofilní erytroblast • ortochromatofilní erytroblast - nedělí se • retikulocyt - vypudil jádro – zbytek polyribozomů Erytropoetin Apoptóza/nekróza • Programovaná buněčná smrt • Izolované buňky • Aktivní proces – ATP • Bcl2 onkoprotein • P53 onkoprotein • Intravitální odumření tkáně • Jsou patrné morfologické změny • Autolýza vs. heterolýza Rozdíl mezi nekrózou a apoptózou Apoptóza-význam a výskyt • Apoptozou zanikají buňky při různých fyziologických a patologických procesech, účastní se kontroly buněčné populace ve zdravých tkáních, i v nádorech, při odstranování nechtěných buněk • fyziologická apoptóza: -v embryogenezi- při redukci buněk a programované buněčné destrukci -při normální buněčné a tkáňové obnově-např. enterocyty -při atrofii- hormonálně stimulované- např.artrofie mléčné žlázy v menopause, zánik buněk endometria při menstruaci, atrofie prostaty při snížení hormonální stimulace • patologická apoptóza: • apoptóza se vyskytuje v buňkách reagujících na různé patologické stimuly, např. -buňky napadené viry- Councilmanova tělíska v hepatocytech při virové hepatitidě -spontánní regrese nádorových buněk, regrese buněk po chemoterapii -zánik lymfocytů v aktivovaném sekundárním zárodečném centru Apoptóza-význam a výskyt Apoptóza-morfologické změny • Elevace intracelulárního kalcia- nápadná a rychlá redukce objemu buňky • Aktivace enzymu endonukleázy (aktivace je závislá na vápníku) • Fragmentace DNA endonukleázou a nápadná kondenzace jak jádra,tak plasmy • Vznik apoptotických tělísek-apod.tělísko se skládá budˇjen z fragmentů jádra s kondenzovaným chromatinem nebo z části jádra a plasmy se zachovalými organelami • Apoptotická tělíska jsou fagocytována okolními buňkami a makrofágy Apoptóza-schéma procesu