prof. Mgr. Vítězslav Bryja, Ph.D. Pohyb buněk a buňkami zprostředkovaný pohyb Obsah * Pohyb materiálu vně buněk pomocí pohyblivých cilií * Využití aktino-myosinových vztahů pro pohyb svalů a živočichů * Pohyb samostatné buňky po povrchu * Pohyby organel i buněk v procesu buněčného dělení (mitózy) * Pohyb materiálu vně buněk pomocí pohyblivých cilií * Vylučování hlenu v dýchacích cestách * * Sestup vajíčka ve vejcovodech * * Proudění mozkomíšního moku v mozkových komorách • http://d2ni3bh4dzb2ig.cloudfront.net/sites/default/files/highwire/embojnl/34/8.cover-source.jpg figure_16_63a.jpg Průřez pohyblivou cilií Pohyblivé řasinky figure_16_63b.jpg figure_16_64.jpg figure_16_64.jpg Dyneinové komplexy v pohyblivé cilii Pohyb řasinky je umožněn můstky mezi paralelními mikrotubuly – brání vzájemného posunu figure_16_65.jpg Jak se může tolik cilií uchytit k jednomu bazálnímu tělísku? * Klíčová role kinázy Plk4 – normálně reguluje duplikaci centriol Výsledek obrázku pro multiciliated cell Příčně pruhovaný sval * Soubuní vzniklé splynutím svalových prekurzorů figure_16_31.jpg figure_16_31.jpg Jak funguje svalový stah? figure_16_32a.jpg Jak funguje svalový stah? figure_16_32b.jpg Jak funguje svalový stah? figure_16_32cd.jpg figure_16_32cd.jpg figure_16_32cd.jpg Příčný řez svalovým vláknem (octomilka) figure_16_33.jpg Jak funguje svalový stah? figure_16_34.jpg * Nebulin – molekulární pravítko, ochrana konců – tropomodulin (minus) a Z disk (CapZ a aktinin) * Zajímavost: Titin (jméno souvisí s bájnými Titány), též konektin, je obrovský elastický protein nacházející se v sarkomeře v příčně pruhované svalovině, Je to zřejmě nejdelší lidský protein: je vytvářen jako jediný polypeptid, který má u člověka délku 34 350 aminokyselin a má molekulární hmotnost asi 3 700 kDa. Výroba titinu na ribozomu zabere neuvěřitelné 2–3 hodiny (u běžných bílkovin to je otázka několika minut). Na délku má asi 1,2 mikrometru, tedy řádově stejně jako například buňka bakterií. Je to třetí nejpočetnější protein ve svalech – dospělý člověk má asi 0,5 kg titinu. Jak funguje svalový stah? figure_16_29.jpg * na začátku cyklu je myosinová hlavička bez navázaného nukleotidu pevně semknuta s aktinovým filamentem (angl. rigor configuration → rigor mortis) * v aktivně pracujícím svalu je tento stav velmi krátkodobý a je rychle ukončen navázáním molekuly ATP * Jak funguje svalový stah? figure_16_29.jpg * molekula ATP se váže do velkého záhybu na zadní straně hlavičky myosinu (na nejvzdálenější místo od aktin. filamenta) a způsobuje nepatrnou změnu konformace místa, kde se k myosinu váže aktin, čímž sníží afinitu hlavičky myosinu k aktinu a umožní pohyb podél filamenta * Jak funguje svalový stah? figure_16_29.jpg * záhyb na myosinu se jako mušle uzavírá okolo molekuly ATP, spouští se pohyb levého ramena myosinu, které posouvá hlavičku myosinu podél aktinového filamenta o vzdálenost přibližně 5 nm * nastává hydrolýza ATP, ale ADP a anorg. fosfát stále zůstávají připojeny k myosinu * Jak funguje svalový stah? * slabá vazba myosinu k novému místu na aktinovém filamentu způsobí uvolnění anorg. fosfátu, čímž se zesílí vazba myosinu k aktinovému filamentu * uvolnění anorg. fosfátu vede ke změně tvaru myosinu - nabývá původní konformace, ztrácí ADP a svalový stah se vrací na začátek cyklu (ale nacházíme se o kus dál na aktinovém filamentu) * figure_16_29.jpg Jak funguje svalový stah? figure_16_29.jpg Jak se koordinovaně a rychle posunou tisíce molekul myosinu po aktinu? * V buňce je udržovaná nízká koncentrace Ca2+ iontů, které jsou aktivně pumpovány vně buňky a do endoplazmatického retikula (u svalu nazývané sarkoplazmatické retikulum) * Jak funguje svalový stah? Role troponinu a tropomyosinu figure_16_36.jpg * Troponin – váže Ca2+ * Tropomyosin – blokuje na aktinu vazebná místa pro myosin Role troponinu a tropomyosinu figure_16_36.jpg * Troponin – váže Ca2+ * Tropomyosin – blokuje na aktinu vazebná místa pro myosin * Vazba Ca2+ iontů – změna konformace, které posune tropomyosin a umožní pohyb myosinu po aktinu Shrnutí figure_16_37.jpg Hladký sval – v principu podobný, v detailu jiný figure_16_37.jpg * Místo troponinu calmodulin * Aktivace vyžaduje fosforylaci a aktivaci MLCK (myosin light chain kinase) * Myosin v hladké svalovině interaguje s aktinem pouze po fosforylaci Buněčný pohyb – B-lymfocyt Dva extrémní mody migrace: Améboidní vs. mesenchymální Amoeboid and mesenchymal migration modes. Source: Bear JE et al., Curr Opin Cell Biol, 2014 (44). Pohyb buňky po substrátu figure_16_75.jpg Pohyb buňky po substrátu figure_16_84.jpg figure_16_84.jpg Klidová buňka Filopodia Stresová vlákna Lamelipodia fimbrin Arp2/3 filamin non-muscle Myosin II α-actinin Pohyb buňky po substrátu – model keratocytů (v kůži ryb a obojživelníků) figure_16_77.jpg figure_16_78a.jpg Aktinová síť v lamelipodiu – klíčová role Arp2/3 Arp2/3 actin Aktinová síť v lamelipodiu – klíčová role Arp2/3 figure_16_80.jpg figure_16_78b.jpg figure_16_78c.jpg Aktinová síť v lamelipodiu – klíčová role Arp2/3 Destabilizace aktinu kofilinem – mimo leading edge figure_16_79.jpg Pohyb buňky po substrátu – klíčová role integrinů figure_16_82.jpg figure_16_82.jpg figure_16_84.jpg Malé GTPázy z Rho rodiny jsou klíčové regulátory cytoskeletu Výsledek obrázku pro small gtpases rho family (přeskočíme trošku dopředu o jednu přednášku) figure_16_84.jpg figure_16_84.jpg Malé GTPázy z Rho rodiny jsou klíčové regulátory cytoskeletu Malé GTPázy z Rho rodiny jsou klíčové regulátory cytoskeletu figure_16_85a.jpg Pohyb buňky po substrátu figure_16_85b.jpg Mechanical modes of 'amoeboid' cell migration - ScienceDirect Adhesion Protrusion Contraction figure_16_03.jpg Jak buňka určí směr? Pohyb buňky po substrátu figure_16_86b.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_01.jpg Buněčný cyklus - připomenutí HeLa buňky – systém Fucci figure_16_02.jpg Mechanika buněčného dělení Aktin – červeně Tubulin – zeleně DNA - hnědě Mitoza - shrnutí * replikované chromozomy kondenzují (každý se skládá ze dvou blízce spojených sesterských chromatid); mimo jádro se mezi dvěma centrosomy, které se zreplikovaly a rozdělily, sestavuje mitotické vřeténko * v diploidních buňkách je po dvou kopiích od každého chromozomu * Mechanika buněčného dělení panel_17_01_01.jpg * chromozomy červeně, mikrotubuly zeleně * Sesterské chromatidy jsou po replikaci spojeny koheziny figure_17_19.jpg Smc – Structural Maintenance of Chromosomes figure_17_22a.jpg V profázi docházi ke kondenzaci chromozómů kondenziny figure_17_22b.jpg -Podobné kohezinům -Spojují DNA do struktur vyššího řádu v průběhu profáze Mechanika buněčného dělení panel_17_01_02.jpg * profáze náhle přechází do prometafáze rozpadem jaderné membrány * chromozomy se tak nyní mohou svými kinetochory napojit na mikrotubuly dělicího vřeténka a začít se aktivně pohybovat * * Mechanika buněčného dělení panel_17_01_02.jpg * chromozomy červeně, mikrotubuly zeleně * Tři hlavní typy mikrotubulů v mitóze figure_17_23.jpg Shrnutí tvorby mitotického vřeténka: profáze-metafáze figure_17_32.jpg Hlavní cytoskeletární motory zahrnuté v mitoze a jejich funkce figure_17_25.jpg •Kinesin 5 – organizace interpolárních mikrotubulů •Kinesin 4/10 - transport zachycených chromozomů k +konci mikrotubulů •Kinesin 14 – atypický (putuje k –konci) kinezin navigující mikrotubuly •Dynein – připojený k plazmatické membráně „táhne“ astrální mikrotubuly a určuju pozici centrosomu • Mechanika buněčného dělení * v metafázi jsou chromozomy seřazeny v rovníkové oblasti mezi póly dělicího vřeténka * kinetochorové mikrotubuly jsou připojeny na sesterské chromatidy a přitahují je k opačným pólům dělicího vřeténka panel_17_01_03.jpg Mechanika buněčného dělení panel_17_01_03.jpg * chromozomy červeně, mikrotubuly zeleně * Připojení mikrotubulů ke kinetochoře metafázních chromozomů figure_17_30b.jpg Chromozomy nejsou pouzí pasažéři: Aktivace malé GTPázy Ran v metafázi figure_17_27.jpg Savčí chromozom – desítky mikrotubulů, spojených komplexem Ndc80 figure_17_31.jpg figure_17_31.jpg figure_17_31.jpg Princip správného připojení mikrotubulů figure_17_33.jpg Detekce „pnutí“ v kinetochoře – role kinázy Aurora B figure_17_34.jpg Mechanika buněčného dělení * v anafázi se sesterské chromatidy synchronizovaně oddělují a formují tak dva dceřinné chromozomy * kinetochorové mikrotubuly se zkracují a póly dělicího vřeténka se ještě vzdalují - každý dceřinný chromozom je tak pomalu tažen směrem k pólům dělicího vřeténka (tzv. segregace chromozomů) Mechanika buněčného dělení panel_17_01_04.jpg * chromozomy červeně, mikrotubuly zeleně * Mechanika buněčného dělení figure_17_23.jpg Anafázi spouští aktivace APC/C (anaphase-promoting complex) figure_17_38.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_35d.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_35bc.jpg Mechanika buněčného dělení: kinetochorové proteiny jsou esenciální pro regulaci fyziologické dynamiky mikrotubulů figure_17_36a.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_40.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_37.jpg figure_17_37.jpg Mechanika buněčného dělení panel_17_01_05.jpg * dvě sady dceřinných chromozomů se dostávají k pólům dělicího vřeténka, dekondenzují a kolem každé sady se vytváří nová jaderná membrána * v buňce se tak nacházejí dvě jádra, což značí, že se buňka nachází v závěrečné fázi mitózy * začíná se vytvářet kontraktilní prstenec Mechanika buněčného dělení panel_17_01_05.jpg * chromozomy červeně, mikrotubuly zeleně * Mechanika buněčného dělení panel_17_01_06.jpg * kontraktilní prstenec aktinových a myosinových vláken stahuje buňku, rozděluje cytoplasmu a vytváří dvě dceřinné buňky s vlastním jádrem Mechanika buněčného dělení panel_17_01_06.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_41a.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_42.jpg figure_17_42.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_44.jpg Mechanika buněčného dělení figure_17_43.jpg Extra slides * Měření sil vznikajících při pohybu buněk figure_16_83.jpg figure_17_09.jpg Buněčný cyklus - připomenutí figure_17_16.jpg Buněčný cyklus - kontrola table_17_01.jpg Procesy kontrolované molekulárními motory v prometafázi figure_17_28.jpg