fyziologie buněčných systémů
A. Kozubík
Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky)
Ústav experimentální biologie, PřF MU
(Oddělení fyziologie a imunologie živočichů)
Brno
Zpětné vazby
Zpětné vazby
Pozitivní zp. vazba
Pozitivní zpětná
vazba
Polyklonální charakter kostních buněk Přirovnání
kmenové buňky ke stromu:
a – kmenová buňka v embryonální podobě
b – kmenová buňka v dospělosti
a
b
b
Attractor
„cílový“
pohyb
Spolupůsobení
„regulátorů růstu“
na diferenciaci
Spolupůsobení
„regulátorů růstu“
rozdílné chemické povahy
na proliferaci
Děje v buněčné diferenciaci
growth factors
receptor
genes
early later
cell
amino acids 18. cytokinesis
10.
9.
8.
2.
1.
regulators
hnRNA
mRNA
kinases/2nd messengers nucleus
replitase
proteins
15. (enzymes)
14.
13.
12.
11.
7.
6.
5.
4.
3.
S
G2
M17.
16.
Efekty inhibitorů
metabolismu AA
význam rovnováhy
v přísunu prekursorových PUFAs
a
v produkci jednotlivých jejich metabolitů
Signal transmission systems
R
PLCAC
G
R
G
PKC
PLA2
ATP cAMP PI
IP3
DAG
R
G
… receptor
… G-protein
arachidonic acid (AA)
prostaglandins (PG)
leukotrienes
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
Ca 2+
AA 5HETE LTC4LTA4 PIP2DAG
Tyr-K Tyr-K
PLA2
5-LOX
PKC PLC
+
Nuclear responses
EGF EGF
positive effect on cell proliferation–an example
Negative effect on cell proliferation– an example
cell cycle phases
e.g. G protein,
kinase
PGE2Phorbol esters CSF-1 GM - CSF
IL- 3
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFECTOR
RESPONSE
PKA
DNA synthesis
G0 G1 S
?
-
adenylyl
cyclase
+
-
Negativní účinek PGE2 na proliferaci k. buněk
Fáze buněčného cyklu
e.g. G protein,
kinase
PGE2„Phorbol esters“ CSF-1 GM - CSF
IL- 3
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFEKTOR
ODPOVĚĎ
PKA
DNA syntéza
G0 G1 S
?
-
adenylyl
cyclase
+
+
Indomethacin
Zpětné vazby
Negativní zp. Vazba
na systémové úrovni
(tkáně a organismus)
Fosfolipidový metabolismus
a působení ioniz. radiace
(škodlivých faktorů
životního prostředí)
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
CYCLOOXYGENASES
EPOXYGENASES
(P450)
LIPOXYGENASES
CH2
CH CO NH CH2 COOH
NH
COCH2CH2CHCOOH
NH2
C5H11
OH
S
COOH
COOH
LTA4
LTF4
LTE4
LTD4
LTC4LTB4
EPOXYACIDS,
DIOLS, etc.
TXB2
TXA2 PGI2 PGD2 PGE2
PGH2
PGG2
LTC4:
PLA2
O
OH
COOH
OH
PGE2:
ARACHIDONIC
ACID
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
INDOMETHACIN
DICLOPHENAC
MK - 886
NDGA ESC
5-LIPOXYGENASE
CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE
P450-MONOOXYGENASES
FLAP
Arachidonic acid: metabolic pathways and its
possible modulations
abbreviations:
ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC
= esculetin NDGA =
nordihydroguaiaretic acid
FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9HE
= 9-hydroxyellipticin HETEs =
hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs =
hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs
= epoxyeicosatrienoic acids SKF525A
= proadifen
SKF525A,
9-HE
ETYA
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
12-HETEs
12-HPETEs
LEUKOTRIENES
EETs
HETEs
DIOLS
(15-LIPOXYGENASE)
dříve - dnes
P450
?
EETs
HETEs
diols
12 - LIPOXYGENASE
(15 - LIPOXYGENASE)
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
LEUKOTRIENES
12 HPETs
12 HETEsCYCLOOXYGENASES
?ARACHIDONIC
ACID
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
?
5 - LIPOXYGENASE
FLAP
ESC
MK-886
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
Ibuprofen
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
koncentrace (mM)
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
PRODUKTY
LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ
VORE et al., J. Immunol. : 11,
435 - 442, 1989
koncentrace (mM)
NDGA
Esculetin Indomethacin
některá
OBECNÁ VÝCHODISKA,
DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH
POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO:
- Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou
proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování
homeostázy na tkáňové úrovni.
- Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli
podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele
porušení této homeostázy.
- Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy
mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou
základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem
procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy.
- Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu
nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky
škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky
orientovaných laboratoří.
Aplikace NDGA
„terapeutickém režimu“
a její dávkově závislé
účinky na regeneraci ESC
a GM-CFC
Kostní
dřeň
Periferní
krev
Efekty dalších
inhibitorů
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA
v „protektivním režimu“
Efekty inhibitorů mohou být tedy způsobeny zásahy do biosyntézy eikosanoidů a jejich
regulačními účinky na krvetvorbu
Radiorezistence
kmenových a
prekurzorových
buněk není
oblivněna !!!
Dílčí shrnutí
(MOŽNÉ MECHANISMY)
Příklad aplikace
inhibitorů
metabolismu AA v
„terapeutickém
režimu“
Inhibitory
cyklooxygenáz stimulují (+)
a lipoxygenáz inhibují (-)
granulopoézu
i
lymfopoézu
Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the
major pathways are indicated in color:
COX (purple),
5-LOX (orange),
15-LOX (green),
12 HETE yellow),
12-LOX CYP epoxygenase (red),
CYP ω-hydroxylase (cyan),
and nonenzymatic oxidation (gray)
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
.
Temporal genomic and lipidomic changes
in eicosanoid biosynthesis in RAW264.7 macrophages in response
to Kdo2-Lipid A stimulation.
Greater intensity of red indicates increasing levels,
greater intensity of green indicates decreasing levels,
and gray represents
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
dose (6.5Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamine
control
indomethacin
Indomethacin + cystamine
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
control
cystamine
indomethacin
Indomethan +
cystamine
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
dose (6.5 Gy)
control
cystamine
indomethacin
Indomethacin +
cystamine
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
34
Dosažení dynamické rovnováhy v systému po
podnětech rozdílné intenzity
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/mlx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/mlx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 86 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
Kontrola
Cystamin
Indomethacin
Cystamin +
Indomethacin
Silně
poškozený
systém
Zátěž
nižší
intenzityVlastní výsledky
Posílení inhibitorů COX
Kombinovaná léčba
Zpětné vazby
Negativní zp. vazba
(obecnější východiska)
36
37
Negativní zpětná vazba
Reakce
na vychýlení
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Výstup
systému
Žádaná
hodnota
Akční
veličina
Regulační
odchylka
-
+
!!!
Zpětná vazba negativní:
Působení na vyšších úrovních
organizace systémů
HDP
představuje veškerou finální produkci v peněžních jednotkách
(celkový objem výrobků a služeb) za určité období (zpravidla 1 rok)
národními výrobními faktory dané země ,
bez ohledu na to, ve kterém státě působí.
Je odrazem sumy vnějších a vnitřních faktorů schopných ovlivnit ekonomiku
Nevypovídá nic o “kvalitě života”,
finální produkce - taková produkce, která je vyrobena a prodána,
aby byla spotřebována domáctnostmi, státem,
použita jako investice nebo vyvezena jako export
Nominální mzda SŠ profesora
3990,- Kč
13528,-Kč
(3,4x)
1989 90 91 92 93 94 95 96 97
13528,-
Kč
6764
ROK
60
70
80
90
120
110
100
199719961995
199419931992199119901989
3990,-Kč
13528,-Kč
mzdav%
hrubá mzda
čistá mzda
Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989)
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
12
29
41
46
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
41
35
25
15
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
Výsledky voleb do senátu ČR 2006-2012 (%)
LN 22.10.2012
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
* predikce dle MFČR
ZměnaHDPv%
Vývoj inflace meziročně v %
17,5
52
12,7
18,2
10,2
7,9 8,6
10
6,8
2,5
4 4,1
0,6 1
2,8 2,2 1,7
5,4
3,6
0
10
20
30
40
50
60
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Inflacev%
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v %
Porušení funkcí
negativní zpětné vazby
(důsledky,………….
…obecnější platnost….!!!)
Důsledky převahy
pozitivní zpětné vazby
1,1 1,1 1,1
-1,6
-29,6
-87,7
-109
-97,6
-19,4
-175
-200
-150
-100
-50
0
50
Státnírozpočet(vmld.Kč)
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
rok
Masivní příjmy z privatizací
„povodně“
„KRIZE“
sanace bank cca 400 - 800 mld Kč ???
„Krachy bank“
Deficity
Plýtvání
Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování
??
2010 2011 2012
-156
-135
-105
??
-20
-10
0
10
20
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
nároky
Propad „možností ??“
%
Propad HDP???
Očekávané tendence – 2009/2013
Kritické období
Propad „možností??“
?
Stres
Příklad extrémně
„regulačně nevyváženého“
vnitřně rozporného systému
(očekávánému zachování růstu
Neodpovídají prostředky a zdroje)
53
Vyváženost tendencí
55
Tendence k nestabilitě
56
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic
Hledání „OPTIMA“
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av
According to: Pospíšil 1977 ?
100
50
%hynutípoozáření
Na / K poměr v moči
vyvážená regulace (biol.
optimum)
nevyvážená regulace
tendence k retenci Na tendence ke ztrátám Na
1
1´
2
3
3´
1,1´ - „celkové náklady“ potřebné k navození změny stavu
(reakce)
3,3´ - „celkové náklady“ potřebné k utlumení (reakce)