Fyziologie buněčných systémů
(Zpětné vazby)
A. Kozubík
Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky)
Ústav experimentální biologie, PřF MU
(Oddělení fyziologie a imunologie živočichů)
Brno
Zpětné vazby
Pozitivní zpětná 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“
rozdílné chemické povahy
na proliferaci a diferenciaci
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
Pozitivní efekt na proliferaci - příklad
Negativní efekt na proliferaci - příklad
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,
kináza
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
cykláza
+
+
Indomethacin
Repopulace
kmenových buněk
Zpětné vazby
Negativní zp. Vazba
na systémové úrovni
(tkáně a organismus)
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
-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
CELKOVÉ PRODUKTY
LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ
VORE J.S. et al., J. Immunol. :
11, 435 - 442, 1989
koncentrace (mM)
NDGA
Esculetin Indomethacin
Koncentračné závislé
efekty inhibitorů AA
na celkovou tvorbu jejích
hlavních metabolitů
v buňkách kostní dřeně
myší
1 inhibitor:
2 způsoby posilující
žádaný výstup
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
Fosfolipidový metabolismus
a působení ioniz. radiace
(škodlivých faktorů
životního prostředí)
Aplikace NDGA
„protektivním 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 „terapeutickém 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“
24
Dynamika odpovědi
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-LOX (yellow),
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.
28
Kombinované působení
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
30
Dynamika odpovědi
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
33
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 a závěry)
Negativní zpětná vazba
Reakce
na vychýlení
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Výstup
systému
Žádaná
hodnota
Akční
veličina
Regulační
odchylka
-
+
!!!
36
37
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)
91 92 93 94 95 96 97 ROK1989 90
10000
8000
5000
7000
11000
13000
6000
9000
12000
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
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
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace
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
Porušení funkcí
negativní zpětné vazby
(důsledky,………….
…obecnější platnost….!!!)
45
Tendence k nestabilitě
Vývoj HDP meziročně v % (globální úroveň)
zdroj: MFČR
realita
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
Deficit/přebytekstátníhorozpočtu(mld.Kč)ČR
Rok:
1,1
10,4
7,2
-1,6
-29,6
-46,1
-67,7
-45,7
-109
-93,7
-56,3
-97,6
-66,4
-19,4
-192,4
-156,3
-142,8
-135 (-101)
-81,3
-77,8
-
15,7
(-871,4 mld.Kč)(-545,6 mld.Kč)
Masívní příjmy z privatizací
„Krachy bank“
KRIZE
sanace bank cca 400 (- 800) mld Kč ???
„povodně“
Plýtvání
-29,3
Zdroj:
- http.//tema.novinky.cz/schodek-rozpoctu
- MF
Vyčerpání rezerv
-20
-10
0
10
20
30
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
nároky
Propad
„možností“??
%
Relativní propad
HDP??
Kritické období
Propad
„možností? “
?
roky:
Důsledky
Příklad extrémně
„regulačně nevyváženého“
vnitřně rozporného systému
(očekávánému zachování růstu
Neodpovídají prostředky a zdroje)
Hledání „OPTIMA“
Extrémní odchylky – rizikový faktor
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
52
Vyváženost tendencí
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)
Porušení funkcí
negativní zpětné vazby
(důsledky,………….
…obecnější platnost….!!!)
Presentované výsledky jsou příklady
- porušené rovnováhy a směřování k jejímu obnovení
s využitím mnohonásobných zpětných vazeb vztahů mezi
intenzitou a kvalitou podnětů a odpovědí
- reakcí (regulacemi) v čase
- platnosti určitých typů odpovědi na více úrovních
organizace systémů
Platí, že
- čím větší destrukce systému, tím delší fáze jeho regenerace
ustanovení nové rovnováhy
- zachování alespoň relativní stability nemohou zajistit
jednostranně akcentované tendence (např. důraz na růst)
- nutno respektovat existenci protichůdných tendencí,
mít však na zřeteli jejich uměřenost, míru (limity jejich působení)