doc. Mgr. Vítězslav Bryja , PhD. Úvod: Základní principy organizace a funkce živočišné buňky Fyziologie buněčných systémů – od roku 2017 * Inovovaný předmět s nově definovanými návaznostmi Bi1110 Fyziologie živočišné buňky Bi8200 Mikroskopická anatomie obratlovců Bi8200c Mikroskopická anatomie obratlovců - cv Bi1100 Mechanismy hormonálního řízení Bi7070 Fyziologie buněčných systémů Bi7665 Buněčné a tkáňové kultury Bi8140 Buněčné a tkáňové kultury - cv Bi8110 Mechanismy karcinogeneze Bi9393 Analytická cytometrie Bi9393c Analytická cytometrie - cv Bi7575 Fyziologie kmenových buněk Bi1120 Patofyziologie tkání a orgánů Bi9903 Vývojová fyziologie živočichů I Buňka vs. buněčné systémy Výsledek obrázku pro akt Výsledek obrázku pro akt Sylabus předmětu * 1) ÚVOD – základní principy organizace a funkce živočišné buňky (shrnutí klíčových fakt jak základ pro přednáškový cyklus); V. Bryja * 2) BUNĚČNÉ SYSTÉMY V PRŮBĚHU EMBRYONÁLNÍHO VÝVOJE I – základní principy vývoje embrya, hlavní morfogenetické signální dráhy (Wnt, Hedgehog, Notch, systémy receptorových tyrozinkináz, BMP/TGF signalizace); V. Bryja * 3) BUNĚČNÉ SYSTÉMY V PRŮBĚHU EMBRYONÁLNÍHO VÝVOJE II - hlavní morfogenetické signální dráhy (Wnt, Hedgehog, Notch, systémy receptorových tyrozinkináz, BMP/TGF signalizace) – pokračování, vývoj končetiny jako modelový příklad; V. Bryja * Sylabus předmětu * 4) KMENOVÉ BUŇKY A HIERARCHICKÁ ORGANIZACE TKÁNÍ – definice kmenových buněk, nika kmenových buněk, hierarchická organizace tkání – střevní epitel jako modelový příklad, homeostáza střevní krypty; V. Bryja * 5) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY I – vývoj, architektura a regenerace jater, játra jako modelový příklad tkáně regenerující z diferencovaných buněk; jaterní zonace a molekulární mechanismy regulace základních jaterních funkcí (produkce žluči, detoxifikace a produkce významných látek pro organismus); J. Vondráček * 6) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY II – krvetvorba, systém krevních buněk a krvetvorné orgány; principy diferenciace; K. Souček * Sylabus předmětu * 7) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY III – kůže, její obnova a regenerace; prostata, prsní epitel jako příklady endokrinně regulovaných tkání; K. Souček * 8) BUNĚČNÝ METABOLISMUS A TRANSPORT I - hepatocyt - modelový systém pro metabolismus lipidů a mastných kyselin, tvorbu a ukládání cukrů a jejich metabolismus, metabolismus dusíkatých látek; J. Vondráček * 9) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY IV – plíce a dýchací cesty – principy vývoje a organizace; transport plynů buňkami a orgány; J. Vondráček * 10) SIGNALIZACE A ZPĚTNÉ VAZBY - obecné principy, jejich aplikace ve fyziologii; A. Kozubík * 11) HOMEOSTÁZA, ZDRAVÍ, NEMOC – organismus jako hierarchický systém, spolupůsobení nervové a endokrinní soustavy – příklady ovlivnění buněčných populací, intermediární metabolismus a jeho jednotlivé složky – jejich úloha v regulaci buněčných populací; systémové reakce – stres; chování buněčných systémů ve stresu a nemoci – příklady možných terapeutických intervencí; A. Kozubík * Architektura živočišné buňky Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 5th ed., New York, Garland Science, 2008 Množství a variabilita buněk v těle * lidské tělo – cca 3,7 ± 0.8 × 1013 buněk (plus podobné množství bakterií) – zahrnují cca 200 různých buněčných typů; (A) prvok Giardia lamblia, (B) rostlinná buňka, (C) pučící kvasinka, (D) červená krvinka, (E) fibroblast, (F) nervová buňka (G), tyčinka (sítnice) Milo et al., Cell Biology by the Numbers, New York, Garland Science, 2016 Membrána: zajišťuje základní buněčné funkce * Separace * Semipermeabilní bariéra, izolace * Výměna * Transport a translokace metabolitů a makromolekul dovnitř a ven, zajištění distribuce uvnitř buňky * Integrace * Zajištění mezibuněčné komunikace, adheze, signalizace prostřednictvím receptorů, regulace funkční a prostorové integrity * Metabolismus * Součást metabolických drah, obsahují enzymy pro syntézu, přestavbu a degradaci figure_11_01 figure_11_02 figure_01_04a.jpg figure_01_04c.jpg Membrány * Všechny biologické membrány mají shodnou obecnou strukturu * Tenká vrstva tvořena molekulami lipidů (lipidová dvouvrstva) a proteinů spojených nekovalentními vazbami (model fluidní mozaiky) figure_10_01.jpg figure_11_03 Asymetrie lipidové membrány * Funkčně důležitá v přenosu signálu * řada cytosolických proteinů specificky rozpoznává určité struktury v lipidové membráně * Glykolipidy na vnější straně membrány * Orientace zůstává zachována během transferu mezi buněčnými kompartementami figure_10_15.jpg figure_11_17 Membránové proteiny – různé funkce figure_11_19 Vnitrobuněčný membránový transport * plazmatická i vnitřní buněčné membrány jsou v procesu neustálé změny kompozice v souvislosti s nutností buňky komunikovat s vnějším prostředím a dostatečně rychle reagovat na různé podněty * komplexní systém membrán slouží přidávání a odebírání membránových proteinů (receptorů, iontových kanálů, transportérů) * exocytóza zajišťuje transport nově syntetizovaných látek ven z buňky nebo na plazmatickou membránu * endocytóza umožňuje odejmutí membránových komponent a jejich internalizaci do endosomu * recyklace nebo degradace v lysozomu figure_13_01.jpg Endocytóza – clathrinový systém figure_13_08.jpg Sekrece a endocytóza * Sekrece: ER ® GA ® plasmatická membrána * Endocytóza: plasmatická membrána ® … * figure_13_03.jpg Buněčné jádro: místo lokalizace DNA a transkripce pozice všech chromozómů v jádře lidského fibroblastu PLoS Biol 3(5): e157 * pozice genů v jádře se mění v závislosti na intenzitě exprese; často dochází po dekondenzaci chromatinu k vytvoření smyčky, která se nachází mimo teritorium daného chromozómu – pravděpodobně to souvisí s nutností asociace s proteiny zapojenými do transkripce – DNA se přemisťuje do oblastí bohatých na tyto proteiny; * tyto oblasti (podobně jako jadérka, Cajalových tělísek, interchromatinových granulí apod.) vytvářejí struktury umožňující přístup proteinům a RNA – vytvářejí specifické biochemické prostředí nezbytné pro reakce spojené s transkripcí a post-transkripčními úpravami mRNA; • Principy transportu mezi jádrem a cytosolem * jaderný obal (nuclear envelope) sestává z: -vnitřní a vnější jaderné membrány obklopující perinukleární prostor; -na vnější jaderné membráně je lokalizováno velké množství ribozómů – probíhá zde intenzívní proteosyntéza proteinů uvolňovaných do perinukl. prostoru; -jádro je propojeno s cytosolem prostřednictvím jaderných pórů; * mezi jádrem a cytosolem probíhá velmi intenzívní transport; * jaderné proteiny (histony, DNA polymerázy, RNA polymerázy, transkripční regulátory, proteiny zapojené do procesování RNA) jsou importovány do jádra z cytosolu; * naopak téměř všechny formy RNA – mediátorová, ribozomální, transferová, mikro a malé jaderné RNA jsou exportovány do cytosolu; - Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Translace „narození proteinu“probíhá na ribozomu * krok 1 – vazba tRNA; * krok 2 – tvorba peptidové vazby – uvolnění karboxylového konce peptidu z tRNA a jeho spojení s N-koncem nové AA – reakce katalyzovaná peptidyl transferázou velké podjednotky; * krok 3 – translokace velké podjednotky – posun E a P místa; * krok 4 – translokace malé podjednotky spojená s uvolněním tRNA; * rychlost – cca 2 AA/s; * účinnost a přesnost je závislá na elongačních faktorech – EF1 a EF2; Figure 6-64.jpg Ubikvitinace a cílená degradace „smrt proteinu“ probíhá v proteazómu * v jádře i cytoplazmě; je také součástí systému, který umožňuje degradaci nesprávně složených proteinů po jejich exportu z ER; * rozpoznává polyubikvitinované proteiny; • figure_06_83.jpg figure_06_84.jpg * ubikvitinace umožňuje velmi přesnou regulaci degradace proteinů; * skládá se z centrálního válce (aktivní proteázy) a na jeho konci jsou umístěny komplexy proteinů (unfoldase ring – AAA proteiny) umožňující rozbalení proteinu (spotřeba ATP) dojde k jeho nasměrování jako řetězce do dutiny válce, kde je štěpen na velmi krátké peptidy; * figure_16_01a.jpg Cytoskelet Aktinová filamenta = mikrofilamenta * zvaná také mikrofilamenta * spirálovitá vlákna/polymery tvořené proteinem aktinem * tvoří flexibilní struktury o průměru 8 nm, které mohou být organizovány do lineárních svazků, dvou- či trojrozměrných sítí * jsou rozprostřena po celé buňce, ale koncentrována jsou především přímo pod cytoplasmatickou membránou • • * * Mikrotubuly * dlouhé duté válce tvořené proteinem tubulinem (vnější průměr 25 nm) * tužší oproti aktinovým filamentům * dlouhá rovná vlákna, často jedním koncem uchycená v mikrotubuly-organizujícím centru (MTOC) zvaném centrozom • • * * Intermediární filamenta * vlákna strukturou připomínající lano s průměrem 10 nm * tvořena heterogenní rodinou proteinů * jeden typ intermediárních filament (IF) tvoří jadernou laminu pod jadernou membránou * další typy IF jsou rozprostřeny napříč cytoplasmou a zajišťují mechanickou odolnost buňky * v epiteliálních tkáních IF zajišťují spojení buněk mezi sebou • • * * Proteiny asociované s aktinem Proteiny asociované s mikrotubuly Mitochondrie - ústřední organela energetického metabolismu figure_14_03.jpg figure_14_04a.jpg * NADH předává elektrony s vysokou energií komplexům dýchacího řetězce – finální krok je vznik H2O; tato energie je využita k transportu H+ protonovými pumpami - vzniklý protonový gradient pohání ATP syntázu; * mitochondrie – velikost, tvar i množství se liší ~ typ buňky, intenzita metabolismu, apod.; typicky cca 20 % objemu cytoplasmy; * jsou to vysoce dynamické organely – neustále mění tvar, dělí se fúzují, apod.; liší se pohyblivostí; Dynamika buňky * buněčné dělení * buněčná smrt * diferenciace (změna osudu) * morfogeneze (změna tvaru) * pohyb figure_17_09.jpg •Buněčný cyklus - připomenutí figure_17_16.jpg •Buněčný cyklus - kontrola table_17_01.jpg figure_16_02.jpg •Mechanika buněčného dělení •Aktin – červeně •Tubulin – zeleně •DNA - hnědě Centrosom figure_16_48.jpg Centrosom a jeho dynamika Cilium (řasinka) – pohyblivá nebo primární cilium figure_16_63.jpg figure_16_63.jpg figure_16_63.jpg Buněčná smrt * Vývoj, růst, regenerace a udržování homeostázy mnohobuněčných organizmů vyžaduje mechanismy umožňující řízenou destrukci nežádoucích buněk * Apoptóza – řízený způsob smrti * Nekróza – neřízená odpověď na akutní poškození * Nekroptóza – forma řízené buněčné smrti v odpovědi na specifické stimuly figure_18_01.jpg figure_18_02.jpg Základní mechanismus apoptózy * Aktivace intracelulárních proteáz – kaspáz (caspases) * Vnitřní nebo vnější cestou * Syntetizovány jako inaktivní prekurzory * Iniciační * Aktivují exekuční kaspázy * Exekuční * štěpí řadu substrátů (cytoskelet, proteiny jaderného obalu, atd.) * Fragmentace DNA * Vznik apoptotických tělísek figure_18_03.jpg Komunikace buňky s prostředím * Kontakty buňka-buňka * Kontakty buňka-mezibuněčné prostředí * Přenos informace: •Extracelulární signál-buňka Mesenchymová nebo pojivová tkáň vs. epitel * Pojivová tkáň, např. kost, šlacha – mezibuněčná hmota produkovaná buňkami * matrix – mechanicky odolná * Epitel – buňky jsou těsně spojeny jedna k druhé a organizovány do vrstev * Matrix je méně zřetelná – bazální lamina * Mezibuněčné spoje a ukotvení k buněčnému skeletu a k BL figure_19_01.jpg Mezibuněčné spoje epitelu obratlovců figure_19_02.jpg Spojení buňka - matrix * receptory pro matrix – klíčové pro propojení ECM vně buňky s cytoskeletem uvnitř * nemají jen mechanickou funkci – zprostředkovávají odpověď buněk na složky ECM * řada molekul slouží jako receptory či koreceptory ECM * integriny - nejdůležitější Integriny * tvořeny dvěma nekovalentně vázanými jednotkami - a a b * obě mají krátkou C-terminální intracelulární doménu a dlouhou extracelulární N-terminální doménu * extracelulární část se váže na specifický motiv aa extracelulárních proteinů, nejznámější - RGD * u člověka – 24 typů integrinů, každý má specifické vlastnosti * 8 genů pro b podjednotku * 18 genů pro a podjednotku * vazba je závislá na koncentraci Ca2+ a Mg2+ * všechny varianty intracelulárně vážou aktinová filamenta * adaptorový protein – talin * kindlin, vinkulin * figure_19_55.jpg figure_15_01.jpg Komunikace s okolním prostředím Základní biochemické mechanismy buněčné signalizace * 1. Fosforylace – kovalentní přidání anorganického fosfátu (z ATP) na molekulu tyrosinu nebo serinu/threoninu enzymem, který se jmenuje kináza * * 2. Nekovalentní záměna GDP za GTP figure_15_07a.jpg Základní mechanismy buněčné signalizace Základní mechanismy buněčné signalizace figure_15_07b.jpg figure_15_08.jpg Základní mechanismy buněčné signalizace figure_15_29.jpg Amplifikace signálu a „druhý posel“ Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\5.tiff Počty nejdůležitějších biomolekul Počty buněk v těle Velikosti Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\07.tiff Časy – buněčný cyklus Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\26.tiff Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\27.tiff Časy – délka „života“ buněk Časy – délka života proteinů Y:\Dokumenty\2017\Prednaska\Cell Biology in numbers\19.tiff