Vítězslav Bryja Opakování: Základní principy organizace a funkce živočišné buňky Fyziologie buněčných systémů: v kontextu NMgr. programu Experimentální biologie živočichů Mgr,5.rok Mgr,4.rok- podzim Mgr,4.rok-jaroBc,3.rok-jaro Bi1110 Biologie živočišné buňky Všechny specializace Vývojová biologie 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 Biologie kmenových buněk Bi1120 Fyziologie a patofyziologie tkání a orgánů Bi9903 Vývojová biologie živočichů Bi8870 Mechanismy buněčné smrti Fyziologie Imunologie Bi6727 Imunopatologie Bi6728 Speciální fyziologie krve Bi8790 Molekulární embryologie Buňka vs. buněčné systémy Sylabus předmětu (letos mírně modifikován) 1) ÚVOD – základní principy organizace a funkce živočišné buňky (shrnutí klíčových fakt jak základ pro přednáškový cyklus); 2-5) KMENOVÉ BUŇKY A HIERARCHICKÁ ORGANIZACE TKÁNÍ – definice kmenových buněk, embryonální kmenové buňky – definice, příprava, využití; indukované pluripotentní kmenové buňky, tkáňové kmenové buňky, nika kmenových buněk, hierarchická organizace tkání – střevní epitel jako modelový příklad, homeostáza střevní krypty; pomalu a rychle se obnovující buněčné populace, organoidy, regenerace tkání REGULACE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ I–hlavní signální kaskády uplatňující se v homeostáze a regeneraci (Wnt, Hedgehog, Notch, systémy receptorových tyrozinkináz, BMP/TGF signalizace) a příklady jimi regulovaných procesů; REGULACE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ II – kontrola tkáňové organizace vnějšími vlivy – hypoxie, poškození, mechanické vlivy (role signální dráhy Hippo), význam buněčné polarity a migrace buněk/skupin buněk Sylabus předmětu 6) BUNĚČNÝ METABOLISMUS A TRANSPORT I - hepatocyt modelový systém pro metabolismus lipidů a mastných kyselin, tvorbu a ukládání cukrů a jejich metabolismus, metabolismus dusíkatých látek; 7-11) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY I-IV – 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) MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY II – plíce a dýchací cesty – principy vývoje a organizace; transport plynů buňkami a orgány; MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY III – krvetvorba, systém krevních buněk a krvetvorné orgány; principy diferenciace MODELOVÉ BUNĚČNÉ SYSTÉMY IV – kůže, její obnova a regenerace; prostata a prsní epitel jako příklady endokrinně regulovaných tkání; Architektura živočišné buňky Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 5th ed., New York, Garland Science, 2008 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 Membrány Všechny biologické membrány mají shodnou obecnou strukturu Tenká vrstva tvořena molekulami lipidů (lipidová dvouvrstva) a proteinů spojených nekovalentními vazbami (model fluidní mozaiky) 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 kompartementy Membránové proteiny – různé funkce 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 Endocytóza – clathrinový systém Sekrece a endocytóza Sekrece: ER → GA → plasmatická membrána Endocytóza: plasmatická membrána → … 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; 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; 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; 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 NADH (nikotinamidadenindinukleotid) 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 Buněčný cyklus - připomenutí Buněčný cyklus - kontrola Mechanika buněčného dělení Aktin – červeně Tubulin – zeleně DNA - hnědě Centrosom Centrosom a jeho dynamika 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 Komunikace buňky s prostředím Kontakty buňka-buňka Kontakty buňkamezibuněčné 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 Mezibuněčné spoje epitelu obratlovců Kotvící spojení Adhezní spoj – adherens junction Mechanický úchyt mezi buňkami, propojený s cytoskeletem Desmosome Propojení prostřednictvím intermediárních filament Hemidesmosome Propojení intermediárních filament s mezibuněčnou hmotou Actin-linked cell-matrix junction Propojení aktinového cytoskeletu s mezibuněčnou hmotoy Těsný spoj – tight junction Zaceluje mezery mezi membránami Vodivý spoj – gap junction Průchod ve vodě rozpustných látek <1500 Da 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 - α a β 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 β podjednotku 18 genů pro α podjednotku vazba je závislá na koncentraci Ca2+ a Mg2+ všechny varianty intracelulárně vážou aktinová filamenta adaptorový protein – talin kindlin, vinkulin 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 Základní mechanismy buněčné signalizace Základní mechanismy buněčné signalizace Základní mechanismy buněčné signalizace Amplifikace signálu a „druhý posel“ Počty nejdůležitějších biomolekul 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 Počty buněk v těle Časy – buněčný cyklus