Povinná literatura. Otová B., Mihalová, R.: Základy biologie a genetiky člověka; Karolinum 2015

Transkript

1 Biologie člověka

2 Povinná literatura Otová B., Mihalová, R.: Základy biologie a genetiky člověka; Karolinum 2015

3

4 Rosypal S. a kolektiv autorů: Nový přehled biologie. Scientia 2003

5 Doporučená literatura Otová, B. a kol.: Lékařská biologie a genetika I. díl; kapitola 2.8 Odchylky od Mendelových pravidel, strana 18-21; Karolinum 2014 Kohoutová, M. a kol.: Lékařská biologie a genetika II. díl; kapitola 8. Genetika onkogeneze, strana a kapitola 10. Vrozené vývojové vady, teratogeneze, strana ; Karolinum 2012 Panczak, A. a kol.: Lékařská biologie a genetika III. díl; Karolinum 2013

6 Kočárek, E.: Genetika; Scientia 2012

7 Hořejší, V.; Bartůňková, J.: Základy imunologie; TRITON 2013

8 Konzultace Po předchozí dohodě

9 Kde nás najdete Ústav biologie a lékeřské genetiky Albertov 4 Praha 2 Přízemí vpravo

10 PROKARYOTA např. baktérie Jednobuněčné organismy prokaryotického typu Většina buněčná stěna Nukleoid buněčné jádro bez membrány Plasmidy malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na bakteriálním chromosomu Neobsahují mitochondrie, plastidy Nepohlavní rozmnožování binární dělení, pučení Všudypřítomné, některé patogenní (toxiny) Výživa dusík: např. pro syntézu aminokyselin, nukleotidů síra a fosfor: aminokyseliny, ATP uhlík: aminokyseliny, nukleotidy, cukry, lipidy atp. tvorba skeletu proteinů a nukleových kyselin růstové faktory (auxotrofní baktérie - mutované): vitaminy, purinové a pyrimidinové báze, aminokyseliny

11 PROKARYOTA např. baktérie Nukleoid genom dvoušroubovice DNA uložená s proteiny v kruhovitém chromosomu Chromosom nemá centromeru Většina genů v jedné kopii Geny pro rrna více kopií struktura ribosomů odlišná od ribosomů eukaryot Plasmidy malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na bakteriálním chromosomu Plasmidy: a) přenos rezistence b) konjugace (parasexuální děj) c) využití v genetickém inženýrství

12 PROKARYOTA Typická prokaryotní buňka Plasmid kruhová molekula DNA Dvoušroubovice DNA + proteiny v kruhovitém chromosomu

13 Buněčné dělení a) Replikace dvoušroubovice DNA Následuje cytokineze (rozdělení cytoplasmy) vzniknou dvě dceřinné buňky Dělení bakteriální buňky PROKARYOTA

14 PROKARYOTA např. baktérie Buněčné dělení b) Konjugace Konjugace buněk Baktérie s F- plasmidem konjuguje s baktérií s F+ plasmidem Obě buňky syntetizují komplementární vlákno DNA Obě dceřiné buňky obsahují F+ fertilizační plasmid

15 Viry Genom virových partikulí jedna molekula DNA nebo RNA Replikace pouze v hostitelské buňce Retroviry (genom RNA) - informace z RNA do DNA (enzym reverzní transkriptasa); dvouvláknová DNA se včleňuje náhodně do genomu hostitelské buňky. Extracelulární forma virové partikule - genom viru obklopuje proteinový obal (kapsida) - kodováno virovým genomem. Některé viry - kapsidy obklopeny fosfolipidovou membránou (buněčný původ). Podle genomu dělíme viry na DNA viry a RNA viry. Genom virů může obsahovat: a) jednovláknovou DNA (parvoviry) b) dvouvláknovou DNA (adenoviry, herpesviry, poxoviry) c) jednovláknovou RNA (togaviry, myxoviry; retroviry) d) dvouvláknovou RNA (reoviry). Lidská DNA obsahuje sekvence virové DNA - pozůstatek virové infekce u dávných předků

16 EUKARYOTA Jednobuněčné i mnohobuněčné organismy Většina genetické informace v jádře Genetický program řídí proliferaci, diferenciaci, reguluje funkce eukaryotních buněk Realizace prostřednictvím nukleových kyselin a proteinů Jaderná DNA + histony a další proteiny chromatin Část genetické informace extranukleární mitochondrie (cytoplasmatické organely) Epigenetické děje regulace na úrovni transkripce - má vliv na utlumení transkripční aktivity a) CpG ostrůvky methylace cytosinů na methylcytosin; b) modifikace histonů, vede k vytváření transkripčně neaktivního heterochromatinu

17 EUKARYOTA stavba buňky - schéma

18 EUKARYOTA anatomie buňky

19 EUKARYOTA BUNĚČNÉ ORGANELY Jádro Jaderná membrána fosfolipidová dvojvrstva, póry Jaderná DNA + proteiny histonového a nehistonového typu chromatin V komplexu s dalšími proteiny spiralizace chromosomy (G2 fáze buněčného cyklu) V somatických buňkách dvě sady (chromosomů)

20 Nukleolus (jadérko) syntéza prekursorů ribosomů (3 typy rrna (5.8 S; 5 S; 28 S) + ribosomální proteiny vznik velké ribosomální partikule) uvolnění do cytoplasmy připojení čtvrté molekuly rrna (18 S) vázané na specifické proteiny funkční ribosom Ribosomy se podílejí na průběhu proteosyntézy

21 Ribosomy eukaryotní buňky Jadérko - místo transkripce ribosomálních genů Fibrilárních centra; uvnitř řetězec DNA z něho přepis do vlákna pre-rrna Fibrilární centrum - hustá síť vláken + malé molekuly RNA úprava molekul rrna z rrna prekursoru Prekursor rrna vyzrává, štěpení na jednotlivé molekuly rrna shluk rrna molekul (organizační centrum) vytváření malých a velkých ribosomálních podjednotek (rrna + ribosomálními proteiny) Vyzrálé malé i velké podjednotky jadernými póry do cytoplazmy V cytoplazmě vznikají funkční ribosomy Ribosomy - nezbytná součást průběhu proteosyntézy

22 S Svedbergova jednotka; stupeň sedimentace v rozpouštědle RIBOSOMY syntéza v jadérku 5.8 S; 5 S; 28 S RNA 18 S RNA 5.8 S; 18 S; 28 S RNA - geny lokalizovány na chromosomech s nukleolárními organizátory 5 S geny se vyskytují ve větším počtu na různých místech genomu

23 EUKARYOTA další buněčné organely Endoplasmatické retikulum síť membrán (hrubé) proteosyntéza (hladké) syntéza lipidů, glykogenu (polymer glukózy) Golgiho aparát soustava membrán vazba cukrů s lipidy, proteiny, tvorba škrobu Lysosomy obsahují trávicí enzymy Vesikuly dočasné zásobárny transportovaných látek

24 EUKARYOTA buněčné organely MITOCHONDRIE Mitochondrie dvě membrány, uvnitř kristy Sta až desetitisíce mitochondrií v buňce Genom podobný genomu bakterií, původ symbióza s archebakteriemi Mitochondriální dědičnost matroklinní Distribuce do gamet nahodilá

25 DNA cirkulární, dvouvláknová 2 10 molekul DNA v jedné mitochondrii Kooprace s jaderným genomem Geny kódují např. enzymy Krebsova cyklu; enzymy katalyzující buněčné dýchání MITOCHONDRIE

26 Specifikace buněk Kmenové buňky - dělí se nesymetricky: a) kmenová buňka (nediferencovaná); b) progenitorová buňka (postupně se terminálně diferencuje, proliferační aktivita) Typy kmenových buněk: a) pluripotentní buňky z časných embryí (fetální kmenové buňky); diferencují ve všechny typy buněk kromě buňky totipotentní b) totipotentní pouze zygota a buňky vzniklé prvním dělením (mohou se přeměnit v jakýkoliv typ buněk) c) multipotentní kmenové buňky produkce příbuzných buněk danému typu (např. kmenové buňky krvetvorby všechny typy krvinek) e) unipotentní kmenové buňky diferencují v jediný typ buněk (např. střevní epitel)

27 Terapeutické využití kmenových buněk Kmenové buňky naděje pro terapii Kmenové buňky z pupečníkové krve umožňují nahradit odběry kostní dřeně; jsou méně citlivé na reakci imunitního systému; menší nebezpečí GvHR, menší riziko nákazy (nesetkaly se většinou s patogeny) Hematopoietické kmenové buňky léčba lymfoproliferativních onemocnění, vrozených imunodeficitů Ve stádiu výzkumu: a) léčba cukrovky I. typu - znovuvytvoření B-buněk Langerhansových ostrůvků v pankreatu b) léčba ochrnutí po úrazu c) léčba následků infarktu d) léčba Parkinsonovy choroby a dalších neurodegenerativních chorob

28 Specifikace buněk Diferencované buňky Specializovaná struktura, funkce, doba životnosti a) krátká životnost - např. erytrocyty, krevní destičky, buňky sliznic zanikají apoptózou b) dlouhá životnost - neurony, endokrinní buňky

29 Specifikace buněk housekeeping geny Aktivní ve všech buňkách Zajišťují základní funkce buněčného metabolismu syntéza nukleových kyselin a proteosyntéza, transport živin a jejich zpracování, biosyntéza cytoskeletu a organel

30 Specifikace buněk specializované geny Určují jedinečné rysy různých typů buněk Epigenetická regulace diferenciace (imprinting) a) Změny chromatinu b) Modifikace v DNA sekvenci (methylace) V dceřiných buňkách je udržována stabilní sekvence a transkripce shodných genů

31 BUNĚČNÁ SIGNALIZACE mezibuněčná komunikace Koordinace pochodů v organismu Buňky geneticky naprogramovány mohou na signální látky reagovat selektivně podle vývojového stadia organismu a typu buněk Přenos signálu od signální molekuly do jádra je zprostředkován mnohastupňovým signalizačním systémem: Vazba receptoru a signální molekuly zahajuje signalizační kaskádu

32 Buněčné dělení

33 BUNĚČNÝ CYKLUS

34 Struktura chromosomu chromatin, euchromatin, heterochromatin kondenzace, dekondenzace centromera, telomera, chromatida

35 Mitóza zajišťuje genetickou identitu dceřiných buněk

36 Mitóza

37 Mitóza - Profáze kondenzace chromosomů stále patrné jako dlouhé tenké struktury tvorba mitotického vřeténka mikrotubuly + proteiny iniciace rozpadu jadérka a jaderného obalu kinetochor - část chromosomálních centromer se uchytí k mikrotubulům mitotického vřeténka centrioly se pohybují směrem k pólům buňky

38 Kinetochor :// ch?v=y-uuk4pr2i8http Motorové proteiny: Cytosolický dynein, kineziny

39 Mitóza - Metafáze maximální kondenzace chromosomů jsou seřazené v ekvatoriální rovině v této fázi se chromosomy nejčastěji vyšetřují

40 Mitóza - Anafáze chromatidy každého chromosomu se rozcházejí k opačným pólům buňky - chromosomy dceřinných buněk k opačným pólům buňky táhne chromatidy achromatické vřeténko

41 Mitóza - Telofáze a cytokineze Telofáze opětná dekondenzace chromosomů začíná se tvořit jaderný obal ohraničující chromosomy Cytokineze začíná ve chvíli, kdy chromosomy doputují k pólu tímto procesem se oddělí cytoplazmy dceřiných buněk sesterské chromatidy se dosyntetizují až v S-fázi

42 Meióza

43 Meiosa Redukce počtu chromosomů z 2n (diploidní) n (haploidní) vznik gamet

44

45 Meióza dvě fáze: meióza I a meióza II

46 Meióza Dvě fáze: meióza I a meióza II Období mezi meiózou I a meiózou II se nazývá interkineze Meióza I heterotypické dělení (odlišné od klasické mitózy): Profáze Leptoten Zygoten Pachyten (crossing-over) Diploten Diakineze Metafáze Anafáze k pólům buňky se rozcházejí chromosomy jednotlivých párů Telofáze Meióza II homeotypické dělení (analogie mitózy)

47 Meióza I profáze I Začíná se tvořit dělící vřeténko, postupně se začíná rozpadat jaderná membrána a nucleolus, jednotlivé fáze průběhu profáze I: leptoten chromosomy začínají kondenzovat zygoten začínají se párovat homologní chromosomy, vytváří se synaptonemální komplex důležitý pro crossing-over pachyten chromosomy jsou již značně kondenzované a v mikroskopu patrné jako tetrády (4 chromatidy v bivalentu), odehrává se crossing-over důležitý krok pro genetickou variabilitu populace diploten zaniká synaptonemální komplex, bivalenty se začínají rozcházet, chiasmata (místa překřížení) drží chromatidy u sebe diakineze maximální kondenzace

48

49 Meióza Profáze I

50 Pachyten chromosomy jsou již značně kondenzované a v mikroskopu patrné jako tetrády (4 chromatidy v bivalentu), odehrává se crossing-over důležitý krok pro genetickou variabilitu populace

51 Meiosa I metafáze I anafáze I telofáze I a cytokineze

52 Meióza I anafáze I probíhá disjunkce chromosomy se rozcházejí k opačným pólům buňky vždy jeden z páru redukce počtu chromosomů rozchod chromosomů k opačným pólům je náhodný, náhodná kombinace chromosomů maternálního a paternálního původu nondisjunkce proces, kdy dochází k chybám v rozchodu chromosomů nebo chromatid meióza I nesprávný rozchod homologních chomosomů meióza II nesprávný rozchod chromatid může mít za následek například trisomii 21 chromozomu - podstata Downova syndromu (47,XX,+21 nebo 47,XY.+21) další syndromy: Turnerův sy 45, X0 Klinefelterův sy 47, XXY Patauův sy 47, XX/Y, +13 Edwardsův sy 47, XX/Y, +18 a další

53 Meióza II homeotypické dělení Stejné fáze jako v mitóze, ale dělí se haploidní buňka

54 Důsledky meiózy Jedinec může tvořit až 2 n geneticky rozdílných gamet, n je počet chromosomů v haploidní sadě (u člověka 2 23 ) Počet geneticky odlišných gamet se dále zvyšuje v důsledku crossing-overu

55 Spermatogeneze v semenných kanálcích testes od počátku pohlavní dospělosti spermatogonie 2n primární spermatocyt 2n sekundární spermatocyt 1n spermatida 1n spermie 1n přibližně 64 dní v jednom ejakulátu přibližně 200 milionů spermií

56 Spermatogeneze

57 Oogeneze Na rozdíl od spermatogeneze probíhá převážně již v prenatální době Oogonie 2n primární oocyt 2n sekundární oocyt 1n + 1 polární tělísko vajíčko + 1 polární tělísko Při narození jsou primární oocyty ve stádiu profáze I (dictyoten) a tak setrvávají až do pohlavní dospělosti Primární oocyty pak pokračují v meióze I a rozdělí se na sekundární oocyt (1n) s většinou cytoplazmy a organelami a na polární tělísko Meioza II je dokončena pouze v případě oplodnění

58 Oogeneze