BUŇKA, TKÁŇ, ORGANISMUS; BUNĚČNÁ SIGNALIZACE

Transkript

1 BUŇKA, TKÁŇ, ORGANISMUS; BUNĚČNÁ SIGNALIZACE Pro pochop složitých dějů, kterými se zabývá biologie člověka, je v následující kapitole uveden zjednodušený přehled o dějích na buněčné úrovni. Najdete zde stručné porovnání stavby a funkce buňky dvou typů organismů a to prokaryot a eukaryot. Jako zástupce prokaryot jsou uvedeny základní charakteristiky baktérií, popis eukaryotní buňky, a jejich vyš organizace je zaměřený na lidský organismus. Buňka je základní stavební a funkční jednotka živých soustav, základní stavební jednotka těl všech živých organismů. Organismy mohou existovat jednobuněčné organismy (např. baktérie), jiné organismy jsou mnohobuněčné, kdy různé typy buněk mají odlišné specializované funkce. Věda, která se zabývá všemi jevy na buněčné úrovni se nazývá cytologie. Během vývoje mnohobuněčných organismů dochází k buněčné diferenciaci (a to zejména represí a aktivací genů), při které vznikají různé typy buněk, které jsou nezbytné pro existenci mnohobuněčného organismu celku. Některé vlastnosti jsou společné pro všechny typy buněk (obecné vlastnosti buněk). Je to jednotný princip chemického slož, stejný princip struktury, stejné základní biochemické procesy. Buňky procházejí obdobím, kdy se množí a jsou ve fázi metabolické aktivity. Soubory stejných typů buněk se nazývají tkáně (viz dále). Tkáně jsou základními stavebními jednotkami vyšch organismů. Tkáně jsou základem stavby orgánů, z orgánů vznikají orgánové soustavy, které pak tvoří organismus. Chemické slož buňky 60% - 90% buňky tvoří voda. Sušina, která vznikne odpařm vody, obsahuje 1-10% anorganických látek a látky organické (bílkoviny, sacharidy, tuky a nukleové kyseliny). Voda slouží předevm rozštědlo. Většinu látek přijímá buňka ve vodných roztocích, protože většina reakcí v buňce probíhá ve vodě. Pouze výjimečně přijímá fagocytózou pevné částice. Ve vodě jsou některé molekuly disociovány na ionty, které pak vstupují do dalch biochemických reakcí. Voda také funguje tepelný akumulátor. Bílkoviny jsou makromolekulární sloučeniny tvořené sekvencí aminokyselin. Základních aminokyselin je dvacet (viz tabulka genetického kódu); jejich pořadí (sekvence) a zastoup vytváří primární (geneticky kódovanou) specifickou strukturu bílkovin. Molekuly bílkovin jsou stavební součástí všech buněčných struktur. Všechny enzymy, které zajišťují biochemické reakce v buňce, jsou bílkoviny. Bílkoviny mají význam při regulaci buněčných procesů je např. hormonální regulace (některé hormony jsou bílkovinné povahy), při ál elům m a dal řen

2 regulaci buněčné proliferace růstovými faktory a jejich specifickými receptory, účastní se při imunitní ochraně organismu (protilátky) atp. Bílkoviny jsou štěpeny enzymy (proteasami). Nukleové kyseliny jsou dal základní makromolekulární molekulou živých organismů (viz Molekulární genetika). Obecná struktura buňky Na každé buňce můžeme rozlišovat buněčné povrchy, cytoplasmu a jádro. Buněčné povrchy tvoří zejména plasmatická membrána. Uzavírá obsah buňky a zprostředkovává kontakt s okolím, např. aktivním transportem nebo osmózou. Je polopropustná (semipermeabilní). Plasmatická membrána je tvořena lipidovou dvouvrstvou, do které jsou zabudovány různé bílkoviny. Její funkcí je regulovat příjem a výdej látek, regulovat chování buňky podle podnětů z prostředí. Cytoplasma je strukturovaná vodní emulze tvořící vnitřní prostředí buňky. Obsahuje: a) buněčné struktury - plasmatické organely (viz dále). b) cytoskeletární aparát tvořený mikrovlákny aktinu a mikrotubuly. Cytoskelet udržuje tvar buněk a tvoří dráhy pro pohyb molekul nebo útvarů uvnitř buněk (např. ventriklů, chromosomů). c) buněčné inkluze - látky zásobní (bílkoviny, tuky, škrob) a látky odpadové (soli, pigmenty) Cytosol je vysoce koncentrovaný roztok bílkovin, ve kterém nejsou přítomné organely. Žádné buňky nemohou vzniknout jinak než rozdělm buňky mateřské, která předává dceřiné buňce geneticky ódovanou informaci týkající se opětné reprodukce a funkce buňky (viz Molekulární genetika). V buňkách probíhají chemické proměny látek. Buňky reagují na vněj podněty. Buňky dělíme podle toho, zda obsahují buněčné jádro a podle dalch vlastností na prokaryotické a eukaryotické. Na pomezí živého a neživého světa se vyskytují viry. Virové partikule jsou na buňkách prokaryot a nebo eukaryot existenčně závislé. Prokaryota Prokaryota jsou organismy, které nemají buněčné jádro. Do této skupiny organismů patří archebaktérie, baktérie a sinice. Jsou to jednobuněčné organismy, které mohou tvořit kolonie. Při srovnání prokaryotní a eukaryotní buňky se zaměříme na obecný popis buněk baktérií, které umožnily vznik mnoha molekulárně genetických technologií. Tyto technologie se významně uplatnily, mimo jiné, i ve farmaceutických procesech. Na klonech baktérií lze sledovat např. mutagenní účinky látek (viz mutace, mutageny). ál elům m a dal řen Některé bakteriální enzymy, např. restrikční endonukleasy, mají nezastupitelný význam pro

3 genové inženýrství; umožnily např. vývoj nepřímé diagnostiky v rodinách s výskytem monogenně děděných chorob (viz Molekulární genetika RFLP) nebo konstrukci rekombinantní DNA. Používají se pro klonování DNA, uchovávání DNA v DNA knihovnách atp. Genom baktérií je haploidní, tzn. že obsahuje jeden (nepárový) chromosom. Prokaryotní buňka na rozdíl od jaderných chromosomů eukaryot obsahuje jediný hlavní kruhový chromosom s jednou douvláknovou molekulou DNA. Cirkulární chromosom obvykle neobsahuje histony. Chromosom baktérií n ohraničen vůči cytoplasmě biomembránou, nemá centromeru, je připevněný k buněčné membráně a spolu s proteiny tvoří nukleoid. Většina genů baktérie je ze v jedné kopii. Geny bakterií neobsahují uvnitř genu nekódující sekvence (introny viz Molekulární genetika). Bakteriální mrna n po transkripci modifikována (viz Molekulární genetika - posttranskripční modifikace mrna u eukaryot). Pouze geny pro ribosomální RNA (rrna) jsou ve více kopiích. Ribosomy bakterií jsou men než ribosomy eukaryotních buněk. Baktérie mohou mít ještě dal genetickou informaci uloženou v plasmidech. Plasmidy obsahují malé kruhovité molekuly DNA, které se replikují nezávisle na bakteriálním chromosomu. Nesou variabilní genetické informace, tyto informace nejsou pro baktérii životně nezbytné. Jde ale o informace, které mohou existenci baktérie zvýhodnit například vznik rezistence k antibiotikům. Plasmidy F (fertilizační) umožňují konjugaci s jinou baktérií tím, že iniciují vytvoř pohlavního pillu (cytoplasmatický můstek) a tím umožní přenos genetické informace mezi baktériemi. Můstkem prochází jedno vlákno dvoušroubovice DNA plasmidu F. V obou buňkách po konjugaci dojde k semikonzervativní replikaci DNA (na základě komplementarity basí) a k opětnému vzniku dvoušroubovice DNA v plasmidu. Plasmidy baktérií jsou využívány jeden z nástrojů genetického inženýrství (viz Molekulární genetika). Obecně platí, že cytoplasma baktérií je chudá na membránové struktury (tzn., že chybí organely). Mimo jednoduchých váčků se nevyskytuje v cytoplasmě baktérií vnitřní systém membrán. Chybí i cytoskelet. U prokaryot a některých primitivních eukaryot se nevyskytuje meiotické děl. Baktérie se rozmnožují nepohlavně, tj. dělm. Po replikaci chromosomálního álu se cytoplasma rozdělí cytokinezí a vzniknou dvě dceřiné buňky. Množí se velmi rychle a v krátké době vytvoří mnohamilionové populace. V některých případech existuje u baktérií přenos genetické informace tzv. parasexuálními ději. Je to konjugace (viz výše), transformace a transdukce. ál elům m a dal řen

4 Transformace je přenos volné DNA do bakteriální buňky. Jde o aktivní proces závislý na membránových receptorech, enzymové výbavě baktérie a velikosti DNA, která může být následně integrována do bakteriálního chromosomu. Transdukce je přenos genetické informace bakteriofágy. Po infekci baktérie bakteriofágem dochází k integraci vnesené genetické informace (genom bakteriofága) do bakteriálního chromosomu. DNA bakteriofága může být z bakteriálního chromosomu opět vyštěpena a virus opustí buňku. Při nepřesném vyštěp může virus získat i úsek bakteriální DNA a při následné infekci dal baktérie přenést část DNA původního hostitele do jiné baktérie. Eukaryota Mezi eukaryotní organismy se řadí houby, rostliny a živočichové (jednobuněční i mnohobuněční). Zásadní odlišnost mezi buňkami eukaryot a prokaryot je v přítomnosti buněčného jádra (nukleus) v eukaryotních buňkách. V jádře je, mimo jiné, lokalizováno jedno nebo více jadérek (nukleolus) a lineární chromosomy (s lineárními molekulami DNA). Chromosomy obsahují nezbytnou součást své struktury centromeru a telomery (viz Cytogenetika). Jadérko, které nemá jaderný obal, slouží k syntéze ribosomální RNA. Nukleus je od cytoplasmy oddělen jadernou membránou. Vnitřní struktura genů je členěna na kódující (exony) a nekódující (introny) sekvence. mrna je po transkripci modifikována posttranskripčními úpravami (viz Molekulární genetika). V cytoplasmě jsou přítomné organely a cytoskeletární aparát. Druhý zásadní rozdíl mezi prokaryotními a eukaryotními organismy se týká buněčného děl. U eukaryot existují dva typy děl mitóza a meióza. Mitóza je děl somatických buněk a zajišťuje vznik geneticky identických buněk dceřiných. Meióza u eukaryot slouží k sexuální reprodukci (viz buněčné děl). Eukaryotní buňka Všechny organely membránového charakteru nazýváme souborně membránová soustava buňky. Vnitřní systém membrán umožňuje lep organizaci pochodů, které se v buňce odehrávají. Biomembrány plasmatických organel obsahují molekuly fosfolipidů a bílkovin. Mitochondrie jsou drobné tyčinkovité až vláknité útvary. V jedné buňce jich může být několik stovek až desítek tisíc. Jsou tvořeny dvojitou membránou. Vněj biomembrána tvoří obal, vnitřní je bohatě zřasena a vytváří neúplné členité přehrádky - kristy. Vznikají tak oddělené prostory pro různé chemické reakce a zároveň kristy zvětšují možnou reakční plochu. Vnitřní prostor se nazývá matrix. Mitochondrie jsou semiautonomní ál elům m a dal řen organely. V mitochondriích se uvolňuje energie z chemických látek (z živin) - jsou to tedy

5 energetická centra buňky. Genom mitochondrií (mtdna) se podobá genomu bakterií, mtdna je cirkulární dvouvláknová molekula. Mitochondrie se staly buněčnými organelami během evolučních procesů na základě původní symbiózy eukaryotních buněk s archebaktériemi. Geny lokalizované v mtdna kódují zejména enzymy Krebsova cyklu, dále enzymy katalyzující procesy buněčného dýchání (terminální oxidace a cyklická fosforylace, oxidativní získávání energie) a geny pro molekuly mitochondriální trna. Mitochondriální DNA je děděna ze od matky (maternální typ dědičnosti) prostřednictvím cytoplasmy vajíčka. Jejich distribuce do gamet je nahodilá. Mitochondriální dědičnost se neřídí Mendelovými zákony. Enasmatické retikulum je systém navzájem propojených membrán, které tvoří váčky obvykle v blízkosti jádra. Hrubé enasmatické retikulum má k membráně přisedlé ribosomy. Funkcí hrubého retikula je proteosyntéza. Hladké enasmatické retikulum (bez ribosómů) zajišťuje syntézu lipidů a glykogenu. Golgiho systém je soustava velkých zploštělých měchýřků s množstvím malých měchýřků na periferii. Probíhá zde řada biochemických procesů, dochází zde např. k vazbě cukrů na lipidy nebo proteiny a tvorbě škrobu a úpravě látek, které jsou z buňky vyměšovány. Enasmatické retikulum a Golgiho systém jsou syntetická centra buňky. Lysosomy jsou malé měchýřky, které obsahují převážně enzymy s proteolytickou a hydrolytickou funkcí. Cytoskeletální aparát je soustava bílkovinných vláken. Vlákna jsou uspořádána do svazků. Mikrofilamenta slouží k pohybu buňky, váčků v buňce a vnitřních buněčných struktur. Mikrotubuly tvoří bičíky, brvy a dělící vřeténko. Dělící vřeténko vzniká během buněčného děl, transportuje chromosomy eukaryotních buněk k protilehlým pólům buňky. Intermediární filamenta mají podpůrné a vyztužovací funkce. Jádro je ohraničeno dvouvrstvou membránou (jaderným obalem) s jadernými póry, které pomocí speciálních bílkovin umožňují transport makromolekul (zejména RNA). Hlavním obsahem jádra je chromatin (komplex DNA a bílkovin histonového a nehistonového typu). Chromatin je spiralizován během buněčného cyklu a tvoří morfologicky odlišitelné chromosomy. V jádře je jedno nebo více jadérek, složených z bílkovin a RNA. Jádro uchovává většinu genetické informace eukaryotní buňky. U eukaryotních organismů se během evoluce vyvinul genetický program buněk, který řídí jejich proliferaci, diferenciaci a reguluje jejich funkce. Na jeho realizaci se podílejí nukleové kyseliny (DNA, mrna, trna, rrna) a proteiny. ál elům m a dal řen

6 Legenda 1) jadérko; 2) jádro; 3) ribosom; 4) vesikuly; 5) drsné enasmatické retikulum; 6) Golgiho aparát; 7) cytoskelet; 8) hladké enasmatické retikulum; 9) mitochondrie; 10) vakuoly; 11) cytoplasma; 12) lysosomy; 13) centrioly (viz Buněčné děl) U vyšch organismů dochází k buněčné diferenciaci. Buněčná diferenciace je proces, kdy se nezralá buňka (primordiální buňky) vyvíjí do různých buněčných typů. Specializované buňky se seskupují, vzájemně na sebe působí, tvoří tkáně a vyš stupně organizace orgány. Všechny buňky organismu obsahují shodnou genetickou informaci (DNA) a mohou se diferencovat do jakéhokoliv typu buněk. Lidské buňky mají v každé buňce veškeré genetické informace, ale li se tím, že využívají funkce jen určitých genů. To znamená, že diferencované buňky mají odlišnou expresi genů, ne však ztrátu genetické informace. Tento jev se nazývá totipotence. Jádro i plně diferencované buňky si stále zachovává schopnost řídit prostřednictvím genetické informace vývoj buněk až do stadia kompletního jedince. Totipotence buněk je tedy schopnost vytvořit z diferencované somatické buňky celý organismus. Na základě fenoménu totipotence se rozvíjejí obory zabývající se klonováním (viz dále). ál elům m a dal řen

7 Kmenové buňky jsou nediferencované nebo méně specializované buňky, mají zachovanou schopnost pozděj diferenciace. Rozlišujeme dva typy kmenových buněk. Embryonální kmenové buňky (např. získané ze spontánně potracených embryí nebo pupečníkové krve) je možné v in vitro podmínkách ovlivnit a přeměnit na specifické buňky (viz dále), např. nervové, svalové, krevní a jiné. V současné době se rozvíjí výzkum léčby jinak nevyléčitelných chorob pomocí transplantace kmenových buněk. Tento směr výzkumu a následného využití v terapii nese vedle technických problémů celou řadu problémů etických. U dospělého jedince jsou kmenové buňky přítomny v různých tkáních. Například v kostní dřeni jsou běžně přítomné a zajišťují plynulou krvetvorbu. Velkým překvapm bylo zjištění, že kmenové buňky existují i v mozku dospělého člověka, zatímco donedávna platilo, že neurony dospělého jedince postupně ubývají a nenahrazují se. V současnosti je známo, že čichové nervové buňky a buňky oblasti mozku zvané hipokampus tvoří nové obnovující se kmenové buňky. Buněčná diferenciace, proliferace a veškerá koordinace buněčných pochodů zabezpečující existenci mnohobuněčného organismu je zajištěna působm celé kaskády různých signálních molekul. Buněčná signalizace U mnohobuněčných organismů zajišťuje koordinaci pochodů v organismu komplexní signalizační systém. Mezibuněčná signalizace je složitý proces, který je zprostředkováván různorodými signálními molekulami. Buňky jsou vystaveny působ velkého množství různých signálních molekul v mnoha různorodých kombinacích. V buňkách vyšch organismů existuje mnohastupňový systém přenosu signálu z extracelulárního prostředí do jádra. Signalizační systém zahrnuje signální molekuly, povrchové nebo nitrobuněčné receptory, proteinkinasy, proteinfosfatasy, G-proteiny, ATP a dal molekuly. Buňky jsou geneticky naprogramovány tak, že mohou na signální molekuly reagovat selektivně podle vývojového stádia organismu a typu buněk. Cílová buňka je většinou schopná reagovat na signální molekuly prostřednictvím receptorů, při čemž vazba signální molekuly s receptorem je vysoce specifická. Receptory jsou lokalizovány na buněčné membráně nebo nitrobuněčně. Endogenní signální molekuly jsou uvolňovány z buněk exocytózou nebo difúzí plasmatickou membránou. Jako příklad rychlého uvolňování signální molekuly exocytózou můžeme uvést histamin. Je převážně uvolňován při poškoz tkání nebo při lokální infekci žírnými buňkami (mastocyty) tkáně pojivové. Rozšiřuje místní krevní cévy, které se stanou prostupné pro sérové proteiny (protilátky, složky komplementu aj.) a bílé krvinky. ál elům m a dal řen Signální molekuly mohou mít též exogenní původ (např. léky, složky potravin).

8 Schematické znázornění buněčné membrány: Světle šedě jsou znázorněny fosfolipidové molekuly s hydrofóbními (lipidickými) částmi; sdružují se a vytvářejí horizontální útvar, na základě kterého vzniká membrána. Na povrchu membrány jsou fosfátové části molekuly a dal hydrofilní části molekul (v obrázku jsou vyznačeny různými výraznými barvami. Charakteristika signálních substancí Lipofóbní signální molekuly (hydrofilní) jsou rozpustné ve vodě a většinou se připojují k receptorům plasmatické membrány. Mezi hydrofilní látky patří některé hormony (např. inzulín a glukagon, růstové hormony) a růstové faktory. Mezi hydrofilní signální molekuly také patří aminokyseliny, nukleotidy anebo katecholaminy. Katecholaminy (dopamin, adrenalin, noradrenalin) jsou přenašeči nervových vzruchů na synapsích. Jejich hlavním zdrojem jsou buňky dřeně nadledvin, které je uvolňují do krevního řečiště. Růstové faktory jsou signální molekuly nezbytné pro přežití buněk, proteosyntézu a buněčný růst. Mohou řídit diferenciaci buněk v průběhu embryogeneze, jejich vyzrávání, migraci i funkci v závislosti na vlivech okolního prostředí. Růstové faktory jsou produkovány různými typy buněk; například makrofágy, granulocyty a lymfocyty nebo buňkami mesenchymálního původu (buňky pojivové tkáně, svalstvo, cévy). Často to jsou produkty protoonkogenů (viz Onkogenetika), ale mezi růstové faktory patří i některé hormony. Mohou působit teprve v komplexu se specifickým membránovým receptorem, který má enzymovou aktivitu. Jejich účinek je různorodý. Růstové faktory předevm stimulují buňky k proliferaci. Mohou ale i buněčnou proliferaci inhibovat (např. buněčnou proliferaci inhibuje transformující růstový faktor beta TGF-β). Proliferace nebývá podnícena ze jediným ál elům m a dal řen růstovým faktorem, je to výsledek účinku specifické kombinace několika odlišných růstových

9 faktorů vážících se na různé receptory. Působí jak specificky, tak pleiotropně to znamená, na více místech a úrovních organismu. Vybrané příklady růstových faktorů: Růstové faktory odvozené od krevních destiček (PDGF platelet-derived growth factor) tvoří rodinu růstových faktorů, kdy protoonkogeny, které je kódují jsou lokalizovány na různých chromosomech; PDGFA chromosom 7p22, PDGFB chromosom 22q13, PDGFC chromosom 4q32. Jejich produkty navzájem kooperují a mají pleiotropní účinky. Jsou převážně uvolňovány z krevních destiček, ale i z jiných hematopoietických a epiteliálních buněk. Stimulují buněčnou proliferaci fibroblastů, buněk hladké svaloviny, neurogliálních buněk atp. Mají významnou úlohu v průběhu embryonálního vývoje a při hoj ran. Erythropoietin (EPO) je specificky působící růstový faktor, který ovlivňuje ze proliferaci prekursorů erytrocytů. Jeho zdrojem jsou buňky ledvin a hepatocyty. Cévní endoteliální růstový faktor (VEGF vascular endotheliar growth factor; gen lokalizován na chromosomu 6p21) existuje v několika isoformách v důsledku odlišného sestřihu mrna (viz Molekulární genetika). Jednotlivé isoformy podporují angiogenezu, růst endoteliálních buněk, permeabilizaci cévních stěn. Aktivita genu VEGF je regulována jinými růstovými faktory (např. EGF2), cytokiny (např. interleukiny IL-8), gonadotropiny (pohlavní hormon tvořený v podvěsku mozkovém), molekulami NO atp. Epidermální růstový faktor (EGF) stimuluje proliferaci epidermálních a dalch buněk. Fibroblastové růstové faktory (FGF) podněcují proliferaci fibroblastů chondrocytů, stimulují angiogenezu. Členové rodiny nervových růstových faktorů (NGF) podporují přežití a růst neuronů. Gliový růstový faktor (GGF) stimuluje proliferaci Schwanových buněk a astrocytů. Interleukiny (IL1 až IL23) je heterogenní skupina faktorů, které regulují rozličné stránky vývoje a aktivace leukocytů. Na převodu signálu vyvolaného lipofóbními signálními substancemi do nitra buňky se podílejí tři typy membránových receptorů. Jsou to iontové kanály, receptory, které aktivují G proteiny (GTP-vázající regulační proteiny) a receptory s enzymovou aktivitou (viz dále Receptory). Lipofilní signální substance jsou téměř nerozpustné ve vodě (jsou hydrofóbní). Mezi tyto molekuly patří například steroidní hormony (gestageny, kortikoidy, androgeny, estrogeny a prostaglandiny), thyroidní hormony (thyroxin), některé vitamíny (např. vitamín D) a retinoidy (deriváty vitamínu A - retinolu). Kyselina retinová vzniká z vitaminu A1. Jako ál elům m a dal řen lokální mediátor má zejména význam během ontogeneze obratlovců.

10 Mezi lipofilní signální molekuly patří i některé malé molekuly je např. oxid dusnatý (NO) a oxid uhelnatý (CO). Tyto molekuly snadno procházející plasmatickou membránou. NO a CO jsou malé hydrofóbní molekuly, které snadno prostupují buněčnou membránou cílových buněk a váží se v ní na specifické nitrobuněčné receptory. Typickým příkladem je účinek NO na endoteliální buňky cévních stěn odezva na působ acetylcholinu na sousedící buňky hladké svaloviny cév. Acetylcholin přená nervový vzruch a odezvou je relaxace endoteliálních buněk cévních stěn, kterou vyvolá NO. Na stejném principu je založen rychlý účinek nitroglycerinu u pacientů s anginou pectoris. Nitroglycerin je v organismu rychle rozložen a uvolněný NO relaxuje a roztahuje krevní cévy v srdci a tak zvyšuje průtok krve k srdeční svalovině. NO se také podílí při nespecifické obraně organismu proti mikrobiální infekci. Je lokálně produkován makrofágy a neutrofily, které byly aktivovány mikrobiální infekcí. Na rozdíl od těchto malých molekul jsou hormony z buněk endokrinní žlázy (žláza s vnitřní sekrecí) uvolňovány do krevního řečiště. V krvi se reverzibilní vazbou připojují na bílkovinné nosiče a jsou přemístěny z místa vzniku k cílovým buňkám. Teprve zde jsou od bílkovinného nosiče uvolněny a do cílové buňky pak vstoupí plasmatickou membránou prostou difúzí. V buňce se reversibilně váží ke specifickým nitrobuněčným receptorům. V současné době pochop funkce a struktury růstových faktorů a jejich receptorů je v popředí zájmu farmakologického výzkumu. Léčba některých onemocnění by mohla být právě založena na zásahu do regulace buněčné signalizace. Přenos signálu Přenos signálu mezi buňkami závisí na vzdálenosti, rychlosti a selektivitě, se kterou jsou signální molekuly dopravovány z místa sekrece k cílovým buňkám. 1. Lokální signalizace. Signální molekuly mohou působí v bezprostřední blízkosti svého vzniku, mluvíme pak o autokrinní nebo parakrinní signalizaci. Autokrinní signalizace je vazba signálních molekul s receptory buněk, které samy produkují tuto signální substanci, nebo s receptory sousedních buněk téhož typu. Při parakrinní signalizaci jde o signalizaci mezi sousedními buňkami, ale jiného buněčného typu. Jde o signalizaci, kdy dochází k rychlému zachyc signálních molekul okolními cílovými buňkami. Pokud signální molekula nevytvoří téměř okamžitě komplex s receptorem, je rozložena extracelulárními enzymy. Autokrinní i parakrinní typ signalizace se významně uplatňuje při buněčné diferenciaci během časného stádia ontogeneze. ál elům m a dal řen 2. Přímá mezibuněčná komunikace - gap junction

11 Přímá mezibuněčná komunikace je zprostředkována spojm plazmatické membrány sousedících buněk a vytvořm úzkých kanálků (gap junction). Tím je umožněna výměna malých intracelulárních molekul jsou Ca 2+ a cyklický 3', 5'-adenosinmonofosfát (camp). Tento způsob buněčné signalizace má zejména velký význam v průběhu embryonálního vývoje živočichů. 3. Synaptické signalizace Typickým příkladem je přenos signálních molekul zvaných neurotransmitery (přenašeči vzruchu na synapsích) mezi presynaptickým ončm axonu a postsynaptickou cílovou buňkou. Prostor, ve kterém k synapsi dochází, se nazývá prostor chemické synapse. Nachází se zde konec axonu v těsném kontaktu s receptory cílové buňky. Těsný kontakt axonu a cílové buňky umožňuje velice rychlý přenos neurotransmiteru (v milisekundách, i rychleji). Neurotransmitery působí lokální mediátory s parakrinním typem signalizace. Různé neurony uvolňují vždy tytéž neurotransmitery, ale cílové buňky reagují specifickým způsobem v závislosti na jejich typu. Neurotransmiterů je vylučováno velké množství, ale receptory cílových buněk k nim mají nízkou afinitu, což umožňuje při ukonč odpovědi rychlou disociaci neurotransmiteru z receptoru. 4. Endokrinní signalizace Buňky endokrinních žláz většinou uvolňují hormony do krevního řečiště. Hormony jsou krví přenášeny vázané na bílkoviny a působí tak i na velké vzdálenosti od místa sekrece. Přenos je pomalý, koncentrace hormonů je přenosem snížena. Jelikož hormony mohou působit i ve velmi nízkých koncentracích, sníž koncentrace přenosem na vět vzdálenost n překážkou pro jejich působ. Receptory Receptory jsou proteiny, které jsou schopny specificky vázat signální molekuly (ligandy). Jsou uloženy buď v plasmatických membránách (membránové receptory), v cytosolu anebo v některých případech i v jádře (nitrobuněčné receptory). Membránové receptory lze rozdělit na tři základní typy: iontové kanály, receptory spojené s aktivací G proteinů a receptory s enzymovou aktivitou. 1. Iontové kanály Iontové kanály se nacházejí v plasmatických membránách elektricky vzrušivých postsynaptických buněk. Zajišťují rychlou synaptickou signalizaci. Signální látky, které se vážou k těmto receptorům jsou převážně neurotransmitery. Tyto signální molekuly přechodně otevírají nebo uzavírají iontové kanály a tím mění dráždivost buněčných membrán. ál elům m a dal řen

12 Základem pro podráždění nervové buňky a i pro ved nervového vzruchu je fenomén, že hladina sodíku a draslíku n uvnitř a vně buňky rovnoměrně rozdělena. Na vnitřní straně buněčné membrány se udržuje vyš hladina draslíku a niž hladina sodíku, na vněj straně buněčné membrány je to naopak. Při podráždění dochází k náhlé propustnosti buněčné membrány nervové buňky a sodné ionty proudí dovnitř buňky za vzniku akčního potenciálu. 2. Receptory spojené s aktivací G proteinů Všechny receptory spojené s aktivací G proteinů (GTP-vázající regulační proteiny viz Onkogenetika - protoonkogeny) jsou evolučně příbuzné a mají obdobnou strukturu. Jsou tvořeny jediným polypeptidovým řetězcem, který se skládá ze tří částí: (i) z části uložené vně plasmatické membrány, (ii) části prostupující plasmatickou membránou a (iii) části uložené uvnitř buňky. K vněj části se váže signální molekula, která mění stavbu receptoru a aktivuje ho. K vnitřní (cytoplasmatické) části se po aktivaci receptoru váží G proteiny. G proteiny převádějí signál od receptoru k signálním molekulám v buňce. Na následujícím schématu pro představu o průběhu buněčné signalizace ukazujeme signální dráhu, kdy signální molekula EGF (epidermální růstový faktor) se váže se specifickým receptorem (EGFR), mění jeho stavbu a tím se aktivuje signální dráha (kaskáda dějů) spojená s aktivací G proteinu. Po aktivaci receptoru je uvolněn GDP vázaný k RAS (produkt protoonkogenu c-ras, který se podílí na regulaci buněčné proliferace) a naváže se GTP. GTP aktivuje RAS, ten předá signál fosforylací RAF první v kaskádě MAP-kinas mitogeny aktivované proteinkinasy (fosforylace ve schématu viz P- ). Tato signální dráha vede v jádře k aktivaci genů časné odpovědi např. MYC. Jejich produkty jsou transkripčních faktory pro dal geny, které následně regulují konkrétní kroky vedoucí k proliferaci buněk. Obrázek převzat z otevřené encyklopedie Wikipedia. ál elům m a dal řen

13 3. Membránové receptory s enzymovou aktivitou Jsou to transmembránové proteiny s vazebnou oblastí pro ligandy ležící na zevní straně plasmatické membrány. Vazba s ligandem mění uspořádání receptoru a aktivuje ho. Na vnitřní straně membrány dochází k přenosu signálu aktivací nitrobuněčných enzymů - proteinkinas. Jde o receptory, které se váží s většinou růstových a diferenciačních faktorů. Stručný výčet typů a funkce tkání. Tkáň je soubor morfologicky podobných buněk s určitou funkcí, nebo i soubor tvarově i funkčně odlišných buněk, kdy jeden typ buněk je základní a dal typ buněk má podpůrný charakter. Příklady typů tkání: ál elům m a dal řen

14 Epitel (krycí tkáň) je soubor těsně k sobě přiléhajících buněk. Pokrývá vněj nebo vnitřní povrchy. Vyskytuje se ve většině žláz (játra, pankreas, štítná žláza atp.). Specializované epitely jsou např. neuroepitel, který má smyslovou funkci nebo epitelová síťovina v thymu (retikulum), která má funkci podpůrnou. Podle tvaru buněk dělíme epitel na plochý (dlaždicovitý), kubický, cylindrický. Podle funkce pak na krycí, řasinkovitý smyslový, pigmentový, žlázový. Pojivová tkáň má mechanickou a podpůrnou funkci. Obsahuje velké množství mezibuněčné hmoty. Za pojivovou tkáň mohou být považovány i tělní tekutiny, tzn. krev a lymfa. Svalová tkáň je tvořena buňkami, které mají v cytoplasmě vláknité struktury (myofibrily) umožňující kontrakci buněk. Svalová tkáň se vyskytuje v organismu člověka ve formě hladké svalové tkáně je např. svalovina vnitřních orgánů, stěn cév, nebo svalovina příčně pruhovaná (kosterní svalovina, srdeční svalovina). Nervová tkáň je tvořena neurony a neurogliemi. Neurony jsou odpovědné za funkci nervové tkáně. Jsou vysoce specializované. Přijímají, zpracovávají a vysílají vzruchy. Neuroglie zajišťují ochranu a výživu neuronů a plní podpůrnou funkci. Velikost buněk je v jednotlivých tkáních přibližně stejná. Je omezená fyzikálními zákonitostmi např. poměrem povrchu a objemu. Buněčné kultury Eukaryotní buňka je za určitých podmínek schopna samostatné existence ex vivo (mimo organismus). Primární kultury buněk jsou odvozené přímo z odňatého kousku tkáně (excize). Rostou buď v jedné vrstvě (monolayer) na podložním álu (sklo, plast Petriho miska, kultivační lahev atp.) nebo v suspenzi. Primární kultury lze udržovat v kultivačním roztoku (médium) jen po omezenou dobu. Během kultivace ztrácejí diferenciační charakteristiky tkáně, ze které vznikly. Kontinuální kultury jsou udržované pasážováním (přenášm do nového kultivačního prostředí). Mají limitovaný počet pasáží (30 50), dochází u nich postupem času k tzv. replikativní senescenci (stárnutí). Udržují si určitý stupeň diferenciace. Jak primokultury, tak kontinuální kultury odvozené od zdravých tkání zachovávají diploidní počet chromosomů bez přestaveb (viz cytogenetika). Nádorové buňky odvozené od nádorových tkání na rozdíl od výše uvedených kultivací nebo získané po působ kancerogenů na buňky normální mají v podmínkách in vitro neomezený růst. Počet i struktura chromosomů bývá změněna. ál elům m a dal řen

15 Kultivace in vitro probíhá za sterilních a definovaných nutričních podmínek (definované typy médií), při řízené teplotě (nejčastěji 37 o C) a v atmosféře (5 7% CO 2 ). Kultury lze uchovávat dlouhodobě zmrazené (méně než -135 o C) v médiu obohaceném kryoprotektivy. Buněčné kultury jsou nezastupitelným álem pro různá vyšetř z oblasti medicíny, např. cytogenetická vyšetř počtu chromosomů a vyšetř chromosomálních přestaveb. Slouží jeden z nástrojů při testování možných genotoxických (poškoz geonomu na chromosomální i molekulární úrovni) a cytotoxických účinků (zástava buněčného děl, apoptóza nebo nekróza) nově vyvíjených farmak (viz testování mutagenních a teratogenních účinků). Klonování Nejprve několik obecných poznámek. Klon je chápán na buněčné úrovni skupina (populace) geneticky identických buněk (tedy i molekul DNA), které vznikly rozmnožm jediné buňky. Klonování můžeme chápat : a) pěstování geneticky identických buněk nebo organismů in vitro; b) přenos geneticky plně vybaveného jádra z tělesné (somatické) buňky do vajíčka zbaveného vlastního jádra, které se pak dále vyvíjí embryo. Touto asexuální reprodukcí lze získat geneticky identické jedince; c) produkce DNA cestou genových manipulací spojených s množm geneticky modifikovaných buněk (zejména baktérií nebo kvasinek); d) nepohlavní množ rostlin. Z pohledu lidské populace nás zajímá klonování reprodukční a klonování terapeutické. Klonování reprodukční bylo poprvé oficiálně představeno v roce 1996 narozm ovce Dolly a od té doby bylo několikrát u různých živočichů více nebo méně úspěšně zopakováno. Při reprodukčním klonování je genetický ál vajíčka odstraněn a nahrazen genetickým álem dospělého zvířete (získaném ze somatické buňky). Geneticky upravené vajíčko (pre-embryo) je implantováno do dělohy a vyvíjí se v nového jedince. Reprodukční klonování n bez rizika jak pro mateřský organismus tak pro plod i jeho postnatální přežívání. Ke klonování jedince je potřeba velké množství pokusů než je celý proces úspěšný. Reprodukční klonování člověka je v současnosti v rovině diskusí o etických důsledcích. N např. jasné, jestli by klony netrpěly nepředvídatelnými fyzickými nebo duševním problémy. Klonování terapeutické je využití pre-embrya k produkci kmenových buněk. Kmenové buňky jsou nediferencované (univerzální) a mohou se diferencovat do různých typů buněk. ál elům m a dal řen Jejich diferenciaci je možné v laboratoři ovlivnit. Mohou z nich vzniknout buňky nervové,

16 svalové, krevní atp. Je možné je též využít k náhradě poškozených, nefunkčních buněk v různých orgánech. Perspektivně se uvažuje i o využití k léčbě určitých onemocnění. Pro terapeutické klonování lze aplikovat vajíčko ženy (oocyt), ze kterého bylo odstraněno jádro a zaměněno jádrem somatické buňky člověka (např. buňky kůže), který má být léčen. Zárodečná buňka se dělí a vytvoří blastocytu složenou z trofoblastu a embryoblastu. Z embryoblastu se pak získávají kmenové buňky. Pomocí diferenciačních faktorů lze ovlivnit vznik žádaného typu buněk (např. nervovou tkáň). Nově vzniklá tkáň bude geneticky shodná s tkání dárce jádra (pacienta) a tím by byla odstraněna imunitní reakce, která je problémem při transplantacích (viz imunogenetika). Pro terapeutické klonování lze využít i aktivovaná vajíčka uchovávaná na pracovištích, kde se provádí oplodnění in vitro. Klonování lidských embryonálních buněk je zatím stále etickým problémem a v mnoha zemích je tento výzkum omezen legislativou. Klonování kmenových buněk dospělého jedince nebo i potracených embryí je, na rozdíl od využití aktivovaných vajíček, z hlediska etiky a legislativy možné. ál elům m a dal řen