Přípravný kurz z biologie 4 Reprodukce buněk Meióza Smrt buněk 19.11.2011 Mgr. Kateřina Caltová
Dělení buněk (reprodukce)
Dělení (reprodukce) buněk základní znak života buňky nové bb vznikají dělením bb existujících život buňky reprodukční cykly: růst (zdvojení buněčných struktur) dělení (rozdělení genetického materiálu na dvě identické sady) kódována v genetické informaci - tendence se neomezeně množit nezbytná regulace udržení integrity organismu jako celku
Cíle buněčného dělení reprodukce individua - tvorba gamet při meióze ontogenetický vývoj embryogeneze, diferenciace bb udržení buněčné homeostázy - regenerace poškozených a opotřebovaných bb v organismu asi 10 14 bb, řada se jich stále obnovuje (př. ery vznikají asi 2,5.10 6 / sec) porucha regulace vede k nekontrolovanému dělení buněk nádorový zvrat
Jednobuněčné organismy Jediným dělením buňky vzniká celý nový organismus Bakterie - binární dělení Kvasinky - eukaryota buněčný cyklus
Mnohobuněčné organismy buněčné jádro s větším počtem chromozómů, existence cytoskeletu a organel mnoho dělení během vývoje diferenciace, vznik a obnova tkání komunikace mezi buňkami regulační mechanismy
Co musí buňka hlídat? extracelulární signály správná posloupnost událostí dokončení každé fáze před zahájením další bezchybnost procesů
Buněčný cyklus sled vzájemně koordinovaných událostí růst a rozdělení buňky na 2 bb dceřiné interfáze (90 % buněč. cyklu, G 1, S a G 2 fáze) mitotická fáze (mitóza) generační doba buňky = časové trvání b. cyklu variabilní - hlavně variabilní délka G 1 fáze G 1 (gap) 30-40 % S (synthesis) 30-50 % G 2 (gap) 10-20 % M (mitosis) 10 %
Buněčný cyklus = sled událostí, během kterých buňka zdvojí svůj obsah a potom se rozdělí http://schoolworkhelper.net/2010/11/cell-cycles-interphase-mitosis-cytokinesis/
Průběh buněčného cyklu Dělení jádra a buňky M Gap 2 hodnocení situace, příprava na mitózu G2 G1 gap 1- růst, metabolismus, hodnocení situace, možnost odchodu z cyklu, příprava na replikaci S Replikace DNA G1 + S + G2 = interfáze
Buněčný cyklus 4 fáze G1 - růst buňky S - syntéza DNA (replikace) G2 - růst buňky M - karyokineze, cytokineze video
G 1 fáze 30-40 % délky cyklu (konec mitózy až zahájení syntézy DNA) syntéza proteinů (strukturní, regulační, enzymy pro replikaci DNA) zmnožení buněčné hmoty a organel růst buňky hlavní kontrolní bod - k jeho překonání nutné růstové faktory (mitogeny) Espero Publishing, s.r.o
S fáze 30-50 % délky cyklu - mezi G 1 a G 2 fází pokračuje syntéza RNA a proteinů, hlavně histonů replikace DNA (buňka se stává 4n = tetraploidní) homologní chromozomy synchronně
G 2 fáze 10-20 % délky cyklu (konec replikace až zahájení mitózy) růst buňky pokračuje intenzivní syntéza fosfolipidů, RNA a proteinů (hl. nehistonové proteiny) příprava buňky na mitózu (syntéza cytoskeletálních struktur, enzymů mitotického aparátu) další kontrolní bod Espero Publishing, s.r.o
M fáze = MITÓZA = typ buněčného dělení z 1 bb mateřské (2n) vznikají 2 naprosto identické bb dceřiné (stejný počtu chromozómů (2n)) trvá asi 1/10 buněčného cyklu (obvykle 1 hod) kondenzace chromozomů in vitro se projeví zakulacením buňky ustává transkripce mizí jadérka značně snížena proteosyntéza rozpadá se jaderná membrána depolymerovaný cytoplazmatický tubulin výstavba dělicího vřeténka
Mitóza karyokineze - vlastní rozdělení genetického materiálu (jádra) dělí se na 4 (5) fází: 1) profáze 4) anafáze 2) (prometafáze) 5) telofáze 3) metafáze cytokineze - rozdělení cytoplazmy a ostatních organel do dceřiných buněk na dělení živočišné b. se podílí obě složky cytoskeletu: mikrotubuly dělicí vřeténko mikrofilamenta kontraktilní prstenec video
Profáze kondenzace a spiralizace chromozómů rozchod centrozomů k pólům buňky vznik dělícího vřeténka
centrozóm = dělící tělísko, organela v bb organizuje miktotubuly (MT) do prostorové sítě umožňuje vazbu chromozómů na MT dělící (mitotické) vřeténko = buněčná struktura nezbytná při mitóze tvoří ho mikrotubuly (MT)
Prometafáze rozpad jaderné membrány vazba chromozómů na mikrotubuly (kinetochory)
kinetochor = proteinový komplex v oblasti centromery chromozómu umožňuje napojení chromozómů na MT dělícího vřeténka a pohyb chromozómů k pólům během anafáze mitózy http://cs.wikipedia.org/wiki/kinetochor
Metafáze chromozómy se uspořádají v ekvatoriální rovině vřeténka kontrolní bod připojení chromozómů k MT
Anafáze A a B přeruší se spojení chromatid v centromerách zkracují se kinetochorové MT (A) vzdalují se póly klouzáním polárních MT (kinesiny a dyneiny) (B)
Dělící vřeténko
Telofáze tvorba jaderných membrán dekondenzace chromozómů objevují se jadérka
Cytokineze 2. událost v průběhu mitózy rozdělení cytoplazmy na dvě části (začíná již během anafáze) Video
Cytokineze I živočišné buňky kontraktilní prstenec (mikrofilamenta aktin a myozin) začíná se stahovat už v anafázi dělící rýha vyžaduje dodání energie, regulace Ca 2+
Cytokineze II rostlinné buňky ze zbytků polárních MT a váčků GA diskovitý útvar fragmoplast fúzí dalších váčků roste od středu k povrchu bb až vytvoří střední lamelu buněčné stěny
Poruchy buněčného dělení opakovaná replikace DNA bez následného dělení buňky polyploidní buňky (př. působením MT mitotických jedů - kolchicin) polytenní chromozomy drosofily karyokineze bez cytokineze vícejaderné buňky (př. hepatocyty, megakaryocyty nebo působením MF mitotických jedů - faloidin) široký časový odstup karyokineze od cytokineze (př. rýhování hmyzích vajíček) obr. 17-24 a 26; S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993
Proliferační aktivita buněk proliferační aktivita buněk je různá: celý život (bb epidermis - obnova během 2 měsíců, bb střevní sliznice - obnova za 2-3 dny, bb kostní dřeně - erytrocyty 120 dní, pohlavní bb, kmenové bb při reparaci poškození) v případě potřeby/ zranění (bb jater) ztráta schopnosti dělit se (vysoce diferencované bb v dospělém těle - neurony a bb kosterních svalů) mitotický index (%) = počet dělících se bb celkový počet bb x 100
Necyklující buňky bb v G 0 fázi většina buněk těla se aktivně nedělí zastaveny v G 0 fázi ( necyklující bb) trvalá: vysoce diferencované bb nervové, bb kosterních svalů přechodná: poškození DNA (stop G 1 S) porucha replikace DNA (stop G2 M) nedostatek živin v okolí buňky, nevhodné životní podmínky (stop G 1 S) => variabilita délky G 1 fáze cyklu
Regulace buněčného cyklu Proč? podmínky, následnost, kooperace dějů Základní kontrolní body (checkpoints): 1. vstup do S - vstup do dělení (živiny, velikost bb) 2. vstup do M - po zreplikování DNA 3. metafáze/anafáze (jsou chromozómy navázané na vřeténko?)
Kontrolní body cyklu G2 / M kontrolní bod Podařilo se zreplikovat DNA všechnu a bez chyby? Jsou všechny chromozómy napojeny na mitotické vřeténko a správně orientovány? G2 M Přechod metafáze - anafáze G1 Jsou okolní podmínky příznivé? (tj. je dost živin, je buňka dost velká, je dostatek růstových faktorů, nedostala buňka pokyn k diferenciaci nebo apoptóze, je DNA v pořádku?) S Restrikční bod (Start) Probíhá replikace bez problémů?
Cyklin-dependentní protein kinázy (CDKs) enzymy řídí průchod fázemi cyklu fosforylace dalších proteinů každá fáze cyklu má svou Cdk aktivní až v komplexu s příslušným cyklinem regulovány fosforylací i vazbou dalších regulačních proteinů
Regulace CDKs 1. vazba cyklinu 2. aktivační fosforylace 3. inhibiční fosforylace 4. vazba inhibitoru
Cykliny proteiny, které se váží na Cdk a tím je aktivují každá Cdk (a fáze) má svůj cyklin
Změny koncentrace a aktivity cyklinů a CDKs rostoucí koncentrace nebo aktivita koncentrace CDK koncentrace cyklinu aktivita CDK G1 S G2 mitóza G1 (na příkladu CDK1-cyklin B)
Meióza spermatogeneze oogeneze
2 různé typy buněčného dělení Mitóza: klonální dělení, obě dceřiné buňky mají stejnou genet. info haploidní i diploidní buňky Meióza: redukční dělení diploidní (2n) haploidní (n) pohlavní rozmnožování (pohlavní buňky) Meióza Mitóza
Meióza zvláštní typ buněčného dělení = tzv. redukční dělení vznik bb s redukovaným počtem chromozómů - haploidní gamety pohlavní rozmnožování dvě následná dělení, mezi nimiž nenastává replikace DNA výrazně delší profáze I náhodná segregace chromozomů rekombinace mezi homologními chromozómy rozdílné chování kinetochorů a chromatid
Meióza versus mitóza při mitóze jde o zachování diploidie při meióze naopak o dosažení haploidie
Fáze meiózy Meióza I redukční dělení obsahuje zvláštní profázi Meióza II ekvační dělení podobná mitóze, ale s haploidním počtem chromozómů v anafázi se rozcházejí celé chromozómy
MEIÓZA MITÓZA otcovský homolog mateřský homolog DNA REPLIKACE DNA REPLIKACE PÁROVÁNÍ DUPLIKOVANÝCH CHROMOZÓMŮ HOMOLOGNÍ PÁRY SE USPOŘÁDAJÍ A NAPOJÍ NA VŘETÉNKO SEGREGACE HOMOLOGNÍCH PÁRŮ V ANAFÁZI I DUPLIKOVANÉ CHROMOZÓMY SE JEDNOTLIVĚ NAPOJUJÍ NA VŘETÉNKO
MEIÓZA II MEIÓZA MITÓZA SEGREGACE SESTER. CHROMATID V ANAFÁZI II SEGREGACE SESTER. CHROMATID V ANAFÁZI II haploidní gamety diploidní dceřiné buňky
Meióza - průběh 2 na sebe navazující dělení: 1. heterotypické (redukční) dělení: (2n molekul DNA, tedy 46 chromozómů u člověka) bivalenty = 2 homologní chromozómy crossing-over oddálení chromozómů 2. homeotypické (ekvační) dělení: (1n molekul DNA, tedy 23 u člověka) oddálení chromatid (jako mitóza) výsledek: 4 haploidní buňky (gamety) VIDEO
Variabilita dceřiných buněk 1. náhodná segregace chromozómů Homo sapiens: 23 chromozómových párů = 2 23 variant 2. crossing-over homologní rekombinace mezi chromozómy VIDEO Bivalent
Zvláštnosti meiózy profáze I (cca 90% celé meiózy, komplikovanější než u mitózy) kondenzace chromozomů synapse homologních chromozomů, tvorba bivalentů (drží je u sebe synaptonemální komplex) crossing-over výměna úseků nesesterských chromatid, místa překřížení patrná jako chiasmata ke konci profáze jaderné membrány, vznik dělicího vřeténka, chromozomy viditelné jako tetrády anafáze I segregace celých chromozomů (haploidní počet chromozomů, množství DNA ještě není haploidní každý chromozom je ze 2 chromatid, tj. 2 molekul DNA)
Meióza I obr. 25-3; S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993
Meióza I - bivalenty, šipka = pár XY a synaptonemální komplex obr. 25-24; S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993 obr. 2-14; Thompson & Thompson: Genetics in Medicine, W.B. Saunders Comp., 1991
Meióza I - crossing-over a chiasmata obr. 11-6; Mange A.P.: Genetics: human aspects, Sinauer Associates Inc., 1990
Meióza I a II obr. 25-3; S.L. Wolfe: Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publ. Comp.,1993
Význam meiózy meióza II se prakticky neliší od mitózy anafáze II - rozchod chromatid, haploidnímu počtu chromozomů odpovídá i haploidní množství DNA pohlavní rozmnožování genetická variabilita náhodná segregace - vznik nových kombinací původních rodičovských chromozomů (člověk 23 homolog. párů, počet kombinací = 2 n, tj. 2 23 = přes 8x10 6 možných kombinací) rekombinace - crossing-over - nové kombinace rodičovských alel na chromozomech (u člověka 2-3 crossingovery na 1 homolog. pár chromozomů - počet kombinací) náhodné oplození - zygota vzniká kombinací 2 gamet (je-li přes 8x10 6 možných kombinací jedné gamety, pak je celkem 2 23 x 2 23 = přes 7.10 13 možných variant zygot
obr. 2-9; Thompson & Thompson: Klinická genetika, W.B. Saunders Comp., 1991, překlad: P. Goetz, Triton, 2004 Spermatogeneze vývoj spermie 72 dní (± 2 dny) začíná po dosažení pohlavní dospělosti (13-15 let) probíhá neustále od puberty do individuálně vysokého věku muže dělení je rovnoměrné z 1 spermatogonie vznikají 4 spermatidy během spermiohistogeneze získávají spermatidy bičík zralá spermie
obr. 2-10; Thompson & Thompson: Klinická genetika, W.B. Saunders Comp., 1991, překlad: P. Goetz, Triton, 2004 Oogeneze celý vývoj vajíčka trvá cca 12 50 let oocyt I. řádu vstupuje do meiózy v embryonálním období (kolem 5. měsíce) na konci profáze I - meióza se zastavuje (v 8. - 9. měsíci) - diktyoten až do puberty oocyt I. řádu hromadí zásobní látky, roste jeho objem puberta v cyklech (28 dní) se dokončuje v jednotlivých Graafových folikulech meióza I - dělení nerovnoměrné (oocyt II. řádu + 1. polární tělísko většinou degraduje)
Oogeneze II pokračuje meióza II - dělení je nerovnoměrné (ootida + 2. pólocyt) (1. pólocyt se může také rozdělit) ovulace nastává u většiny obratlovců v průběhu metafáze II II. meiotické dělení se dokončuje jen v případě oplození výsledkem jsou 4 haploidní bb, pouze jedna z nich (vajíčko) je funkční oplození: vajíčko (n) + spermie (n) = zygota (2n)
Smrt buňky apoptóza nekróza
Smrt buňky = jeden ze základních projevů biologických systémů patologická (nefyziologická - nekróza) působení nepříznivých faktorů neslučitelných s existencí buňky, náhodné poškození bb fyziologická (apoptóza) cílený proces, geneticky podmíněný, aktivní účast buňky součást řady fyziologických i patologických procesů v organismu je terapeutickým cílem (př. léčba nádorů) Život organismu je podmíněn smrtí některých jeho buněk.
Život organismu je podmíněn smrtí některých jeho buněk. Proč některé buňky organismu musí zemřít? embryonální vývoj nadprodukce buněk (zanikají bb, které se nezapojily do organizační struktury organismu, př. eliminace neuronů) formování embryonální masy buněk do finální struktury (tvorba dutin, přepážek, př. vývoj prstů ruky) Espero Publishing, s.r.o.
organismus eliminuje nebezpečné buňky (bb nádorové, infikované viry, autoreaktivní klony lymfocytů,...) organismus se zbavuje opotřebovaných a nefunkčních (zestárlých) buněk - př. obnova kůže, střevního epitelu eliminace nepotřebných buněk (pro organismus je energeticky výhodnější likvidace buněk než jejich výživa) involuce hormonálně závislých tkání (př. mléčná žláza po laktaci) ztráta ocasu při metamorfóze žab (pulec dospělec)
Poškození buněk zvláště zranitelné buněčné systémy: integrita buněčné membrány aerobní respirace (stop syntézy ATP) proteosyntéza integrita genetické informace
Stárnutí buněk příčiny buňky mají omezený počet buněčných dělení (Hayflickův limit) cca 50 dělení senescence apoptóza projevy obsah vody až o 15 % viskozita cytosolu zpomalení buněčných pochodů (transport, intenzita metabolismu) hromadění odpadních látek (lipofuscin, melanin)
Nekróza rozsáhlé poškození buněk působením nepříznivých vnějších faktorů přesahujících adaptační možnosti buňky dlouhodobý nedostatek živin a kyslíku vysoká teplota vysoké dávky radioaktivního záření ultrazvuk vysoké dávky toxických látek virová infekce... proces pasivní, není geneticky řízený většinou postihuje větší skupinu buněk řádově trvá hodiny až desítky hodin
Nekróza II porucha plazmatické membrány a membrán uvnitř bb ztráta zdroje energie (zástava syntézy ATP) narušena distribuce iontů projevy - bobtnání, tvorba vakuol (vakuolární degenerace), dilatace ER, mitochondrií rozpad organel (uvolnění iontů, enzymů) buněčný obsah se uvolní do okolí zánětlivá reakce okolních bb DNA dlouho neporušená, štěpí se náhodně na různě dlouhé fragmenty
Apoptóza proces přesně geneticky řízený běžný v embryonálním i postembryonálním vývoji, při udržování buněčné homeostázy (počtu buněk) zbytky buňky jsou odstraňovány fagocytózou bez známek zánětu existuje asi více variant programované smrti: apoptóza (1 ze způsobů realizace program. smrti u vyšších živočichů) lysosomální smrt buněk
Apoptóza II součást života všech mnohobuněčných organismů vyskytuje se u mnohobuněčných rostlin (př. tvorba xylenu, opadávání listů) ve vývoji jednobuněčných eukaryot i prokaryot (př. autolýza sporangiálních buněk při sporulaci bacilů) proces aktivní, vyžaduje dodání energie ATP týká se jednotlivých buněk, ty mizí beze stopy trvá desítky minut až několik hodin
Buněčná smrt NEKRÓZA poškození membrány bb porucha osmotické rovnováhy převaha katabolických dějů aktivace proteáz vylití buněčného obsahu zánět APOPTÓZA fyziologický děj exprese letálních genů kondenzace jaderného chromatinu svraštění buňky fragmentace DNA vznik apoptických tělísek není indukován zánět
Apoptóza = programovaná buněčná smrt VIDEO funkce: vývoj organismu likvidace poškozených buněk (DNA) likvidace napadených buněk (viry) přirozená obnova tkáně znaky: fragmentace chromatinu (jádra) puchýřky na vnější straně membrány ("naruby") kondenzace a fragmentace cytoplazmy (váčky) uklizení buňky (fagocyty)
Morfologie apoptózy kondenzace chromatinu budding ( řasení ) apoptotická tělíska
Apoptóza - morfologické změny kondenzace chromatinu na periferii jádra fragmentace jádra svraštění celé buňky tvorba cytoplazmatických výběžků (blebbing) odštěpování apoptotických tělísek fagocytóza okolními buňkami buněčná membrána intaktní není zánětlivá reakce
Apoptóza - biochemické změny počátek apoptózy - 2 současně probíhající kroky: aktivace proteolytické kaskády (asi 11 enzymů, tzv. kaspázy) poškození mitochondrií oba procesy nakonec vedou k aktivaci endonukleáz štěpí molekuly DNA
Kaspázy kaspáza = cysteinová proteáza, štěpí substrát v místě kyseliny asparagové funkce efektoru apoptózy v bb jako inaktivní prokaspázy, aktivovány jsou až proteolytickým štěpením aktivované exekuční kaspázy štěpí důležité proteiny (lamin, aktin, DNA dependentní protein kinázu, ) reakce jsou ireverzibilní
Poškození mitochondrií vlivem vnějších nebo vnitřních faktorů (virová infekce, poškození DNA, xenobiotika, tvorba kyslíkových radikálů, ztráta koordinace energetických pochodů) změna membrán. potenciálu na vnitřní mitoch. membráně přechodné zvýšení permeability membrány pro cytochrom c uvolnění dalších proapoptických faktorů aktivují kaskádu kaspáz
klíčovou roli v exekuci hraje efektorová kaspáza 3 konečným důsledkem změn je aktivace endonukleáz fragmentují jadernou DNA v místě histonů H 1, tj. mezi nukleozomy - délka fragmentů je v násobcích 180-200 pb po elektroforéze v agarózovém gelu vzniká DNA žebříček tj. marker apoptózy
Řízení apoptózy modelový organismus - Coenorhabditis elegans (hlístice) vzniká 1030 somatických bb, z nich 131 za definovaných podmínek zaniká apoptózou proces je řízen řadou genů: ced-3, ced-4 aktivace apoptických genů ced-2, ced-9 potlačení aktivity apoptických genů homologické geny s podobnou funkcí jsou u savců i u člověka apoptóza je řízena asi 10 geny z rodiny Bcl-2
Řízení apoptózy - suprese gen bcl-2 kóduje protein Bcl-2 jeho nadprodukce chrání buňku před apoptickými signály prodlužuje přežívání buňky (př. neurony, bazální keratinocyty, žlázový epitel, střevní krypty, zralé B- ly, T-ly dřeně thymu, prekurzory hematopoetických bb) tkáně s vyšší produkcí Bcl-2 vykazují vyšší výskyt nádorů (př. kůže, tlusté střevo, prs, prostata)
Řízení apoptózy - stimulace proteiny Bax, Bcl-x S nadprodukce navozuje apoptózu Bcl-2/ Bax reostat poměr hladin Bcl-2 a Bax rozhoduje o životě a smrti buňky hladiny Bax - převaha heterodimerů Bax-Bcl-2 = chrání bb před apoptózou hladiny Bax - převaha homodimerů Bax-Bax = indukce apoptózy gen p53 - přímý aktivátor genu bax a expresi genu bcl-2 (při poškození DNA nejprve zastaví b. cyklus možnost opravy DNA; je-li poškození DNA neopravitelné, aktivuje apoptózu buňky) protein R-Ras a Myc (Myc protein v G 0 fázi se neexprimuje) regulace apoptózy pouze u proliferujících buněk pro indukci apoptózy je exprese Myc proteinu podmínkou
Využití v klinické praxi apoptózy - Alzheimerova ch., Parkinsonova ch., ICHS, AIDS, vývojové vady apoptózy - nádorová, autoimunitní, virová onemocnění léčba nádorů (radioterapie, cytostatická léčba - poškození DNA - to stimuluje apoptózu a tím zpomaluje nádorový růst v regulaci imunitních pochodů eliminace autoreaktivních lymfocytů (imunologická tolerance) cytotoxický efekt T-ly a NK buněk na infikované, nádorové bb a bb transplantátu útlum imunitní odpovědi po likvidaci cizího antigenu
Lysozomální (cytoplazmatická) smrt buněk typická pro epiteliální tkáně a metamorfozující tkáně hmyzu a obojživelníků zvětšuje se počet lysozomů tvorba autofagických vakuol kondenzace chromatinu a rozpad jádra žebříčkovitá degradace DNA do pozdních fází probíhá proteosyntéza a syntéza ATP
Děkuji za pozornost