Cykliny
a
CDK proteinkinázy
). Obecně existují faktory, které dělení buňky
urychlují, a faktory, které
naopak dělení buňky zpomalují, či zcela zastavují. Ve sloţitém mnohobuněčném organismu (jakým je
například člověk) je přísná regulace buněčného dělení zcela nezbytná, neboť jen tak lze dosáhnout
harmonické funkčnosti organismu,
kde se dělí pouze ty buňky, u kterých je to momentálně potřeba.
Nekontrolované buněčné dělení nacházíme u různých
nádorových onemocnění. Naopak i omezení
schopnosti dělení můţe mít závaţné následky (vzpomeňme například na sníţenou produkci krevních
elemen
tů u pacientů po cytostatické léčbě).
G0 fáze
-
fáze, kdy se buňka jiţ dále nedělí, zastavení buněčného cyklu. Setkáváme se
u
diferencovaných buněk. Její nástup je ovlivněn kontrolním uzlem, umístěným na počátku G1 fáze.
Pokud se jiţ buňka nemá dále dělit,
vstoupí do G0 (nula) fáze, místo do G1 fáze. Plně diferencované
buňky (např. neurony) se dále jiţ nedělí. Naopak některé jiné buňky (např. jaterní buňky
- hepatocyty)
jsou schopny v případě potřeby přejít z G0 fáze do G1 fáze a začít se opět dělit.
G1 fáz
e
-
Nazývána téţ postmitotická. Období růstu buňky, přípravná fáze na další dělení. Dochází
zde ke kontrole a opravám DNA, před její budoucí replikací v následující fázi. Trvá asi 10
- 12 hodin.
S fáze
-
DNA se replikuje na dvojnásobné mnoţství. Kaţdý chromozom je od této doby zdvojený,
tvořený párem
sesterských chromatid
. Trvá asi 6
- 8 hodin.
G2 fáze
-
Zdvojování organel, tvorba struktur potřebných pro dělení buňky. Trvá asi 2
- 4 hodiny.
M fáze
-
Skládá se z jaderného dělení (mitózy
či
meiózy) a vlastní cytokineze. Trvá asi 1
- 2hodiny.
Dělení buňky se skládá ze 2 fází. Karyokineze (jaderné dělení) a cytokineze (dělení celé buňky).
4)
Mitóza
Jaderné dělení je nedílnou součástí komplexního
buněčného cyklu. Mitóza je poté nejčastější typ
jaderného dělení (karyokineze). V průběhu mitotického dělení vznikají z jedné buňky mateřské dvě
zcela rovnocenné buňky dceřiné, coţ mimo jiné znamená, ţe mateřská i dceřiná buňka mají stejné
mnoţství genetické informace a stejný počet chromozomů (čímţ se významně liší od
meióz
y). Proto
se mitóze také říká
ekvační
či také homotypické dělení. Mitóza má celkem 4 fáze:
1) Profáze
Rozpuštění jaderné membrány a jadérek, vznikají 2 centrioly
-
> vzniká dělící vřeténko
(mikrofilamenta, mikrotubuly), z chromatinu a jadérek vznikají pentlicovité
chromozomy
. (Touto dobou
je jiţ dávno po S fázi a veškerý genetický materiál je tudíţ znásobený. Chromozomy jsou zdvojené,
jsou ale stále spojeny v
centromeře
, neţ budou v anafázi roztrţeny). Přechodná fáze mezi profází a
metafá
z
í se někdy specificky označuje jako
prometafáze
.
2) Metafáze
Chromozomy se seřazují do rovníkové (ekvatoriální) roviny. Dělící vřeténko se navazuje
na centromery chromozomů. Chromozomy zůstávají spojeny jen v centromerách.
3) Anafáze
Roztrţení chromozomů v centromerách zkracováním mikrotubulů dělícího vřeténka.
Chromozomy putují k pólům buňky.
4) Telofáze
Zánik dělícího vřeténka, despiralizace chromozomů, vzniká jaderná membrána a jadérka,
počátek cytokineze.
Je třeba si uvědomit, ţe můţe dojít k chybnému rozestupu chromozomů (nondisjunkci). Pokud se tak
stane, potom vznikající buněčné linie budou nést určité
chromozomové aberace
(nebo buňky
zahynou, pokud je vzniklá kombinace pro buňku letální).
Následuje samotná cytokineze. Při cytokynezi vzniká přepáţka mezi dceřinnými buňkami trojím
způsobem:
a) Pučením
typické pro některé prvoky, kvasinky. Na mateřské buňce se vytvoří pupen (nestejné
mnoţství cytoplazmy), který se oddělí a teprve později doroste.
b) Rýhováním
ţivočišné buňky. Dostředivé dělení. Buňka se jakoby "zaškrtí" od krajů do středu.
c) Přehrádečným dělením
rostlinné buňky. Přehrádka mezi buňkami vzniká od středu ke kraji.
Odstředivé dělení.
5)
Meióza
Meiotické neboli
redukční dělení
(dříve také
heterotypické
) dává za vznik haploidních buněk (coţ
jsou typicky
pohlavní buňky). Jejím cílem je tedy zajistit, aby buňka získala pouze polovinu
genetického materiálu. Pokud má mateřská buňka celkem 2n
chromozomů, potom dceřinné buňky
budou mít pouze n chromozomů, tedy přesně polovinu původního počtu. Původní počet
2n
chromozomů se obnoví aţ splynutím dvou gamet v průběhu
oplození. Dalším rozdílem
oproti
mitóze
je skutečnost, ţe výsledkem kompletní meiózy jsou celkem 4 buňky (oproti 2 buňkám u
mitózy). Meióza má 2 hlavní fáze, a to 1. a 2. meiotické dělení.
1. Meioti
cké dělení
Homologní chromozomy tvoří v ekvatoriální rovině tzv. tetrády. Můţe mezi nimi
dojít k rekombinaci genetického materiálu (
crossing-over
-
výměna genů mezi homologickými, avšak
nesesterskými chromatidami). Chromozomy nejsou roztrhávány, k pólům buňky putují celé sady. Na
kaţdém pólu tak zůstane vlastně 2krát jedna polovina genetického kódu. Redukčním dělením je tak
vlastně právě a pouze první část meiotického dělení (meióza I).
Profázi I ještě můţeme dělit na následující fáze:
Leptoten
-
vláknité chromozomy se začínají kondenzovat
Zygoten
-
párování homologních chromozomů, vznik bivalentů
Pachyten
-
pokračuje kondenzace, čtveřice chromatid jsou dobře patrné jako tzv. tetrády, dochází
ke
crossing-overu
Diploten
-
tetrády se rozestupují, místa překříţení chromatid (po crossing
-overu) lze pozorovat jako
tzv. chiasmata
Diakineze
-
chiasmata zanikají (terminalizace chiasmat), rozpadá se jaderný obal, profáze končí
2. Meiotické dělení
Navazuje na první meiotické dělení. Mezi nimi jiţ NEDOCHÁZÍ k další
replikaci
DNA. Probíhá téměř stejně jako normální mitóza. Výsledkem jsou tedy 4 dceřinné buňky, kaţdá s
jednou polovinou genetické výbavy.
Stejně jako u mitózy i v průběhu meiózy můţe dojít k chybnému rozestupu chromozomů. Situace je o
to váţnější, ţe pohlavní buňka se špatnou chromozomální výbavou dává za vznik zygotě, ze které
vzniká celý plod, jehoţ kaţdá buňka ponese příslušnou
chromozomovou aberaci
(nebo jeho vývoj
bude předčasně ukončen).
6)
Diferenciace buněk
U vícebuněčných organismů dochází k procesu
diferenciace (viz G0 fáze v kapitole
buněčný cyklus
),
díky němuţ se buňky svou stavbou přizpůsobují roli, kterou mají v organismu vykonávat. Všechny
buňky organismu jsou sice vybaveny stejnou genovou výbavou, ale v konkrétní buňce dochází k
realizaci pouz
e části genetické informace (např. působením hormonů, různých růstových faktorů
apod.; které geny nakonec budou v buňce přepisovány záleţí na přítomnosti specifických
transkripčních faktorů). V průběhu vývoje organismu je takováto diferenciace nesmírně důleţitá, neboť
jen plně vyvinuté tkáně mohou plnit svojí fyziologickou úlohu na 100 %.
V časných embryonálních stádiích jsou ještě buňky nediferencované, mají schopnost změnit se
prakticky v jakýkoliv typ buňky (tato schopnost se označuje jako
totipotence
.
V průběhu vývoje se
buňky stále více specializují a diferencují aţ se z nich nakonec stávají plně diferencované buňky.
Typickým příkladem plně specializované buňky, která se jiţ dále nemění a nevyvíjí je nervová buňka
-
neuron. I u dospělého organizmu nacházíme buňky, které jsou stále schopné diferenciace do několika
různých typů buněk. Patří sem například
kmenové buňky krvetvorné kostní dřeně
, ze kterých se
mohou vyvinout různé typy krevních buněk (krvinek). Schopnost diferencovat se v několik různých
typů
buněk (ovšem v omezené mnoţství typů) se označuje jako
pluripotence
.
V průběhu onotgenetického vývoje jedince i v průběhu ţivota dochází k velkému "koloběhu" buněk,
kdy řada buněk hyne, nebo je dokonce cíleně odstraňována. Tyto nepotřebné, staré nebo poškozené
tedy potom hynou
nekrózou nebo apoptózou
.
7)
Buněčná smrt
V mnohobuněčném organizmu, jakým je i člověk, se kaţdý den vytvoří obrovské mnoţství nových
buněk a na druhé straně jich i obrovské mnoţství zahyne v procesu nazvaném buněčná smrt. A
zatímco pro
ces vzniku -
buněčné dělení
-
probíhá relativně stejně u všech buněk organizmu, buněčná
smrt probíhá dvěma hlavními cestami a to nekrózou a apoptózou.
Nekróza
Nekrózu je třeba chápat jako patologický proces. Je vyvolána různými vlivy na buňku, ať jiţ
mecha
nickými, chemickými či tepelnými. Nekrózu také můţe vyvolat virová infekce buňky, různé
bakteriální toxiny nebo třeba i náhlé vyčerpání buněčných energetických zásob (například vlivem
ischémie).
Důleţité je, ţe při nekróze dochází k narušení integrity cytoplazmatické membrány, coţ vede k
narušení rovnováhy vnitřního prostředí buňky. To vede k objemovým změnám (edém) jak celé buňky,
tak některých organel (mitochondrie, endoplazmatické retikulum). Celý proces nakonec vede k
enzymatickému poškození buňky (náhodné štěpení jaderné DNA) a jejímu rozpadu. Celé vnitřní
prostředí buňky se tak uvolní do okolí, přičemţ enzymy takto uvolněné mohou indukovat nekrózu
okolních buněk a způsobit tak "řetězovou reakci", kdy dojde k rozsáhlejšímu poškození tkáně a
následnému zánětu.
Různé patologické externí vlivy nemusí vyústit pouze v nekrózu, ale při určité konstelaci mohou spustit
i apoptotický proces.
Apoptóza
Apoptóza, neboli programovaná buněčná smrt je zcela fyziologický děj. Na rozdíl od nekrózy, která
postihne víceméně náhodnou buňku, která měla zrovna smůlu a byla vystavena nepříznivým vlivům,
je apoptóza indukována naprosto cíleně a buňka je usmrcena a následně odstraněna takovým
způsobem, ţe nedojde k poškození okolních buněk. Je to tedy organizovaný a přísně regulovaný děj.
Apoptóza můţe být indukována signálem zvenčí i z buňky samotné. Podnětem zvenčí můţe být
například akce cytotoxického (CD8+) T lymfocytu, kterému se buňka určitým způsobem znelíbila
(nádorové a virem infikované buňky). Jiným signálem můţe být naopak absence jakéhokoli signálu.
Buňka izolovaná od kontaktu s ostatními buňkami a bez stimulace určitými cytokiny tak můţe také
podlehnout apoptotickému procesu.
Buňka sama pak můţe apoptózu spustit například při neopravitelném poškození jaderné DNA.
Vlast
ní průběh apoptózy vyuţívá enzymatické regulační kaskády buňky. Uplatňují se zde tzv. kaspázy,
které se nacházejí v buňce v neaktivním stavu a jejich aktivace proapoptotickým signálem vede k
dějům, kterými se buňka připravuje na svou smrt. Dochází k fragmentaci jaderné DNA, na rozdíl od
nekrózy je však fragmentace nenáhodná a fragmenty jsou stejně dlouhé. Buňka se také trochu smrští
a změní se i charakter různých organel. Zdá se, ţe významnou úlohu v apoptóze hrají mitochondrie.
Celý proces končí rozpadem buňky do apoptotických tělísek, coţ jsou membránou ohraničené
buněčné fragmenty, které jsou následně fagocytovány bílými krvinkami (makrofágy). Důleţité je, ţe
nitrobuněčné enzymy nepoškodí okolní buňky.
Apoptóza se nejvíce uplatňuje v prenatálním vývoji jedince, kdy celé skupiny buněk hynou apoptózou
během vývoje tkání a orgánových soustav (například rozestup tkání během vývoje prstů). Za ţivota
potom dochází například k "probírání" dozrávajících T lymfoycytů v brzlíku, kdy autoreaktivní klony T
lymfocytů (buňky, které by spouštěly imunitní reakci proti buňkám vlastního těla) hynou apoptózou,
stejně jako klony, které naopak reakce s antigenem nejsou schopny vůbec.
8)
Genetika mitochondrií
Mitochondrie jsou zajímavé organely eukaryotických buněk. Slouţí jako energetické centrum buňky.
Obsahují vlastní genetickou informaci a dokonce i vlastní proteosyntetický aparát.
Mitochondrie jsou kulovité aţ podlouhlé organely široké asi 1µm a dlouhé aţ 10µm. Jsou uzavřeny 2
membránami
-
vnější mitochondriální membránou a vnitřní mitochondriální membránou, která vybíhá v
četné výběţky
- tzv.
kristy
. Prostor mezi oběma membránami označujeme jako intramembranózní,
prostor ohraničený vnitřní membránou označujeme jako interkristální. V prostoru mezi kristami
najdeme
matrix mitochondrie
-
amorfní hmotu, obsahující proteiny, koncentrovanou směs enzymů
(včetně enzymů Krebsova cyklu a β
-
oxidace mastných kyselin), mitochondriální genom, speciální
mitochondriální ribozomy a RNA. Většina buněk obsahuje alespoň 1000 mitochondrií.
Mitochond
rie je energetické centrum buňky. Probíhá zde cyklus kyseliny citrónové (Krebsův cyklus,
citrátový cyklus), kde je oxidován získaný acetylkoenzym A (acetyl
-
CoA). Cyklus vydává CO
2
a energii
ve formě vysokoenergetických elektronů. Ty jsou z cyklu vyneseny nosiči (NADH, FADH
2
), které v
dýchacím řetězci (elektrontransportní řetězec) odevzdávají tyto elektrony za vzniku vody a syntézy
ATP díky protonovému gradientu, získanému transportem elektronů vnitřní membránou. Bez
mitochondrií by buněčné zásoby
ATP byly o
dkázány jen na méně účinné metody získání energie, jako
je např. glykolýza.
Díky částečné nezávislosti mitochondrií na zbytku buňky je označujeme jako tzv.
semiautonomní
organely
. Z evolučního hlediska je povaţujeme za bakteriální buňky, které pronikly do jiné buňky a
tomuto prostředí se dokázaly přizpůsobit (tzv.
endosymbióza
). Pro bakteriální původ hovoří např.
dvojitá membrána, cirkulární molekula DNA nebo přehrádečný typ dělení, který lze pozorovat u
dělících se mitochondrií.
Nyní k vlastnímu genomu mitochondrie. Bylo prokázáno, ţe tento je jako u bakterií tvořen kruhovou
molekulou DNA (mtDNA) o velikosti (u člověka) 16569 nukleotidových párů, které představují 37 genů,
z toho 24 genů kóduje různé části proteosyntetického aparátu mitochondrie (2 typy rRN
A a 22 tRNA) a
zbytek se podílí na malé části enzymatické výbavy mitochondrie. Naprostá většina mitochondriálních
proteinů je ale kódována v jádře buňky a tyto sem musí být přeneseny z místa vzniku v cytosolu.
Stejně jako u bakterií, nejsou v mitochondriálním genomu nekódující sekvence (introny).
Proteosyntetický aparát mitochondrie se také výrazně liší od normálního aparátu eukaryotické buňky.
Liší se např. velikostí ribozomálních podjednotek, menším počtem typů molekul tRNA (pouhých 22!) a
odlišnosti najdeme i v genetickém kódu, zejména v kódování methioninu a stop
-
kodonů.
Přes zdánlivou nepodstatnost mohou být mutace v mtDNA zdrojem různých závaţných chorob.
Vzhledem k tomu, ţe všechny mitochondrie v zygotě jsou z vajíčka (všechny mitochondrie ze spermie
jsou odbourány), mluvíme zde o tzv.
maternální dědičnosti
(tedy jeden z typů neMendelovské
dědičnosti). Jinými slovy, pokud je matka přenašečkou mutace v mtDNA, pak tuto předá všem svým
potomkům, zatímco pokud je přenašečem otec, pak tuto mutaci ţádnému potomkovi předat nemůţe.
Další zvláštností je, ţe při dělení buňky nedochází k ţádné kontrolované segregaci mitochondrií do
dceřiných buněk. Proto je mtDNA mezi nové buňky distribuována zcela náhodně a dceřiné buňky tak
mohou získat zcela různý počet normálních a mutací zatíţených mitochondrií. Stav, kdy buňka obdrţí
pouze normální mitochondrie, či naopak pouze mutované mitochondrie se nazývá
homoplazmie
.
Stav, kdy obdrţí směs normálních a mutovaných mitochondrií, se nazývá
heteroplazmie
. Případná
nefunkčnost
mitochondrií je neslučitelná se ţivotem, ale vzhledem k tomu, ţe fenotypový projev závisí
na podílu normálních a zmutovaných mitochondrií v buňce, je ţivot takového jedince nejen moţný, ale
v případě malého počtu zmutovaných mitochondrií v buňce, se tato skutečnost nemusí projevit vůbec.
Proto se u pacientů s těmito mutacemi mitochondrií setkáváme s variabilní expresivitou choroby a její
neúplnou penetrací v rodokmenu (a aby to nebylo jednoduché, existuje mezi jadernou DNA a mtDNA
poměrně těsný vztah a byly pozorovány takové interakce, které v rodokmenu následně vykazují AD či
AR dědičnost).
Existují různorodá onemocnění, podmíněná mutací v mtDNA. Uvedu zde několik příkladů:
Leberova hereditární optická neuropatie
Náhlá a rychlá nekróza optického nervu s preogresivní ztrátou zraku vedoucí k úplné slepotě.
Projeví se zejména u muţů a to mezi 16
-
25 lety věku.
Hluchota
Progresivní hluchota, jen málo případů dědičné hluchoty je způsobeno mutací v mtDNA.
NARP
MELAS
Pearsonův syndrom
3.
Mikrobiologie
1)
Viry
Viry js
ou nebuněčné (skupina
subcelullata
) parazitické organismy. Samy o sobě jsou neaktivní a k
rozmnoţování potřebují hostitelskou buňku (nemají vlastní proteosyntetický aparát). Při tomto "vyuţití"
často způsobí smrt napadené buňky. Proto jsou viry označovány jako vnitrobuněční parazité.
Stavba viru je velmi jednoduchá. Základní část (jakousi obdobu buněčného jádra) tvoří nukleová
kyselina a okolo ní je bílkovinný obal
-
kapsida
. Dále mají některé viry ještě membránový obal
(obalené viry), jeden nebo více bičíků (např. některé bakteriofágy) nebo si v kapsidě dokonce přinášejí
některé enzymy, potřebné pro rozmnoţení viru (např. reverzní transkriptáza u retrovirů). Důleţité jsou
povrchové glykoproteiny viru, díky kterým se virová částice můţe vázat na specifické receptory buněk.
Genetická informace u virů
Genetickou informaci u virů tvoří
DNA nebo RNA
(ale nikdy oba typy naráz). Tato DNA můţe být
jednořetězcová i dvouřetězcová (častěji), lineární i cyklická. I RNA najdeme jako jednořetězcovou
nebo dvouřetězcovou molekulu (lineární nebo segmentovaná podoba).
Pokud má virus DNA (
DNA viry
), dochází k přímým transkripcím a translacím virových genů. Má
-li
jednovláknovou RNA (
RNA viry
), můţe tato RNA slouţit přímo jako mRNA pro proteosyntézu
(
pozitivní RNA viry
), nebo je
nejprve zreplikována za vzniku komplementárního RNA vlákna, které
teprve plní roli mRNA (
negativní RNA viry
). Přepis je katalyzován RNA dependentní RNA
polymerázou, která je do buňky přinesena v kapsidě virionu. Pokud je informace kódována
dvouvláknovou RNA, dochází přímo k přepisu do mRNA. DNA viry se většinou replikují v buněčném
jádře, zatímco RNA viry volně v cytoplazmě. Translaci zajišťuje vţdy proteosyntetický aparát
infikované buňky.
Mimo transkripce virových genů si musí virus zajistit replikaci své
původní genetické informace, která
bude pouţita při stavbě nových virových částic.
U
reovirů
nacházíme dvouvláknovou RNA. U
poxvirů
pouze jednovláknovou DNA.
Zvláštní skupinou jsou
retroviry
, jejichţ RNA je po vpravení do hostitelské buňky nejprve přepsán
a do
DNA. Na tomto procesu se podílí enzym reverzní transkriptáza, který je schopný katalyzovat reverzní
transkripci, tj. přepis informace z RNA do DNA. Reverzní transkriptáza, schopná přepsat virovou RNA
do DNA se v hostitelské buňce nenachází, a proto musí být přinesena v kapsidě retroviru. Některé
retroviry jsou schopny takto vyrobenou DNA dokonce včlenit do genomu buňky, která tak stále
produkuje další viry. Pokud se infikovaná buňka dělí, dělí se s ní i virová informace. Retroviry mohou
slouţit jako vektory genetické informace v biotechnologiích a uvaţuje se o nich i jako vektorech pro
genovou terapii. Mezi retroviry patří i virus
HIV
(původce
AIDS
).
Virus hepatitidy B
(HBV) je DNA virus se zvláštním replikačním cyklem. Ačkoliv se jedná o DNA
virus, je
do nově syntetizovaných virových částic uzavírána komplementární sekvence RNA, podle
které je teprve později virovým enzymem s aktivitou reverzní transkriptázy vytvořena virová DNA.
Bakteriofágy
jsou viry napadající bakterie. Podobně jako retroviry umí int
egrovat svou genetickou
informaci do bakteriálního chromozomu. Umoţňují i šíření části bakteriální DNA mezi jednotlivými
bakteriemi - tzv.
transdukce
.
Průběh virové infekce
Kaţdý virus má svůj vlastní infekční cyklus, během kterého se pomnoţí uvnitř určitých buněk a dále
uvolní do okolí. Jedná se však o relativně komplikovaný proces, neboť kaţdý virus má svá specifika,
především co se týká vnímavých buněk a průniku do nich, replikace a realizace genetické informace a
uvolňování z buňky. Obecně lze ovšem průběh infekce shrnout do několika základních bodů.
Průnik do buňky
-
viry jsou závislé na specifických receptorech buněk, které jsou důleţité pro
zprostředkování kontaktu viru s cílovou buňkou. Viry jsou schopny infikovat pouze buňky s
příslušným receptorem,
coţ vysvětluje proč určitá virová onemocnění poškozují pouze určité a
vţdy stejné tkáně (například virus HIV cíleně infikuje T
H
lymfocyty -
neboť specificky
rozeznává jejich CD4 receptor). Samotný průnik viru do buňky probíhá většinou endocytózou
(u některých bakteriofágů ale například proniká pouze nukleová kyselina).
Dostları ilə paylaş: |