Biologie + Histologie Přednášející: (abecedně) MUDr. Irena Lauschová, Ph.D. Doc. MVDr. Aleš Hampl, CSc., přednosta ústavu Doc. MUDr. Miroslava Sedláčková, CSc. RNDr. Petr Vaňhara, Ph.D. Brno, 2011 Přednáška 1 • Živá hmota, nebuněčné organismy, prokaryontní a eukaryontní buňky • Mnohotvárnost (diverzita) buněk • Proliferace buněk • Diferenciace buněk • Podstata diverzity buněk – exprese genetické informace (mRNA, proteiny) • Programovaná buněčná smrt • Strukturální organizace buňky Histologie Mikroskopická a submikroskopická struktura těla (buňky, mezibuněčná hmota, tekutiny) Mikroskopická anatomie Složení a struktura orgánových systémů & individuálních orgánů Jaké typy tkání a jak jsou organizovány? Jaké speciální buněčné typy? Které speciální struktury? (např. tubuly) Jak to celé funguje? Cytologie Struktura buňky a její vztah k funkci. Obecná histologie Jaké jsou základní typy tkání? Jaké jsou jejich funkce? Jakými buněčnými typy jsou tvořeny? Toto vše je odrazem hierarchické struktury mnohobuněčných organismů Histologie není statickou disciplínou, která se zabývá výhradně strukturou !!! Histologie Buněčná biologie Fyziologie Patologie Biochemie Molekulární biologie Anatomie Embryologie Spojme si histologii s akcí a pohybem Mysleme „histologicky“ Živé organismy Očima umělce Očima biologa • Jsou tvořeny buňkami • Mají hierarchické složení • Jsou citlivé na stimuly • Mají schopnost růstu, vývoje a množení • Využívají energii • Mají schopnost regulace • Během evoluce se adaptují na nové podmínky • Udržují homeostázu Živé organismy mají hierarchické složení Na úrovni buňky: • Atomy (C, O, N, P, S, …) • Molekuly (voda, lipidy, cukry, …) • Makromolekuly (proteiny, nukleové kyseliny, …) • Molekulární komplexy (proteasom, biomembrány, …) • Organely (mitochondrie, Golgiho komplex, …) Na úrovni mnohobuněčného organismu: • Buňky (fibroblasty, leukocyty, chondrocyty, …) • Tkáně (svalová, nervová, pojivová, …) • Orgány (játra, srdce, oko, …) • Orgánové systémy (zažívací trakt, dýchací soustava, …) • Organismy (rostliny, živočichové, … člověk) Živé organismy mají schopnost reakce na stimuly • rostliny rostou směrem za světlem • prvoci se pohybují za potravou • zorničky oka se ve tmě roztahují • motilita žaludku se zvyšuje po přijetí potravy Živé organismy mají schopnost růstu, vývoje a množení • schopnost růstu je předpokladem pro vývoj a reprodukci, pouze živé organismy opravdu rostou • klíčovou komponentou vývoje mnohobuněčných organismů je rozrůzňování buněk (diferenciace) • množení zajišťuje propagaci jedinců téhož druhu, je postaveno na existenci molekul DNA/RNA Živé organismy mají schopnost regulace Regulace se realizuje na více úrovních: • Exprese genů • Aktivity enzymů • Přenosu látek přes membrány • Teploty organismu, tlaku krve • a dalších Živé organismy mají schopnost evoluční adaptace • Všechny organismy interagují s okolním prostředím a ostatními organismy způsoby, které ovlivňují jejich přežití • Organismy musí tyto interakce adaptovat tak, aby ovlivnily přežití pozitivně (lépe se přizpůsobují jejich prostředí) Živé organismy udržují homeostázu Organismy musí udržovat „relativně“ konstantí vnitřní podmínky: • Koncentraci iontů / osmolaritu v buňkách a tělesných tekutinách • Teplotu • Hladiny ATP • Hladinu glukózy v krvi • a další Moderní biomedicína staví na poznání podstaty interakcí lidského těla s externími agens (biogenními + abiogenními) (viry, bakterie, toxiny, kancerogeny, teratogeny, léčiva,…) Živé organismy jsou tvořeny buňkami Dlouhá cesta k tomuto odhalení: Robert Hooke 1665 Poprvé viděl buňky korku - cell Antonie van Leeuwenhoek 1678 Poprvé uviděl mikroskopické organismy (bakterie, prvoky) Rudolph Virchow 1855 Buňka může vzniknout pouze z již existující buňky „Omnis cellula e cellula“ Matthias Schleiden Theodor Schwann Všechny organismy jsou tvořeny jednou nebo více buňkami 1839 Současná buněčná teorie – 6 principů na kterých stojí • Buňka je nejmenší strukturní a funkční jednotka schopná životních procesů • Funkce každé buňky je dána její specifickou strukturou • Buňky jsou stavební jednotky všech mnohobuněčných organismů, všechny funkce v organismu jsou plněny buňkami • Struktura a funkce všech organizmů je závislá na strukturálních a funkčních vlastnostech buněk, kterými jsou tvořeny • Všechny nové buňky vznikají z buněk již existujících • Díky kontinuitě života na zemi jsou buňky všech organismů principiálně stejné (univerzální genetický kód a jeho exprese) Svalové vlákno Neuron Nervosvalové spojení Anafáze Telofáze Membrána C-Protein M-Protein E-Protein (dimer) Jádro Vstup do buňky Odstranění kapsidy Translace Replikace RNA Složení virusu Uvolnění virusu z buňky Infekční virus Acelulární organismy (virusy, bakteriofágy, viroidy, priony) Vývojová stádia před vnikem buňky (???) Výjimky z „buněčného“ konceptu existují Virus nilské horečky (ssRNA) 40-50 nm Priony Jsou příčinou závažných neurodegenerativních onemocnění – spongiformních encefalitid (BSE skotu, lidská BSE, Kuru, …) PrPSC Multimerní Nerozpustný Rezistentní k proteázám Není imunogenní PrPC Monomerní Rozpustný Citlivý k proteázám PrPC PrPSC Přenosné částice, které nemají nukleovou kyselinu a nejspíše jsou tvořeny výhradně modifikovaným proteinem Agregáty PrPSC v mozku Infekce je možná jen pro hostitele, který má rozeznatelnou formu PrPC (čím jsou dárce a hostitel fylogeneticky bližší, tím je riziko přenosu vyšší) Říše NadříšeEUKARYOTAPROKARYOTA Bakterie Archea Prvoci Rostliny Houby Živočichové 4 500 Vznik Země 3 500 Nejstarší nálezy prokaryot 2 500 Akumulace O2 díky aktivitě cyanobakterií 1 700 Nejstarší nálezy eukaryot 600 Živočichové osídlují moře 440 Rostliny osídlují souš 7 Počátek vývoje člověka Milionylet Živé organismy a jejich historie První mnohobuněčné organismy vznikly až před miliardou let První polovina života na Zemi poznala pouze prokaryota Život existuje na Zemi po většinu její historie Evoluce primátů začala až asi před 60 miliony let Buňka je unifikujícím prvkem života (buňky jsou si podobné: malé rozměry + plní specializované funkce) Buněčná stěna Buněčná membrána Obsahují DNA Ribozomy 70S Ribozomy 80S Buněčná stěna pouze u rostlin a hub Jádro Jeden cirkulární chromosom Více lineárních chromosomů Endoplazmatické retikulum Golgiho aparát Lysozomy Mitochondrie Vakuoly Cytoskelet Přesto jsou významné rozdíly mezi strukturou a funkcí prokaryontních a eukaryontních buněk Prokaryota: Bakterie a Archea Typické znaky bakterií: • Obecně velmi malé • Rychle se množí (zdvojnásobení počtu za 20 min. v ideálních podmínkách) • Dělí se binárním štěpením (ne mitózou) • Mají haploidní genom • Neexistuje u nich proces rekombinace • Jsou extrémně vitální (jsou na Zemi již 3,5 miliardy let) Bakterie S. aureus na řasinkách buněk sliznice nosní dutiny Jen v dutině ústní máme více bakterií než bylo na Zemi lidí za celou existenci člověka Archea „Třetí forma života“ Extremofilní – environmentální organismy (vysoké teploty, vysoké koncentrace solí,..) Fylogeneticky blíže eukaryotům než bakteriím Bakteriální buňka (schematicky) Buněčná Stěna (peptidoglykan) Nukleoid (DNA)Buněčná membrána Bičík Ribosomy Kapsula (jen u některých) Přes jednotné organizační schéma, je typickou vlastností eukaryontních buněk jejich strukturální a funkční diverzita Buněčná stěna Buněčná membrána Chloroplast Vakuola Golgiho aparát Mitochondrie Drsné endoplazmatické retikulum Jádro Jadérko Jaderná membrána Hladké endoplazmatické retikulum Volné ribozomy Ribozomy vázané na membránu Mitochondrie Bičík Mikrotubuly Peroxisom Mikrofilamenta Cenrioly Lysozom Golgiho aparát Hladké endoplazmatické retikulum Plazmatická membrána Drsné endoplazmatické retikulum Ribozomy Jaderná membrána Chromatin Jadérko Živočišná buňka Rostlinná buňka Také buňky člověka jsou strukturálně a funkčně extrémně rozmanité Vajíčko Spermie Neuron v mozku Tuková buňka Buňka sliznice střeva Buňky krve Buňka svalu Buňka kosti Tato různorodost je předpokladem pro schopnost buněk plnit v organismu člověka specializované funkce Zygota Mnohobuněčné embryo Dynamický mnohobuněčný organismus Dělení buněk & Specializace buněk Dělení buněk & Specializace buněk DIFERENCIACEBUNĚK MNOŽENÍBUNĚK Mnohotvárnost buněk je produktem vývojových procesů Proliferace Diferenciace Morfogeneze Vývoj Strukturální a funkční specializace buněk Trojrozměrná organizace buněk s různou funkcí do funkčních skupin Multiplikace buněk= = = & & Programovaná smrt Smrt buněk v očekávaném čase a místě = & Vývoj Udržování funkce tkání • „zdraví“ tkání • adaptace na prostředí • oprava po poškození Proliferace Diferenciace Morfogeneze & & Programovaná smrt & Výsledky buněčného signálování Proliferace Diferenciace Morfogeneze & & Programovaná smrt & Ani současné techniky molekulární biologie však nečiní z poznání vývojových procesů triviální úkol !!! Lineární informace v genech Proces vývoje, který se odehrává ve čtyřech rozměrech: Prostor (x,y,z) + Čas … protože ? Páry homologních chromozómů (2n) organizované do podoby „KARYOTYPU“ ho homologní páry chromozómů duplikace duplikace nesesterské chromatidy sesterské chromatidy sesterské chromatidy chromozóm s jednou chromatidou chromozóm s jednou chromatidou otcovský chromozóm mateřský chromozóm Metabolismus chromozómů – Homologní chromozómy STABILNÍ (NEMĚNNÝ) GENOM Udržuje se prostřednictvím semikonzervativní duplikace DNA Kondenzovaný duplikovaný chromozóm chromatida centromera telomera telomera Základní koncept 1 MITÓZA a CYTOKINEZE produkují dvě geneticky identické buňky Základní koncept 2 MITÓZA a CYTOKINEZE jsou částí buněčného cyklu Buněčný cyklus • má semi-modulární charakter • je vybaven kontrolními body • mezi buňkami je koordinován růstovými faktory G1 START M S kontrolní bod DNA replikace kontrolní bod poškození DNA G2 kontrolní bod metafáze G0 Interfáze M itóza Interfáze začíná v dceřinné buňce Interfáze končí v mateřské buňce G1 S G2 telofáze anafáze metafáze profáze cytokineze Chromozómy kondenzují, začíná se tvořit dělící vřeténko Chromozómy se seřazují v metafázní (ekvatoriální) rovině Chromatidy se přesunují k protilehlým pólům vřeténka Formují se nová jádra a chomozómy začínají dekondenzovat Dělí se cytoplazma a vznikají dvě nové buňky MEIÓZA Buněčné dělení, které umožňuje realizaci genetických procesů klíčových pro vývoj pohlavních buněk (gametogenezu) Tyto genetické procesy zahrnují: • Redukci počtu chromozomů • Nezávislou segregaci chromozomů • „Crossing over“ Redukce počtu chromozomů Proč? Somatická buňka Somatická buňka 2n 2n Potomek 4n Gamety musí mít haploidní počet chromozomů (n), aby splynutí gamet nevedlo u potomků ke znásobení počtu chromozomů nad diploidní počet (2n). Principielně by se redukce počtu chromozómů mohla snadno odehrát v jednom kroku vynecháním replikace DNA s následnou separací homologních chromozomů při jednom dělení buňky. 2n 1n 1n Meióza – dvě dělení místo jednoho replikace DNA tvorba bivalentů „crossing over“ 1. meiotické dělení Nezávislá segregace chromozomů 2. meiotické dělení Oddělení chromatid 2n 2C 2n 4C 1n 2C 1n 2C 1n 1C 1n 1C Plně funkční pohlavní buňky • Nezávislá segregace chromozomů • „Crossing over“ • Fertilizace jsou zdrojem genetické diverzity, která je základem adaptace živých organismů Vývoj vajíčka – příklad složitého řízení dělení buněk G2/M zástava mitotické dělení růst (měsíce až rok) meiotické zrání (hodiny) PGC & oogonie MI MII Znovuzahájení meiózy Zastavení meiózy v diplotene 1. meiotického dělení Vajíčko schopné oplození a podpory embryonálního vývoje 30 m 20 mm Periodicita exprese cyklinů • Velkému počtu existujících kináz příbuzných p34cdc2 (označovaných CDK – cyclin dependent kinases) • Velkému počtu existujících cyklinů • Skutečnosti, že různé cykliny interagují s různými CDK a vice versa • Existenci dalších molekul, které interagují s komplexy cyklin/CDK Molekulární mašinérie, která reguluje buněčný cyklus, je enormě komplexní díky: Významné fenomény Nekontrolovaná hyperproliferace Omezená proliferace Proliferativní choroby (rakovina, psoriáza, revmatická artritida, …) Neschopnost náhrady/obnovy poškozených buněk/tkání Phenomen: Phenotyp: Profit: Nalezení biomarkerů Design léčiv Indukce proliferace „kmenových buněk“ Pochopení molekulárních mechanismů regulujících buněčný cyklus je přeměňováno do disignu „chytrých“ diagnostických a terapeutických strategií. Děkuji za pozornost Otázky a komentáře na: ahampl@med.muni.cz