Stavba buňky
Stavba buňky
• lidské tělo je složeno z ~ 35 × 1012 (bilionů) buněk
• všechny buňky jsou odvozeny od jediné (oplozené vajíčko)
– plazmatická membrána
– jádro
– mitochondrie
– endoplazmatické retikulum,
ribozomy, Golgiho komplex
– cytoskelet
části buňky
Buňka
vývoj organizmu se stává (na základě genetické informace) z procesů:
– proliferace
• mitóza
• meióza
– diferenciace
– zánik buněk
• apoptóza (organizovaný zánik)
• nekróza (neorganizovaný zánik)
• nekroptóza, autofagie, feroptóza, pyroptóza, Parthanatos, …
nutnou podmínkou existence a fungování mnohobuněčného
organizmu je mezibuněčná komunikace
– se sousedními buňkami (parakrinní)
– s mezibuněčnou hmotou
– se vzdálenými buňkami (endokrinní)
– sama se sebou (autokrinní)
Reprodukce buněk
• základní znak života
• nové buňky vznikají pouze dělením existujících buněk
• život každé buňky probíhá v reprodukčních cyklech:
– růst (zdvojení všech buněčných struktur)
– dělení (rozdělení genetického materiálu na dvě identické sady)
• reprodukce buněk zakódována v jejich genetické informaci – tendence
se neomezeně množit (reprodukovat)
• nutná regulace množení pro udržení integrity organismu jako celku
Cíle reprodukce
 reprodukce individua – tvorba gamet při meióze
 ontogenetický vývoj – embryogeneze
 udržení buněčné homeostázy – regenerace poškozených a
opotřebovaných buněk
 v organismu asi 1013 buněk, řada se jich stále obnovuje
(erytrocytů vzniká asi 2,5 ×106 za sekundu)
 porucha regulace vede k nekontrolovanému množení ⇒ nádorový zvrat
Buněčný cyklus
 je sled vzájemně koordinovaných událostí, které vedou k růstu a rozdělení buňky na
2 buňky dceřiné
 buněčný cyklus se dělí na:
– interfázi (90 % buněčného cyklu), rozeznáváme G1, S a G2 fázi
– mitotickou fázi (mitóza, M fáze)
 generační doba buňky = časový údaj o délce jednoho buněčného cyklu
– interfáze je variabilní – především délka G1 fáze
G1 (gap) 30-40 %
S (synthesis) 30-50 %
G2 (gap) 10-20 %
M (mitosis) 10 %
Buněčný cyklus
 buňky vyzrálých (diferencovaných) tkání – neprobíhá buněčný cyklus, nachází se
v klidové fázi (G0), buňky jsou plně diferencovány a každá plní specifické funkce
 diferencované buňky mohou pod vlivem mitogenních faktorů (růstových faktorů)
opět vstoupit do buněčného cyklu a znovu se množit
 v jiných tkáních jsou přítomny kmenové buňky a populace nezralých mitoticky
aktivních buněk, které zajišťují náhradu za odumřelé diferencované buňky (kůže)
 v G1 fázi se rozhoduje o tom, zda buňka vůbec vstoupí do dalšího cyklu
(restrikční bod); to se stane pouze vlivem mitogenních faktorů; jinak buňka
vyřazena z cyklu a vstupuje do G0 fáze, v níž buď pod vlivem diferenciačních
faktorů vyzrává, nebo apoptózou zaniká
Regulace buněčného cyklu
 na rozdíl od jednobuněčných org. (kde dělení závisí na přísunu
živin) je dělní u mnohobuněčného organizmu vysoce regulovaný
proces
 podle potřeb organizmu
 růst
 náhrada za ztracené buňky
 nutné živiny + signály!
 některé buňky v organizmu se nedělí
 jsou ve fázi G0 (následuje po G1)
 regulace cyklu
 signály k dělní – růstové faktory
 EGF(epidermální RF), TGFβ (transformujítí RF beta), PDGF (destičkový RF), VEGF (vaskulární
endotelový RF), bFGF (základní fibroblastový RF), …
 prostřednictvím vazby na receptor vedou k aktivaci/deaktivaci různých
proteinů v buňce
 cykliny
 cyklin-dependentní kinázy
 transkripční faktory
 kontrolní body cyklu
Regulační proteiny buněčného cyklu
(proto)-onkogeny
 Geny, které kódují proteiny podporující přežití buněk
a komponenty molekulárních kaskád zprostředkovávajících
signál „START“ v odpovědi na mitogenní signály.
 Abnormální, mutované formy těchto proto˗onkogenů, které
vedou k nadměrné buněčné proliferaci a nádorům, se nazývají
onkogeny.
nádorové supresory
 Proteiny kódované nádorově
supresorovými geny inhibují
buněčnou proliferaci nebo
přežívání.
 Tumor supresorové proteiny
inhibují stejné buněčné
regulační dráhy, které jsou
stimulovány produkty
onkogenů.
Regulační proteiny buněčného cyklu
(proto)onkogeny
– (1) cykliny
 8 typů – A, B, C, D, E, F, G, H
 specifické pro jednotlivé fáze cyklu
– (2) cdk (cyklin dependentní kinasy, cyclin-dependent kinases)
 9 typů: cdk-1 až cdk-9
 pouze komplex cdk s cyklinem je aktivní
 fosforylují seriny a threoniny cílových proteinů » aktivace (např. Rb-protein)
 součástí komplexů cyklin/cdk jsou inhibitory cdk (např. p21), teprve jejich proteolýza
umožňuje aktivitu komplexu
 zatímco hladina cdk zůstává během cyklu v podstatě konstantní, exprese cyklinů se liší
– (3) růstové faktory (GF – growth factor) a jejich receptory
 GF působí ve velmi malých koncentracích, většinou parakrinně
 např. TGF-β (transformujítí RF), PDGF (destičkový RF), EGF (epidermální RF), VEGF (vaskulární endotelový RF), …
Regulační proteiny buněčného cyklu
supresorové geny
 velmi důležité jsou proteiny Rb a p53
 (1) Rb protein (ch. 13q14)
 mutace Rb (nejčastěji mikrodelece) vedou ke vzniku retinoblastomu (nádor sítnice)
 (2) p53 protein (ch. 17p13)
 „strážce genomu“ – kontrola cyklu v G1 a G2 kontrolních bodech
 při poškození DNA se zvyšuje exprese p53
 funguje jako transkripční faktor
 mutace v supresorových genech jsou podkladem dědičných typů rakovin
 často názvy podle typu nádoru, který vzniká při jejich mutací, např.
 Rb (retinoblastom)
 WT (Wilmsův tumor)
 NF1 a NF2 (neurofibromatóza)
 APC (adenomatózní polypóza coli)
 VHL (von Hippel-Lindau syndrom
Protein p53
při poškození DNA se aktivuje p53, který dále
zprostředkuje:
 expresi inhibitorů b. cyklu (p21) → dočasné
zastavení b. cyklu v G1/S kontrolním bodě,
které umožní reparaci DNA
 zvyšuje expresi GADD 45 (Growth Arrest and
DNA Damage) → excizní reparace DNA
 pokud není oprava úspěšná, zvyšuje expresi
Bax → apoptóza
mutace p53 jsou přítomny cca u 50 % všech nádorů!!!
Dělení buněk
Dělení buněk a jeho poruchy
• Mitóza
2 dceřiné buňky s diploidním počtem chromozomů
• Meióza
2 dceřiné buňky s haploidním počtem chromozomů
• vznik pohlavních buněk (spermie, vajíčko)
• Poruchy
– porucha rozdělení sesterských chromozomů = aneuploidie (změna
počtu chromosomů v sadě)
• monosomie
• trisomie (autosomů i gonosomů)
• Downův sy. (47, XX/XY + 21)
• Edwardsův sy. (47, XX/XY +18)
• Patauův sy. (47, XX/XY +13)
• Turnerův sy. (45, X0)
• Klinefelterův sy. (47, XXY)
– porucha rozdělení celých sad = polyploidie u člověka neslučitelné se
životem
Diferenciace a její poruchy
 diferenciace = vyzrávání k určitým úkolům na základě
stimulace mimobuněčnými faktory (růst. faktory,
cytokiny)
 změna genové exprese
 změna struktury
 změna funkce
 pluripotentní kmenová buňka (PKB)
 schopnost diferencovat se v jakoukoliv buňku
daného orgánového systému (tj. “zásoba”)
 funkčně plnohodnotná náhrada = regenerace
rychlá - pokožka, střevní epitel, krvetvorná
tkáň, děložní sliznice
 pokud není možnost – náhrada vazivem nebo
glií = reparace
Transport iontů a nízkomol. látek přes membránu
 Pasivní
 prostá difuze
 nízkomolekulární látky bez náboje
 O2, CO2, NO, voda (osmotický tlak), močovina, etanol
 nevyžaduje energii, rozhodující je koncentrační
gradient
 facilitovaná (usnadněná) difuze
 uniport
 podle koncentračního gradientu, nevyžaduje energii
 nutné specifické nosiče (= saturovatelnost) » glukóza a
jiné cukry
 symport/antiport
 přenos látek proti koncentračnímu gradientu → energii
dodává gradient Na+ » glukóza, aminokyseliny, Ca2+
 iontové kanály
 buněčná membrána je prakticky neprostupná pro ionty
 tok podle elektrochemického gradientu
 vrátkování („gating“)
 elektrické
 ligandem
 mechanické
 změny koncentrace Ca2+ a H+ („gap junctions“)
 podmiňují membránový potenciál
 Aktivní = pumpy
 energie z ATP
 nutný k udržení membránového
 napětí a buněčného objemu, vytváří Na+ gradient
pro symporty a antiporty
 Na+/K+ -ATPasa
 Ca2+ -ATPasa
 H+ -ATPasa
Membránový potenciál
• způsoben rozdílem nábojů na obou stranách
membrány
• určen 4 hlavními ionty
• Na+, K+, Cl-, organické anionty
• uvnitř buňky záporný náboj jako výsledek
• existence “fixních” intracelulárních
aniontů - buněčné proteiny
• činností elektrogenní Na+/K+ ATPasy
• přesun kationtů v poměru
• 3 Na ven : 2 K dovnitř
• nutný pro excitabilitu tkání
Transport vysokomolekulárních látek přes
membránu
 sekrece/pohlcení proteinů
 endo-/exocytóza
 specializované proteiny
 za účasti Ca2+
 pinocytóza
 ve vodné fázi
 fagocytóza
 pomocí receptorů ve
specializovaných buňkách
Typy buněčné komunikace
Přímým kontaktem
• spojovacími komplexy (nexy)
• kontaktem molekul na površích buněk
(embryonální indukce a imunitní systém)
Prostřednictvím vylučovaných molekul
• parakrynní - chemické mediátory ovlivňují
buňku pouze v nejbližším okolí
• autokrynní - buňky vysílají signály pro buňky
stejného typu (mohou příjmat své vlastní signály)
• synaptická přenos neurotransmitérů v synapsích,
v podstatě parakrynní
• vzdálená - hormonální (endokrynní) – hormony
do krve, specifická, relativně pomalá
Mezibuněčná komunikace - přímým kontaktem
 komunikace buněk se sousedními, vzdálenými buňkami a s mezibuněčnou
hmotou prostřednictvím:
 adhezivních proteinů:
 integriny (α- a β-podjednotky)
 spojení epitelových buněk k bazální membráně
 adheziny
 podobné imunoglobulinům (CD4, CDE8, TCR)
 ICAM (InterCellular Adhesion Molecule)
 VCAM (Vascular Cell Adhesion Molecule)
 PECAM (Platelet-Endothelial Cell Adhesion Molecule)
 NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule)
 selektiny (ligandy pro integriny)
 E-selektin - endotel
 L-selektin - leukocyty
 P-selektin - destičky
 kadheriny (Ca2+ -dependentní transmembránové molekuly)
 prostřednictvím kateninů vázány k cytoskeletu
 membránových a nitrobuněčných receptorů pro cirkulující ligandy
 neurotransmitery
 hormony
 transmembránové
 intracelulární
 cytokiny
 růstové faktory
 mezibuněčných spojů („tight/gap junctions“)
Buněčná smrt – apoptóza, nekróza, nekroptóza
Apoptóza
Aktivní (= spotřeba energie) programovaná
buněčná smrt. Aktivita kaspáz a dalších
apoptotických enzymů (proteáz a nukleáz) vede
k fragmentaci buňky do apoptotických tělísek,
která jsou následně odstraněna makrofágy.
Nekróza
Náhodná buněčná smrt způsobená převážně
vnějšími faktory (infekce, toxiny apod.). Buněčný
obsah je vypuštěn do prostředí a poškozuje
okolní tkáně. Nekróza podporuje vznik zánětu a
nádorů.
Nekroptóza
Kontrolovaná forma nekrózy řízená kinázami
RIP1 a RIP3.
Význam apoptózy
 kontrola nadměrné proliferace: koordinační role při formování orgánů a tkání
eliminace přestárlých buněk
 eliminace poškozených nebo geneticky aberantních buněk (reakce na silné,
neopravitelné poškození genomové DNA, extrémní kyslíková deprivace,
významná signální nerovnováha, apod.)
Apoptóza a formování
tkání
Apoptózou jsou během morfogeneze
odstraňovány nežádoucí buňky – tvorba
funkčních tkání a orgánů
Geneticky pozměněné myši, které postrádají
klíčové složky apoptotického aparátu
vykazují typické vývojové poruchy:
nadbytek neuronů v mozku, obličejové
abnormality, poruchy formování prstů, atd.
Apoptóza a fyziologie tkání
 Tenké střevo: epiteliální buňky jsou apoptózou průběžně eliminovány
po 4-5denní pouti ze spodních částí krypt do výběžků střeva
 Tvorba erytrocytů: více než 95 % erytroblastů je odstraněno
apoptózou v kostní dřeni. Blokování apoptózy nastává v případě
nedostatku kyslíku (nízký tlak kyslíku, anémie, krvácení) díky zvýšené
produkci erytropoietinu
Kinetika buněčných
změn během apoptózy
Přesná koordinace
1. tvorba vychlípenin plazmatické membrány (povrch
buňky „vaří“)
2. jádro se zahušťuje a fragmentuje (stádium „pyknózy“)
3. chromozomální DNA se štěpí na krátké segmenty
4. během hodiny se apoptotická buňka rozpadá na malé
části (apoptotická tělíska), která jsou pohlcena
sousedními buňkami nebo makrofágy fagocytózou
Pro-apoptotické
stimuly (signály smrti)
 UV a ionizující záření
 nedostatek růstových faktorů
 glukokortikoidy
 specifické ligandy (Fas, TNF = tumor necrosis
factor)
 cytotoxické lymfocyty atakující své
cíle
 exprese některých onkogenů a
nádorových supresorů (p53, Rb)
Apoptózu spouštějí dvě signální dráhy:
vnitřní a vnější
Vnitřní dráha je závislá na p53
 poškození DNA, nedostatek růstových faktorů a další
podněty mohou indukovat apoptózu zprostředkovanou
p53
 p53 se podílí na:
 aktivaci exprese bax, který kóduje pro-apoptotický
protein uvolňující cytochrom c z mitochondrií a
zajišťuje tak aktivaci kaspáz 9 a 3
 aktivaci exprese genu kódujícího Fas receptor, tím
zvyšuje citlivost buňky k FasL
 aktivaci exprese genu pro IGF-binding protein 3 a
jeho uvolnění do mimobuněčného prostoru, kde
vychytává IGF-1 a IGF-2 (anti-apoptotické
ligandy)
 inaktivaci anti-apoptotického faktoru
Smac/DIABLO 1.
 receptory smrti jsou
transmembránové proteiny
schopné vyvolat apoptózu
 receptory jsou závislé na
vnějších ligandech
 napojují se na vnitřní
(kaspázovou) signalizaci
 stejné projevy jako u vnitřní
dráhy
Vnější dráha je závislá na povrchových
receptorech smrti
Nádorové buňky se neřídí regulačními
signály pro buněčnou smrt
 zdravé buňky mohou žít jen za přítomnosti růstových faktorů, jinak odumírají
apoptózou × nádorové buňky přežívají i bez růstových faktorů
 zdravé buňky s poškozenou DNA odumírají apoptózou × nádorové buňky
přežívají i s poškozenou DNA
 rezistence k apoptóze je jedním z důvodů prodloužené životaschopnosti
nádorových buněk
Apoptóza a nádory
 zvýšená exprese bcl-2 zaznamenána u
různých pevných nádorů, leukémií i
lymfomů
 zvýšená exprese bcl-2 je nepříznivý
faktor: zvýšená odolnost na
chemoterapii
 terapie zaměřené na ovlivnění
apoptózy se mohou uplatnit při léčbě
některých nádorových i nenádorových
chorob
Nádory (tumory)
Nádor je patologický stav (nemoc) v důsledku porušené kontroly
buněčného dělení
– příčinou porušené regulace je genetická změna nejčastěji 1 somatické (ale i
germinativní) buňky
– buňky vycházející z patologického klonu se nekontrolovaně množí (různě
rychle) a posléze se šíří na další místa (rozvoj metastáz)
 benigní –mohou být hyperplastické nebo metaplastické; hyperplastické jsou tvořeny
normálními buňkami v nadměrném množství, metaplastické obsahují normální buňky určitého
typu které se však nachází v netypických lokalitách, zachovávají si diferenciaci
 maligní – nádory narušující bazální membránu a invadující tkáň pod ní, jsou dediferencované,
mohou metastazovat
Nádory (tumory)
Všechny nádory jsou důsledkem genetické poruchy, a to klíčových genů
kontroly buněčného cyklu
 (proto)onkogenů – normálně podporují dělení a růst buněk, pokud mutovány dělení je
nekontrolované
 supresorových genů – normálně kontrolovaně potlačují dělení, pokud mutovány, umožňují
nekontrolované dělení
 DNA reparačních genů – normálně opravují DNA opravitelné změny, pokud mutovány
neopravená změna může být přenesena do dceřiných bb.
– většina nádorů jsou náhodné, tzv. sporadické = mutace v somatické buňce
– pouze některé jsou ovšem zároveň dědičné (tzv. familiární) = mutace v germinativní
buňce
Imunitní systém vs. nádory • nádorové bb. mají některé
imunologické odlišnosti
• změny přirozených
povrchových antigenů (např.
ztráta MHC)
• unikají imunitnímu
rozeznání a likvidaci
• exprese nových (tzv.
onkofetálních) antigenů
• diagnostické markery
(např. CEA, α-fetoprotein
aj.)
• v protinádorové imunitě se
uplatňují cytotoxické mechanizmy
• CD8+ T-lymfocyty
• NK bb
Růst tumoru - angiogeneze • nádoru obecně převaha proliferace nad zánikem buněk
• potřeba energie (kyslík a substráty)
• buněčná masa velikosti okolo 1mm3 (cca 1×106
buněk) není bez vaskularizace schopna dále růst
(proliferace je v rovnováze s apoptózou)
• v odpovědi na hypoxii je produkován
hypoxiainducible factor-1 (HIF-1), který po
translokaci do jádra ovlivňuje transkripci řady
genů, mimo jiné vascular endothelial growth
factor (VEGF)
• tento stimuluje novotvorbu cév (angiogeneze)
nutných pro další růst nádoru produkce
proteolytických enzymů nádor. bb. (matrix
metalloproteináz) degraduje extracelulární matrix
a umožňuje “pučení”nových cév z existujících
• proliferace a migrace endotelií je dále
potencována angiogenními faktory secernovanými
nádorem (např. VEGF, basic fibroblast growth
factor (bFGF), transforming growth factor-b
(TGF-b), and platelet-derived growth factor
(PDGF))
• novotvořené cévy tumoru umožňují jeho invazi do
kr. řečiště a event. vzdálené metastazování
• hormonální stimulace
• růst některých tumorů je výrazně potencován
hormony (nejčastěji pohlavními)
• Ca. prsu, dělohy, vaječníků, prostaty
Metastazování
• vytváření dceřiných nádorů
vzdálených od primárního ložiska
• krví
• často po směru toku
• např. z GIT do jater
• např. venózní krví do plic
• např. z plic tepennou krví
do kostí a mozku
• lymfou
• nejprve nejbližší lymf. uzliny,
poté vzdálenější
Děkuji za pozornost