The four families of small organic molecules in cells MEMBRÁNOVÉMEMBRÁNOVÉ SYSTÉMYSYSTÉMY a buněčnéa buněčné kompartmentykompartmenty protientropicképrotientropické důsledkydůsledky STRUKTURNÍ ÚLOHA FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH NEODDĚLITELNÁ OD BUNĚČNÝCH FUNKCÍ Všechny hlavníVšechny hlavní kompotnentykompotnenty spolupůsobíspolupůsobí mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonová ROS lipidová peroxidace genová exprese DNA mRNA RE mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFAn-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonovákyselinakyselina arachidonováarachidonová ROSROS lipidová peroxidace lipidová peroxidace genová exprese DNA FUNKCE FOSFOLIPIDOVÉHO METABOLISMU V BUNĚČNÝCH REGULACÍCHREGULACÍCH: KYSELINAKYSELINA ARACHIDONOVÁARACHIDONOVÁ Lipidy jako intercelulární mediátorymediátory a modulátory buněčné signalizační sítěsignalizační sítě ŠŠkodlivékodlivé faktoryfaktory okolníhookolního prostředí,prostředí, škálaškála stresorůstresorů Transdukce (přenos) signálůTransdukce (přenos) signálů Představuje zákonitě koordinovanou souslednost reakcíPředstavuje zákonitě koordinovanou souslednost reakcí (odvíjející se od specifické chemické struktury)(odvíjející se od specifické chemické struktury) vedoucích od vnější plasmatické membrány (vedoucích od vnější plasmatické membrány (návázánínávázání regulátoruregulátoru na tuto membránu anebo průchod regulátoru touto membránou)na tuto membránu anebo průchod regulátoru touto membránou) přes cytosol k jádru (přes cytosol k jádru (expresi genetické informaceexpresi genetické informace).). Tohoto procesu se účastní řada regulátorů různé chemické povahyTohoto procesu se účastní řada regulátorů různé chemické povahy.. Výsledkem jeVýsledkem je zapezpečenízapezpečení všech fyziologických funkcí buněkvšech fyziologických funkcí buněk a organismu včetně regulacea organismu včetně regulace cytokinetikycytokinetiky.. Jeden zJeden z principiálních rozdílůprincipiálních rozdílů spočívá zejména v tom, zda máspočívá zejména v tom, zda má daný regulátor povahudaný regulátor povahu hydrofilní (hydrofilní (lipofóbnílipofóbní)) aneboanebo HydHyd(g)(g)rofóbnírofóbní (lipofilní)(lipofilní) A fatty acid Phospholipid structure and the orientation of phospholipids in membrane Stavy A a C se od sebe liší obsahem energie, který se může uvolnit jako volná energie Ev. Přesto přeměna A ­ C neproběhne samovolně. Musí projít stavem B, který má vyšší obsah energie než A. Aby se mohla uvolnit volná energie Ev , musíme stavu A ,,půjčit" energii Ea; jen tak se dostane na mezistupeň B. Chemické reakce,Chemické reakce, syntémysyntémy a štěpení, nahodilost a zákonitost dějůa štěpení, nahodilost a zákonitost dějů How two macromolecules with complementary surfaces can bind tightly to one another through noncovalent interactions -Nejjednodušší způsob reakce -Může však spolupůsobit celá škála chemických vazeb silné i slabé povahy a jejich kombinace Četné molekuly se štěpí, vstoupíČetné molekuly se štěpí, vstoupí--li do jejichli do jejich struktury molekula vody při hydrolýze.struktury molekula vody při hydrolýze. Jako příklad uvádíme hydrolýzu bílkoviny, kdy mezi atom dusíku (zelený) a uhlíku s vázaným kyslíkem vstoupí molekula vody. Vzniká tak aminoskupina a karboxyl. Chemicky takovou reakci zaznamenávame: -NH-CO- + H2O = -NH2 + -COOH Samovolná reakce by probíhala velmi pomalu.Samovolná reakce by probíhala velmi pomalu. KatalyzátorKatalyzátor ji urychluje působením na elektronové oblakyji urychluje působením na elektronové oblaky (růžová).(růžová). Elektrony se vzájemně odpuzují, zatímco kladně nabité atomy (protony) je přitahují. Šipky naznačují, jak katalyzátor svými dvěma funkčními skupinami (1,2) vyvolá pohyb elektronů, čímž se oslabí vazby mezi atomem dusíku a uhlíku, takže se přeruší. Vlastní tělo katalyzátoru udržuje funkční skupiny v přesné poloze, nezbytné k vyvolání naznačených změn v elektronových oblacích štěpené vazby. ,,Umí" však i leccos jiného, zejména ,,připoutat" látku, která má být štěpena. 1 2 Substrát přesně zapadne do lůžka v molekule enzymu. V tomto lůžku ho poutají různé typy sil: hydrofobní (modrá), přitahování opačně nabitých skupin (zelená v substrátu a červená v lůžku), vodíkové můstky. Štěpená vazba se tím dostane mezi ,,nůžky" silně polárních skupin (např. karboxylů). Při ,,vyvolaném přizpůsobeníPři ,,vyvolaném přizpůsobení je enzym teprve domodelován silami, které poutají substrát k jeho lůžku. Jak vzniká komplex substrát - enzym AlosterickáAlosterická aktivaceaktivace enzymuenzymu.. Enzym sám není schopen rozštěpit substrát,Enzym sám není schopen rozštěpit substrát, neboť jeho molekula nemá správný tvar.neboť jeho molekula nemá správný tvar. Teprve navážeTeprve naváže--li seli se na jiné místo regulační molekula (hnědá zpravana jiné místo regulační molekula (hnědá zprava),), získá funkční formuzíská funkční formu. regulačníregulační molekulamolekula substrát enzym Alosterická inaktivace enzymu. Regulační molekula se připojuje opět na jiném místě molekuly enzymu, než kam se váže substrát. Tím se liší od pouhého blokování lůžka, které může způsobit látka podobná substrátu (soutěživá čili kompetitivní inhibice). Alosterická inaktivace patří k regulačním pochodům. Může ji vyvolat jen zcela určitá látka, ta, která svými vlastnostmi přesně odpovídá místu, na které se váže. enzym Regulační molekula P. Cohen: TIBS, 17 (10), 408 ­ 413, 1992 FiveFive ofof thethe principalprincipal signallingsignalling systemssystems thatthat operateoperate inin eukaryoticeukaryotic cellscells Five parallel intracellular signaling pathways activated by G-proteinlinked receptors, receptor tyrosine kinases, or both Hlavní rozdíl v působeníHlavní rozdíl v působení mezi regulátorymezi regulátory hydrofilní (hydrofilní (lipofóbnílipofóbní)) aa hydrofóbníhydrofóbní (lipofilní)(lipofilní) povahypovahy Struktura membrány může však obsahovat některé funkční prvky, třeba kanálek (dole) skanálek (dole) s hydrofilním vnitřkemhydrofilním vnitřkem. Kanálek může měnit svůj rozměr, a tím regulovat průchodnost látek. Většinou však v roli regulátorů vystupují membránové bílkoviny. Jak procházejí látkyJak procházejí látky membránami?membránami? Polární látkyPolární látky (například ionty) jsou ve vodě obvykle obklopeny několika molekulami vody (hydratovány). To znemožňuje jejich průchod hydrofobní mezivrstvou v membráně. Když se však obalíKdyž se však obalí hydrofobním pláštěmhydrofobním pláštěm,, snadno přes membránu projdou.snadno přes membránu projdou. Some signaling molecules that bind to nuclear receptors receptory růstové signály hydrofilní povahy (proteiny, katecholaminy, apod. molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády regulátory transkripce cykliny CDKs p27 p21 p16 p15 Lipofilní regulátory změnazměna konformacekonformace na úrovni membránna úrovni membrán a cytosolua cytosolu -- příkladypříklady-- Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ AA 5HETE LTC4LTA4 PIP2DAG Tyr-K Tyr-K PLA2 5-LOX PKC PLC + Nuclear responses EGF EGF Protein kinase cascade Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ ATPase PIP2 DAG Ca 2+ PLC RSRS G C K sm ACTIVATION OF CELLULAR TARGET PROCESSES protein phosphorylation kinase kinase kinase kinasekinasekinasekinase mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonová ROS lipidová peroxidace genová exprese DNA mRNA RE mRNA RE proteiny inhibice (NSAID) membránové fosfolipidy jaderné receptory transkripční faktory (NFkB, PPAR, AP-1...) signální kaskáda membránová fluidita PUFA vnitrobuněčné funkce membránové fosfolipidy SIGNÁL (např. cytokiny) sekrece inserce n-6 PUFA (AA, LA) n-6 PUFA (AA, LA) n-3 PUFAn-3 PUFA Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření) eikosanoidy LOX COXP450 kyselinakyselina arachidonováarachidonovákyselinakyselina arachidonováarachidonová ROSROS lipidová peroxidace lipidová peroxidace genová exprese DNA FUNKCE FOSFOLIPIDOVÉHO METABOLISMU V BUNĚČNÝCH REGULACÍCHREGULACÍCH: KYSELINAKYSELINA ARACHIDONOVÁARACHIDONOVÁ Lipidy jako intercelulární mediátorymediátory a modulátory buněčné signalizační sítěsignalizační sítě ŠŠkodlivékodlivé faktoryfaktory okolníhookolního prostředí,prostředí, škálaškála stresorůstresorů -- kinázykinázy -- fosfatázyfosfatázy A. Basu: Pharmacol. Ther., 59 (3), 257-280, 1993 StructureStructure ofof proteinprotein kinasekinase CC isoformsisoforms A. Basu: Pharmacol. Ther., 59 (3), 257-280, 1993 ModelModel ofof proteinprotein kinasekinase CC activationactivation PodstataPodstata -- změnazměna konformacekonformace -- An evolutionary tree of selected protein kinases Some energies important for cells Tepelný děj - ,, pohyb" A. Kyselina fosforečná / ortofosforečná B. Kyselina pyrofosforečná C. Kyselina trifosforečná Tyto kyseliny jsou nejdůležitějšími sloučeninamiTyto kyseliny jsou nejdůležitějšími sloučeninami v přeměnách a úschově energie v živýchv přeměnách a úschově energie v živých systémechsystémech Všechny hlavníVšechny hlavní kompotnentykompotnenty spolupůsobíspolupůsobí Vznik a činnost cAMP. V membráně buňky je bílkovina, která má dvě funkce: na vnější straně membrány je specifickým receptorem (přijímačem) signální molekuly (hnědá kulička) a na vnitřní straně membrány se po přijetí signálu mění v enzym, který převádí ATP na cAMP a pyrofosfát. Legenda: hnědá kulička - signální molekula zelená ­ adenylátcykláza modrá ­ alosterická bílkovina tyrkysová ­ aktivní enzym oranžová - inhibitor cAMP ATP PP cAMP - inhibitor Aktivní enzym 1. 2. 1, 2, - dva způsoby aktivace Pomocí cAMP (adrenalin) Jeden z hlavních významů popsaných reakcíJeden z hlavních významů popsaných reakcí ­­ značný stupeň zesíleníznačný stupeň zesílení -- Stupně zesílení: 1. Každá adenylátcykláza vyrobí mnoho molekul cAMP 2. Každá molekula cAMP aktivuje jednu proteinkinázu, ta má za úkol především připojit kyselinu fosforečnou na enzym syntetizující glykogen z glukózy, a tím jeji vyřadit z provozu. Tak zablokuje mnoho molekul enzymu 3. Současně naváže kyselinu fosforečnou na kinázu enzymu rozkládajícího glykogen. Tím uvede v činnost mnoho molekul kinázy. 4. Jedna molekula kinázy však aktivuje mnoho molekul enzymu rozkládajícího glykogen. Kdyby každé zesílení bylo jen desetinásobné, pak výsledkem je 10 000 násobné zesílení rozkladu, podpořené zablokováním syntézy. --ZměnaZměna konformacekonformace jako podstata řízeníjako podstata řízení -- cytokinetikycytokinetiky ­­ --inhibice b. děleníinhibice b. dělení-- receptory růstové signály molekuly signálové transdukce molekuly zesilovací kaskády regulátory transkripce cykliny CDKs p27 p21 p16 p15 Three classes of cell-surface receptors The nuclear receptor superfamily změnazměna konformacekonformace na úrovni genomuna úrovni genomu -- příkladpříklad-- Science 262, 1644, 1993 R. A. Laskey et al.: Science 246, 609, 1989 SchematicSchematic representationrepresentation ofof aa eukaryoticeukaryotic replicationreplication forkfork showingshowing concertedconcerted actionaction by DNAby DNA polymerasepolymerase andand onon oppositeopposite sidessides ofof thethe forkfork.. J. O. Funk and D. A. Galloway: TIBS, 23, 337-341, 1998 změnazměna konformacekonformace na úrovni genomuna úrovni genomu -- příkladypříklady-- The activation of NF-B by TNF- The Jak-STAT signaling pathways activated by -interferon One way in which signaling through PI 3-kinase promotes cell survival PodstataPodstata -- změnazměna konformacekonformace -- Receptor-mediated activationactivation pathway Pozitivní zpětná vazbaPozitivní zpětná vazba -- optimální rozsah regulace tolerovaná hranice regulovaného rozmezí ,,homeostázy" na tkáňové úrovni diferenciace zánik buněk (smrt apoptózou) produkce buněk (intenzita dělení - proliferace) zvýšené riziko vzniku nádorových onemocněníPOČETBUNĚKVPOPULACI Negativní zpětná vazbaNegativní zpětná vazba Reakce na vychýlení Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980) Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980) Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980) Co rozhodnout nejdřív:Co rozhodnout nejdřív: Proč chceme studovat, jaký je opravdový zájem?Proč chceme studovat, jaký je opravdový zájem? Na základě čeho se rozhodujeme?Na základě čeho se rozhodujeme? Kdy začít a proč?Kdy začít a proč? Kde začít? (na dobrémKde začít? (na dobrém peacovištipeacovišti)) Jaké máme možnosti uplatněníJaké máme možnosti uplatnění po skončení studia?po skončení studia? ad 1) Realita - je ,,Krize" ????, co to je: To, čemu jsme zvyklí říkat hosp. krize je jiné jméno pro mravní bídu. To je příčina, hospodářský úpadek je následek.... Máte pravdu, je třeba překonat krizi důvěry. Technickými- úvěrovými a finančními zásahy ji však překonat nelze.... T. Baťa, 1932 Do této krize nás dostaly machinace s komplikovanými finančními instrumenty... (,,egoismus")..B. Obama Několik ,,pozitivních" ???? zpráv pro financování vědy - kategorie v principu neutrální - Věda by nemusela být citelně ovlivněna. na BFÚ - doposud nejlepší zajištění grantovými prostředky - Dovybavení nákladnými přístroji realitou. Schizofrenní situace ­ předpokládá se neustálý ,,zisk" a ,,růst"!!!!! - jedny z hlavních příčin současného stavu. Obecnou tendencí je řešit situaci prostředky, které ji zavinily..... 1,1 1,1 1,1 -1,6 -29,6 -87,7 -109 -97,6 -19,4 -192-200 -150 -100 -50 0 50 Státnírozpočet(vmld.Kč) 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 rok Masivní příjmy z privatizací ,,povodně" ,,KRIZE" sanace bank cca 400 mld Kč Krachy bank Deficity Plýtvání Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování -20 -10 0 10 20 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 nároky Propad ,,možností" % Propad HDP Očekávané tendence ­ důvod ,,strachu"? Kritické období 361 1248 985 5978 7413 15473 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 částkavtis.Kč 2004 2005 2006 2007 2008 2009 rok Finance získané z grantů v letech 2004-2009 PřF MU 11 9 8 19 17 23 0 5 10 15 20 25 počet 2004 2005 2006 2007 2008 2009 rok Počty publikací v letech 2004-2009 22,89 32,42 21,36 59,2 62,86 89 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 počet 2004 2005 2006 2007 2008 2009 rok Součet IF za publikace v letech 2004-2009 čas výkon Cena za vysoký výkon Extrémy - špatně