fyziologie buněčných systémů
(Zpětné vazby)
A. Kozubík
Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky)
Ústav experimentální biologie, PřF MU
(Oddělení fyziologie a imunologie živočichů)
Brno
Zpětné vazby
Zpětné vazby
Pozitivní zp. vazba
Pozitivní zpětná
vazba
Příklad poztitivní zpětné vazby – diferenciace buněk krvetvorby
a – kmenová buňka v embryonální podobě
b – kmenová buňka v dospělosti
a
b
b
Attractor
„cílový“
pohyb
3D model
Atraktor většina stavových trajektorií (drah hmotného bodu)
se přibližuje a „obmotává“ nějakou obecnou limitu.
Systém končí ve stejném pohybu pro všechny
počáteční stavy v oblasti okolo tohoto pohybu,
téměř jako by byl systém k tomuto pohybu
(trajektorii fázového prostoru) přitahován (anglicky 'attracted').
Attractor
„cílový“ pohyb
1 attractor (malá miokroheterogenita)
2 oddělené attractory
Spolupůsobení
„regulátorů růstu“
na diferenciaci
Spolupůsobení
„regulátorů růstu“
rozdílné chemické povahy
na proliferaci
Efekty inhibitorů
metabolismu AA
význam rovnováhy
v přísunu prekursorových PUFAs
a
v produkci jednotlivých jejich metabolitů
Signal transmission systems
R
PLCAC
G
R
G
PKC
PLA2
ATP cAMP PI
IP3
DAG
R
G
… receptor
… G-protein
arachidonic acid (AA)
prostaglandins (PG)
leukotrienes
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
Příklad pozitivní účinku na proliferaci buněk
Negativní účinek PGE2 na proliferaci k. buněk
Fáze buněčného cyklu
e.g. G protein,
kinase
PGE2„Phorbol esters“ CSF-1 GM - CSF
IL- 3
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFEKTOR
ODPOVĚĎ
PKA
DNA syntéza
G0 G1 S
?
-
adenylyl
cyclase
+
+
Indomethacin
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
CYCLOOXYGENASES
EPOXYGENASES
(P450)
LIPOXYGENASES
CH2
CH CO NH CH2 COOH
NH
COCH2CH2CHCOOH
NH2
C5H11
OH
S
COOH
COOH
LTA4
LTF4
LTE4
LTD4
LTC4LTB4
EPOXYACIDS,
DIOLS, etc.
TXB2
TXA2 PGI2 PGD2 PGE2
PGH2
PGG2
LTC4:
PLA2
O
OH
COOH
OH
PGE2:
ARACHIDONIC
ACID
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
INDOMETHACIN
DICLOPHENAC
MK - 886
NDGA ESC
5-LIPOXYGENASE
CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE
P450-MONOOXYGENASES
FLAP
Arachidonic acid: metabolic pathways and its
possible modulations
abbreviations:
ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC
= esculetin NDGA =
nordihydroguaiaretic acid
FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9HE
= 9-hydroxyellipticin HETEs =
hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs =
hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs
= epoxyeicosatrienoic acids SKF525A
= proadifen
SKF525A,
9-HE
ETYA
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
12-HETEs
12-HPETEs
LEUKOTRIENES
EETs
HETEs
DIOLS
(15-LIPOXYGENASE)
dříve - dnes
P450
?
EETs
HETEs
diols
12 - LIPOXYGENASE
(15 - LIPOXYGENASE)
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
LEUKOTRIENES
12 HPETs
12 HETEsCYCLOOXYGENASES
?ARACHIDONIC
ACID
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
?
5 - LIPOXYGENASE
FLAP
ESC
MK-886
Neganivní zpětné vazby
na systémové úrovni
(tkáně a organismus)
Důsledky působení inhibitorů
matabolismu eikosanoidů
Fosfolipidový metabolismus
a působení ioniz. radiace
(škodlivých faktorů
životního prostředí)
Aplikace NDGA
„protektivním režimu“
a její dávkově závislé
účinky na regeneraci ESC
a GM-CFC
Kostní
dřeň
Periferní
krev
Efekty dalších
inhibitorů
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA
v „terapeutickém režimu“
Efekty inhibitorů mohou být tedy způsobeny zásahy do biosyntézy eikosanoidů a jejich
regulačními účinky na krvetvorbu
Radiorezistence
kmenových a
prekurzorových
buněk není
oblivněna !!!
Dílčí shrnutí
(MOŽNÉ MECHANISMY)
Příklad aplikace
inhibitorů
metabolismu AA v
„terapeutickém
režimu“
Inhibitory
cyklooxygenáz stimulují (+)
a lipoxygenáz inhibují (-)
granulopoézu
i
lymfopoézu
Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the
major pathways are indicated in color:
COX (purple),
5-LOX (orange),
15-LOX (green),
12-LOX (yellow),
CYP epoxygenase (red),
CYP ω-hydroxylase (cyan),
and nonenzymatic oxidation (gray)
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
.
Temporal genomic and lipidomic changes
in eicosanoid biosynthesis in RAW264.7 macrophages in response
to Kdo2-Lipid A stimulation.
Greater intensity of red indicates increasing levels,
greater intensity of green indicates decreasing levels,
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
dose (6.5Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamine
control
indomethacin
Indomethacin + cystamine
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
control
cystamine
indomethacin
Indomethan +
cystamine
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
dose (6.5 Gy)
control
cystamine
indomethacin
Indomethacin +
cystamine
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
days after irradiation 6.5 Gy
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.:
Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
31
Dosažení dynamické rovnováhy v systému po
podnětech rozdílné intenzity
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/lx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethan
+ cystamin
3,5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 5 10 15 20 25 30
4,5
5
leukocyty/lx103
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
dose (Gy)
ESCNo.
6 6.5 7 7.5 86 6.5 7 7.5 8
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
100
80
60
40
1
2
4
8
6
10
20
cystamin
kontroly
indomethacin
indomethacin +
cystamin
Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
kontroly
cystamin
indomethacin
indomethacin
+ cystamin
Hmotnostslezity(mg)
120
130
110
90
80
60
50
30
20
0 5 10 15 20 25 30
140
150
40
70
100
Dny po ozáření 6,5 Gy
Kontrola
Cystamin
Indomethacin
Cystamin +
Indomethacin
Silně
poškozený
systém
Zátěž
nižší
intenzityVlastní výsledky
Posílení inhibitorů COX
Kombinovaná léčba
některá
OBECNÁ VÝCHODISKA,
DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH
POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO:
- Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou
proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování
homeostázy na tkáňové úrovni.
- Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli
podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele
porušení této homeostázy.
- Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy
mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou
základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem
procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy.
- Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu
nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky
škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky
orientovaných laboratoří.
Zpětné vazby
Negativní zp. vazba
(obecnější východiska)
receptory
růstové signály
molekuly
signálové
transdukce
molekuly
zesilovací
kaskády
regulátory
transkripce
cykliny
CDKs
p27
p21
p16
p15
35
36
Negativní zpětná vazba
Reakce
na vychýlení
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Výstup
systému
Žádaná
hodnota
Akční
veličina
Regulační
odchylka
-
+
Zpětná vazba negativní:
Působení na vyšších úrovních
organizace systémů
HDP
představuje veškerou finální produkci v peněžních jednotkách
(celkový objem výrobků a služeb) za určité období (zpravidla 1 rok)
národními výrobními faktory dané země ,
bez ohledu na to, ve kterém státě působí.
Je odrazem sumy vnějších a vnitřních faktorů schopných ovlivnit ekonomiku
Nevypovídá nic o “kvalitě života”,
finální produkce - taková produkce, která je vyrobena a prodána,
aby byla spotřebována domáctnostmi, státem,
použita jako investice nebo vyvezena jako export
Nominální mzda SŠ profesora
3990,- Kč
13528,-Kč
(3,4x)
1989 90 91 92 93 94 95 96 97
13528,-
Kč
6764
ROK
60
70
80
90
120
110
100
199719961995
199419931992199119901989
3990,-Kč
13528,-Kč
mzdav%
hrubá mzda
čistá mzda
Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989)
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
12
29
41
46
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
41
35
25
15
0
10
20
30
40
50
2006 2008 2010 2012
Výsledky voleb do senátu ČR 2006-2012 (%)
LN 22.10.2012
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace
0,3
-11,6
-0,5
0,1
2,2
5,9
4,2
-0,7 -1,1
1,2
3,9
2,5
1,9
3,6
4,5
6,3
6,8
6
3,2
-2,3
0,8
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
*2009
*2010
* predikce dle MFČR
ZměnaHDPv%
Vývoj inflace meziročně v %
17,5
52
12,7
18,2
10,2
7,9 8,6
10
6,8
2,5
4 4,1
0,6 1
2,8 2,2 1,7
5,4
3,6
0
10
20
30
40
50
60
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Inflacev%
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v %
Porušení funkcí
negativní zpětné vazby
(důsledky,………….
…obecnější platnost….!!!)
Důsledky převahy
pozitivní zpětné vazby
1,1 1,1 1,1
-1,6
-29,6
-87,7
-109
-97,6
-19,4
-175
-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 - 800 mld Kč ???
„Krachy bank“
Deficity
Plýtvání
Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování
??
2010 2011 2012
-156
-135
-105
??
-20
-10
0
10
20
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
nároky
Propad „možností ??“
%
Propad HDP???
Očekávané tendence – 2009/2013
Kritické období
Propad „možností??“
?
Příklad extrémně
„regulačně nevyváženého“
vnitřně rozporného systému
(očekávánému zachování růstu
Neodpovídají prostředky a zdroje)
52
Vyváženost tendencí
54
Tendence k nestabilitě
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic
Hledání „OPTIMA“
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av
According to: Pospíšil 1977 ?
100
50
%hynutípoozáření
Na / K poměr v moči
vyvážená regulace (biol.
optimum)
nevyvážená regulace
tendence k retenci Na tendence ke ztrátám Na
1
1´
2
3
3´
1,1´ - „celkové náklady“ potřebné k navození změny stavu
(reakce)
3,3´ - „celkové náklady“ potřebné k utlumení (reakce)