buněčný cyklus a buněčná smrt -...
Post on 02-Mar-2019
220 Views
Preview:
TRANSCRIPT
► Funkce buněčného dělení
► Struktura chromosomu
► Buněčný cyklus
► Mitoza
► Kontrola buněčného cyklu
► Programovaná buněčná smrt
Biologie I
Buněčný cyklus a buněčná smrt
Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se
Dělící se Amoeba (nepohlavní
rozmnožování prvoka) = dva
samostatné organismy
Embryo krátce po prvním
dělení oplozeného vajíčka.
Kmenová buňka kostní dřeně –
nové buňky dají vzniknout
diferencovaným krvinkám
Funkce:
Reprodukce Růst a vývoj Obnova tkání/pletiv
20 µm 100 µm 200 µm
► Výsledkem jsou geneticky identické dceřiné buňky
► Buňky zdvojí svůj genetický materiál
► Před rozdělením buňka (několikrát) kontroluje, zda dceřiné buňky
získají přesné kopie genomu
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n
Ed
uca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
Rozmonožování bakterií
jednoduchým dělením
uprostřed buňky
►(jeden cirkulární) bakteriální
chromosom se replikuje
► buňka roste a dosahuje přibližně dvojnásobku
původnívelikosti
► tvorba přepážky – nová cytoplasmatická
membrána + buněčná stěna separují genomy
(a tím dceřiné buňky)
Reprodukce prokaryot
Replikace začíná v jednom místě (počátek replikace).
Chromosomy jsou v jednom bodě připojeny k cytoplasmatické membráně
a s růstem buňky dochází k jejich separaci.
počátek
replikace
ch
rom
os
om
Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
Buněčné dělení eukaryot … je mnohem komplikovanější proces:
► počet chromosomů v somatických buňkách většiny
eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50.
► mají stejný vzhled (délka, umístnění centromery, barvení)
► Kontrolují stejné vlastnosti (obecně stejné pořadí genů)
► Mohou nést různé fromy jednoho genu (alely)
► Homologní chromosomy
► Nehomologní chromosomy
► Odlišný vzhled
► Kontrolují odlišné vlastnosti (nesou různé geny)
Pohlavní chromosomy
► Podle tvaru mitotického chromosomu
X a Y a určují pohlaví:
- typ Drosophila (i člověk): XX = samičí / ženské, XY = samčí / mužské
- typ Abraxas (např. ptáci): XY = samičí, XX = samčí
- typ Protenor (rovnořídlý hmyz): XX = samičí, X0 = samčí
homologní chromosomy
centromera
Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;
© The McGraw-Hill Comp., Inc.
► Před rozdělením zdvojení chromosomů = vznik
sesterských chromatid spojených v oblasti centromery
► Následuje kondenzace chromosomů
(chromosomy se sbalí se do „zhuštěné“ podoby)
Eukaryotní chromosom před rozdělením buňky
dva chromosomy
centromera
sesterské chromatidy
zdvojení (replikace)
Nesesterské chromatidy
dva zdvojené chromosomy
sesterské chromatidy
Ad
ap
tová
no
z J
oh
nso
n R
.: Bio
log
y, 5
th ed
ition
19
99
;
© T
he
McG
raw
-Hill C
om
p., In
c.
Struktura chromosomu eukaryot - nukleosomy
► komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny =
Nukleosom – základní jednotka sbalování chromatinu
Proteinové jádro z histonů
(H2A, H2B, H3, H4)2
► DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra,
délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí
► vyšší úrovně sbalování DNA → kondenzace chromatinu
Ad
ap
tová
no
z J
oh
nso
n R
.: B
iolo
gy, 5
th
ed
itio
n 1
99
9; ©
Th
e M
cG
raw
-Hill
Com
p.,
In
c.
Struktura chromosomu eukaryot – vyšší úrovně sbalování
Nukleosom jako
„korálek“ (bead)
napojení histonu H1
mimo nukleosom
napomáhá dalšímu svinutí
kostra z nehistonových
proteinů jako lešení (scaffold)
nukleosomy
30-nm chromatinové vlákno
smyčkové domény
metafázní chromosom
Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition
© Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin
Cummings
p = petite
(malý)
q = v abecedě
po „p“
Typy chromosomů
telomera
raménko
p
raménko
q
telomera sesterská
chromatida
centromera
Metacentrický
Submetacentrický
Akrocentrický
Telocentrický
Telomera
- ochrana konců chromosomů (proteiny)
- brání rekombinaci s jinými chromosomy
- zamezuje/omezuje zkracování
chromosomu při replikaci
mitotické interfázní
Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
► Zúžení na kondenzovaném chromosomu
(oblast se specifikými repetitivními sekvencemi)
► Místo spojení sesterkých chromatid
► Na centromeře se uskupí proteinové disky kinetochory
► Kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů
(pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky)
Centromera
metafázní chromosom
kinetochora
kinetochorové microtubuly (svazek)
oblast centromery
sesterské
chromatidy Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition
1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
• Interfáze
Buňka roste, vytváří proteiny,
zmnožuje /zvětšuje organely
– G1 – (growth) buňka
roste
– S – navíc replikace
(Syntéza) chromosomů
– G2 – rychlejší růst,
– příprava na dělení
• M - mitoza
• C - cytokineze
Fáze buněčného cyklu
... u prokaryot mitoza chybí
Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se
mitoza
pro- meta-
telo- fáze
ana-
interfáze (G1, S, G2)
mitoza (M)
cytokineze (C)
Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.
Konec fáze G2
• Zdvojení centrosomů (centrioly charakteristické pro živočišné buňky)
• Výrazné jádro se zdvojenými
chromosomy (zůstávají v
nekondenzovaném stavu)
• Zjevné jadérko (či dvě)
• Od centrosomů se paprsčitě
rozbíhají mikrotubuly (astrosféra)
Děje těsně před mitozou
G2 OF INTERPHASE
centrosomy
(s cetriolami) chromosomy
(zdvojené)
jadérko jaderný
obal cytoplasmatická
membrána
Živočišná buňka
barvy:
-chromosomy
-mikrotubuly
-mikrofiilamenta
G2 FÁZE INTERFÁZE
Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson
Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings
Mitoza
► Každá buňka získává kopii každého chromosomu (jednu ze sesterských chromatid)
► Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou
• Zivočichové a rostliny
během mitozy dochází k „rozpadu“ buněčného obalu
• Houby a (někteří) prvoci
mitoza probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí
prometafáze
interfáze profáze metafáze anafáze telofáze
Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
1. Profáze
• Kondenzace chromosomů,
chromosomy viditelné jako dvě
spojené sesterké chromatidy
• Mizí jadérka
• Prodlužováním mikrotubulů z obou
centrosomů se začíná vytvářet
mitotické vřeténko
• Centrosomy se pohybují k opačným
pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly)
• Maturace kinetochor
PROFÁZE
časné
mitotické
vřeténko
astrosféra
centromera
chromosom (vždy dvě
sesterské chromatidy)
Animalia & Plantae A
da
pto
vá
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
2. Prometafáze
• Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů)
• Napojování kinetochorových
mikrotubulů na zralé kinetochory
• Vzájemná interakce
nekinetochorových mikrotubulů
Animalia & Plantae
PROMETAFÁZE
fragmenty
jaderného
obalu
kinetochorové
mikrotubuly
nekinetochor.
mikrotubuly
kinetochora
pól
vřeténka
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of
The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
rozpad jadené laminy po fosforylaci laminů
3. Metafáze
• Centrosomy na opačných stranách buňky
• Kinetochory sesterských chromatid
napojeny na mikrotubuly (ve skutečnosti
svazek mikrotubulů) vycházející
opačných pólů mitotického vřeténka
• Chromosomy se shromažďují v
metafázové destičce
stejně vzdálené od pólů vřeténka
• Metafáze je nejdelší fází mitozy
Po kontrole připojení všech
chromatid na mikrotubuly je
aktivován tzv. APC
(anaphase promoting complex)
Pojmenování
mitotické (dělící) vřeténko
odkazuje na tvar aparátu
METAFÁZE
vřeténko
metafázová
destička
centrosom
na pólu
vřeténka
Animalia & Plantae A
da
pto
vá
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
• Kinetochorové mikrotubuly pohybují chromosomy a ustavují centromery všech chromosomů v jedné rovině (metafázová destička)
následně se budou zkracovat a oddělovat sesterské chromatidy
• Astrosféra krátké microtubuly směřující k cytoplasmatické membráně (živočichové - zpevňuje aparát při „smršťování vřeténka retrakci; rostliny mají
rigidní buněčnou stěnu)
• Nekinetochorové mikrotubuly se překrývají a následně se budou
prodlužovat a tím připívat k „transportu“ chromatid
mikrotubuly chromosomys
sesterské
chromatidy
astrosféra centrosom
metafázová
destička
kineto-
chory
kinetochorové
mikrotubuly 0.5 µm
nekinetochorové
mikrotubuly
1 µm centrosom
Mitotické vřeténko
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n
Ed
uca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
4. Anafáze
• Fyzické rozdělení sesterských
chromatid = vznik nezávislých
dceřiných chromosomů
• Uvolněné chromosomy se pohybují
k opačným pólům rychlostí ~ 0,5 až 1 µm/min
• Anafáze končí když je na opačných
kocích buňky kompletní sada chromosomů
• Anafáze je nejkratší fází mitozy
Při anafázi se
• kinetochorové mikrotubuly zkracují
• nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují,
živočišná buňka se protahuje
ANAFÁZE
dceřiné
chromosomy
Animalia & Plantae A
da
pto
vá
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
Kinetochorové mikrotubuly
Nekinetochorové mikrotubuly
tubulin
molekulový
motor
mikrotubulus
+ konec se
prodlužuje
- chromosom tažen motorem
podél mikrotubulu
- uvolňovaný + konec depolymeruje
- vzájemný posun zprostředkován
molekulovým motorem
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell,
Ree
ce
: B
iolo
gy 6
th e
ditio
n ©
Pe
ars
on
Ed
uca
tio
n, In
c, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
kinetochora
tubuliny
(volné)
chromosom
pohyb
chromosomu
molekulový
motor mikro-
tubulus
označení - laser
mechanismus
experiment
5. Telofáze
•Nekinetochorové mikrotub. se dále prodlužují
a připtavují buňku na cytokinezi
a téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi
• Zánik mitotického vřeténka
• Tvoří se jaderné obaly
• Chromosomy despiralizují
• Znovu se utváří jadérko
• Konec mitosy
Profáze – rozpad ER, Golgiho útvaru a
jaderné membrány na membránové váčky
Telofáze – i) znovuutváření ER,
ii) Golgiho útvaru
(z původních váčků a ER)
iii) a jaderného obaly
(z původních váčků a ER)
TELOPHASE AND CYTOKINESIS
tvorba
jadérka
dělící rýha
tvorba
jaderného
obalu
TELOFÁZE A CYTOKINEZE
Animalia & Plantae A
da
pto
vá
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
Telofáze znovuutváření jaderného obalu de novo
přejímání
membrány
fúze membrán
a utvoření póru
vnější
membrána
vnitřní
membrána
Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc. Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; ©
Garland Science
(i)
dceřiné buňky
dělící rýha
Nitrobuněčný sval dceřiné buňky
100 µm
1 µm váčky z Gogliho a.
pro stavbu nové
stěny (pektiny)
buněčná
stěna
fragmoplast
nová b. stěna
Rýhování živočišné buňky Tvorba buněčné stěny rostlin
Cytokineze jako první se vytváří
střední lamela
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
: Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n E
du
ca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as B
en
jam
in C
um
min
gs
obrněnky (Protista)
prokaryota
rozsivky (Protista)
většina eukaryot („klasická“ mitoza)
chromosomy
mikrotubuly
jaderný obal
celistvý
jaderný obal
celistvý
kinetochora+
mikrotubulus
Chromosom
kinetochora+
mikrotubulus
centrosom
fragmenty
jaderného obalu
Chromosomy připojeny k plasmatické membráně
Chromosomy připojeny k vniřní jaderné
membráně
Mikrotubuly prostupující tunely v jaderném obalu
udržují jádro ve správné pozici, protahují buňky
Uvnitř intaktního jádra se vytváří mitotické
vřeténko, protahuje jádro
Chromosomy připojeny k mikrotubulům
evo
luce (?
)
Pravděpodobný vývoj mitozy
Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition ©
Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings
► a může nastat další kolo cyklu
Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit:
Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace
(oblasti s geny, které nejsou exprimovány)
Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčmímu aparátu.
heterochromatin je viditelný jako
granule uvnitř jádra
jadérko
jádro
► a nebo taky ne
• G0 je stadium buňky mimo buněčný cyklus • Některé buňky přechází dočasně z G0 do
buněčného cyklu (např. hepatocytes)
• Jiné (neurony) stráví život v G0
život v G0 život v cyklu rakovinná buňka
Alb
erts
a k
ol.: Z
ákla
dy b
uněčné b
iolo
gie
, 1998
; © E
spero
Publis
hin
g, s
.r.o.
Řízení buněčného cyklu
► Cyklin-dependentní protein kinasy
(Cdk) řídí buněčný cyklus
► Cdk jsou bez cyklinů neaktivní
► Cycliny navigují Cdk na cíle
MPF mitosis-promoting factor
komplex Cdk:cyklin) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Poškozená DNA → ukončení cyklu v G1 fázi
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
► Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu)
► M cyclin a Cdk vytváří MPF (zůstává v neaktivní formě – fosforylace v inaktivačním místě)
► Aktivní MPF: fosforylace v aktivačním místě (a defosforylace v inaktivačním místě)
Kontrolní bod v G2 detailněji
mitoza interfáze mitoza interfáze
aktivita MPF
koncentrace
M-cyklinu
mitotická Cdk
M-cylkin
aktivační kinasa
inhibující
kinasa
inaktivní
MPF
inaktivní
MPF
aktivující
fosfát
inhibující fosfát
aktivující
fosfatasa aktivní
MPF
Adapto
váno z
Alb
erts
a k
ol.: M
ole
cula
r
Bio
logy o
f The C
ell, 4
th e
d. 2
002
; ©
Garla
nd S
cie
nce
Ad
ap
tová
no
z C
am
pb
ell, R
ee
ce
:
Bio
log
y 6
th ed
ition
© P
ea
rso
n
Ed
uca
tion
, Inc, p
ub
lish
ing
as
Be
nja
min
Cum
min
gs
(i)
► Hladina aktivovaného MPF během G2 roste do prahové hodnoty →
→ spuštění mitozy
► Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta, and
proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka
► nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu → snižování konc. MPF
→ procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy
• označení M-cyklinu (kovalentně) ubiquitinem
(zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC])
→ proteolyza v proteasomu
Kontrolní bod v G2 detailněji
Cdk
M-cyklin
aktivní MPF
ubikviti-
nylace
ubikvitiny
(Ubi)
destrukce
M-cyklinu
inaktivace
Cdk
inaktivní
Cdk
Beck et al. 2012. doi:10.1073/pnas.1213333109
Proteasom komplex proteinů (26S)
-cytoplasmatický
-jaderný
Funkce
Ubi-protein → rozbalení →
hydrolýza v póru z b podjednotek
(mitoza, stres, apoptosa)
6x a- 6x a- 12x b- podjednotky
Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
(i)
Apoptoza - programovaná buněčná smrt
• Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky)
• Ontogeneze – tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk
interdigitální mezenchym apoptoza (role lysozomů) vývoj prstů
porucha fce lysozomů
Tay-Sachsova nemoc
Maturace nervového systému
tělo
neuronu
axon
terčové buňky
neurony
sjednocení počtu
neuronů a terčových
buněk
smrt
„přebytečných“
neuronů
„survival“ faktor
uvolněný buňkami
apoptoza neuronů
Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings
Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
Apoptoza není NEKROZA -pasivní proces s rychlým nástupem doprovázený zánětem -patologický proces způsobený fyzikálně-chemický traumatem, infekcí -postihuje mnoho buněk tkáně / pletiva
b. spoje
trauma
mitochondrie
jádro
voda
buňky a organely botnají
chromatin kondenzuje
memnrána poškozena
NEKROZA
rozpad buněčných
struktur
lyze buněk, nástup
fagocytů, zánět
Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier
APOPTOZA:
b. spoje
mitochondrie
jádro
APOPTOZA
přeruší se b. spoje
začíná kondenzovat
chromatin
buňka se smrští,
chromatin kondenzuje
okolo okraje jádra
buňka prudce „imploduje“,
chromatin dále kondenzuje
buněčné fragmenty uzavřeny
ve apoptických váčcích
apoptické váčky jsou
fagocytovány okolními
buňkami a makrofágy
b. spoj
Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier
-aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem -vyžaduje energii -nepůsobí zánět
Kaspasy: specializované proteasy aktivované v apoptoze
• Kaspasy jsou přítomny jako neaktivní monomery – prokaspasy
• Prokaspasy se aktivují po přiblížení (agregaci) na organizujících proteinech
• Naštěpení proteinu vede ke změně
konformace → aktivní kaspasa →
aktivace dalších kaspas – proteolyza
Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
aktivace prokaspas
štěpením řetězce
aktivní
kaspasa
velká
podjednotka malá
podj.
inaktivní
prokaspasa
aktivní
kaspasa
štěpení
domény
‘pro’
místa
štěpení
kaspasová kaskáda
jedna aktivní
iniciační kaspasa
velké množství exekučních kaspas
štěpení proteinů
cytoplasmy
štěpení jaderných
laminů
Vnitřní (mitochondriální) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasa 9)
Adapto
váno z
Alb
erts
a k
ol.: M
ole
cula
r Bio
logy o
f The
Cell, 4
th e
d. 2
002
; © G
arla
nd S
cie
nce
(i)
Vnější (receptorová) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasy 8 nebo 10)
Adapto
váno z
Alb
erts
a k
ol.: M
ole
cula
r Bio
logy o
f
The C
ell, 4
th e
d. 2
002
; © G
arla
nd S
cie
nce
(i)
Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science
(i)
Centromera
top related