BUNĚČNÝ CYKLUS Život buňky (ontogeneze) 1. Vznik – nové buňky vznikají rozdělením již existující buňky. Mezi dělením buňka prodělává tzv. buněčný cyklus. 2. Růst a vývoj - zvětšování objemu a diferenciace 3. Zánik – buněčná smrt nebo nové dělení BUNĚČNÝ CYKLUS = je posloupnost vzájemně koordinovaných procesů, které vedou od jednoho buněčného dělení k následujícímu buněčnému dělení Lze rozdělit na: M FÁZI – dělení - mitotická fáze – 2 části: karyokineze a cytokineze INTERFÁZE - přestávka mezi dělením - 90% celého buněčného cyklu Interfázi se dělí na 3 části: G1 fázi S fázi G2 fázi * BUNĚČNÝ CYKLUS Karyokineze = dělení jádra Cytokineze = označuje mechanismy dělení celé buňky Karyokineze předchází cytokinezi. Buněčný cyklus popisuje procesy, které probíhají v buňce mezi dvěma po sobě jdoucími cytokinezemi. * G1 (postmitotická fáze) („first gap“)  začíná v okamžiku, kdy se po rozdělení mateřské buňky, stává dceřiná buňka soustavou schopnou samostatné existence  končí zahájením replikace jaderné DNA  metabolická aktivita  Syntéza RNA, proteinů…. Transkripce, translace  enzymy  další látky pro replikaci  vytváří se zásoba nukleosidtrifostátů  zmnožují se buněčné organely – ribozomy, mitochondrie, ER  při nepříznivých podmínkách upadá buňka do G0  leží zde hlavní kontrolní uzel cyklu  opravy poškozeného genomu S (syntetická fáze)  replikace jaderné DNA (zdvojení množství DNA)  současná rychlá spřažená syntéza histonů (H2A, H2B, H3, H4 & H1) (aby se mohly tvořit nové nukleozomy a chromatinové vlákno)  replikace vlákna 3´ 5´: DNA polymeráza,→ kontinuální replikace („leading strand“)  replikace vlákna 5´ 3´: DNA polymeráza,→ diskontinuální replikace („lagging strand“, Okazakiho fragmenty)  telomeráza: dosyntetizuje DNA na koncích chromozomu  na konci fáze: chromatidy spojeny v místě centromery; dvojnásobná genová dóza buněk  G2 (premitotická fáze) („second gap“)  závislá na dokončení replikace DNA v S fázi  metabolická aktivitia  syntéza RNA  syntéza a aktivace proteinů (potřebných ke kondenzaci chromozomů)  tvorba buněčných struktur (potřebných k tvorbě mitotického aparátu a destrukci jaderného obalu)  končí zahájením mitózy  zde leží 2. kontrolní uzel buněčného cyklu – rozhoduje o tom, zda buňka do mitózy skutečně vstoupí G0 klidová fáze  Jestliže se buňka dostane do nevhodných  podmínek, může z G1 fáze přejít do fáze G0,  která zastaví ostatní kroky cyklu  Aby se z G0 fáze dostala, musí dostat specifický signál v G1 fázi  V této fázi je většina buněk našeho těla (u člověka je většina nervových a svalových buněk celý život bez dělení)  M-fáze mitóza kontrolní bod→ → cytokineze  G1-fáze růst buňky kontrolní bod možnost vstupu do G0-fáze  G0-fáze buňka je diferencovaná a dále se nedělí  S-fáze replikace DNA  G2-fáze kontrolní bod růst buňky kondenzace chromozomů REGULACE BUNĚČNÉHO CYKLU Buněčný cyklus probíhá autonomně, ale buňka má možnost zkontrolovat dokončení předcházejících kroků a příp. zastavit cyklus v KONTROLNÍCH BODECH (CHECKPOINTS). SYSTÉM KONTROLNÍCH BODŮ:  Má zajistit: synchronizaci (následnost) dějů uvnitř buňky v tomto základním schématu:  replikace DNA – mitóza – cytokineze  v případě zjištění neúplnosti předcházejícího kroku, dochází k vyslání inhibičních signálů blokujících buněčný cyklus v kontrolním bodu  regulace buněčného cyklu je klíčová  pro fungování buňky  pokyny k proliferaci a diferenciaci buněk  programovaná buněčná smrt  poruchy mohou vést až k nádorovému bujení REGULACE BUNĚČNÉHO CYKLU  Některé buňky se dělí v průběhu celého života např. buňky kůže, střevní sliznice, kostní dřeně  Jiné jsou připraveny se dělit, ale dělí se pouze v případě zranění jako např. buňky jater  některé buňky dospělého člověka ztratily zcela schopnost se dělit – vysoce diferencované buňky (diferenciace nedovoluje návrat do buněčného cyklu) neurony a buňky svalů  většina buněk našeho těla je ve fázi G0 (taková buňka ale může dostat signál „vpřed“ v G1 fázi)  buňky ledvin, endotelu, pankreatu….  mechanismus regulace buněčného cyklu je klíčový pro pochopení vzniku rakoviny Růst a vývoj buněk Růst buněk  Organizmus se zvětšuje zvyšováním počtu buněk a zvětšováním jejich objemu. Po rozdělení mateřské buňky na dceřinné buňky zvětšují svůj objem – rostou. Podmínkou růstu je dostatek organických látek. Diferenciace  Z oplodněného vajíčka vznikají všechny buňky organizmu, které se mnohdy zásadně liší tvarem i funkcí. Tomuto rozlišení původně "univerzální" oplozené buňky, říkáme diferenciace. Podstatou diferenciace je tlumení aktivity nebo naopak aktivace různých dědičných vloh buňky. Buňky se pak liší tvorbou různých typů bílkovin, které rozhodují o jejich stavbě i o jejich funkci.  Diferenciace je většinou nevratný děj a plně se uplatňuje při vývoji zárodku.  U některých typů buněk je diferenciace možná po celý život. Jde o tzv. kmenové buňky, jejichž současný výzkum nejspíše povede k „biomedicínské revoluci“ 21. století. Kmenové buňky jsou důležité především pro obranu organismu, náhradu poškozených nebo ztracených tkání. Využití a podpora těchto procesů je proto součástí mnoha léčebných postupů v medicíně.  Projevy diferenciace embrya a jejich posloupnost studuje embryologie. Stárnutí buňky  zásadním projevem stárnutí nediferenciované buňky je ztráta schopnosti dělit se (vliv zkracování telomer)  schopnost dělit se po určitém množství mitóz ztrácí i buňky žijící v optimálních podmínkách  opotřebovávání buněk je spojené s postupnou ztrátou jejich funkcí  některé buňky stárnou spolu s organizmem (nervové a svalové buňky člověka žijí celý jeho život cca 80 let)  jiné stárnou a opotřebovávají se mnohem rychleji a v průběhu života jsou postupně nahrazované novými (např. pokožkové a krevní buňky–červené krvinky žijí zhruba 120 dní) Smrt buňky  = zastavení životních pochodů buňky  mnohé buňky zanikají rozdělením–nejedná se tedy o jejich smrt  Naprogramovaná smrt buňky – apoptóza a autofagie  plánovaně po určité době, kdy plnila svou funkci (červené krvinky)  fyziologická buněčná smrt  Nekróza = neřízená odpověď na akutní poškození  neplánovaně při poškození (buňka může být nahrazena při procesu regenerace – hojení ran)  Regenerace (obnova) –je dána schopností diferencovaných buněk obnovit v případě potřeby své dělení PROGRAMOVANÁ BUNĚČNÁ SMRT  =indukovaný, regulovaný a selektivní proces pro vyřazování určitých buněk  Apoptóza (apoptosis, type I PCD)  kaspázy  kalpainy, katepsiny, granzymy  Autofagie (autophagy type II PCD)  autofagozomy/autolysozomy (lysozomální proteázy) Apoptóza  Heterofagická smrt buňky  proteolýza prostřednictvím KASPÁZ  na destrukci buňky se nepodílí vlastní lysozomy  některé katepsiny z vlastních lysozomů ale aktivují některé kaspázy:  →s přímou účastí mitochondrií  → prostřednictvím cytoplazmatických receptorů  → s granzymem B (proteináza uvolňovaná  z cytotoxických T-lymfocytů) Autofagie  = buněčný mechanizmus degradace větších objemů vnitrobuněčného materiálu, a to včetně celých organel  v reakci na stres aktivuje buňka autofagii –proces, kdy se organely a část cytoplazmy uzavírají a rozpadají v autofagozomech  Autofagozomy se spojují s lyzosomy (degradační enzymy)  Při autofagii vyvolané stresovou reakcí je snaha o obnovení homeostázy a zachování života buňky  pokud je poškození velké, je v zájmu celku lepší destruovat celou buňku – autofagická programovaná buněčná smrt Autofagie  Fagofor – autofagozom – autolysozom  hlavní podíl na degradaci mají vlastní lysozomy, které obsahují katepsiny  proteolýza prostřednictvím KATEPSINŮ BUNĚČNÉ DĚLENÍ BUNĚČNÉ DĚLENÍ Buněčné dělení probíhá v M fáze buněčného cyklu a skládá se z karyokineze a cytokineze. Typy karyokineze:  Amitóza = přímé dělení  Mitóza = nepřímé dělení  Meióza = redukční dělení BUNĚČNÉ DĚLENÍ Amitóza = buněčné dělení, při kterém se netvoří chromozomy, nevzniká dělící vřeténko a obvykle při něm dochází k nerovnoměrnému rozdělení genetické informace. Nezaniká jaderná membrána. Nekontrolované dělení. Probíhá zaškrcení jádra, posléze celé buňky. Dělí se tak buňky alterované (poškozené), nádorové, bakterií a sinic (prokaryot). Jádro se v podélné ose zaškrtí…. Přímé dělení jádra BUNĚČNÉ DĚLENÍ Mitóza = buněčné dělení, které zabezpečuje rovnoměrné rozdělení genetického materiálu do dvou nově vznikajících dceřiných buněk. Tento typ buněčného dělení je typický pro tělní (somatické) buňky. Je to souvislý, kontinuální proces. Konvenčně se ale dělí do čtyř fází: 29 FÁZE MITÓZY Karyokineze I. Profáze II. Metafáze III. Anafáze IV. Telofáze MITÓZA  Mitóza = jaderné dělení, při kterém vznikají dceřiná jádra o stejném počtu chromozómů jako mateřské jádro. Obvykle trvá cca 1 hod.  postmitotická buňka = buňka, která se již nikdy nebude dělit většina velmi specializovaných buněk (neurony, buňky pokrývající vily v tenkém střevu, svalové buňky) se po svém vzniku již nikdy nedělí a jsou tedy postmitotické o postmitotických buňkách přitom nelze říci, že jsou ve fázi G nula, neboť z této fáze se buňka může opět dostat zpět do buněčného cyklu. Postmitotická buňka se zpět do buněčného cyklu již nikdy nedostane PROFÁZE  Během této fáze dochází ke spiralizaci vláken DNA a diferenciaci chromozómů, u kterých jsou patrné dvě chromatidy.  V závěru této fáze se rozpadá jaderná membrána a chromozómy se rozptylují.  rozdělené centrozomy se začnou vzdalovat a vytvářet dělící vřeténko METAFÁZE  Chromozómy se seskupují v ekvatoriální rovině buňky a vzniká tak charakteristická metafázová destička.  Tato fáze je nejvhodnější pro pozorování chromozómů a cytogenetická vyšetření.  Pokud buňka obsahuje dělící vřeténko, je již plně vyvinuto. ANAFÁZE  Chromozómy jsou v oblasti centromer napojeny na vlákna vycházející z opačných pólů dělícího vřeténka.  Následně se rozpadají centromery na dvě části, každá s jednou chromatidou, které jsou zkracováním vláken přitahovány k opačným pólům vřeténka a tudíž do odlišných částí buňky. TELOFÁZE  Chromozómy jsou nahloučeny u buněčných pólů a despiralizují se, vytváří se kolem nich jaderná membrána.  Na konci telofáze dochází k zaškrcení buňky a vzniku dvou dceřiných buněk, každé připadne jedno nové jádro. CYTOKINEZE  Následuje samotná cytokineze. Při cytokynezi vzniká přepážka mezi dceřinými buňkami trojím způsobem:  a) Pučením typické pro některé prvoky, kvasinky. Na mateřské buňce se vytvoří pupen (nestejné množství cytoplazmy), který se oddělí a teprve později doroste.  b) Rýhováním (zaškrcením) živočišné buňky. Dostředivé dělení. Buňka se jakoby "zaškrtí" od krajů do středu.  c) Přehrádečným dělením rostlinné buňky. Přehrádka mezi buňkami vzniká od středu ke kraji. Odstředivé dělení. CYTOKINEZE Rýhování – kontraktilní prstenec  Vytváří se kolmo k podélné ose dělícího vřeténka  v ekvatoriální rovině těsně pod cytoplazmatickou membránou (kde je zakotvený)  tvoří ho aktinové a myozinové mikrofilamenta  Začíná se stahovat již v anafázi  Nejprve vzniká dělící žlábek a stahovaním se prohlubuje až dojde k zaškrcení a oddělení buněk  Potřebuje energii a Ca2+ MITÓZA Tato animace se týká živočišné buňky Centrozómy většiny rostlinných buněk postrádají centrioly MITÓZA – ZAJÍMAVOSTI  V každém z nás proběhne za život 1016 mitóz!  Pokud počítáme, že naše těla se skládají z cca 3x1013 buněk  … pak se v průběhu života buňky našeho těla kompletně vymění nejméně 100x!  všechny buňky samozřejmě ne, jsou zde buňky, které se nedělí CHROMOSOMY V DĚLÍCÍ SE BUŇCE MEIÓZA  Podobně jako před mitózou, i před meiózou je S-fáze, ve které dojde k replikaci DNA a zdvojení chromozomů  tato replikace je ale následována dvěma po sobě jdoucími děleními  Meióza umožňuje vznik pohlavních buněk – gamet s redukovaným (haploidním) počtem chromozómů  výsledkem jsou 4 buňky, každá s polovičním počtem chromozomů než měla rodičovská FÁZE MEIÓZY Meióza představuje dvě dělení jádra, která následují za sebou. Meióza I - redukční - heterotypické dělení  profáze I (leptotene, zygotene, pachytene, diplotene a diakineze)  metafáze I  anafáze I  telofáze I Meióza II - ekvační dělení - homeotypické dělení  profáze II  metafáze II  anafáze II  telofáze II MEIÓZA  Během profáze I. meiózy vyhledá každý chromozom svého homologa v procesu zvaném synapse. Vytváří se synaptonemální komplex, při kterém proteinový „zip“ spojí oba homologní chromosomy těsně k sobě podél celé jejich délky. V pozdní profázi synaptonemální komplex mizí a homologní páry jsou v mikroskopu vidět jako tetrády. MEIÓZA  chiasmata představují „přeskládání“ genetické informace, známou jako crossing-over  synapse, chiasmata, crossing-over se objevují pouze v profázi I. meiózy, a nikdy při mitóze  v metafázi I. meiózy se v ekvatoriální rovině formují dvojice homologních chromozómů, nikoli individuální chromozomy jako při mitóze  při anafázi I. meiózy se sesterské chromatidy neoddělují a k pólům buňky přesunují celé chromozomy CROSSING-OVER MEIÓZA I. PROFÁZE  Na konci profáze vzniká dělící vřeténko  Mikrotubuly dělícího vřeténka se zachycují do kinetochorů.  Chromozomy se začínají přesouvat do ekvatoriální roviny  profáze I. trvá obecně hodiny nebo i dny a typicky zabírá 90% času celé meiózy MEIÓZA I METAFÁZE  Chromozomy jsou nyní v ekvatoriální rovině, homologické chromozomy stále těsně u sebe  mikrotubuly jednoho centrozomu jsou připevněny ke kinetochoru jednoho z homologických chromozomů, mikrotubuly druhého chromozomu jsou připevněny ke kinetochoru druhého z homologických chromozomů MEIÓZA I. ANAFÁZE  Chromozomy se oddělí a směřují k opačným pólům buňky  sesterské chromatidy ale zůstávají u sebe a chromozom se nedělí, putuje celý k jednomu pólu buňky - jeho homolog putuje ke druhému pólu  Poznámka: toto je rozdíl oproti mitóze, kde se v ekvatoriální rovině nachází chromozomy jako individua, nikoli v homologických párech. Při mitóze se také jeden chromozom rozdělí v místě centromery na dva, v meióze I. nikoli. MEIÓZA I. TELOFÁZE A CYTOKINEZE  Na každém pólu buňky je nyní jedna haploidní sada chromozomů. Z homologního páru se přesunul jeden chromozom k jednomu pólu buňky, druhý ke druhému  každý z chromozomů je ovšem stále tvořen dvěma sesterskými chromatidami  během telofáze I. následuje zpravidla cytokinese MEIÓZA I. - SOUHRN  Profáze – homologické chromozómy se párují (tvoří tzv. bivalenty), jejich chromozómy se proplétají a může dojít k tzv. crossing – overu  Metafáze – řazení do ekvatoriální roviny, dělící vřeténko  Anafáze – na rozdíl od mitózy jdou k pólům buněk celé chromozómy (nikoli jen jejich poloviny, chromatidy, jako u mitózy)  Do nové buňky se dostane vždy jen jeden z homologických chromozómů, nezávisle na původní příslušnosti k „otci“ či „matce“ MEIÓZA II. PROFÁZE  Před meiózou II. není S-fáze (=replikace genetického materiálu)  Vytváří se dělící vřeténko a chromozomy migrují do ekvatoriální roviny MEIÓZA II. METAFÁZE  Kinetochory sesterských chromatid jsou připevněny k mikrotubulům opačných centrosomů, podobně jako při mitóze MEIÓZA II. ANAFÁZE  Centromery sesterských chromatid se oddělují a sesterské chromatidy - nyní samostatné chromosomy - putují k opačným pólům buňky MEIÓZA II. TELOFÁZE A CYTOKINESE  Na opačných pólech buňky se tvoří jádra  výsledkem jsou tedy čtyři buňky, každá s haploidním počtem chromozomů MITÓZA A MEIÓZA - SROVNÁNÍ