RNDr. Michaela Klementová Slezská univerzita, 2017 (4) = je posloupnost vzájemně koordinovaných procesů, které vedou od jednoho buněčného dělení k následujícímu buněčnému dělení Lze rozdělit na: – mitotická fáze -dělení (karyokineze a cytokineze) - přestávka mezi dělením - 90% celého buněčného cyklu Interfázi se dělí na: G1 fázi S fázi G2 fázi * Buněčný cyklus popisuje procesy, které probíhají v buňce mezi dvěma po sobě jdoucími cytokinezemi. Termín cytokineze označuje mechanismy dělení celé buňky. Procesy, které související s dělením jádra jsou označovány jako karyokineze. Karyokineze předchází cytokinezi. *  G1 (postmitotická fáze) („first gap“) – metabolická aktivita (transkripce, translace)  S – fáze – probíhá zdvojení (replikace) DNA  G2 (premitotická fáze) („second gap“) – metabolická aktivitia  Obecně v interfázi probíhá:  Tvorba buněčné stěny  Růst buňky na původní velikost  Tvorba cytoplazmy, dělí se mitochondrie a plastidy, vznikají membrány atd.  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  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 M fáze, karyokineze:  Amitóza = přímé dělení  Mitóza = nepřímé dělení  Meióza = redukční 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. Probíhá zaškrcení jádra, posléze celé buňky. Dělí se tak buňky alterované (poškozené), nádorové, bakterií a sinic (prokaryot). 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: 10 Karyokineze I. Profáze II. Metafáze III. Anafáze IV. Telofáze  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 villy 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  Jádro je dobře formované, obaleno membránami  jádro obsahuje jedno či více jadérek (nucleoli)  mimo jádro se nachází dva centrosomy, vzniklé replikací původně jednoho centrosomu  mikrotubuly rostou z těchto centrosomů všemi směry a vytvářejí tzv. aster („hvězda“)  chromosomy jsou již dlouho, od S fáze, zreplikovány, ale nejsou ještě pozorovatelné  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.  Pokud je v buněčné plazmě obsažen centrozom, rozdělí se a takto rozdělené centrozomy se začnou vzdalovat a vytvářet dělící vřeténko.  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.  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.  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.  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. Tato animace se týká živočišné buňky Centrozómy většiny rostlinných buněk postrádají centrioly  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  Podobně jako před mitózou, i před meiózou je S-fáze, ve které dojde k replikaci DNA a zdvojení chromosomů  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 chromosomů než měla rodičovská 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 Označení „heterotypické dělení“ vychází ze skutečnosti, že princip této etapy meiózy je odlišný od mitózy. Profáze I Leptotene: Chromozómy se začínají spiralizovat. Zygotene: Dvojice homologních chromozómů se začínají propojovat a vytvářejí bivalenty. Pachytene: Nesesterské chromatidy homologních chromozómů se překřižují. Vznikají chiazmata. Dochází ke crossing-overům. Diplotene: Chromozómy se zkracují. Dochází k částečnému rozpojení chromozómů. Diakineze: Pokračuje kondenzace již rekombinovaných chromozómů.  Na konci profáze vzniká dělící vřeténko  Mikrotubuly dělícího vřeténka se zachycují do kinetochorů.  Chromosomy se začínají přesouvat do ekvatoriální roviny  profáze I. trvá obecně hodiny nebo i dny a typicky zabírá 90% času celé meiózy  Chromosomy jsou nyní v ekvatoriální rovině, homologické chromosomy stále těsně u sebe  mikrotubuly jednoho centrosomu jsou připevněny ke kinetochoru jednoho z homologických chromosomů, mikrotubuly druhého chromosomu jsou připevněny ke kinetochoru druhého z homologických chromosomů  Chromosomy se oddělí a směřují k opačným pólům buňky  sesterské chromatidy ale zůstávají u sebe a chromosom 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 chromozómy jako individua, nikoli v homologických párech. Při mitóze se také jeden chromosom rozdělí v místě centromery na dva, v meióze I. nikoli.  Na každém pólu buňky je nyní jedna haploidní sada chromosomů. Z homologního páru se přesunul jeden chromosom k jednomu pólu buňky, druhý ke druhému  každý z chromosomů je ovšem stále tvořen dvěma sesterskými chromatidami  během telofáze I. následuje zpravidla cytokinese  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“  Před meiózou II. není S-fáze (=replikace genetického materiálu)  Vytváří se dělící vřeténko a chromosomy migrují do ekvatoriální roviny  Kinetochory sesterských chromatid jsou připevněny k mikrotubulům opačných centrosomů, podobně jako při mitóze  Centromery sesterských chromatid se oddělují a sesterské chromatidy - nyní samostatné chromosomy - putují k opačným pólům buňky  Na opačných pólech buňky se tvoří jádra  výsledkem jsou tedy čtyři buňky, každá s haploidním počtem chromosomů  (1) Během profáze I. meiózy vyhledá každý chromosom 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 konplex mizí a homologní páry jsou v mikroskopu vidět jako tetrády.  ve světelném mikroskopu jsou rovněž patrné struktury ve tvaru písmene X zvané chiasmata  chiasmata představují překřížení dvou nesesterských chromatid homologních chromosomů  chiasmata představují „přeskládání“ genetické informace, známou jako crossing-over  synapse, chiasmata, crossing-over se objevují pouze v profázi I. meiózy, a nikdy při mitóze  (2) v metafázi I. meiózy se v ekvatoriální rovině formují dvojice homologních chromozómů, nikoli individuální chromosomy jako při mitóze  (3) při anafázi I. meiózy se sesterské chromatidy neoddělují a k pólům buňky přesunují celé chromosomy Regulace buněčného cyklu  Regulace buněčného cyklu je klíčová a její poruchy mohou vést až k nádorovému bujení. Uskutečňuje se na dvou základních úrovních:  aktivace: G0 → G1. Začíná expresí genů primární odpovědi a poté následuje exprese kaskády příslušných sekundárních genů.  progrese: G1 → S → G2 → M.  Kontrolní systém monitoruje kompletnost kroků v buněčném cyklu. V případě zjištění neúplnosti dochází k vyslání inhibičních signálů blokujících buněčný cyklus v tzv. kontrolních bodech.  G1 / S – blokáda buněčného cyklu, jsou-li buněčný růst nebo okolní podmínky nepříznivé pro další dělení;  G2 / M – zastavení buněčného cyklu, není-li dokončena replikace DNA event. je-li DNA poškozena;  M / G1 – na přechodu metafáze/anafáze, zastavení, nejsou-li chromozomy řádně připevněny k mitotickému vřeténku.  Kontrolní systém buněčného cyklu je založen na oscilacích aktivity cyklindependentních kináz – CdK. Jedná se o proteinkinázy, které tvoří komplexy s cykliny. Katalyzují fosforylaci bílkovinných substrátů, čímž dochází ke změnám v enzymatické aktivitě substrátu a v jeho interakci s jinými proteiny.  Kinásy = enzymy, které aktivují či inaktivují jiné enzymy připojením fosfátové skupiny. Kinásy jsou v rostoucí buňce ve stále stejné koncentraci, ale po většinu času jsou neaktivní  cykliny = proteiny, jejichž koncentrace v buňce se cyklicky mění  aby se kinása stala aktivní, musí se spojit s cyklinem  Některé buňky, např. buňky kůže se dělí v průběhu celého života  pokud buňka nedostane signál „vpřed“ v G1 fázi, dostane se do fáze G0 V této fázi je většina buněk našeho těla  jiné, jako např. buňky jater, jsou připraveny se dělit, ale dělí se pouze v případě zranění  některé buňky dospělého člověka zřejmě ztratily schopnost se dělit (dříve se uváděly neurony a buňky svalů)  mechanismus regulace buněčného cyklu je klíčový pro pochopení vzniku rakoviny  ploidie = počet kopií každého chromosomu přítomného v buněčném jádru  číslo N = počet každé dvoušroubovicové molekuly DNA v jádru Každý chromozom obsahuje v odlišných fázích buněčného cyklu jednu nebo dvě molekuly DNA.  somatické buňky mají dvě kopie každého typu chromosomu a jsou tedy zvány diploidní  gamety mají jen jednu kopii každého typu chromosomu a jsou zvány haploidní  gamety tedy mají v každém chromosomu jednu molekulu DNA a jsou tedy 1N  v některých fázích buněčného cyklu (G1) mají somatické buňky v každém chromosomu jednu molekulu DNA jsou tedy 2N  ve fázi G2 a v raných fázích mitosy a meiosy však každý chromosom diploidní buňky obsahuje dvě molekuly DNA a buňka je tedy 4N  Gametogeze je tvorba pohlavních buněk – gamet  Pohlavní buňky vznikají redukčním dělením – meiózou  Gamety mají v důsledku redukčního dělení haploidní sadu chromozómů  Vyvíjejí se z buněk zárodečného epitelu pohlavních žláz, které jsou jako ostatní somatické buňky diploidní  Vývoj samčích a samičích pohlavních buněk je velmi rozdílný.  Savci pohlavní buňky (gamety): - samčí (spermie) - samičí (vajíčka)  U savců existuje rozdíl mezi spermatogenezí a ovogenezí  Při spermatogenezi vznikají z 1 spermatogonie 4 haploidní spermie  Při ovogenezi se tvoří jen 1 zralé vajíčko a 3 pólocyty neschopné plození  Segregace chromozomů do gamet je náhodný proces, při němž se nezávisle rozchází homologní pár chromozomů  Důsledkem je, že v každé gametě jsou některé chromozomy původní otcovské sady a jiné z mateřské. To znamená, že každá gameta je z hlediska kombinace otcovských a mateřských chromozomů a tedy alel vybavena jinak  Alely a jimi kódované znaky se sice dědí, ale nedědí se jejich kombinace  Pravděpodobnost, že se do téže gamety dostanou ze všech homologních párů pouze chromozomy jednoho rodiče exponenciálně klesá s počtem chromozomů. Všeobecně obsahuje vždy 1 : 2n-1 gamet jednu z rodičovských kombinací chromozomů. U člověka s n = 23 činí tato pravděpodobnost pro jednu gametu 1:4 194 304.  Základem pohlavního rozmnožování je splynutí dvou gamet, čímž vzniká zygota diploidní buňka  tato zygota se mitózou rozdělí na dvě, 4,8,16… až dojde k narození dítěte. Proces pak bude stále pokračovat  v každé tělní buňce dítěte je tedy přesná kopie genů, které vytvořily zygotu  Klíčová slova:  Fáze buněčného cyklu; pučení; rýhování; přehradečné dělení; karyokineze; cytokineze; homologické chromozomy, mitóza; meióza, poidie buněk