Buněčný cyklus
Buněčný cyklus
- základním mechanismem, kterým se rozmnožuje vše živé
- jako buněčný cyklus se označuje život buňky od dělení do dělení, a může trvat různým buňkám různě dlouho (epiteliární buňky výstelky střeva se dělí několikrát denně, zatímco jaterní buňky jednou za rok)
- u jednobuněčných organismů vzniká dělením celý nový organismus, zatímco u mnohobuněčných organismů je pro vznik nového jedince z jednobuněčného vajíčka zapotřebí mnoha dělení
- vývoj předcházející buněčnému dělení
- u lidských buněk trvá 24 hodin
- u lidského vajíčka čekajícího na oplodnění je výrazně prodloužená 1. fáze meiózy
- Prokaryotický BC
- nejjednodušší a nejrychlejší – nemají jádro a obsahují pouze jeden kruhový chromosom
- nukleoid je přichycen k plasmatické membráně, zůstává přichycen i v průběhu replikace
- s růstem buňky je zreplikovaný nukleoid oddělován od původního
- když buňka zdvojnásobí velikost, rozdělí se jednoduchým binárním dělením
- Eukaryotický BC
- je složitější, neboť tyto buňky obsahují DNA v mnoha chromosomech (i v mitochondriích achloroplastech), a také množství organel a cytoskeletárních filament, které musí být rovnoměrně rozděleny mezi dceřiné buňky
- tyto složité cytoplasmatické a jaderné procesy musí být vzájemně koordinovány
- je rozdělován do čtyř fází – M, G1, G0, G2, S
v M fázi – dochází k dělení jádra meiózou nebo mitózou
– doba mezi M-fázemi se nazývá interfáze
- Fáze buněčného cyklu
- G0
- buňka žije, ale nepřipravuje se na dělení
- některé buňky z ní umí zpětně vystoupit a připravovat se na dělení (lymfocyty)
- G1
- buňka roste, zvětšuje množství organel a připravuje se na replikaci
- tvoří se replikační enzymy (DNA polymeráza, helikáza, …)
- S
- replikační fáze
- replikuje se chromatin jako celek – DNA, histony i proteiny určující, kde bude euchromatin a heterochormatin
- zdvojnásobuje se počet centriol (dotvoření dalších 2) – semikonzervativní -> v následném centrozomu (dvě centrioly) je jedna mateřská a druhá dceřiná
- cohesin – protein držící pohromadě dvě stejné molekuly DNA po replikaci (kontrola)
– drží je v místě budoucí centromery
- je nejdelší – trvá asi 12 hodin
- G2
- příprava na M fázi – tvorba tubulinu na mitotické vřeténko
- M
- mezi centrozomy (každé tvořené 2 centriolami) se natáhne mitotické vřeténko
- tvoří se kondensin – kondenzuje a spiralizuje chromozomy, aby se během M fáze nepoškodily
- rozpadne se jaderný obal
- segregace – rozchod chromatid/chromozomů k opačným pólům
- restaurace – obnovení jaderných obalů
- cytokineze – následné rozdělení buňky na 2
- mikrotubuly – rozcházejí se po nich chromozomy (sunou se po sobě díky motorovým proteinům)
- centrioly – vychází z nich mikrotubuly
– nemají je všechny buňky (rostliny, vaječné buňky)
- kinetochor – bílkoviny připojující mikrotubuly na centromeru, aby se oddělily a rozestoupily dvě chromatidy
MITÓZA
- dvouchromatidové chromosomy jsou rozděleny
- vznikají 2 dceřiné diploidní (2n) buňky, identické s buňkou mateřskou
- Profáze
- dochází ke kondenzaci (spiralizaci) chromosomů
- na centromerech se tvoří kinetochory
- Prometafáze
- chromozomy se začínají navazovat na mikrotubuly
- rozpad jaderného obalu + rozpad jaderných lamin -> spuštěn změnami na jaderných pórech
- Metafáze
- chromosomy jsou navázané na mikrotubulech opačných pólů a řadí se v ekvatoriální rovině (uprostřed)
- Anafáze
- oddělení sesterských chromatid, jsou odtahovány k opačným pólům
- anafáze A – mikrotubuly se na + koncích (u kinetochorů) rozpadají -> oddálí se chromatidy
-> centromery nemění pozice
- anafáze B – zkrácení kinetochorových mikrotubul -> začnou se rozpadat na – konci (u centromery)
-> dvě překrývající se mikrotubuly ťapou po sobě a zároveň se na + konci prodlužují
Telofáze
- chromosomy jsou na opačných pólech buňky
- tvoří se nové jaderné obaly
- rozpad mitotického vřeténka (složeného z mikrotubulů)
MEIÓZA
- výsledkem jsou 4 haploidní (1n) buňky, každá nese jinou genetickou informaci
- probíhá u buněk určených ke spermatogenezi nebo oogenezi (pohlavních)
- Meióza I. = heterotypické dělení
- rozchází se chromozom z chromozomového páru
- již vzniká geneticky odlišná buňka
- Profáze
- části: leptotene, zygotene, pachytene, diplotene
- průběh crossing-over v pachytene
- 2 stejné chromozomové páry se k sobě dostatečně přiblíží
- chiasma (překřížení) v přesném místě
- homologní rekombinace – kusy se prohazují mezi 2 řetězci náhodně
- veliká variabilita
- Metafáze – chromozomy se postaví nad sebe (ekvatoriální rovina)
- Anafáze – chromozomy odchází jako celky k opačným pólům
- následná cytokineze
- Meióza II. – ekvační (homeotypické) dělení
- jako v klasické mitóze
- sesterské chromatidy jsou rozděleny do dvou dceřiných buněk
- rozchází se poloviční počet chromozomů
CYTOKINEZE
- již není součástí M-fáze
- obvykle začíná v anafázi, ale není dokončena dříve, než vzniknou obě dceřiná jádra
- v živočišných buňkách
- vytváří se kontraktilní prstenec – tvořen z mikrofilament
- „zaškrtí“ buňku -> vytvoří dvě dceřiné buňky, každou s jedním jádrem
- v rostlinných buňkách
- Fragmoplast – formován ze zbytků mikrotubulů v ekvatoriální rovině
– podél mikrotubulů jsou k fragmoplastu transportovány váčky z Golgiho aparátu, kde spolu fúzují, a nová buněčná stěna roste směrem k povrchu buňky
- rovnoměrné rozdělení organel mezi obě buňky je zajištěno buď jejich replikací (mitochondrie, chloroplasty), nebo rozpadem na malé fragmenty (Golgiho aparát, endoplasmatické retikulum)
Vnitřní řízení buněčného cyklu
- vnitřními faktory jsou negativní signály, které pominou, je-li probíhající fáze správně dokončena
- Cyklin
- proteiny vznikající v určité části BC
- slouží pro přechod buňky do další fáze BC
- po posunutí buňky do další fáze jsou rozštípány (ubikvitinace)
- sám o sobě nemá žádnou enzymovou aktivitu, ale jeho navázání se na CdK je nezbytné pro její aktivitu
- Cyklin-dependentní kináza (CdK)
- enzym katalyzující fosforylace
- funguje pouze při spojení s cyklinem, avšak pro aktivaci CdK nestačí jen přítomnost cyklinů, nýbrž je nutná i její fosforylace -> jsou neustále přítomné v inaktivní podobě, aktivují se cyklinem a cyklin-dependentní-kinázu-aktivující-kinázou
- aktivovaný komplex cyklin-Cdk může fosforylovat další složku signální kaskády, což vede k transkripci žádaného genu
- Ubikvitin-ligázy
- označují cykliny, které mají být rozštípány proteazomem
- např. APC/C
- Transkripční faktory tvořící proteiny
- Kaskády a zpětné vazby (+ nebo -)
- Inhibice cyklin dependentní kinázy
- záleží, kam se naváže fosfátová skupina
- fosforylací na špatném místě se inhibuje
- Změna konformace CdK – např. interakce s jiným proteinem
Kontrolní body BC
- regulační systém je schopen zastavit buněčný cyklus v kontrolních bodech
- dochází buď k opravě nebo apoptóze
- Pozdní G1 – restrikční bod (START)
- kontrola a případná oprava DNA před replikací
- je-li vše v pořádku, pustí buňku dál
- G2/M
- kontrola replikace z S fáze
- kontrola připravenosti na mitózu (dostatek mikrotubulů…)
- Metafáze/anafáze
- kontrola navázání chromozómů/chromatid na kinetochorové mikrotubuly
- kontrola připravenosti na rozchod k opačným pólům (buď jako mitóza nebo jako meióza)
- kontrola vzniku mitotického vřeténka
Průběh kontroly a řízení v buněčném cyklu
- G1 fáze
- růstová fáze, rozhoduje se v ní o dělení buňky
- tvoří se G1 cykliny
- G1 cykliny se mohou navázat na CdK, který se tím aktivuje a vzniká aktivní komplex G1-CdK
- k navázání dochází, je-li dost mitogenů (info od ostatních buněk)
- nenaváže se, jsou-li nevhodné podmínky
- G1/S cykliny – tvoří se díky G1-CdK, nutné pro přechod k restrikční fázi
- Rb protein – na buněčné úrovni inaktivuje G1-CdK komplex
- dojde ke svázání G1/S s CdK na G1/S-CdK komplex, čímž se překonává tento restrikční bod
- G1/S-CdK komplex neposune buňku do S fáze, je-li v buňce velké množství proteinu p53 (to značí, že DNA není ok)
-> oni se ani nevytvoří S cykliny (nutné pro vstup do S fáze)
- S fáze
- primárně řízena S-CdK
- spouštění a průběh (pouze jedné!) replikace DNA
- dotváření histonů
- G2 fáze
- buňka do ní přechází pozvolně
- není řízena zvláštními cykliny, ale tvoří se zde cykliny pro M fázi
- G2/M bod – kontrola před mitózou/meiózou
- tvoří se M cykliny, které tvoří M-CdK, která se aktivuje defosforylací -> defosforyluje ji fosfatáza, která vzniká po kontrole v G2 fázi (při problému ji umí p53 blokovat)
- defosforylace M-CdK vede k podpoře vzniku fosfatázy -> pozitivní zpětná vazba (amplifikace odpovědi)
- M fáze
- kontrolní bod na úrovni metafáze/anafáze
- kontrola, jsou-li všechny chromozomy navázány na kinetochorové mikrotubuly dělícího vřeténka
- ubikvitin-ligáza APC/C
- aktivuje reakce, které byly blokovány S a M cykliny (ubikvitinuje je)
- řízena aktivitou M-CdK
- vazbou na dělící vřeténko vzniká v chromozomech mechanické napětí, které je vnímáno regulačními proteiny a umožňuje vstup do anafáze
- jakmile jsou chromatidy odděleny, dochází k jejich oddalování a následné cytokinezi, po níž dceřiné buňky opět vstupují do G1
- od anafáze již nic není řízeno CdK
- Protein p53
- kontrola v kontrolních bodech
- jeho syntéza je omezena, je-li v těle přítomen nikotin
- zabraňuje buňkám s poškozenou DNA, aby se dělily, a tak udržuje stabilitu genetické informace
- hladina vzrůstá v odpovědi na poškození DNA, aktivaci onkogenů a hypoxii
- ovlivňuje transkripci celé řady proteinů
- hlavní výsledky jeho aktivace
- zástava buněčného cyklu v G1/S fázi (přes protein p21)
- zástava buněčného cyklu v G2/M fázi (přes 14-3-3)
- indukce apoptózy při neschopnosti buňky opravit poškození (aktivací proteinů BAX)
Vnější řízení buněčného cyklu
- Mitogeny
- působí v G1 fázi
- chemické látky podporující dělení buněk
- aktivují komplex G1-CdK -> umožní tvorbu G1-S cyklinů
- např. destičkový růstový faktor – uvolňován krevními destičkami -> stimulují okolní buňky (fibroblasty), aby se dělily
- Inhibitory růstu (dělení)
- brání dělení buňky
- např. myostatin – tlumí růst svalů
- Záchranné faktory
- brání buňce vstoupit do apoptózy -> nechá buňku dělit se, i když není chyba opravená
- Spouštěče apoptózy – buňka řízeně umře
Reakce na poškození DNA
- DNA-demage checkpoints
- Pozdní G1 fáze
- p53 – je neustále ubikvitinován a odbouráván (je ho v buňce málo)
– je-li DNA poškozena, přestane se ubikvitinovat a hromadí se v buňce
– spouští transkripci genu pro protein 21 a ten blokuje činnost CdK
- Přechod G2 a M
- kontrola zreplikované DNA, aby se nedělila vadná buňka
- nepodaří-li se chybu napravit, buňka umře (ale kvasinka se dělí i poškozená, jde jí o život)
- Hayflickův limit
- zkracování telomer (konce chromozomů, které nic nekódují)
- zkrátí-li se již kódující část DNA, nastoupí p53 a buňka umře
- Spouštění apoptózy = programovaná buněčná smrt
- díky p53
- spouštěna kaskádou
- mnohobuněčný organismus reguluje počet buněk, zbavuje se těch nepotřebných
- může být spuštěna jak zevnitř, tak zvenku (p53 nebo buňky imunitního systému)
- Kaspáza – cysteinová proteáza
– účastní se kaskády buněčné smrti
- Průběh – změna tvaru jádra a buňky (výběžky, bobtnání)
– rozpad na apoptická tělíska, která zneškodní (seřeže) fagocytující buňka (makrofág)
- apoptózou ztrácí pulec ocas při přeměně na žábu
- Excese – vystřižení vadného nukleotidu a následné dosyntetizování
- Stárnutí buňky
- tvoří se méně reparačních mechanismů, tudíž vzniká více vadných bílkovin
- snižuje se efektivnost katalýzy, zvyšuje se množství vadných produktů
- vedena k apoptóze, nebo se z ní stane rakovinná buňka
- Nekróza
- patologický proces
- vyvolána různými vlivy na buňku (mechanickými, chemickými či tepelnými, infekce, bakteriální toxiny)
- narušení integrity cytoplazmatické membrány -> narušení rovnováhy vnitřního prostředí buňky
- vede to k enzymatickému poškození buňky (náhodné štěpení jaderné DNA) a jejímu rozpadu
- celé vnitřní prostředí buňky se uvolní do okolí – hydrolytické enzymy mohou indukovat nekrózu okolních buněk a způsobit tak „řetězovou reakci“, kdy dojde k rozsáhlejšímu poškození tkáně a následnému zánětu (sepsi)
Změny a mutace DNA
- dochází k nim průběžně a často
- nejčastěji probíhají při dělení buňky
- Drobné – odhalitelné a napravitelné průběžnou kontrolou
- hydrolytické – působením vody (deaminace, depurinace)
- oxidativní – navázání O2 -> změna sloučeniny
– volné radikály (viz. ROS níže)
- spontánní – methylace
- Chromozomové aberace
- delece – kus chromozomu vypadne
- duplikace – kus se vloží ještě jednou
- inverze – zlomení a vložení kusu vzhůru nohama
- inzerce – jeden chromozom se zlomí a ten kus se přichytne k jinému chromozomu
- translokace – 2 chromozomy se zlomí a ulomené kusy se prohodí
- chybná segregace – špatně se rozejdou chromatidy v dělící se buňce (v jedné buňce jsou 3 chromatidy, ve druhé jen 1)
– Downův syndrom – trizomie 21. chromozomu
– nullizomie – chromozomový pár úplně chybí (neslučitelné se životem)
- Genomové mutace
- polyploidizace – celá sádka chromozomů se znásobí
– u rostlin (banány) běžné -> zvětšení plodů
– v lidském těle -> buňky degenerujících tkání (kůže, játra, megakaryocyt)
- aneuploidie – odchylky v počtu jednotlivých chromozómů
- haploidie – redukce na jedné chromozomální sadě
- Genové mutace
- missense – vzniká kodón kódující jinou aminokyselinu
- nonsense – vzniká stopkodón
- tiché mutace – dojde k mutaci ve třetí bázi tripletu, ale nijak se to neprojeví, neboť genetický kód je degenerovaný
- inzerce – vložení báze
- delece – absence báze
- ROS = reaktivní formy kyslíku = volné radikály
- vznikají v mitochondriích
- důležité pro buněčnou signalizaci – signalizují stres a nutí buňku, aby mu čelila (obranné mechanismy)
- je-li jich moc, začnou se hromadit v tkáni a IS začne reagovat -> zánět
- mitochondrie je tvoří neustále a čím dál více jich vypouští -> buňka stárne
- čím více metabolizujeme, tím více stárneme (malé organismy metabolizují rychle – žijí krátce, velké organismy metabolizují málo – žijí déle; výjimku tvoří ptáci a netopýři – mají jinou stavbu mitochondriální membrány)
Rakovinná buňka
- ztratí kontakt s celkem, přestane se na něj ohlížet a chová se sobecky
- později podobná kmenové buňce, postupně získává její jedinečné schopnosti (může se dělit do nekonečna (má telomerázu) je pleuripotentní – může z ní vzniknout jakákoliv specializovaná buňka, je schopna améboidního pohybu a fagocytózy)
- Vznik nádoru
- složitý, mnohastupňový proces
- buňka musí projít procesem maligní transformace
- kancerogeny – mutagenní faktory, které svým účinkem způsobují (nebo napomáhají) nádorové onemocnění
- Tumor – supresorové geny
- potlačují vznik nádorového onemocnění
- jejich prvotní funkcí je regulace buněčného cyklu, čímž zabraňují, aby se buňka začala nekontrolovaně dělit
- na rozdíl od onkogenů, musí být obě kopie tumor – supresorového genu v buňce vyřazeny z funkce
- v bodu restrikce mohou spustit nebo nespustit RNA-polymerázu, která transkribuje gen pro histony
- apoptický bod – kontrolují, jak proběhla replikace a buď nechají buňku pokračovat, nebo ji nechají umřít
- nefunkční tumorsupresory jsou příčinou vzrůstu četnosti nekontrolovatelného buněčného dělení
- nejznámější tumor – supresorové geny jsou TP53 (produkuje protein p53) a RB1
