Přírodovědecká fakulta Univerzity J.E. Purkyně
Katedra biologie
27. 9. 2013
Obecná zoologie
Společné morfologické a funkční vlastnosti živočichů
Buněčná, tkáňová a orgánová stavba těla
Morfologie, chemoarchitektonika a funkce živočišných buněk a tkání
Rozmnožování a časný vývoj organizmu.
Principy cytologických metod
Pro denní a kombinované bakalářské studium biologie
Pracovní verze. Sledujte datum v záhlaví
Obrazové doplňky viz Příloha skript a přednáškové prezentace Moodle (www.ujep.cz)
……aneb v čem a
proč jsou si všichni
živočichové
podobni
Doc. Dr. Vladislav Mareš, DrSc
Přírodovědecká fakulta UJEP
Univerzita J.E. Purkyně
Za Válcovnou 8
41001 Ústí nad Labem
Fyziologický ústav AV ČR
Odd. růstu a diferenciace buněk
Laboratoř Biologie nádorové buňky FgU a 1.LF KU
Vídeňská 1083, 142 20 Praha 4
[email protected]
Ústí nad Labem 2013
Obsah
strana (±)
Co, proč a jak studovat?
………………………….. ……..
2-5
1 SPOLEČNÉ VLASTNOSTI ŽIVOČICHŮ
……………….……….……… .…. 5- 28
1.1 Chemické složení
1.2 Stavba těla
1.3 Funkční vlastnosti a jejich mechanizmy
2 BUŇKA JAKO MORFOLOGICKÁ A FUNKČNÍ JEDNOTKA ORGANIZMU ………. 29-58
2.1 Fylogeneze eukaryotní buňky
2.3 Organely endomembránového systému a mitochondrie
2.4 Cytoskelet
2.5 Jádro a jadérko
2.6 Cytosol a inkluse
3 KOMPLEXNÍ BUNĚČNÉ FUNKCE
……………….. 59-91
3.1 Transport látek mezi buňkami a okolím. Klidový membránový potenciál
3.2 Přeměna látek a energie (metabolismus)
3.3 Trankripce DNA a syntéza bílkovin
3.4 Buněčné a molekulární mechanismy příjmu informací
3.5 Buněčný cyklus a jeho regulace
3.6 Diferenciace buněk, Význam a mechanizmy. .
4 POŠKOZENÍ, REPARACE A REGENERACE BUNĚK, TKÁNÍ A ORGÁNŮ …………. 91-100
4.1 Hlavní škodliviny a mechanizmy jejich působení
4.2 Obranné a reparační reakce
4.3 Regenerace buněk, tkání a orgánů. Kmenové buňky
4.4 Buněčná smrt, její formy, mechanizmy a význam
5 ORGANIZACE BUNĚK DO TKÁNÍ. ZÁKLADNÍ TYPY ŽIVOČIŠNÝCH TKÁNÍ ………..102-118
5.1 Buňky a extracelulární matrix..
5.2. Základní typy živočišných tkání, jejich charakteristiky a výskyt
6 ROZMNOŽOVÁNÍ ŽIVOČICHŮ
………………………………………
6.1 Nepohlavní rozmnožování
6.2 Pohlavní rozmnožování
6.3 Blastogeneze
6.4 Genetické aspekty rozmnožování živočichů
7 PRINCIPY GENOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A
BIOTECHNOLOGICKÝCH METOD ………
119-134
135-137
8 METODY, PŘÍSTROJE A ZAŘÍZENÍ POUŽÍVANÉ KE STUDIU BUNĚK A TKÁNÍ …… 138-146
8.1 Světelná mikroskopie (SM)
8.2. Elektronová mikroskopie (EM)
8.3 Doplňková zařízení ke SM a EM
8.4 Další speciální zařízení
8.5 Příprava mikroskopických preparátů a jejich přehledná barvení
8.6 Principy speciálních histochemických a cytochemických metod
9 PROCVIČOVACÍ ÚLOHY
10 Doporučená literatura
…………………………………... 147-159
…………………………………………... 159-162
Obrazová příloha skript a přednáškové prezentace (viz Moodle KBI UJEP)
O čem to bude a jak na to?
2
Obecná zoologie je věda zabývající se společnými vlastnostmi živočichů. Tyto Informace
jsou dostupné v mnoha učebnicích a monografiích různého rozsahu a síťových
databazích (viz Doporučená literatura). Předkládaná skripta podávají výběr informací
v rozsahu úměrném semestrálnímu kurzu v 1. ročníku studia biologie na PřF UJEP a
potřebám pozdějšího studia fyziologie živočichů, speciální zoologie a molekulární biologie,
a to jak v řádné, tak i kombinované formě. Obrazové doplňky jsou na Moodle www.ujep.cz.
Těžiště kurzu je buněčné stavbě těla a základních funkcích živočišných buněk, vč. schopnosti
jejich diferenciace vedoucí k vytváření specializovaných buněčných fenotypů a organizaci do
tkáňový a orgánových struktur.
Samostatná kap. (6) je věnovaná základům rozmnožování živočichů, počínaje gametogenezou,
oplozením a blastogenezi. Rozmnožování je spojeno s přenosem vlastností rodičovských
organizmů na potomstvo. Proto je zde přiřazen i stručný úvod do základů genetiky, která však
bude samostatným předmětem v dalších semestrech.
Jak studovat?
Rozpomenout se na středoškolské učivo a obsah kurzu Úvod do studia biologie (Dr. Ipser, CSc) a
Chemie a fyzika živých soustav (Dr. Benada, CSc) a Kurz mikroskopických metod (Mgr. Drbalová).
Do textových kapitol ve vytištěné podobě si „vlepujte“ vybrané snímky z přednáškových prezentací,
poznámky z přednášek a jiných zdrojů tak, abyste při konečné fázi přípravy na zkoušku, vč. SZZ,
pracovali již jen s jedním hlavním zdrojem.
Upřednostňujte jednoduché „liniové“, černobílé kresby. Doporučuji jejich aktivní, tj. vlastní rukou prováděnou
a ev. modifikovanou reprodukci. Vše ukládejte „do hlavy“ a ne pouze „do kapsy“.
Na konci skript jsou odkazy na podrobnější studijní materiály a procvičovací otázky a náměty k
úvahám, konstruované podle požadavků při zkoušce. Tvořte i vlastní otázky a náměty k úvahám.
Je to dobrý způsob sebekontroly studia. Úvahovými náměty procvičíte schopnost kombinace
dílčích znalostí a hledání kauzálních vztahů. Přiložené otázky však nepředstavují jejich úplný
seznam pro zkoušku.
Mnoho informací lze nalézt na Internetu dle klíčových slov nebo hypertextových odkazů na konci skript.
Pozor, na rozdíl od recenzovaných učebnic, internetové informace však nemusí být vždy úplné, či dokonce
správné, neboť nepodléhají vždy odbornému dohledu. Doporučuji též sledovat ostatní studijní materiály na
webových stránkách Katedry biologie PřF UJEP.
Na konci některých kapitol jsou zmíněny poruchy buněčných funkcí a jejich dopad na zdraví člověka. Slouží
pouze k upoutání zájmu o fyziologické funkce. Více ve výběrovém kurzu Patobiologie živočišných buněk a
tkání.
Všechny informace lze najít ad hoc v tištěné či elektronické literatuře. Určitá "pohotovostní databáze"
v hlavě je pro studium dalších předmětů, i příp. pozdější tvůrčí práci, NEZBYTNÁ. To se neobejde bez jistého
memorizačního úsilí, které lze usnadnit řazením poznatků do funkčních souvislostí.
Knowledge is of two kinds. We know the subject ourselves, or we know where we can find the
information about Dr Samuel Johnson (1709-1784).Něco je však třeba mít pohotově v hlavě. Jinak
ztratite zbytečně mnoho cenného času hledáním základních informací v knihovnách či na sítích místo
tvůrčí práce (V. Mareš 2007)
Pro dobře připravené posluchače ze SŠ a předchozích kurzů budou možná některé kapitoly skript triviální. Budu rád,
když takových studentů bude více než doposud. Více v doporučených dalších zdrojích.
3
CO JE VĚDA
A TZV. VĚDECKÁ METODA (SCIENTIFIC METHOD)?
Věda je trvale se vyvíjející soubor objektivně existujících a utříděných poznatků o přírodě či vesmíru,
získaných tzv. vědeckou metodou (Scientific Method v anglosaských učebnicích). Prvním krokem vědeckého
poznávání světa je poskytnout popis přírodních objektů a jevů pomocí definovaných kriterií. Následuje
hledání vztahů mezi popisovanými objekty a jevy, především s hlediska jejich příčin a následků (kauzality).
Předpokládaný možný vztah mezi nimi se označuje jako hypotéza (domněnka).
Hypotéza deduktivní pracuje s hledáním podobnosti mezi dosud známým a nově pozorovaným jevem, či objektem.
Výsledkem je např. taxonomické zařazení nově objeveného organizmu na základě podobnosti morfologických znaků,
genetické informace s ostatními jedinci v daném taxonu apod. Hypotéza induktivní navrhuje příčinný vztah mezi jevy, či
objekty.
Deduktivní hypotéza se ověřuje opakovaným a upřesňovaným pozorováním a popisem objektu či jevu. Induktivní
hypotéza se zpravidla ověřuje pokusem, ve kterém se sleduje vzájemná závislost studovaných jevů (např. hmotnosti těla
živočichů na množství či složení potravy, vztah mezi vybraným agens a funkční poruchou, např. virem či bakterií,
přítomnosti či vyřazení definované biologicky aktivní látky, nebo vyřazení genu a výslednou funkční změnou, příp.
onemocněním, apod. Někteří považují všechny hypotézy za deduktivní. Nicméně, shora uvedené dělení je didakticky
výhodné.
Předpokládané vztahy mezi jevy, vyjádřené kvalifikovanou hypotézou se zpravidla ověřují pokusem, ve kterém
se cíleně sleduje vzájemná závislost studovaných jevů, např. vliv množství či složení potravy, nebo exprese
některého genu a pod na hmotnost těla, vybrané definované funkce apod..
Výsledky pokusů mají být vždy zhodnoceny statisticky, tj. stanovit jaká je pravděpodobnost jejich nálezu
v opakovaném nezávislém pokusu. Viz kurz statistiky .
Na základě ověřené hypotézy je formulován závěr. Ze závěrů se vytváří sjednocující teorie, shrnující
poznatky širšího významu (viz níže tzv. hlavní biologické teorie).
Pokus má zahrnout pouze jednu záměrně proměnnou hodnotu/faktor. Všechny ostatní podmínky mají
zůstávat neměnné. Vztah/závislost mezi měněnou a závislou sledovanou kvantifikovatelnou
hodnotou je vhodné vyjádřit graficky, funkcí, či jinou formu (sloupky, koláč, boxy atp.).Výsledky
mají být opakovatelné (reprodukovatelné) v nezávislém, dalším a stejném pokusu a mají být
zhodnoceny matematicky/statisticky.
Zvláštním kriteriem vědeckosti hypotézy je její tzv. falzifikovatelnost (možnost vyvrácení, K. R. Popper) tj. vědecká
hypotéza vyvratitelná novým pozorováním, nebo pokusem (pozor- neznamená to, že musí vyvrácená). Vylučuje se tím z vědecké
sféry zkoumání „empiricky nepodchytitelných“ (tj. nadpřirozených) jevů.
Získané výsledky mají být zveřejněny přednáškou, plakátovou prezentací (poster) a co
nejpodrobněji, tiskem v odborném časopise, knize atp. Zveřejnění má předcházet posouzení
odborné i formální stránky rukopisu nezávislým odborníkem tzv. recenze, peer review
(nezaměňovat s „PR“ tj. Public Relations).
Science is Measurement (Henry Stacy Marks,
1829-1898)
No investigation can be called true science without passing through mathematical tests. Leonardo
da Vinci 1452-1519
Pro přírodní vědy to platí dodnes (VM, 2013)
Vědecké posnatky o živé přírodě byly koncem 19. a v polovině 20. století shrnuty
do 5 tzv. základních biologických teorií, které jsou trvale ověřovány a rozvíjeny:
Teorie (1) buněčné (2) biogenetické (3) genetické (4)homeostatické a (5) vývojové.
Ad 1: J.E. Purkyně 1837/ 8, M. Schleiden 1838, T. Schwann 1838: „Všechny organizmy se skládají z buněk“.
Ad2: L. Pasteur 1865: „Vše živé z živého“ a R. Virchow 1858 „ Omne cellula e cellula“, „každá buňka z buňky“.
Ad 3: G.Mendel 1866, O. Avery a spol. 1944, J. Watson a F. Crick 1953: Organizmy mají genetickou paměť, která je
obsažena v DNA.
Ad 4: C. Bernard 1851: „Organizmy udržují stále složení svého vnitřního prostředí“.
4
Ad 5: Ch. Darwin 1858 "Živé organizmy se vyvíjejí od jednodušších ke složitějším". Purkyňovo „ Omne vivo ex ovo“ (vše
živé z vejce), uvedené na jeho náhrobku v Praze na Vyšehradském hřbitově, předznamenalo de facto biogenetickou a
genetickou teorii.
1 SPOLEČNÉ ZNAKY A VLASTNOSTI ŽIVOČICHŮ
„Kilogram kamene a kilogram mozku obsahuje stejný počet kvarků a elektronů.
Rozdíl je pouze v jejich uspořádání“. J. Kleczek, Pohled do vesmíru, 1998
„… do atomů, molekul, organel, buněk, tkání a orgánů,
a to účelně a vysoce diverzifikovaně“. VM
Obecná zoologie je vědní oblast biologie zabývající se společnými strukturálními a
funkčními vlastnostmi živočichů.
Živočišné organizmy se vyznačují: :
(1) Hierarchicky uspořádanou molekulární a morfologickou stavbou těla
(2) Příjmem a přeměnou organických látek (metabolizmus), syntetizovaných jinými živými
organizmy (heterotrofie)
(3) Ohraničeností od okolí tělními barierami
(4) Vnitřním stálým prostředím, s odlišnými fyzikálními a chemickým vlastnostmi od okolí.
(5) Proměnlivostí v čase (vznik-zánik jedince, fylo—a ontogenetický vývoji, funkční
periodicita)
Základními strukturálními a funkčními jednotkami živočichů jsou buňky, které tvoří tkáně,
z nich se utvářejí orgány, které jsou integrovány v jednotný celek, organizmus
1.1 Chemické složení živočišných organizmů
(Opakování učiva SŠ a kurzu Chemie a fyzika živých soustav)
1. 1 1 Anorganické látky (biogenní prvky a anorganické sloučeniny)
1. 1. 2 Organické molekuly jednoduché a složené
A. Sacharidy
B. Lipidy
C. Aminokyseliny
D Peptidy a proteiny (bílkoviny)
E. N-base, nukleozidy, nukleotidy a nukleové kyseliny
Vzpomínky na SŠ ?!
viz níže
1.1.1 ANORGANICKÉ LÁTKY (biogenní prvky a jejich anorganické sloučeniny
Nejvíce zastoupenými prvky jsou v živočišném organizmu uhlík, vodík, kyslík, dusík a fosfor
a vápník (C,H,O,N,P,S, Ca), které tvoří až 60% suché hmoty organizmu. Jsou to tzv.
hlavní, též primární nebo konstituční prvky. Méně časté (0.5-1%) jsou Cl, F, K, Na, Mg, Fe.
Nejméně zastoupené, tzv. stopové prvky (0.05%) jsou Cu, I, Si., Mn, Zn, Br, As, Li, Pb,
Sn, Co, Ni.
Prvky se vyskytují v živočišných organizmech jako ionty (K+, Na+, Cl-, Ca++ atp.) nebo
anorganické a organické molekuly (O2, N2, CO2, voda, H2CO3, H2PO4, HCl, NaHCO3-,
5
NaHPO4-, Ca2CO3, močovina, mastné kyseliny, alkoholy, aminokyseliny, sacharidy,
dusíkaté base, bílkoviny atp.).
Anorganické látky se podílejí na tvorbě elektrochemických gradientů (K+, Na+, Cl- aj.), jsou
však často součástí enzymů (Fe++, Mg++, Mn++, Zn++, stopové prvky), transkripčních
faktorů (Zn++), dýchacích pigmentů (Fe++, Cu++ aj.) a dalších biologicky aktivních
molekul. Poskytují např. tvrdost kostní tkání (kalcium karbonát a kalcium fosfát), podílejí se
udržování acidobasické rovnováhy (pH 7.2-7.4, pH= záporný dekadický logaritmus
oxoniových iontů) a osmotického tlaku tělních a buněčných tekutin (300 miliosmolů, mOs).
V udržování acidobasické rovnováhy se slabé kyseliny a jejich soli, jejichž roztoky
představují tzv. pufry (syn. ústoje, nárazníkové roztoky). Pufry vyrovnávají pH
reversibilními změnami disociace molekul. Cave: Na udržování pH se podílí i některé
organické látky, vč. bílkovin (viz níže), cestou reverzibilní disociace funkčních skupin.
Nejvíce zastoupenou anorganickou molekulou je v živočišném organizmu voda.
Voda tvoří 60-90 % celkové hmotnosti těla. Její obsah kolísá dle druhu živočichů, věku,
pohlaví, orgánu, funkčního stavu organizmu a pod). Její obsah klesá s věkem živočicha.
Vyskytuje v buňce jako voda volná (cca 95%) nebo vázaná (cca 5 %), např. na polární
skupiny hydrofilních proteinů. Voda má neutrální pH (7.0), uplatňuje se jako rozpouštědlo
hydrofilních látek, podmiňuje osmotické jevy a svou tepelnou setrvačností se podílí na
tepelné homeostáze buňky a organizmu.
1. 1. 2 ORGANICKÉ MOLEKULY
Přehled hlavních skupin organických molekul
A. Sacharidy
Jednoduché: mono-, di-, tri-, tetra-, penta- hexasacharidy
Polysacharidy : škrob, glykogen, chitin, glysosylaminoglykany aj.
B. Lipidy
Jednoduché: tuky, oleje, vosky, isoprenoidy
Složené: fosfolipidy: glycerofosfolipidy: fosfatidylcholin, fosfatidyletanolamin,
: fosfatidylserin, fosfatidylinositol)
: sfingolipidy
: glykolipidy
: sulfolipidy
: gangliosidy
: lipidům podobné isoprenoidy (steroly, terpeny, karotenoidy aj.)
: tzv. minoritní lipidy (fofatidylglycerol, lyzofosfoglycerol apod.)
C. Aminokyseliny
D. Peptidy (oligo-polypeptidy) a bílkoviny
-bez nebílkovinné složky
- s nebílkovinnou složkou: glykoproteiny
: lipoproteiny
: chromoproteiny
: fosfoproteiny
: nukleoproteiny
E. Dusíkaté heterocyklické molekuly (N-base), nukleozidy, nukleotidy a nukleové kyseliny
Organické molekuly se vyskytují buď jako jednoduché nebo složené, tj. polymery stejných
nebo různých molekul.
A. Sacharidy (dříve cukry, uhlovodany, uhlohydráty, glycidy) obsahují uhlík, vodík a kyslík.
Mají v molekule funkční skupinu karbonylovou (aldehydovou nebo ketonovou- aldózy a
ketózy) a hydroxylové skupiny. Vyskytují se jako monomery (triosy, pentozy, hexózy, dle
počtu atomů uhlíku) nebo jako disacharidy (např. sacharóza: glukóza-fruktóza, maltóza:
6
glukóza- glukóza, laktóza: glukóza-galaktóza), jako oligo- a polysacharidy (škrob,
glykogen, celulóza, chitin, pektiny, glysosylaminoglykany aj.).
Sacharidy s –OH skupinou na asymetrickém uhlíku vlevo se označují jako L- (lat. Leavus =
levý), s –OH skupinou vpravo jako D-stereoizomery (Dexter=pravý). Sacharidy otáčející
rovinu polarizovaného světla vlevo se označují jako (-) a jejich optické antipody jako (+).
Redukcí karbonylové skupiny vznikají z monosacharidů alkoholy ( přípona –itol, např. manitol, glycitol, sorbitol
atp.). Oxidací aldehydové s hydroxylových skupin vznikají kyseliny (aldonové, aldarové, uronové). Kyselina
glukuronová je biologicky velmi významnou složkou mezibuněčné hmoty (viz kap.6). Náhradou –OH skupiny
aminoskupinou (NH2) vznikají aminosacharidy, které jsou další důležitou složkou mezibuněčné hmoty,
buněčného glykokalyxu atp. (viz kap. 4).
Sacharidy se mohou vázat i s jinými molekulami a jsou často součástí názvu takových
komplexů (glykoproteiny, peptidoglykany, glykolipidy apod.). Sacharidy jsou též součástí
nukleozidů, nukleotidů a nukleových kyselin.
Sacharidy slouží jako stavební molekuly buněk (např. celulóza), živiny, zdroj energie
(glukóza, sacharóza, škrob, glykogen, inulin aj.), dále modifikují biologické vlastnosti
bílkovin a lipidů (určují mj. krevní skupiny ABO), jsou významnou součástí mezibuněčného
hmoty v tkáních. U některých bezobratlých (např. hmyzu) tvoří pevný povrch a oporu těla
(chitin).
B. Lipidy jsou látky nerozpustné vodě a rozpustné v tzv. organických rozpouštědlech.
Největší skupiny představují lipidy jednoduché (i) a složené (ii). Menší, avšak biologicky
významnou skupinou jsou lipidům podobné (iii) izoprenoidy. Biologickou významnou je i
tzv. (iv) minoritní skupina lipidů.
(Ad i) Jednoduché lipidy jsou estery vyšších karboxylových (syn. mastných) kyselin a
alkoholu, nejčastěji glycerolu (triglyceridy, syn. triacylglyceroly). Do skupiny jednoduchých
lipidů řadíme tuky, oleje, vosky a isoprenoidy.
Jako mastné kyseliny se označují tzv. vyšší monokarboxylové kyseliny. Mají obvykle sudý
počet atomů uhlíku (8 a více), uspořádaných lineárně, tj. nevětveně. Sudý počet C je dán
tím, že jejich syntéza vychází adicí 2C acetátu. Kyseliny s C atomy spojenými pouze
jednoduchými vazbami se označují jako nasycené (např. palmitová, stearová,
arachidonová, lignocerová, myristová). Pokud se vyskytují i vazby dvojné, jde o kyseliny
nenasycené (NEMKy). Čím je počet dvojných vazeb v mastné kyselině větší, tím nižší je
bod tání (viz níže oleje a kap. 4- fluidita plazmatické membrány). Mononenasycené kyseliny
se označují jako monoenové (MUFA, monosaturated fatty acids, např. olejová,
palmitoolejová a další). Poly nenasycené se označují jako polyenové (PUFA:
polyunsaturated fatty acids. (linolová –linen lat-len, linolenová, arachidonová a j.) Jsou
nezbytnou složkou potravy mnoha živočichů i člověka, protože některé z nich nedokáží
syntetizovat (esenciální mastné kyseliny) a jsou nezbytné pro funkci buněk (viz kap. 5. 4),
především oběhového, imunitního a nervového systému.
„.....(biologicky) nejúčinnější omega 3 kyseliny jsou EPA (eikosapentaenová kyselina) a DHA
(dokosahexaenová kyselina) – se vyskytují ..... nejčastěji v tuku ryb žijících v chladných vodách (lososi,
makrely, pstruzi, tuňáci).....V rostlinné potravě se také nachází omega 3 kyselina – ALA (alfa-linolenová) – ve
lněných semenech......, dalšími zdroji jsou .... ořechy, dýňová semena, řepka olejná a listová zelenina. .......
minimum omega 3 kyselin ... (v olivovém oleji, kráceno, vsuvky VM) “. http://www.fitlife.cz/clanky/zdroj-omega3-kyselin/
Vysvětlivka: Omega-3 vyjadřuje pořadí dvojné vazby od metylového konce mastné kyseliny
Tuky mají převahu nasycených mastných kyselin, oleje nenasycených mastných kyselin,
které podléhají snadno oxidaci (viz níže).
7
Při oxidaci nenasycených mastných kyselin, např. tzv. volnými kyslíkovým radikály, kap. 5.8 a obr.44,
vznikají lipidické hydroxyperoxidy a peroxyradikály, které poškozují molekulární stavbu a následně i funkci
biomembrán, často s následkem smrti buňky (kap. 5.10). Látky zabraňující tomuto poškození jsou u např.
vitamin C, E, flavonoidy z „barevné“ zeleniny a ovoce, apod., kap. 5).
Oxidací podmíněná polymerace olejů vede ke vzniku tvrdého filmu (tzv. vysychavé oleje, používané při výrobě laků a barviv). Dvojné
vazby nenasycených mastných kyselin mohou být též hydrogenovány, čímž dochází ke vzniku polotuhých a tzv. ztužených tuků. Tuky
mohou být původu rostlinného i živočišného. Oleje získané z rostlin lisováním za studena jsou tzv. panenské oleje (virgin oils) nebo za
tepla. Lisováním za studena se získává olej kvalitnější s vysokým obsahem dalších biologicky důležitých látek, např. lecitinu (tvořícím
často zákal, což je známkou vysoké kvality). Tuky lze též extrahovat pomocí organických rozpouštědel s nízkou teplotou varu, např.
trichlorethylenem, benzínem, apod.
Vosky jsou estery vyšších alifatických kyselin a primárních, případně sekundárních
alifatických alkoholů (cetyl- cerylalkohol).
Chemicky jsou vosky stálé, obtížně hydrolyzovatelné látky, které působením lipas nezmýdelňují. Při normální teplotě jsou
pevné, při vyšších teplotách měknou a tají. V přírodě se vyskytující vosky mohou obsahovat kromě esterů i volné kyseliny,
alkoholy, aldehydy, alkoholy, steroly, nasycené uhlovodíky a další látky. Vyskytují se jak u rostlin, tak u živočichů. V
případě rostlin vytvářejí na povrchu listů a jiných orgánů tenkou ochrannou vrstvu, zvanou kutikula. Vosky jsou součástí
mnoha mastí, kde plní ochrannou a emulgační funkci.
(Ad ii) Složené lipidy obsahují kromě alkoholu a mastných kyselin i další molekulu(y).
Mezi biologicky významné složené lipidy patří:
(a) Fosfolipidy jsou hlavními molekulami biomembrán. Mají jednu hydroxylovou
skupinu alkoholu (glycerolu nebo sfingozinu) esterifikovou kyselinou fosforečnou a další
molekulou obsahující dusík, která představuje hydrofilní, tj. ve vodě smáčivou, tzv.
"hlavičku" fosfolipidu (cholín, etanolamin, serín, inozitol). Vzhledem k současné
hydrofobicitě mastných kyselin na zbývajících 2 uhlících alkoholu, mají fosfolipidy
tzv.obojetnou - amfifilní povahu, která je klíčovou pro stavbu a funkci biomembrán (obr. 5,
viz též kap. 3,4 a 5).
K nejčastěji se vyskytujícím fosfolipidům patří fosfatidylcholin (lecitin), fosfatidyletanolamin
(kefalín), fosfatidylserin, fosfatidylinositol, difosfatidylglycerol (kardiolipin). Minoritní skupinu
membránových fosfolipidů představují sfingofosfolipidy, které místo glycerolu obsahují 18ti uhlíkový dvojsytný alkohol sfingosin (př. sfingomyelin v myelinových obalech nervových
vláken, viz kap. 10).
V membránách archeí a některých anerobních bakterií (kap.3.3.) jsou tzv. etherové formy fosfolipidů
(plasmalogeny, acetálové lipidy, glycerylétery), ve kterých jsou větvené alifatické řetězce typu izoprenoidů
navázány na uhlík glycerolu nikoliv vazbou esterovou ale etherovou. Tyto lipidy se však vyskytují i v
membránách některých eukaryotních buněk, např. makrofágů, trombocytů, neuronů, bílé hmotě nervové
tkáně, nebo spermií. Poměrně hojné jsou v sarkoplazmatickém retiklu svalových buněk myokardu a
kosterních svalů. Častou mastnou kyselinou je kyselina arachidonová, která je zdrojem řady bioloogicka
aktivních látek (trmboxany, prostaglandiny, prostacykliny).Plasmalogeny ovlivňují fluiditu membrán, působí i
jako zhášeče kyslíkových radikálů (viz kap. 5). Snižují povrchové napětí. U spermií mají fusogenní efekt
(podporují splynutí plazmatické membrány spermie a vajíčka).
(b) Glykolipidy (syn. cerebrozidy) mají místo kyseliny fosforečné na jedné -OH skupině
alkoholu (glycerolu nebo 18- ti uhlíkového dvojsytného sfingozinu) glykozidicky navázaný
sacharid, často galaktózu. Cukerná složka představuje hydrofilní část molekuly.
V erytrocytech glykosfingolipidy určují krevní skupiny ABO (v tělních tekutinách a
sekrečních buňkách však ABO sacharidová složka je vázána na proteiny, viz níže
glykoproteiny) .
© Sulfolipidy obsahují i síru, zpravidla na molekule galaktózy.
(d) Gangliozidy představují konjugát sfingozinu, mastné kyseliny a oligosacharidu, který je
zakončený jednou či více molekulami N-acetyl-neuraminové kyseliny (syn. kyseliny sialové).
8
Jsou časté v nervové tkáni, ale vyskytují se i v jiných orgánech, zejména na buněčném
povrchu. Mají význam při zachycování virů a jejich pronikání do buňky.
(Ad iii) Isoprenoidy (steroidy, terpény, karotenoidy) jsou tetracyklické uhlíkaté sloučeniny,
které nevyhovují zcela definici lipidů, neboť nejsou estery alkoholů. Rozpouští se však v
organických rozpustidlech a nikoliv ve vodě. Mezi biologicky nejvýznamnější isoprenoidy
patří steroidy (cholesterol, vitamin D, hormony kůry nadledvinek a pohlavní hormony,
ekdyson-svlékací hormon řídící metamorfózu hmyzu, žlučové kyseliny) a karotenoidy
(vitamin A) a další molekuly.
(Ad iv) Minoritní skupinu tvoří fosfatidylgylceroly (např. kardiolipín), lyzofosfoglyceroly, fosfatidové kyseliny a glykolové
lecitiny.
C. Aminokyseliny
Aminokyseliny (AK) jsou organické kyseliny, ve kterých je jeden nebo více atomů vodíku
nahrazeno zásaditou aminoskupinou (-NH2, zpravidla na α uhlíku, který sousedí s
karboxylem, viz níže). V bílkovinách živočišného organismu se vyskytuje 20 AK, z nichž 19
je isomericky levotočivých AK (syn. L-konfigurace AK, L-alanin, L-cystein, atd.). Pravotočivé,
D-formy, AK se vyskytují hlavně v bakteriích a některých antibiotikách.
Každá AK má alespoň jednu kyselou karboxylovou skupinu (-COOH). AK mohu obsahovat
též další funkční skupiny, např. SH, fenylové apod. Stupeň disociace funkčních skupin
se může měnit, což napomáhá udržovat acidobasickou rovnováhu (pH) v buňce a
vnitřním prostředí organizmu. Stav, ve kterém je molekula AK elektricky elektroneutrální (tj.
zásadité a kyselé skupiny jsou v rovnováze) se nazývá isoelektrický bod.
Biologická role AK a jejich derivátů je velmi pestrá. Slouží především jako stavební
jednotky peptidů, bílkovin a jejich derivátů. Některé AK, např. kyselina glutamová, gammaaminomáselná nebo glycin, jsou neurotransmiterm v nervovém systému (více ve Fyziologii
živočichů). AK slouží též jako prekurozory některých hormonů, biogenních aminů apod. Za
určitých okolností jsou některé AK využívány k resyntéze glukózy (viz metabolický pool,
kap. 5.2)
Některé AK, tzv. nekódované, nestandartní, nebo non-proteinogenní AK vznikají až post-translačními
modifikacemi bílkovin (prolin--> hydroxyprolin, serin--> fosfoserin), nebo se vyskytují v organizmu jen volné a
plní jiné funkce. Např. ortitin a citrulin, jako součást cyklu tvorby močoviny.
Z hlediska výživy se AK rozdělují na tzv. nahraditelné (organizmus je schopen je syntetizovat z jiných
molekul) a tzv. esenciální, které musí být v potravě přítomny, podobně jako např. vitaminy.
D. Peptidy a bílkoviny Jsou to polymery AK vázaných peptidickou vazbou v lineární
řetězce. Řetězce s méně než cca 20 AK (m.h. do 10 000) se označují jako oligopeptidy, s
větší počtem AK jako polypeptidy.
Bílkoviny jsou molekuly tvořené jedním nebo několika polypeptidy. Mohou obsahovat i
nebílkovinnou složku (sacharid, lipid, fosfátovou skupinu, iont kovu, nukleové kyseliny).
Bílkoviny mají několik úrovní strukturální organizace molekul.
Tzv. primární strukturu bílkovin představuje pořadí aminokyselin v peptidickém řetězci.
Sekundární strukturou bílkovin rozumíme periodické konformace peptidového řetězce
(určované již primární strukturou). Nejčastější formou sekundární struktury je závitnice
(helix) a tzv. skládaný beta list. Terciární struktura spočívá v další prostorové konformací
polypeptidového řetězce. Kvartérní strukturou se rozumí vzájemné uspořádání vícero
polypeptidů (podjednotek) v jednu funkční bílkovinu.
9
Molekuly fibrilárních bílkovin jsou tvořeny dlouhými úseky periodicky uspořádaných řetězců. Pro globulární
bílkoviny jsou typické krátké periodické úseky, které bývají kombinovány do tzv. super sekundárních motivů.
Prostorové uspořádání polypeptidů je důležité pro jejich enzymatické, receptorové a další
funkce, při kterých se uplatňují interakce s dalšími molekulami, uskutečňujícím se často
na principu „zámku a klíče“. Narušení struktury bílkovin, tj. jejich denaturace, vede ke
ztrátě jejich funkčních vlastností.
Bílkoviny mohou obsahovat i složku nebílkovinnou, dle které se klasifikují jako
glykoproteiny, lipoproteiny chromoproteiny, fosfoproteiny, nukleoproteiny aj..
Glykoproteiny obsahují sacharidovou složku, která může tvořit až 50% hmotnosti molekuly.
Někdy to jsou jen krátké řetězce oligosacharidů. Glykoproteiny se vyskytují v plazmatické
membráně buněk, v krevní plazmě, tvoří hormony a enzymy.
Lipoproteiny jsou zpravidla lehčí než voda, lipidická složka tvoří obvykle 40 až 90%
hmotnosti molekuly. Do této skupiny patří např. některé krevní plazmatické bílkoviny a
membránové bílkoviny.
Chromoproteiny obsahují atomem kovu zbarvenou prostetickou skupinu, např. železem
nebo mědí. Mezi chromoproteiny patří např. hemoglobin, myoglobin, cytochromy.
Fosfoproteiny obsahují fosfátové skupiny. Uplatňují se především v regulačních procesech
v buňce. Fosforylace bílkoviny, např. enzymu, vede k její přechodné aktivaci. Fosforylaci
bílkovin zprostředkovávají enzymy- proteinkinázy (viz kap. 5.4, obr. 34,37).
Nukleoproteiny představují komplexy DNA nebo RNA a bílkovin.
Některé proteiny obsahují sekvence AK, které mohou být „vystříženy“, jsou označované jako inteiny, nebo
proteinové introny (viz též introny a exony DNA, kap.5.3.2).
E. Dusíkaté heterocyklické molekuly (syn. N-base), nukleozidy,
nukleotidy a nukleové kyseliny.
E1. N-baze jsou deriváty purinu (guanin, adenin) nebo pyrimidinu (thymin, cytosin, uracil).
Tzv. minoritní base, jsou metylguanosin, pseudouridin, isopentenyladenin, inosin,
metylcytosin.
E2. Nukleozidy obsahují jednu z 5 základních N-basí a molekulu pentózy, tj. buď ribózu
(ribonukleozidy) nebo 2-deoxyribozou (deoxyribonukleozidy).
E3. Nukleotidy (ribonukleotidy, deoxyribonukleotidy) obsahují navíc ještě 1 až 3 zbytky
molekuly kyseliny fosforečné, spojené esterovou vazbou. Nukleotidy jsou obvykle uváděny
pouze zkratkami obsahujícími první písmeno N-base a počet fosfátových skupin (např.
AMP, ADP, ATP, GMP, GDP, GTP atd., kde M=mono, D=di, T=tri).
Nukleotidy tvoří nukleové kyseliny a jsou i zdrojem fosfátových skupin a energie, uložené
v tzv. makroergních fosfátových vazbách. Ribonukleotidy jsou často koenzymem, např.
oxidoreduktáz (nikotinadenindinukleotid- NAD+, flavinadenindinukleotid- FAD+ aj. viz kap.
5.2). Tzv. cyklické nukleotidy (cAMP, cGMP a pod.) se uplatňují při přenosu informace v
buňce jako tzv. sekundární posli (viz kap. 5.4).
10
E4. Nukleové kyseliny (NK) jsou polymery nukleotidů, tj. polynukleotidy. Molekula DNA
obsahuje pyrimidinové base thymin a cytosin. V molekule RNA je thymin nahrazen
uracilem. Purinovými bazemi jsou v DNA i RNA adenin a guanin.
Osovou kostru polynukleotidového řetězce tvoří molekuly sacharidu pentózy (ribóza v RNA
a deoxyribóza v DNA), propojené fosfátovými skupinami (PO4).
Molekula DNA obsahuje dvě polynukleotidová vlákna, které vytváří dvoušroubovici (double
helix). Obě vlákna jsou spojena vodíkovými vazbami mezi N-basemi, jejich tzv.
komplementárním párováním (adenin -thymin, guanin -cytosin).
Počet adeninových bazí se v molekule DNA rovná počtu thyminových bazí (A = T) a počet bazí guaninových
se rovná počtu bazí cytozinových (G = C). Celkový počet purinových basí se rovná celkovému počtu basí
pyrimidinových (A+G = C+T, tzv. Chargaffovo pravidlo)
Obě polynukleotidová vlákna jsou v molekule DNA uspořádána antiparalelně tj. na obou
koncích dvoušroubovice má jedno vlákno volnou hydroxylovou (-OH) skupinu (tzv. 3´
konec) a druhé vlákno fosfátovou PO4-- skupinu na 5. uhlíku deoxyribozy (tzv. 5´ konec).
Dvoušroubovice DNA je za fyziologických podmínek pravotočivá a má zpravidla tzv. Bkonformaci. Rozlišujeme na ní tzv. menší, vnitřní žlábek a větší, vnější žlábek.
V mitochondriích a bakteriích má molekula DNA většinou kružnicové upořádání, tj.
nevytváří shora zmíněné volné konce (viz kap.3.3 a 4.1).
Méně častá je tzv. A-konformace pravotočivé dvoušroubovice DNA (např. ve sporách bacilů). Levotočivá
dvoušroubovice vytváří méně obvyklou tzv. Z-konfirmaci (zig -zag konformace). Přechod z konformace B do
Z se pravděpodobně uplatňuje při regulaci exprese genů (viz kap. 5.7).
Jako pravotočivou označujeme šroubovici odpovídající tzv. pravidlu pravé ruky, které spočívá v tom, že při uchopení šroubovice do ruky
tak, že palec směřuje ve směru podélné osy molekuly, ostatní prsty ukazují směr jejího „stoupání“. Levotočivé uspořádání odpovídá
analogickému pravidlu levé ruky.
Molekula RNA je v živočišných buňkách zpravidla jednovláknová. Vyskytuje se jako tzv.
informační (messengerová) RNA, transferová RNA a ribozomální RNA (viz kap. 5.3). V
RNA se adenin páruje nikoliv s thyminem, ale s uracilem.
Konkrétní úlohy jednotlivých prvků, anorganických sloučenin a organických molekul budou
uvedeny v následujících kapitolách.
1. 2 STAVBA TĚLA ŽIVOČICHŮ (obr. 3,4, 6-22)
Tělo nejjednodušších Metazoí (houbovci- Porifera, vločkovci- Placozoa) je tvořeno zcela,
nebo quasi samostatnými buňkami. Buňky jsou nejmenší stavební a funkční jednotky,
schopné samostatného života. Představují hierarchicky upořádané a dynamické systémy
tvořené molekulami a organelami (viz kap. 1.1 a kap. 3)
.V průběhu fylogenetického vývoje se buňky hierarchicky organizovaly do tkání a
orgánů (viz kap. 5)
Tkáňová organizace těla se objevuje u vývojově pokročilejších Diblastik. Vnější list kryje
povrch těla, vnitřní vystýlá tělní/trávicí dutinu. Mezi oběma listy může být síť sensorických
buněk. Tito živočichové jsou často volně pohybliví jen v larválním stadiu, v dospělosti žijí
přisedle.
11
Pokročilejší tkáňovou organizaci těla mají Triblastika. Tkáně se tvoří ze 3 zárodečných
listů: ektodermu, entodermu a mesodermu. V tkáních jsou buňky vzájemně propojeny
adhezními molekulami, mezibuněčnými spoji a mezibuněčnou hmotou (extracelulární
matrix). Viz kap. 5.2 U nejnižších forem Triblastik (např. ploštěnci a hlísti) je však
mesoderm jen málo vyvinutý.
Z ektodermu se vyvíjí zevní tělní bariera (viz níže) a nervový systém. Z entodermuprvostřeva a z jeho vychlípenin se tvoří epiteliální výstelka gastrointestinálního systému a
jeho přídatné žlázy (slinné žlázy, játra, pankreas), dýchací orgány atp., viz kap. 6.3).
Z mezodermu se tvoří vazivové obaly orgánů, oporný, svalový, oběhový a vyměšovací
aparát a druhotná tělní dutina - coelom, která umožňuje nezávislý pohyb orgánů a tělní
stěny, lepší anatomické uspořádání orgánů v tělních dutinách, kompartmentalizaci tělních
tekutin a odstraňování metabolických zbytků (viz kap. 7.3).
Spektrum buněčných typů a tkání se v průběhu fylogeneze zvyšuje. Podle cytologické
stavby a funkce jsou živočišné tkáně klasifikovány do 4 základních skupin: epitely, pojiva,
svalová a nervová tkáň.
Ve většině živočišných taxonů mají tyto skupiny tkání některé společné morfologické
(např. poměr buněčné a nebuněčné složky, podíl membránových organel a cytoskeletu
apod.) a funkční vlastnosti (krycí, sekreční, oporné, pojivové, kontraktilní, vzrušivé apod.).
V jednotlivých taxonech však existuje značná variabilita ve stavbě tkání a jejich funkcích i v
zastoupení v těle a jednotlivých orgánech (viz níže a kap. kap. 5).
Tkáňová úroveň organizace těla je provázena vznikem tělních barier, ohraničujících
organizmus od zevního prostředí a vytvářejících samostatné tzv. vnitřní prostředí organizmu
(viz níže)
U živočichů s nejjednodušší úrovní organizace těla představují zevní tělní barieru
plazmatické membrány buněk U vývojově pokročilejších organizmů zevní tělní barieru
představují různé typy pokryvů těla, odvozené ze zevního zárodečného listu, ektodermu
(šupiny, peří, kůže s přídatnými útvary jako např. žlázy, rohovité a kostěné útvary a pod),
které vykonávají funkce protektivní (ochrana proti i mechanickým vlivům, UV záření, aj.),
transportní, percepční, termoregulační, exo- a endokrinní, oporné (u bezobratlých) a
pod.
Vnitřní tělní bariery, tj. ohraničení tělních dutin od vlastních tělních buněk zajišťují různé
typy epiteliálních tkání tvořící se entodermu (viz kap. 5.2). Mají selektivní propustnost a
schopnost obousměrného, výběrového transportu chemických látek přijímaných
potravou. Jsou součástí sliznic (viz shora příklad stavby sliznice střeva); výstelky cév,
mozkových komor apod.
Tělním barierami ohraničené vnitřní prostředí organizmu je tvořeného tělními tekutinami
(viz níže kap. 1. 4. 1)
Několik typů tkání tvoří orgány. (orgánová úroveň organizace těla). Jeden typ tkáně
zpravidla převládá a tzv. hlavní, zatímco ostatní tkáně jsou minoritní a mají funkce
pomocné. Např. v orgánech pohybu, kosterních svalech, je hlavní tkáň svalová,
pomocnými jsou tkáně pojivové. V játrech je hlavní tkání epitel, pomocnými pak jsou pojiva.
V každém orgánu je však zastoupena tkáň nervová v podobě nervových vláken a případně
i celých nervových buněk. Všemi orgány prostupují rovněž buňky imunitního systému a
většinou též mízní cévy (výjimka např.mozek).
12
Příklad: Stavba stěny trávicí trubice
Vnitřní povrch je kryt sliznicí (tunica mucosa), která je tvořena epiteliální výstelkou, dále tzv.
lamina propria mucosae tvořenou řídkým vazivem s kapilárami, imunitními a nervovými
buňkami (Meissnerova pleteň), následovanou tenkou vrstvu tzv. slizniční svaloviny
(muscularis mucosae) a podslizničním vazivem (submukóza). Následují 2-3 vrstvy
cirkulárně a podélně uspořádané hladké svaloviny, mezi kterými je další nervová
(Auerbachova) pleteň). Na povrchu je vazivový obal- seróza. Ve stěně střeva jsou četné
žlázky tvořící hlen a trávicí střevní šťávu. Toto morfologické uspořádání zajišťuje trávení
potravy, resorpci molekul a transport do krve, posun obsahu střeva. Více v přednáškové
prezentaci a Fyziologii živočichů.
Velmi složitou orgánovou stavbu má nervový systém, především mozek u fylogeneticky
výše postavených živočichů. Vývojově prošel systém
stádiem síťovým a
gangliovým/řebříčkovým u bezobratlých a trubicovým
u obratlovců. Viz přednášková
prezentace a Srovnávací morfologie a fyziologie živočichů
Orgány se seskupují do morfologicky a funkčně spolupracujících orgánových systémů (viz
níže). Organizmy vytváří společenství různé velikosti a komplexity
Vývoj buněčné, tkáňové a orgánové „úrovně organizace těla“ je spojen s jeho
anatomickým utvářením.
Většina Diblastik má radiální symetrii těla, nebo symetrie chybí. Triblastika mají bilaterálně
symetrickou organizaci těla (Bilateria, dříve Bilateralia). Tato vlastnost se zakládá již na
úrovní rýhování vajíčka. Zatímco u Diblastik je rýhování spirální, u triblastik je tzv. pravolevé (bilaterální). Viz kap. 6. 3.
V předozadní ose těla se postupně objevuje část hlavová, trupová a ocasní. V hlavové
části se soustřeďují regulační centra, především nervová. Hlavová část se stává určující
pro směr pohybu živočicha. V hlavové části těla je ústní otvor (viz Deuterostomia, viz
kap. 6), na opačném konci otvor řiťní (annus). Strukturálně a funkčně se postupně odlišuje
část ventrální (břišní) a dorzální (hřbetní).
Vývoj celkové anatomie těla je živočichů spjat s jeho tzv. článkováním (syn. segmentací,
metamerizací), tj. tvorbou opakujících se tělních segmentů. Je typické pro Arthropoda,
Annelida a Vertebrata.
Segmentation in animals typically falls into three types characteristic of the different phyla: Arthropoda, Vertebrata,
and Annelida. Drosophila form segments from a field of equivalent cells based on transcription factor gradients.
Zebrafish, and other vertebrates, use oscillating gene expression to define segments known as somites. Leech
embryos, and other annelids, use smaller cells budded off from teloblast cells to define segments
http://www.zeably.com/Segmentation_%28biology%29&type=small.
Článkování u obratlovců a savců je nejvíce patrné v časných stádiích ontogenetického
vývoje. U ryb a hadů je v dospělosti patrné v uspořádání svalového a kosterního aparátu,
u savců v uspořádání osového skeletu, svalstva a centrální nervové soustavy. Základem
článků jsou mesodermální somity (viz kap. 6). Jejich počet u savců v průběhu
embryonálního vývoje klesá (lidský zárodek koncem 2. měsíce má např. 42-44 párů
somitů.
Tzv. homonomní (stejnocenně) článkovaní (někteří kroužkovci) spočívá v tom, že každému článku
vyznačenému na povrchu těla odpovídá celý segment vnitřních orgánů. U heteronomně (nestejnoceně)
článkových živočichů, počínaje pijavicemi a některými mnohoštětinatci, na jeden článek těla připadá více
vnějších kožních zářezů. Heteronomní segmentace těla je dobře patrná u členovců.
13
Orgány různých živočichů vykazují morfologickou rozmanitost (pleiomorfii).
Orgány vyvíjející se z jednoduššího, tj. fylogeneticky staršího, společného základu,
zachovávající některé společné stavební prvky/znaky, jsou klasifikovány jako orgány
homologní (prsní ploutve ryb, křídla ptáků, ruce člověka nebo plakoidní šupiny plazů a zuby
savců).
Pro některé podobné funkce se však vyvinuly orgány morfologicky sice podobné, avšak
z odlišných starších základů. Jde o tzv. orgány analogické (žábry korýšů vs. žábry ryb,
křídla motýlů vs. křídla ptáků).
Orgány, jejichž význam se v průběhu fylogeneze vytratil se označují jako rudimentární
(např. kostrč člověka).
Orgány běžné u fylogeneticky starších předků, avšak výjimečné u současných forem
organizmů, jsou tzv. atavistické (u člověka např. srst nebo Darwinův hrbolek na ušním
boltci). Kromě této nejstarší klasifikace morfologické či funkční „shody“ orgánů, vycházející
z fylogeneze, existují i klasifikace vycházející z jiných hledisek, např. ontogenetického. Více
ve srovnávací zoologii a evoluční biologii.
Vývoj orgánů jedince, organogeneze, začíná v časných stádiích ontogeneze. Vychází z tzv.
orgánových základů, tvořících se na konci blastogeneze (kap. 6.3). Orgány homologické
(např. prsní ploutve ryb a křídla ptáků, viz též shora) se u různých taxonů tvoří ze stejného
základu zárodku (viz shora)
Vývoj orgánů v jednotlivých článcích těla je podmíněn diferenciální expresí genů. Tvorba
končetin a jiných tělních přívěsků je např. regulovaná soustavou tzv. homeotických genů.
Proteiny kódované těmito geny mají povahu transkripčních faktorů, které aktivují expresi
kaskád regulačních a strukturálních genů a tím vývoj příslušné čáast těla (viz kap. 3.3 a
3.6 a 6.3).
Některé orgány jsou přítomny pouze v jedné oblasti těla (žaludek, játra, srdce, mozek
apod.). Jiné jsou na vícero místech nebo mají celotělový výskyt (integument, periferní
nervy, kosterní svaly, cévy, mízní uzliny a pod).
Orgánové systémy
Jednotlivé orgány v průběhu fylogeneze vytvářejí komplexní orgánové systémy různého
stupně komplexity. V průběhu fylogeneze se tato komplexita zpravidla zvyšuje a
umožňuje lepší přizpůsobení se organizmů životním podmínkám. K opačné změně, tj. k
zjednodušení orgánových struktur došlo u některých parazitických živočichů v důsledku
využívání funkcí hostitelského organizmu.
Zvyšující se komplexita stavby i velikosti těla vedla kr zvýšeným nárokům na koordinaci
funkce jednotlivých orgánů. K původním látkovým/humorálním regulačním mechanizmům
se přidávají integrační funkce neuronální a imunitní (viz níže kap. 1.3.3.5 a Fyziologie
živočichů).
Hlavní orgánové systémy (soustavy):
Krycí soustava (kůže a přídatné orgány - integument)
Opěrná a pohybová (hydroskelet, exoskelet, endoskelet-chrupavky, kosti, klouby)
Oběhová. kardiovaskulární (tělní tekutiny, srdce, krevní a mízní cévy)
14
Dýchací-respirační (žábry, nosní dutina, průdušnice, plíce, a další )
Trávící- gastrointestinální (ústní dutina, jícen, žaludek, střevo, játra, pankreas atd.
Nervová soustava (mozek, mícha, periferní ganglia a nervy
Vylučovací- exkreční (protonefridia, mesofridia, solné a mazové í žlázy, žábry, ledviny, ledviny,
močovod, močových měchýř, uretra a další)
Rozmnožovací-reprodukční (gonády a přídatné orgány)
Endokrinní soustava (hypofýza, nadledviny, gonády, thymus, thyreoidea, parathyreoidea,
epifýza, mozek, játra, difusní endokrinní systém v zažívacím traktu, ledvinách, apod.
Imnunitní systém (burza Fabricii, kostní dřen, thymus, mízní uzliny, slezina, Peyrovy plaky, tonsily a
další)
Morfologické a funkční vlastnosti orgánů nejsou u všech živočichů stejné. Na
základě jejich podobnosti a rozdílů jsou organizmy členěny do skupin, taxonů.
Systematickým a vědecky podloženým rozčleněním živé přírody se zabývá vědní obor
biologická taxonomie (řecky taxis = uspořádání, nomo“ = zákon, pravidlo).
Zakladatelem oboru je švédský badatel Carl von Linné (1758). Jeho systém členění se
opírá o morfologické znaky organizmů a je používán dodnes. Zavedl označení každého
druhu tzv. binomickou nomenklaturou (podvojným názvoslovím), obsahujícím rodový
název (genus, uvedený velkým písmenem) a název druhový (species, uvedený malým
písmenem). Vše psáno proloženě. Někdy je připojen název třetí, poddruh. Za druhový
název se připojuje zkratka příjmení toho, kdo organizmus popsal a zařadil (např. L =
Linneus) a rok, kdy se tak stalo. Např. Šváb obecný, Blatta orientalis L.(1745).
Základní taxonomickou jednotkou živých organizmů je druh (species). Vyššími taxony jsou
rod-genus, čeleď-familia, řád-ordo, kmen-phylum, říše-regnum. Živočichové tvoří říší
Animalia (obr. 1). tyto a další taxony jsou uvedené níže.
Jedinci stejného druhu tvoří uzavřené rozmnožovací společenství. Mechanizmy zabraňující
mezidruhovénu rozmnožování živočichů jsou uvedeny v kap. 6.2
Tříděním živočichů se zabývá taxonomie.
Taxonomické zařazení člověka (morfologická binomická taxonomie)
Nadříše (Doména) Eukaryota (Eucaryota). Říše Živočichové (Animalia). Podříše
Mnohobuněční (Metazoa) Oddělení Triblastica Kmen Strunatci (Chordata) Podkmen
Obratlovci (Vertebrata) Nadtřída Čelistnatci (Gnathostomata) Třída Savci (Mammalia)
odtřída Živorodí (Theria) Nadřád Placentálové (Placenthalia) Řád Primáti (Primates)
Podřád Vyšší primáti (Anthropoidea) Nadčeleď Lidoopi a Lidé (Hominoidea) Čeleď Lidé
(Hominidea) Rod Člověk (Homo) Druh Člověk rozumný (Homo sapiens) Poddruh Člověk
rozumný vyspělý (Homo sapiens sapiens).Čeleď Hominidae obsahuje tři rody - Homo,
Australopithecus a Ramapithecus. http://genetika.wz.cz/vyvoj.htm
Taxonomická klasifikace živočichů, stejně jako všech živých organizmů, prošla velkými
změnami. Kromě třídění založeného na shodách či rozdílech v morfologii (strukturální
taxonomie), současná klasifikace živočichů bere do úvahy i jejich fylogenetické vztahy
(evoluční taxonomie). Přísně genealogické vývojové vztahy mezi skupinami živočichů
používá k třídění živočichů kladistická taxonomie (řecky klados = větev), která stanovuje
„odvětvování“ se jednotlivých druhů od společných předků v již existujících liniích
(syn.fylogenetická taxonomie). Připouští, že přirozené vztahy mezi druhy nemusí mít
primárně strukturální základy. Organismy sdílející společného předka a s podobnými znaky
tvoří taxonomické skipiny tzv. clades. Grafickým zobrazním vzniká kladogram. Tzv.
eklektická taxonomie respektuje kladogenezi i anagenezi, tj. vzájemné podobnosti
15
organizmů. Tzv. numerická (fenetická) taxonomie třídí organizmy pomocí počítačové
shlukové analýzy očíslovaných .znaků. Zachycuje podobnost, nikoliv příbuznost organizmů.
Pomáhá v třídění dávno vzniklých druhů, u kterých nelze zrekonstruovat jejich kladogenezi.
Organizmy, které se vyvinuly z jednoho nebo několika společných předků se označují jako
mono- a polyfyletické. Více v Evoluční a systematické biologii
K fylogenetické klasifikaci organizmů přispívají významně rozdíly v nukleotidových
sekvencích 18S RNA malé podjednotky ribozomu i některých úseků DNA (tzv. DNA
Finger Prints - VNTR a RFLP segmenty DNA a pod, viz kap. 7).
Fylogenezu a třídění živočichů pomáhájí objasňovat též poznatky primární struktury
ubiquiterních bílkovin různých taxonů (tzv. Protein Finger Prints). Z porovnání rozdílů
v sekvencích nukleotidů a aminokyselin u současných a vyhynulých živočichů, získaných
ze zkamenělin v časově definovaných geologických vrstvách, lze stanovit dobu, kdy se od
sebe jednotlivé taxony oddělily ze společného základu (tzv. molekulární hodiny
fylogenetického procesu, Viz níže). Tento přístup pomáhá posuzovat vztahy mezi
živočišnými taxony s minimálním počtem srovnatelných morfologických znaků.
…..“existence of a so-called molecular clock was first attributed to Emile Zuckerkandl and Linus
Pauling who, in 1962, noticed that the number of amino acid differences in hemoglobin between
different lineages changes roughly linearly with time, as estimated from fossil evidence.[1] They
generalized this observation to assert that the rate of evolutionary change of any specified protein
was approximately constant over time and over different lineages. The genetic equidistance
phenomenon was first noted in 1963 by E. Margoliash, who wrote: "It appears that the number of
residue differences between cytochrome C of any two species is mostly conditioned by the time
elapsed since the lines of evolution leading to these two species originally diverged. If this is
correct, the cytochrome c of all mammals should be equally different from the cytochrome c of all
birds. Since fish diverges from the main stem of vertebrate evolution earlier than either birds or
mammals, the cytochrome c of both mammals and birds should be equally different from the
cytochrome c of fish. Similarly, all vertebrate cytochrome c should be equally different from the
yeast protein."[2] For example, the difference between the cytochrome C of a carp and a frog, turtle,
chicken, rabbit, and horse is a very constant 13% to 14%. Similarly, the difference between the
cytochrome C of a bacterium and yeast, wheat, moth, tuna, pigeon, and horse ranges from 64% to
69%. Together with the work of Emile Zuckerkandl and Linus Pauling, the genetic equidistance
result directly led to the formal postulation of the molecular clock hypothesis in the early 1960s.[3]
Genetic equidistance has often been used to infer equal time of separation of different sister species
from an outgroup.[4][5] Later Allan Wilson and Vincent Sarich built upon this work“. Více ve
Vývojové biologii).
1. 3 Funkční vlastnosti živočichů
1. 3. 1 Příjem a výdej látek
Živočišné organizmy představují otevřený systém, ve kterém probíhá výměna látek,
energie a informací s okolím. Tato komunikace je řízená a výběrová. Klíčovou úlohu v
příjmu látek mají tělní bariery a plazmatické membrány tělních buněk.
Organizmus přijímá u okolí anorganické a organické látky. Jejich zdrojem je hlavně
potrava. Organické látky musí však být vytvořené jinými organizmy (Heterotrofie, z řec.
heterone - jiný a trophe - výživa), neboť živočichové, na rozdíl od autotrofů je nedokážou
syntetizovat z anorganických molekul.
16
U nejjednodušších bezobratlých probíhá příjem potravy celým povrchem těla tzv.
parenterálně. U většiny vícebuněčných k tomu slouží speciální orgán(y), které mají různý
stupeň specializace tj. slouží přijmu, rozkladu- trávení, vstřebávání a vyvrhování
nestravitelných a metabolických zbytků
Přijímací otvor, ústa, vzniká u tzv.prvoústých (Prostomia) v místě vchlípení
blastuly/blastocysty (viz kap 6), zatímco u druhoústých –Deuterostomií (ostnokožci,
polostrunatci a strunatci a primitivní skupina mlžojedů). se ústní otvor prolamuje druhotně
na opačném konci zárodku. .
K trávící trubici se postupně přidávají žlázy se zevní sekrecí (slinné žlázy, játra, pankreas)
a další přídatné orgány (žlučník, difúzní endokrinní systém, imunitní Peyerovy plaky ) atd
Více v Anatomii a fyziologii živočichů
Funkce tělních barier vede ke vzniku vlastního a na okolí nezávislého vnitřního prostředí
organizmu (viz kap. 1.3.3).
Transportní funkce plazmatické membrány tělních buněk zajišťují optimální chemické a
fyzikální vlastnosti jejich vnitřního složení (viz kap. 3.1 a 3.2).
1. 3. 2 Přeměna látek a energie (látkový a energetický metabolizmus)
Z látek přijímaných potravou jsou v buňkách organizmu syntetizované nové a tělu vlastní
strukturální a funkční molekuly (kap. 3.2), především nukleové kyseliny a bílkoviny (viz
kap. 3. 2 a 3. 3). Bílkoviny s enzymatickými vlastnostmi syntetizují řadu dalších molekul
(viz kap. 3.2). Syntéza molekul de novo se označuje jako anabolizmus.
Jako katabolizmus se označuje rozklad přijatých organických molekul, spojený zpravidla
s přeměnou energie.
Klíčovou roli v anabolických i katabolických procesech mají enzymy (viz kap. 1.1 a 3.2).
Zdrojem stavebních i energii poskytujících molekul jsou pro živočichy látky syntetizované
jinými živými organizmy (viz níže heterotrofie). Energie těchto látek je uložena
v kovalentních chemických vazbách, především mezi uhlíkem a vodíkem. Štěpení těchto
vazeb je oxidoredukční enzymatický proces probíhající anaerobně nebo aerobně, podle
zákonů termodynamiky (viz kap. 3.2).
Využití energie uvolněné z organických molekul vyžaduje její přeměnu-uložení do tzv.
chemických vazeb makroergních, tělu vlastních, molekul (ATP, GTP, CTP, UTP,
fosfofokreatin, fosfoarginin), které pak enzymatickým štěpením poskytují energii
v „dávkách“ potřebných pro většinu buněčných funkcí (transport látek, syntézu bílkovin,
příjem a transdukci signálů, pohyb, adaptaci na změny v okolí, dělení buněk, reparaci
poškození atd. Na úrovni buněčné, v případě neopravitelných poškození, i pro tzv.
programovanou smrt. Viz kap. 3
Nezužitkované energetické substráty přijaté potravou jsou ukládány do reservních molekul,
např. polysacharidu glykogenu, především hepatocytů a svalových buněk, nebo
triglyceridů tukových buněk a tukové tkáně, viz kap. 5.2.
Katabolické procesy končí tzv. molekulárními zbytky .(hlavně CO2, voda, amoniak nebo
kyselina močová, či močovina). K jejich vylučování slouží řada orgánů (integument, dýchací
17
a zažívací trakt a speciální vylučovací orgány, které prošly řadou změn v průběhu
fylogeneze, reagujících na okolní životní prostředí. Velké mezidruhové rozdíly se vyvinuly v
hospodaření vodou, ionty a dusíkatými zbytky. Více ve Fyziologii živočichů.
1. 3. 3 Vnitřní prostředí (VP) organizmu a jeho homeostáza
1. 3. 3. 1 Vznik, význam a vlastnosti VP a regulace je stálosti (homeostázy) VP.
U živočichů s nejjednodušší, tj. neúplnou tkáňovou, stavbou těla (viz shora) představuje
VP cytozol tělních buněk. U organizmů s vyvinutější tkáňovou stavbu VP tvoří tělní
tekutiny (gastrovaskulární tekutina, hydrolymfa, hemolymfa, tkáňový mok, celomová tektina,
krev, lymfa a některé minoritní tekutiny v některých dutých orgánech ).
Na existenci a význam VP upozornil r. 1865 Claude Bernard (La fixité du milieu intérieur est la condition
d'une vie libre et indépendante). Pro stálost VP, jakožto podmínku volného a nezávislého života, zavedl.
později (1932), Walter Cannon termín homeostasis.
Ve vzniku VP živočichů s neúplnou tkáňovou úrovní stavby těla měla primární úlohu
semipermeabilita plazmatické membrány tělních buněk a její molekulární přenašeči (viz
kap.3.1).
Vznik vlastního tělního VP, tvořeného volnými tělními tekutinami, umožnila vyšší
komplexita tělních barier (viz shora), především těsnící mezibuněčné spoje mezi buňkami
epiteliálních tělních krytů a výstelek vnitřních orgánů. Sekundárně přispěly nepropustné
deriváty zevních tělních krytů (viz shora a kap. 3.1 a 5.1).
Význam VP. Tělní tekutiny VP jsou bezprostředním zdrojem anorganických a
organických látek, vč. plynů, získávaných z okolí nebo tělních reserv, a to v optimálním a
rovnoměrném množství. Zároveň tekutiny VP přijímají z buněk metabolické zbytky (voda,
CO2, dusíkaté látky) a látky cizorodé, které postupují vylučovacím orgánů k odstranění
z těla.
Stálost VP, homeostáza (z řeckého homeo= stejný, stasis = stav) zahrnuje především
celkový objem tělních tekutin, jejich teplotu, osmotický tlak, pH, tenzi plynů, koncentraci
důležitých organických molekul, viskozitu apod. Viz níže
Stálost VP je zajišťovaná regulačními mechanizmy, které vrací výchylky způsobené
zevními nebo vnitřními vlivy (zvýšení či snížení hladiny chemických látek v okolí, nebo v
závislosti na příjmu nebo nedostatku potravy vč. vody, zvýšení metabolické aktivity buněk a
pod) na původní optimální nastavení (tzv. set-point).
Korekce odchylek se uskutečňuje tzv. zpětno-vazebnými (feed-back) mechanizmy. Při tzv.
negativní zpětné vazbě (negative feedback) je zvýšení hodnot určitého parametru VP
následováno „vypnutím“ tvorbu podporujících mechanizmů, nebo zapnutím aktivně
inhibujících faktorů Opačně působí tzv. pozitivní zpětnovazební regulace (positive feedback regulation).
Návrat k optimální fyziologické hodnotě může nastat náhle, jednorázově, nebo pozvolna
formou tzv. tlumených kmitů, tj. klesajícími oscilacemi se zmenšující se amplitudou.
U vícebuněčných udržování homeostázy VP zajišťuje řada orgánů, jejichž komplexita se
modifikuje a zvyšuje s progresí fylogenetického vývoje, růstu velikosti těla i tlakem
životního prostředí. Celotělovou distribuci přijímaných látek tělními tekutinami zajišťují
např. dýchací a cirkulační systém, hospodaření s vodou, ionty a solemi, jakož i
18
odstraňování metabolických zbytků a látek cizorodých, systém vylučovací atd. Dílčí
orgánové systémy jsou pod integrační řízením systému endokrinního, nervového a
imunitního. Více ve Fyziologii živočichů a člověka.
Příklad 1: Při dosažení optimální hladiny pohlavních hormonů se jejich tvorba zastavuje
tak, že dojde k vypnutí tvorby gonadotropinů v hypofýze. Současně se v krvi zvyšuje
hormonů (inhibiny), které aktivně tlumí sekreci hypotalamických gonadoliberinů.
Příklad 2. Pokles hladiny glukózy v krvi obratlovců vede ke zvýšenému vylučování
(sekreci) hormonu glukagonu z pankreatu, který aktivuje rozklad glykogenu v játrech a
uvolňování glukózy do krve.Zvýšená hladina glukózy zpětno-vazebně sekreci glukagonu
zastaví („vypne“). Současně se do krve začne vylučovat inzulín, který stimuluje transport
glukózy z krve do buněk, což vede k snižování glykemie. Více ve Fyziologii živočichů
Při méně časté tzv. positivní zpětné vazbě (positive feedback) dochází k zesilování primární
změny („plus vyvolává další plus“, minus další minus“), procesu podobným „nabalováním
sněhové koule“.
Příklad 2: Počáteční stahy dělohy při porody vyvolají vyplavování hormonu oxytocinu
z hypofýzy, který dále tyto stahy zesiluje nebo proces zástavy krvácení. Více ve Fyziologii
živočichů a člověka.
1. 3. 3. 2 Objem, osmotický tlak, chemické složení a acidobazická rovnováha (pH)
Objem tělních tekutin je udržován rovnováhou mezi jejich příjmem, především vody,
potravou a vznikající rozkladem živin, a jejím výdejem-exkrecí. Dostatečný objem tělních
tekutin je důležitý pro udržení zásob vody pro tělní buňky a zajištění cirkulace tělních
tekutin v oběhovém systému.
Pokles celkového objemu tělních tekutin vede ke zvýšení jejich osmotického tlaku (viz níže),
což vyvolá pocit žízně, která je signálem k pití, vycházejícím z hypotalamu. Přebytečná
voda je vylučována exkrečními orgány (integument, dýchací a speciální vylučovací orgány)
nebo při jejím nedostatku v organizmu zadržována. Více ve Fyziologii živočichů
Chemické složení a osmotický tlak VP je u jednodušších mořských bezobratlých blízké
mořské vodě, s výjimkou nižšího obsahu síranů a přítomnosti proteinů. Tento rozdíl se ve
fylogenetické řadě zvyšuje a objevuje pokles hořečnatých
Další změny v obsahu a chemickém složení tělních tekutin jsou patrné u kostnatých
mořských ryb. Klesá obsah i sodíkových a draslíkových iontů, výrazně se zvyšuje obsah
bílkovin. Tekutiny VP se stávají vůči okolí hypoosmotické. Unik vody je proto omezován
tělními barierami. K opačnému procesu, tj. omezování nadměrného vstupu vody z okolí do
VP došlo ve sladkovodním prostředí. Další nároky na regulaci obsahu vody, iontů a
metabolických zbytků vyvolal přechod živočichů na souš. Viz Fyziologie živočichů.
Pro funkci enzymů zajišťujících transport a přeměnu látek, pohyb a další funkce na úrovni
buněčné i orgánové je nezbytné optimální pH, které v buňkách osciluje pH kolem 7.2 a
v krevní plazmě v rozmezí 7.35 - 7.45.
Snížení pH pod tyto hodnoty se označuje jako acidóza, zvýšení nad tyto hodnoty alkalóza.
Opakování. Koncentrace vodíkových iontů v destilované vodě při 25 oC 1 je 10-7 molární. (1 molární roztok je
1 grammolekula sloučeniny nebo 1 gramatom v 1 l roztoku). Stejnou koncentraci mají v neutrálním roztoku i
hydroxylové ionty. Tato koncentrace se vyjadřuje jako záporný dekadický logaritmus se symbolem pH
19
(koncentrace protonů, power of Hydrogenii). Destilovaná voda má tedy pH 7.0. Je-li koncentrace obou iontů
stejná, jde o roztok neutrální. Převažují-li ionty vodíkové, jde o roztok kyselý a při převaze hydroxylových iontů
o roztok zásaditý. Vodíkový iont (proton, H+) je atom vodíku, z něhož byl odebrán 1 elektron. Kyselina je
donor protonů, kdežto báze je akceptor protonů. Silou kyseliny rozumíme stupeň disociace molekul ve
vodném roztoku.
Sloučeniny, které jsou schopny udržovat pH stupněm své disociace nazýváme pufry (syn.
ústoje, nárazníky). Rozhodujícím pufrem v buňkách a tělních tekutinách je vodní roztok
NaHCO3-/H2CO3, ze kterého se při alkalóze uvolňují H+ ionty a acidóze anionty
bikarbonátové (HCO3-). Biologicky důležité pufry jsou i fosfátový pufr (HPO4 2- /H2PO4),
hemoglobin, jehož kyselost stoupá se stoupající vazbou kyslíku a aminokyseliny, jejichž
karboxylová skupina může uvolňovat H+ a bazická aminoskupina (NH2) je může přijímat..
Pohyb vody mezi buňkami a tělními tekutinami je určován osmotickým tlakem, daným
počtem molekul, nebo jejich částí v objemové nebo váhové jednotce vody (osmolarita vs.
osmolalita). Osmolalita buněk savců je 282 milismolů (mOsm) na kg hmoty . Přesun vody
plazmatickou membránou probíhá přes molekulární kanály, akvaporiny Je-li v okolním
prostředí vyšší osmotický tlak, buňky se svrašťují přesunem vody do okolí.
V hyposomotickém prostředí buňky bobtnají v důsledku přestupu vody z okolí..
Osmoticky nejvýznamnější jsou ionty sodíku, draslíku a chloridy. Z organických molekul
pak glukóza, močovina, aminokyseliny a bílkoviny, které vykonávají tzv. onkotický tlak tím,
že í váží jisté množství vody. .
1. 3. 3. 4 Termoregulace
Metabolické procesy vyžadují nejen optimální pH a koncentraci substrátů, ale i teplotní
optimum, na kterém závisí funkce enzymů, fluidita biomembrán a prostorová struktura
bílkovin (viz kap. 3.2).
Teplo vzniká v živočišném organizmu jako vedlejší produkt metabolických procesů,
především v mitochondriích svalů a v játrech.
Specializovaným orgánem pro přímou přeměnu chemické energie na tepelnou je hnědá
tuková tkáň, která se vyskytuje na např. v podkoží mezi lopatkami a kolem gonád u
novorozených savců. Viz kap. 5.2 . a Fyziologie živočichů.
Přeměna chemické energie na tepelnou v hnědém tuku je umožněna zkratovým tokem protonů z
mezimembránového prostoru mitochondrií do matrix. Přeměnu fyzikální energie protonového gradientu (viz
kap. 2. 3 a 3.2.) na tepelnou umožňují tzv. odpřahovací proteiny na vnitřní mitochondriální membráně, které
odkloní tok protonů od ATP syntázy do matrix přes speciální protonový kanál. Výsledkem je uvolnění
relativně velkého množství tepla. Aktivace této odpřahovací cesty se dnes využívá i k redukci tělesné váhy.
V rukou laiků však může způsobit nevratné poškození organizmu !!!. Významem a odlišnostmi ve výskytu a
funkci hnědé tukové tkáně se zabývá srovnávací fyziologie. Viz též kap…5.2.
Schopnost živočichů se aktivně zahřívat se označuje endothermie (většina ptáků a
savců, ale některý hmyz). Opakem, tj. příjem tepla pouze z okolí je ektothermie (většina
bezobratlých, obojživelníci, plazi).
Teplotu na stálé výši udržují homeothermní živočichové (většina savců a ptáků).
Homeothermii zajišťuje řada orgánů, které se podílejí na zahřívání a ochlazování
organizmu (svalový, nervový a endokrinní systém, hnědá tuková tkáň, integument, dýchací
a oběhový systém, tukový orgán aj.). Umožnila živočichům osídlit místa s dlouhodobě
nepříznivými klimatickými podmínkami, jakož i udržovat aktivitu v teplotně nepříznivých
obdobích roku či dne.
20
Poikilothermie (syn. heterothermie) označuje značné kolísání tělesné teploty dané
okolním prostředím . Poikilothermní jsou i někteří tzv. fakultativně endothermní živočichové
(některý hmyz, malý ptáci i někteří savci). Zvláštní skupinu tvoří tzv. hibernující
živočichové, u kterých dochází k dočasnému poklesu metabolizmu a teploty (křeček, sysel,
ježek, netopýr). Stálou teplotu (homeotermii) mohou udržovat i někteří ektothermní
živočichové (ryby) .
1. 3. 3. 5 ROZPOZNÁVÁNÍ VLASTNÍCH A CIZORODÝCH LÁTEK A ORGANIZMŮ V TĚLE
( IMUNITNÍ OBRANA ORGANIZMU)
Živočišné organizmy nesmí tolerovat ve svém těle cizorodé látky, vč. mikroorganizmů,
parazitů a xenotransplantátů. K zabránění jejich průniku do VP a příp. jeho „osídlení“
organizmu slouží řada rozpoznávacích, zneškodňujících a eliminačních mechanizmů.
Mezi tzv. nespecifické mechanizmy patří tělní bariery, jejich mechanické a molekulární
vlastnosti, makrofágy a další fagocytující buňky, především neutrofilní leukocyty, některé
enzymy-lysozymy, nespecifické imunoglubuliny a pod.).
Vývojově vyšší obranné mechanizmy představuje systém tzv. specifické (syn. adaptivní)
imunity, zajišťovaný lymfocyty a specifickými protilátkami (tzv. humorální a buněčně
zprostředkovaná imunita). Více v kap. 5.2 a ve Fyziologii živočichů
Tyto mechanizmy zabraňují průniku a šíření infekčních agens v organizmu (bakterie, viry,
parasité) a uchycení nežádoucích xenotransplantátů. Výjimku tvoří tolerance některých
nepatogenních bakterií a protozoí, především v zažívací trubici.
Imunitní obrana prošla dlouhým fylogenetickým vývojem. Objevuje se již u kroužkovců,
v podobě tzv. . nespecifické imunity (tělní bariery, fagocytóza, antibakteriální nespecifické
molekuly enzymového typu atd., viz shora).
Nejvyššího rozvoje dosahuje imunita u obratlovců, kde hlavní úlohu má specifická
buněčná a humorální imunita. Imunitní buňky a molekuly jsou uvedeny v kap 5.2. Více ve
Fyziologii živočichů.
1. 3. 3 Příjem biologických signálů
Příjem biologicky významných podnětů (podráždění) z okolí a schopnost následných
odpovědí je další společnou vlastností živočichů, nezbytnou pro obživu, rozmnožování,
adaptaci, obranu apod. i regulaci homeostázy vnitřního prostředí (viz níže)
Podněty mohou být mechanické, thermické, chemické, radiační, magnetické apod. Jsou
přijímány receptorovými molekulami v plazmatické membráně nebo v cytoplazmě a jádře
buněk..
Aktivace receptorových molekul vede k metabolickým změnám uvnitř buňky (viz kap.3.4)
nebo rychlým přesunům iontů, následovaných změnami elektrického potenciálu
plazmatické membrány (viz kap. 3.1).
Schopnost metabolické odpovědi mají všechny buňky organizmu. Jsou aktivovány
především chemickými podněty z okolí (potrava, pachy a pod), vnitřního prostředí
organizmu (viz shora) nebo molekulami tzv. hormonální povahy (viz kap.3.4). Odpověď
buněk a organizmu probíhá v časovém rozpětí sekund až dní.
21
Podněty vyvolávající změny elektrického potenciálu plazmatické membrány jsou
mnohonásobně rychlejší (msec). Působí cestou rychlých přesunů iontů na plazmatické
membráně přes tzv. iontovými kanály, které jsou integrálními bílkovinami plazmatické
membrány. K jejich aktivaci („otevírání a zavírání“) dochází pohlcením a přeměnou energie
příslušného podnětu (viz kap. 3.4).
Tzv. receptorově dráždivé buňky. se vyznačují větším počtem iontových kanálů
v plazmatické membráně. Podnětem vyvolaná změna klidového membránového potenciálu
plazmatické membrány se může šířit a předávat na okolní struktury. tato vlastnost, tzv.
vzrušivost, je základem funkce nervového a svalového systému.
Receptorové buňky mohou být rozptýleny na povrchu těla nebo v jiných orgánech
(fotorecepce u některých bezobratlých, kožní čití a svalová propriocepce u obratlovců) nebo
být soustředěné do určitých oblastí těla, kde tvoří tzv. smyslové orgány. Tyto orgány se
v průběhu fylogeneze postupně přesouvaly do hlavové části těla (tzv. kefalizace), která se
současně stává nositelem tzv. integračních, celotělových endokrinních a nervových funkcí
a určující směr pohybu živočicha.
Molekulární mechanizmy příjmu podnětů na buněčné úrovni jsou uvedeny v kap. 3.
4. Orgánové a celotělové projevy a mechanizmy budou předmětem Fyziologie
živočichů.
Významnou úlohu ve vývoji schopnosti buněk přijímat podněty z okolí měly a mají tzv. primární, nepohyblivé
(non-motile) cílie (brvy) a mikroklky. Jsou to nitkovité výchlipky plazmatické membrány, které se účastní
příjmu mechanických, chemických a radiačních podnětů. primární sensorické cilie se vyskytují např.
tyčinkách sítnice komorového oka, sluchových, rovnovážných a čichových receptorových buňkách většiny
živočichů. Receptorová funkce mikroklků se uplatňuje v některých fotoreceptorech (složené oko hmyzu, čípky
komorového oka obratlovců aj.). Více viz kap 2.4. a Fyziologie živočichů.
1. 3. 4 Pohyb
Pohybem živočichů se rozumí aktivní přesun organizmu z místa na místo, nebo jen částí
těla. Pohyb poskytuje živočichům výhody při získávání potravy, adaptaci, obraně a
rozmnožování. V širším slova smyslu mezi pohybové funkce patří i pohyb vnitřních orgánů
(zažívací trubice, srdce, chámovodů) a pohyb celých nebo častí buněk- cilíí a bičíků,
panožek (dýchací trakt, vejcovody, spermie, migrace leukocytů a pod). Viz kap. 2.4
Pohyb jednobuněčných, i některých jednotlivých buněk metazoí (spermie, krevní buňky)
zajišťují bičíky, cilie nebo panožky (viz kap 2.4). U vícebuněčných s tkáňovou a orgánovou
organizací těla se stává nejdůležitějším výkonným aparátem pohybu svalová tkáň (kap.
5.2 ) a svalový systém, který spolupracuje s tělní oporou. Je řízen nervovým systémem.
Na buněčné úrovni jsou všechny druhy pohybu zajišťovány vlákny a bílkovinami
cytoskeletu, vč. tzv. molekulových motorů (viz kap. 2.4)
Svalový pohyb se v nejjednodušší, a fylogeneticky nejstarší, podobě uskutečňuje pomocí
myoepiteliálních buněk (Cnidaria). S motorickou funkcí myoepiteliálních buněk se však
setkáváme i u savců, např. při vypuzování mléka z vývodů mléčné žlázy.
U vývojově pokročilejších bezobratlých s měkkými těly (kroužkovci, larvy hmyzu) se na
pohybu účastní tělní opora v podobě hydroskeletu, tj. tělních dutin naplněných tekutinou,
zpravidla endolymfou. Pohyb je výsledkem stahování a uvolňování svalových vrstev,
kterými se segmenty těla stahují a prodlužují, U některých taxonů (ostnokožci) je
22
endoskelet pevný, tvořený sklerocyty a porézním amorfním materiálem, obsahujícím oxid
hořečnatým, poskytujícím větší oporu i možnosti pohybu.
U členovců a měkkýšů se svaly upínají na vnější kostru (exoskelet), tvořeným často
plysacharidem chitinem a bílkovinnou složkou (skleroin). Kutikula hmyzu může tvořit
výběžky vybíhající dovnitř těla a poskytovat tak i oporu endosketálního typu.
Nejvyšší komplexity dosahuje pohyb u obratlovců, u kterých je pohybový aparát tvořený
několika typy svalové tkáně, upínající se na pevný skelet, tvořený kostmi spojenými
klouby. Kostní tkáň má komplexní cytoarchitektoniku (viz kap. 5.2) U některých (žraloci),
je kostra tvořená chrupavkou inkrustovanou často uhličitanem vápenatým.
Kostry jednotlivých druhů obratlovců se liší podle stupně fylogenetického vývoje a
životního prostředí (vzduch, voda, souš). Více ve srovnávací zoologii
Pohybová aktivita živočichů je řízená nervovým aparátem. V průběhu fylogeneze se toto
řízení zdokonaluje a vrcholí sofistikovaným volním pohybem savců (viz Fyziologie
živočichů).
Pohyb a stavba opěrného a pohybového aparátu u jednotlivých živočišných taxonů bude
předmětem Srovnávací zoologie a fyziologie. Buněčná stavba svalových tkání a svalů je
uvedena v kap 5.2 Mechanizmy pohybu budou probírány ve Fyziologii živočichů
Zvláštní formou pohybu je vznášivý ("buyoantní") pohyb ve vodním prostředí, zajišťovaný
např. změnou plynové náplně vzduchového měchýře ryb, nebo střídáním koncentrace
sodíkových iontů ve vodní náplní tělních „komůrek“ u některých mořských bezobratlých
(Nautilus) uskutečňovaný sodíko-draslíkovou pumpou
1. 3. 5. ROZMNOŽOVÁNÍ
Existenci živočichů, vč. jejich druhových vlastností, zajišťuje rozmnožování, které je
spojené s předáváním genetické informace z rodičovských organizmů na potomstvo.
Formy a mechanizmy rozmnožování jsou uvedeny v kap. 6.
1. 3. 6 CHOVÁNÍ (INSTINKTY, EMOCE, UČENÍ,
SPÁNEK ATD)
Instinktivní prvky chování (obživné, rozmnožovací, únikové) jsou patrné již u bezobratlých a
jsou zprostředkovány ganglii jejich nervového systému. K největšímu rozvoji těchto funkcí
došlo u obratlovců, kde jsou vázány na rozvoj hlavové části trubicového nervového
systému, především mozku.
Emoce, učení, paměť jsou zprostředkovány koncovým mozkem (telecephalon) v kooperaci
s podkorovými oblastmi (spánek). Více ve Fyziologie živočichů
1. 3. 7 ORGANIZOVANOST
V ČASE
Život živočichů je vymezen početím a smrtí. Mezidobí tvoří vývojová fáze, ontogeneze
následovaná dospělostí a stářím. Doba životních etap se u různých živočichů významně
liší a kolísá od desítek hodin až po mnoho roků.
V průběhu časné ontogeneze se formuje anatomie těla, cytoarchitektonika tkání a orgánů
a zvyšuje se jejich funkčnost. Na buněčné úrovni probíhá v toto období života intensivní
množení buněk a jejich diferenciace. Procesem diferenciace vznikají početné a výrazně
23
odlišné buněčné fenotypy. Podstatou diferenciace buněk je řízená exprese genů,
kódujících bílkoviny specifické pro strukturu a funkci daného buněčného fenotypu (viz kap
3.6 a kap. 6).
Časově spjatým procesem je rovněž periodicita buněčných, orgánových a celotělových
funkcí. Dle délky periody se cykly dělí na hodinové (circumhorální), denní (diurnální),
týdenní, měsíční, roční. Věda studující funkční periodicitu (cyklů) je chronobiologie.
K poznatkům o cyklických změnách funkční aktivity orgánů a organizmu, v současné době
přibyly údaje o molekulárních příčinách a mechanizmech funkční periodicity.
Geny, molekuly a buňky které funkční cykly spouštějí se označují jako pacemakery
vnitřních hodin Na genové úrovni, jsou to např. Per geny (period genes), Cloc (clock) a
B-mal geny, které vykazují periodickou expresi. Vyskytují se u všech živočichů, vč.
bezobratlých. V dospělosti u savců jsou exprimovány především v hypotalamu a šišince a
vedou k tvorbě příslušných signálních molekul. Více ve Fyziologii živočichů .
Periodická aktivace exprese genů v embryogenezi spouští signální kaskády, kterými se
vytváří např. předozadní gradient morfogeneze těla živočichů.Viz kap. 6 a Embryologie
živočichů.
Klíčovou molekulou regulující cirkadianní rytmy obratlovců v dospělosti je hormon
melatonin, derivát hydroxyindolu, který se tvoří v epifýze (šišince) v tmavé (noční) fázi dne.
Primárním pacemakerem jsou suprachiazmatická jádra hypotalamu. Melatonin působí přes
receptory, které jsou exprimovány v řadě orgánů. Kromě vlivu na diurnální rytmy má i řadu
dalších účinků (antioxidační, antigonadotropní/ antireprodukční, pro-imunitní aj.). Více ve
Fyziologii živočichů a člověka.
Zvláštní typ periodicity je automacie některých orgánů (myogenní srdce, zažívací trakt).
Spočívá v periodické aktivaci buněk a tkáně samovolnou depolarizací jejich plazmatické
membrány. Soubory buněk schopné této periodicity se označují jako orgánové pacemakery
(hypotalamus, srdce, žaludek, střevo) Viz kap. 2. 3, 3. 1 a 3. 2) a Fyziologie živočichů.
Periodický pohyb (oscilace) vykazují i např. makromolekuly buněčných membrán,
podmiňující jejich tzv. fluiditu (viz kap. 2.3).
Zvláštní formou časové organizace buněčných dějů je regulace buněčného cyklu tzv.
cyklinovými hodinami (viz kap. 3. 5)
24
Vše živé z živého
BUNĚČNÁ TEORIE
KAŽDÁ BUŇKA Z BUŇKY
2 BUŇKA JAKO ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ A FUNKČNÍ MODUL
ŽIVOČIŠNÝCH ORGANIZMŮ
Eukaryotní buňky je základní stavební a funkční jednotka všech živočišných organizmů.
Jsou nositeli základních funkcí nezbytných pro život organizmu (příjem a přeměna látek,
energie, informací, pohyb, regulace chemického složení a fyzikálních vlastností, schopnost
autoreprodukce) i specifických vlastností, charakterstických pro jednotlivé orgány a částí
těla.
Živočišné buňky mají společnou základní stavbu. Od okolí jsou odděleny plazmatickou
membránou (PM), která zajišťuje výběrovost a stálost jejího vnitřního prostředí, příjem
látek, komunikaci s okolím a tvorbu tkáňových struktur. Nitro buněk je člněno do do
několika základních oddílů, kompartmentů (pravé jádro, cytoplazma s membránovými
organelami, cytoskelet a cytozol které strukturálně a metabolicky kooperují a vykonávají
základní funkce (toky látek, energie a informací, pohyb a dělení buněk atp). Viz kap.2 a 3,
Eukaryotní buňky jsou výsledkem fylogenetického vývoje z jednodušších prokaryotních
forem. Základní organizační schema je však modifikováno v průběhu vývoje i dalšího života
organizmu procesem buněčné diferenciace, tj. výběrovou (diferenciální ) expresí genů.
Výsledkem ,je široké spektrum morfologicky a funkčně odlišných buněk, tzv. buněčných
fenotypů, které se vyskytují izolovaně (buňky tělních tekutin, gamety a j) nebo tvoří
tkáňové struktury, prostoupené do různé míry jimi tvořenou mimo-(syn.mezi-)buněčnou
hmotou (extracelulární matrix). Viz kap. 4. .
Pro lepší porozumění vzniku a významu shora uvedenýc procesů následuje stručný popis
základní stavby prokaryotní buňky a možného fylogenetického vývoje buňky eukaryotní.
2.1 Fylogeneze eukaryotní buňky
Vývoj eukaryotních buněk začal pravděpodobně před zhruba 1.5 miliardou let,
pravděpodobně vchlipováním povrchové plazmatické membrány anaerobního
prokaryotního (archibakteriálního) prapředka do cytoplasmy a vytvořením jaderné blány,
která oddělila DNA od ostatní cytoplazmy tj. vznikem tzv. pravého jádra ( řecky eukaryon). Vchlipováním plazmatické membrány se pravděpodobně vytvořily i membránové
organely, tvořící tzv. endomembránový systém cytoplazmy (viz kap. 2. 3).
Jaderná blána poskytla lepší ochranu genetické informace (DNA) před poškozením
metabolickými škodlivinami vznikajícími nažadoucně v cytoplazmě při některých
metabolických procesech (kap. 4.1). Umožnila rovněž sofistikovanější proces exprese a
regulace genetické informace. Organely endomembránové systému umožnily specializaci a
kompartmentalizaci metabolických a funkčních procesů v cytoplazmatickém oddíle buněk.
(viz níže).
Endosymbiosou anaerobního předka, nesoucího již pravé jádro, s aerobními prokaryotními
prabuňkami, vznikly pravděpodobně v jeho cytoplasmě mitochondrie (endosymbiotická
teorie vzniku mitochondrií).
25
V eukaryotních buňkách se vyvinula postupně rovněž síť vláken (cytoskelet, viz kap. 2. 4),
která umožnila další integraci organel v buňce, buněk v tkáních, jakož i zdokonalení řady
funkcí (pohyb buněk, transport látek v buňce apod.). I v tomto případě se zřejmě uplatnila
endosymbióza s prokaryotním prapředkem (typu spirochet?), opatřeného vláknitými
strukturami umožňující jejich prvotní pohyb.
Stopy některých z těchto předpokládaných procesů lze dodnes spatřovat např. v rozpadu
a rekonstituci jaderné blány do/z vesikul endoplazmatického retikula na začátku a konci
mitózy, endocytóza, kružnicovosti mitochondriální DNA, podobnosti molekulárních
hmotností a dalších vlastností některých enzymů a proteinů mitochondrií se současnými
eubakteriemi.
Organely poskytly buňce mechanickou oporu, selektivní příjem a výdej látek,
kompartmentalizaci přeměny látek (metabolizmus), výběrový příjem informací, cílenější
adaptační odpovědi, lepší nitrobuněčnou dělbu práce atd., i vznik mnohobuněčnosti (viz
shora). Vše probíhající v solubilním cytozolu (syn. základní cytoplazma), představujícím
vnitřní prostředí. Udržování jeho stálosti se stalo jedním ze základních vlastností buněk i
mnohobuněčných organizmů.
V průběhu fylogeneze došlo k organizaci buněk do vyšších strukturálních a funkčních celků
- tkání (viz kap. 6), které pak vytvořily orgány a orgánové systémy.(viz kap.1.2)
Speciální funkce buněk a jednotlivých orgánů je výsledkem procesu buněčné
diferenciace, (kap. 3.6), uskutečňovaná výběrovou expresí genů, buněčnými interakcemi
v časných fázích tvorby tkání a orgánů (histogeneze a organogeneze ( kap. 3. 6, 5.2 a 6.3).
Jak již uvedeno shora, uvedený nástin fylogenetického vývoje eukaryotní buňky je nejen velmi, velmi (!!)
zjednodušený, ale není ani jedinou možnou cestou. Podle jiné hypotézy se mitochondrie, i anerobní
hydrogenozomy a mitozomy (viz kap. 2. 3), vytvořily endosymbioticky dříve než pravé jádro, a to ze
společného pra-prokaryota. Jaderná blána, i ostatní intracelulární membránový systém, se vytvořily
později, a to nikoliv vchlipováním plazmatické membrány, ale splýváním amfipatických lipidů kolem
chromozomu, tj. procesem podobným tvorbě základu prvotní plazmatické membrány. Tato cesta vzniku
jaderné blány a endomembránového systému by nevyžadovala časnou existenci cytoskeletu, který je dnes
pro vchlipování plazmatické membrány eukaryotní buňky nezbytný. Pozornost zasluhuje též hypotéza prvotní
endosymbiózy s pre -prokaryotem typu cyanobakterií, ze kterých se vytvořily fotosyntetizující plastidy a
později mitochondrie (viz též petit níže).
„….Existuje (též) teorie, že genom mitochondrií nemá, mimo genů pro rRNA a tRNA, nic společného s původním genomem
prokaryontního symbionta. Autor této teorie se domnívá, že více než bakteriálnímu chromozómu je mitochondriální DNA podobná
bakteriálnímu plazmidu, který nese geny pro svou vlastní reprodukci spolu s několika geny pro dýchací enzymy. Tento plazmid původem
z purpurových bakterií mohl podle autora v evoluci infikovat chloroplasty, vytěsnit jejich genom a proměnit je na mitochondrie…“.
http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/7/7.htm
Spojováním isolovaných buněk, nebo neoddělováním buněk dceřiných, se asi před 0.5 mld
let vytvořily pravděpodobně první vícebuněčné organizmy. Vazbu mezi buňkami umožnila
tvorba mezibuněčné hmotoy (extracelulární matrix, viz kap. 5. 1), adhezních bílkovin
plazmatické membrány a specializovaných struk.mezibuněčnými spojů (viz . 2. 3 a 5.1).
2.2 Zvláštnosti prokaryotních buněk
Prokaryotní buňky mají chromozomální DNA uloženou volně v cytoplasmě, tj. není
oddělena membránovými obaly (nepravé jádro, nukleoid.syn. genofor).
Chromozomální DNA má většinou cirkulární (kružnicové) uspořádání a pouze volně
asocijuje s bílkovinami Nukleoid má velmi dynamickou stukturu, která se mění s životním
26
cyklem bakteriální buňky. Významnou roli při tom hrají tkz, histonům podobné proteiny,
která se váží na DNA a podílejí se na vytváření vyšších struktur (terciární struktury).
Chromozom může být připojen k výchlipce plazmatické membrány, mezozómu, který je
však dnes považován za fixační artefakt.
Geny eubakterií prakticky neobsahují introny. Častější jsou v genomu archeí především
v genech kódujících ribozomální a transferovou RNA (viz kap.1.3.).
V bakteriích se vykytují též malé cirkulární molekuly extrachromozomální DNA, tzv.
plazmidy, tvořené nejčastěji 2 až 50 x 103 páry nukleotidů, které kódují bílkoviny, které
nejsou pro život buňky nezbytné. Nicméně některé geny kódované plasmidy mohou
přinášet bakteriím určité výhody – např. resistence na antibiotika, bakteriociny, atd.
Plazmidy si mohou bakterie volně vyměňovat, což zvyšuje jejich adaptabilitu na chemické škódliviny v okolí,
vč. na antibiotika, vedoucí k vzniku nežádoucí resistence. Plazmidy jsou využívány v genovém inženýrství,
jako nosiče (vektory) cizích genů do bakteriálních buněk (viz kap. 8).
Povrchová cytoplazmatická membrána většiny eubakterií obsahuje fosfolipidy, s vyjímkou
fosfatidylcholinu. Fosfolipidy umožňují tvorbu lipidického dvojlistu jako u buněk
eukaryotních.
U prokaryot domény archea (i některých anaerobní eubakterií) však plazmatická
membrána obsahuje fosfolipidy, ve kterých jsou řetězce alkylů připojeny k alkoholu
vazbou nikoliv esterovou ale éterovou (viz níže).
Tyto řetězce mají charakter izoprenoidů a spojují obě protilehlé lipidické molekuly „bez přerušení“. Nejde
proto o lipidický dvojlist, ale de facto o list jeden. To zřejmě přispívá k přežívání těchto buněk v extrémních
teplotních a chemických podmínkách. O výskytu a funkci těchto molekul viz kap. 3.1.7
Na rozdíl od eukaryot, eubakterie neobsahují v membránách sfingolipidy, velmi málo
glykolipidů. Eu- i archebakterie obahují málo, nebo žádné steroly (s výjimkou mykoplazmat).
U prokaryot chybí schopnost osmotické regulace a pino- a fagocytózy. PM obsahuje
bílkoviny, enzymy oxidační fosforylace, které slouží k přeměně energie organických látek
okolí v ATP. U cyanobakterií tvoří PM malé invaginace, až tzv. thylakoidní váčky, které
obsahují fotopigmenty schopné zachycovat část slunečního spektra a fotosynteticky tvořit
ATP. Některé invaginace však mohou být artefaktem vznikajícím při zpracování bakterií
pro elektronovou mikroskopii.
Z povrchu některých bakterií odstupují vláknitá flagela, tvořená spirálně uspořádanou
bílkovinou, flagelinem, sloužící k aktivnímu pohybu bakterií. Stavba a chemické složení
bičíku je však zcela odlišné od bičíku eukaryotních buněk protozoí a živočichů (viz kap.1.2).
Dalšími významnými vláknitými útvary na povrchu bakterií sou pili, tvořené specifickými
proteiny. Ty se významně podílejí na mezibuněčné komunikaci a při kolonizaci povrchů, při
vytváření tzv.. biofilmů.
Delší flagela, vykonávají rotační pohyb, poháněný energií elektrochemického gradientu,
tvořeného na PM v průběhu oxidačních reakcí. Na pohybu se může podílet i undulace
zevní membrány.
S výjimkou tzv. mykoplazmat je zevně od PM buněčná stěna a případně i další obal, kapsula. Buněčná
stěna bakterií je tvořená různě silnou vrstvou peptidoglykanu (lineární polymer N-acetylglukózaminu- Nacetylmuramové kyseliny, je silná u tzv. grampositivních bakterií), který poskytuje bakteriím mechanickou
pevnost. Důleřitou součástí peptidoglykanu jsou krátké peptidové propojky, které obsahují L – i Daminokyseliny.
27
U tzv. gram negativních bakterií (dle barvitelnosti Gramovou metodou) bakterií je peptidoglykanová vrstva
tenká a zevně od ní je ještě permeabilní, tzv. zevní membrána; obsahuje kanálky, vystlané bílkovinami poriny, umožňujícími volný prostup větších molekul.
Kapsula je tvořená vláknitými molekulami lipolysacharidu (kyseliny teikoové), které jsou vysoce imunogenní,
tj. jsou velmi citlivě rozlišovány bílými krvinkami a makrofágy a vyvolávají tvorbu protilátek v organizmu.
Zvyšují ale rovněž adhezní schopnosti bakterií a tím i jejich virulenci, tj. schopnost infikovat. (viz. Griffithův
experiment s původcem pneumonie)
Syntéza bílkovin probíhá u bakterií na volných ribozomech, spojených molekulou mRNA
v polyzomy. Ribozomy jsou menší (sedimentační konstanta 70S) než v eukaryotní buňce
(sed.konst. 80S, viz kap.1.3). Menší jsou obě podjednotky ribozomů (30 a 50S vs. 40 a
60S u eukaryot, kde celý ribozom je 80S). Liší se i sedimentační konstaty a počet molekul
RNA. Chybí RNA 5.8S.
Translaci u prokaryot zahajuje tRNA nesoucí formyl methionin(fMet) na AUG iniciačním
kodonu mRNA , zatímco u eukaryotů je to methionin neformylovaný a vyžaduje se
součinnost menšího počtu tzv. iniciačních faktorů.Další rozdíly v procesu translace i
transkripce DNA viz kurz mikrobiologie. Messengerová RNA prokaryot má kratší poločas
(sekundy až minuty), chybí její "sestřih" neboť ve většině případů neobsahuje introny (viz
též shora). mRNA je polycystronická tj. nese informaci pro více než jeden peptid.
Rozdíly v proteosyntéze, umožňují selektivní inhibici růstu bakterií antibiotiky (tetracykliny, streptomycin,
chloramfenikol, erythromycin, rifamycin a pod.), což se využívá např. v léčbě bakteriálních onemocnění.
Prokaryota mají podstatně více anaerobních a aerobních cest syntézy ATP než eukaryota.
Prokaryota neobsahují cytoskelet. Množí se přímým binárním dělením, které následuje
bezprostředně po replikaci chromozomu. Dělení není tedy provázeno periodickou
kondenzací a dekondenzací chromozomu, ani tvorbou mitotického vřeténka. Oddělení
dceřiných buněk zajišťuje vytvoření kontraktilního prstence ze speciálních tzv. Fts proteinů
(FtsZ, FtsA, FtsK, FtsI), které se podílí na vchlipování povrchu, syntéze peptidoglykanů a
dalších povrchových molekul i rozdělení chromozomů do dceřiných buněk (viz též níže a
mitochondrie v kap.1.1.7).
Kvůli absenci cytoskeletu bakteriím chybí schopnost pravé endocytózy (viz kap.1.1.5 a
3.1.3).
Podle novějších poznatků mají archebakterie některými vlastnostmi (histonové bílkoviny,
větší počet RNApolymeráz, iniciační amnokyselina při translaci metionin, citlivost
k antibiotikům) blíže k eukaryotům, než eubakteriíím. Více v Mikrobiologii a Vývojové
biologii)
Do živé přírody jsou někdy zahrnovány i viry, viroidy, virusoidy a event. i priony, jakožto
nebuněčné formy živé hmoty. Mají rovněž relativně vysoký stupeň vnitřní organizovanosti,
nemají však schopnost samostatného rozmnožování, ke kterému nezbytně potřebují
hostitelskou prokaryotní nebo eukaryotní buňku. Jejich pozice ve fylogenezi je předmětem
diskuse. Více v předmětech vývojové biologie, mikrobiologie a molekulární biologie. V
tomto kurzu se s nimi nicméně setkáme při výkladu regulace buněčného dělení (viz tzv. vonkogeny, kap.1.6).
Novinky vyžadující další potvrzení
Bakterie s jádrem?
Australští mikrobiologové objevili již druhou bakterii, která má svou DNA „uskladněnu“ ve zvláštní váčkovité organele obklopené
cytoplazmatickou membránou. Bakterie se jmenuje rodovým jménem Pirellula a obývá různá prostředí ve slané i sladké vodě. J. Fuerst a
M. Lindsayová, kteří pirellulu studovali, nazvali „schránku“ s DNA pirellulozom. Již před pěti lety byla objevena jiná bakterie (druhu
Gemmata obscuriglobus) s podobným vnitřním uspořádáním. Ačkoliv jsou nově nalezené struktury u obou druhů odlišné, naznačují, že by
ve světě bakterií mohlo jít o častější jev, než se dosud soudilo. Mikrobiologové hovoří žertem o tom, že bude třeba přepsat všechny
28
učebnice. Nepřítomnost jádra byl totiž jeden z hlavních morfologických znaků odlišujících bakterie od eukaryotních buněk. Objevují se již
také spekulace o možném vývojovém „mezičlánku“ mezi světem prokaryot a eukaryot. (New Scientist 154, 19, 1997)
http://vesmir.msu.cas.cz/Pavel/bakterie.html
http://www.zdrava-rodina.cz/med/med899/med899_3.html (sirné obrovské bakterie, s akceptorem elektronů dusičnany)
Ad fylogenetická příbuznost buněk
“The common ancestry of eukaryotes, archaebacteria and eubacteria is well demonstrated by amino acid sequence comparisons of numerous proteins
that are common to all three groups. On the other hand, there are a few proteins, like ubiquitin, that are common to eukaryotes and archaebacteria and
which have yet to be observed in eubacteria. Some proteins appear to be wholly restricted to eukaryotes; this is especially true of cytoskeletal proteins.
Recently, actin has been found by crystallography to be homologous with an ATP-binding domain found in a heat shock protein and several other
proteins common to all three urkingdoms. This observation is puzzling on several counts. Most cytoskeletal proteins like actin and tubulin are very slow
changing and must have been so for a very long time. How is it, then, that no sequence resemblance can be discerned with their alledged prokaryotic
antecedents? The question is addressed by considering two bacterial fts proteins which appear to be related to actin, on the one hand, and tubulin, on the
other. One answer may be that the rate of change of these proteins changed dramatically at a key point in their history. Another possibility is that
eukaryotes are much older than some of their other proteins indicate” R.Doolittle, http://links.jstor.org/sici?sici=09628436(19950929)349%3A1329%3C235%3ATOAEOE%3E2.0.CO%3B2-M
Je DNA prokaryot vždy cirkulární?
Linear plasmids and chromosomes were unknown in prokaryotes until recently but have now been found in spirochaetes, Gram-positive bacteria, and
Gram-negative bacteria. Two structural types of bacterial linear DNA have been characterized. Linear plasmids of the spirochaete Borrelia have a
covalently closed hairpin loop at each end and linear plasmids of the Gram-positive filamentous Streptomyces have a covalently attached protein at each
end. Replicons with similar structures are more frequent in eukaryotic cells than in prokaryotes. Linear genomic structures are probably more common
in bacteria than previously
“…. práce týmu biologů z University of Iowa potvrzuje, že endosymbiont Paulinelly je vlastně nedávno pozřelá sinice z linie drobných
oceánských sinic rodů Prochlorococcus a Synechococcus. Autoři studie osekvenovali cca 14 000 bází dlouhý fragment „plastidu“
Paulinelly a zjistili, že je jak sekvenčně, tak řazením jednotlivých genů velmi těsně blízký zmíněným sinicím. Paulinella chromatophora
představuje luxusní evoluční model…, (který) představuje unikátní a zcela nedávnou evoluční událost, která již vstupuje do učebnic.
Ukazuje, že k endosymbióze plastidů může dojít a taky pěkně rázně dochází. Po ruce je i evoluční pohádka, jak k téhle endosymbióze
mohlo dojít. Blízce příbuzný druh Paulinella ovalis je totiž heterotrofní měňavka bez jakéhokoliv náznaku plastidu. Živí se, nijak
překvapivě, především sinicemi typu Synechococcus. „Plastidy“ Paulinelly jsou těmto dnešním hodně odvozeným sinicím bezprostředně
příbuzné a tak jistě není těžké si domyslet zbytek“. Current Biology 16(17): R670-R672, Wikipedia.
http://www.osel.cz/index.php?clanek=2120
Dokonce, “……..some replicons may interconvert between circular and linear isomers. The molecular biology of these widely dispersed
elements provides clues to explain the origin of linear DNA in bacteria, including evidence for genetic exchange between prokaryotes and
eukaryotes”. Z: Linear plasmids and chromosomes in bacteria, J. Hinnebusch and K. Tilly Molecular Microbiology, 10:917-922, 1993
http://www.blackwell-synergy.com/doi/abs/10.1111/j.1365-2958.1993.tb00963.x?cookieSet=1&journalCode=mmi
Mají bakterie náznaky cytoskeletu? “…..In prokaryotes, numerous proteins are essential for cell division, such as FtsZ, which is encoded by filament-forming
temperature-sensitive (fts) genes. FtsZ is the prokaryotic homolog of eukaryotic tubulin and is present in bacteria and archaea, and has also been identified in
mitochondria and chloroplasts. FtsZ plays a key role in the initiation of cytokinesis. It self-assembles into the Z ring, which establishes the division plane
during septation…”. M.C.M. Motta, http://www.bioone.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1368%2F10665234(2004)051%3C0394%3ATMAPFI%3E2.0.CO%3B2
Do živé přírody jsou někdy zahrnovány i viry, viroidy, virusoidy a event. i priony, jakožto
nebuněčné formy živé hmoty. Mají rovněž relativně vysoký stupeň vnitřní organizovanosti,
nemají však schopnost samostatného rozmnožování, ke kterému nezbytně potřebují
hostitelskou prokaryotní nebo eukaryotní buňku. Jejich pozice ve fylogenezi je předmětem
diskuse. Více v předmětech vývojové biologie, mikrobiologie a molekulární biologie. V
tomto kurzu se s nimi nicméně setkáme při výkladu regulace buněčného dělení (viz tzv. vonkogeny, kap.1.6).
Novinky vyžadující další potvrzení
Bakterie s jádrem?
Australští mikrobiologové objevili již druhou bakterii, která má svou DNA „uskladněnu“ ve zvláštní váčkovité organele obklopené
cytoplazmatickou membránou. Bakterie se jmenuje rodovým jménem Pirellula a obývá různá prostředí ve slané i sladké vodě. J. Fuerst a
M. Lindsayová, kteří pirellulu studovali, nazvali „schránku“ s DNA pirellulozom. Již před pěti lety byla objevena jiná bakterie (druhu
Gemmata obscuriglobus) s podobným vnitřním uspořádáním. Ačkoliv jsou nově nalezené struktury u obou druhů odlišné, naznačují, že by
ve světě bakterií mohlo jít o častější jev, než se dosud soudilo. Mikrobiologové hovoří žertem o tom, že bude třeba přepsat všechny
učebnice. Nepřítomnost jádra byl totiž jeden z hlavních morfologických znaků odlišujících bakterie od eukaryotních buněk. Objevují se již
také spekulace o možném vývojovém „mezičlánku“ mezi světem prokaryot a eukaryot. (New Scientist 154, 19, 1997)
http://vesmir.msu.cas.cz/Pavel/bakterie.html
http://www.zdrava-rodina.cz/med/med899/med899_3.html (sirné obrovské bakterie, s akceptorem elektronů dusičnany)
Ad fylogenetická příbuznost buněk
“The common ancestry of eukaryotes, archaebacteria and eubacteria is well demonstrated by amino acid sequence comparisons of numerous proteins
that are common to all three groups. On the other hand, there are a few proteins, like ubiquitin, that are common to eukaryotes and archaebacteria and
which have yet to be observed in eubacteria. Some proteins appear to be wholly restricted to eukaryotes; this is especially true of cytoskeletal proteins.
Recently, actin has been found by crystallography to be homologous with an ATP-binding domain found in a heat shock protein and several other
proteins common to all three urkingdoms. This observation is puzzling on several counts. Most cytoskeletal proteins like actin and tubulin are very slow
changing and must have been so for a very long time. How is it, then, that no sequence resemblance can be discerned with their alledged prokaryotic
antecedents? The question is addressed by considering two bacterial fts proteins which appear to be related to actin, on the one hand, and tubulin, on the
other. One answer may be that the rate of change of these proteins changed dramatically at a key point in their history. Another possibility is that
29
eukaryotes are much older than some of their other proteins indicate” R.Doolittle, http://links.jstor.org/sici?sici=09628436(19950929)349%3A1329%3C235%3ATOAEOE%3E2.0.CO%3B2-M
Je DNA prokaryot vždy cirkulární?
Linear plasmids and chromosomes were unknown in prokaryotes until recently but have now been found in spirochaetes, Gram-positive bacteria, and
Gram-negative bacteria. Two structural types of bacterial linear DNA have been characterized. Linear plasmids of the spirochaete Borrelia have a
covalently closed hairpin loop at each end and linear plasmids of the Gram-positive filamentous Streptomyces have a covalently attached protein at each
end. Replicons with similar structures are more frequent in eukaryotic cells than in prokaryotes. Linear genomic structures are probably more common
in bacteria than previously
“…. práce týmu biologů z University of Iowa potvrzuje, že endosymbiont Paulinelly je vlastně nedávno pozřelá sinice z linie drobných
oceánských sinic rodů Prochlorococcus a Synechococcus. Autoři studie osekvenovali cca 14 000 bází dlouhý fragment „plastidu“
Paulinelly a zjistili, že je jak sekvenčně, tak řazením jednotlivých genů velmi těsně blízký zmíněným sinicím. Paulinella chromatophora
představuje luxusní evoluční model…, (který) představuje unikátní a zcela nedávnou evoluční událost, která již vstupuje do učebnic.
Ukazuje, že k endosymbióze plastidů může dojít a taky pěkně rázně dochází. Po ruce je i evoluční pohádka, jak k téhle endosymbióze
mohlo dojít. Blízce příbuzný druh Paulinella ovalis je totiž heterotrofní měňavka bez jakéhokoliv náznaku plastidu. Živí se, nijak
překvapivě, především sinicemi typu Synechococcus. „Plastidy“ Paulinelly jsou těmto dnešním hodně odvozeným sinicím bezprostředně
příbuzné a tak jistě není těžké si domyslet zbytek“. Current Biology 16(17): R670-R672, Wikipedia.
http://www.osel.cz/index.php?clanek=2120
Dokonce, “……..some replicons may interconvert between circular and linear isomers. The molecular biology of these widely dispersed
elements provides clues to explain the origin of linear DNA in bacteria, including evidence for genetic exchange between prokaryotes and
eukaryotes”. Z: Linear plasmids and chromosomes in bacteria, J. Hinnebusch and K. Tilly Molecular Microbiology, 10:917-922, 1993
http://www.blackwell-synergy.com/doi/abs/10.1111/j.1365-2958.1993.tb00963.x?cookieSet=1&journalCode=mmi
Mají bakterie náznaky cytoskeletu? “…..In prokaryotes, numerous proteins are essential for cell division, such as FtsZ, which is encoded by filament-forming
temperature-sensitive (fts) genes. FtsZ is the prokaryotic homolog of eukaryotic tubulin and is present in bacteria and archaea, and has also been identified in
mitochondria and chloroplasts. FtsZ plays a key role in the initiation of cytokinesis. It self-assembles into the Z ring, which establishes the division plane
during septation…”. M.C.M. Motta, http://www.bioone.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1368%2F10665234(2004)051%3C0394%3ATMAPFI%3E2.0.CO%3B2
2. 3 ORGANELY ENDOMEMBRÁNOVÉHO SYSTÉMU (ES) A
MITOCHONDRIE (Obr. 3 C, 6-16)
2.3.1 Společné znaky membránových organel
2.3.2 Endomembránový systém
2.3.8 Mitochondrie a hydrogenozomy
2. 3. 1 Společné znaky membránových organel.
Základní molekulární stavba VŠECH membránových organel, vč. mitochondrií je
podobná. Společný strukturální základ je jednotková membrána (unit membráně). Mnoho
poznatků o molekulární stavbě biomembrán bylo získáno studiem plazmatické membrány,
především erytrocytů (viz níže).
Základem všech biomembrán je lipidový dvojlist, skrze který procházejí, nebo jsou k němu
jen připojeny, peptidické řetězce (obr.9 a níže). Průměrná šířka biomembrán je 7.5 nm a
nejsou proto viditelné ve světelném mikroskopu. V běžném elektronovém mikroskopu (EM)
se zobrazují pouze jako jednoduchá, tenká linie. Při použití mimořádně vysoce
rozlišovacího EM pak tvoří typickou sendvičovitou „trojvrstvu“ viz níže v této kapitole).
Molekuly biomembrán mají za tělesné teploty podobu „tekutého krystalu“, či fluidní
mozaiky ( viz níže).
Membrány jednotlivých organel šak vykazují řadu kvantitativních i kvalitativních rozdílů
v obsahu i složení lipidických a bílkovinných molekul, z nichž některé (PM) mají na svých
koncích i sacharidová residua. Molekulové specifity a jejich funkce budou uvedeny u
jednotlivých komponent ES v této kapitole a v kap.3.
# Membránové lipidy
Lipidy tvoří "nosnou" vrstvu všech biomembrán. Odpovídají též za tzv. polopropustnost
(semipermeabilitu, viz též níže) biomembrán, tj. větší propustnost pro malé a nepolární
30
molekuly a látky rozpustné v tucích. Lipidické molekuly se mohou podílet i na i na přenosu
informací do buňky, a to cestou syntézy biologicky aktivních molekul, např.některých tzv.
druhých poslů (nebo jiných signalizačních molekul, např. prostaglandinů), které zajišťují
přenos biologických signálů od receptorů na povrchu do buňky (viz kap. 5).
Hlavní skupinou lipidů biomembrán jsou fosfolipidy (viz kap. 1.1). Jsou uspořádány
v charakteristický dvojlist, který se ve vodní fázi spontánně tvoří v důsledku jejich amfifilni
povahy (viz shora kap. 1.1). Fosfolipidy se totiž ve vodní prostředí orientují svými
hydrofobními, tj. nesmáčivými konci (řetězce mastných kyselin) k sobě, zatímco jejich
opačné hydrofilní konce, tzv. hlavičky, směřují k vodnímu rozhraní. Tento proces, tzv.
autoorganizace amfipatických molekul, byla pravděpodobně rozhodující pro vznik života
vůbec (viz kap.3).
Chemické spektrum fosfolipidů obsažených v zevním a vnitřním listu nebývá shodné.
Největší rozdíly, tj. asymetrie tohoto spektra, jsou v plazmatické membráně, viz níže).
V zevním listu převládá zpravidla fosfatidylcholín (lecitín) a minoritní sfingomyelin (obsahuje
místo glycerolu 18- ti uhlíkový dvojsytný alkohol sfingosin, viz kap. 1.1. Je častý v
myelinových obalech nervových vláken, viz nervová tkáň, kap. 10). Ve vnitřním listu
lipidické dvojvrstvy PM převládá fosfatidyletanolamin (kefalín), fosfatidylserin a
fosfatidylinositol, difosfatidylglycerol- kardiolipin (vysoce zastoupený ve vnitřní membráně
mitochondrií, viz kap. 4.1.7).
Ke ztrátě asymetrie lipidické složení PM dochází při programované smrti, apoptóze
(přesun fosfatidylserimu do zevního listu je signálem pro fagocytózu poškozené buňky
makrofágy, viz kap. 5.10).
Mezi fosfolipidy jsou vmezeřené molekuly cholesterolu, které snižují fluiditu biomembrán.
Další minoritní lipidickou složkou některých biomembrán, především PM jsou glykolipidy
(glykozylsfingolipidy, cerebrozidy, gangliozidy, viz kap.2).
Fosfolipidy membrán archeí a některých anerobních bakterií (kap.3.3.) mají většinou na jednom uhlíku
glycerolu navázaný izoprenoidový řetězec vazbou éterovou a nikoliv esterovou, jak tomu je u jiných
fosfolipidů. Tento typ fosfolipidů se však vyskytuje i v eukaryotních buňkách, především neuronech a jejich
myelinových obalech nebo v plazmatické membráně spermií. Ovlivňují fluiditu membrán, jsou zdrojem
biologicky aktivních molekul, působí jako „zhášeli“ kyslíkových radikálů (viz kap. 5.8). Snižují povrchové
napětí. U spermií podporují splynutí plazmatické membrány spermie a vajíčka (tzv. fuzogení efekt). Tuto
funkci mají i v nervových synapsích, kde podporují splynutí (fuzi) synaptických váčků s presynaptickou
membránou (viz kap. 10) při přenosu nervového vzruchu mezi neurony.
# Membránové bílkoviny
Bílkoviny jsou další důležitou složkou biomembrán. Plní řadu specifických funkcí
(receptory, enzymy, přenašeče, iontové kanály, adhezní molekuly a pod, viz níže kap.
4.1.2.1 a kap. 5). Peptidické řetězce některých bílkovin prostupují („prošívají“) celou
lipidickou vrstvu jednou nebo vícekrát. Tyto bílkoviny se označují jako integrální. Jsou
připojeny vodíkovými vazbami nebo elektrostatickými silami k polárním koncům vysoce
dynamických fosfolipidů, v důsledku čehož molekuly bílkovin se přemisťují v rovině PM
(latero-laterálně „plavou“). Viz níže model fluidní mozaiky biomembrán.
1 transmembránový helix mají např. bílkoviny PM s mechanickou funkcí (např. některé
adhezní molekuly, viz níže). 7 helixů má velká skupina bílkovin PM s receptorovými
funkcemi. Změna jejich konformace vyvolaná navázáním specifické ligandy (např. hormonu)
z okolí buňky se přenese na cytoplazmatickou stranu PM, kde aktivuje další bílkoviny (viz
receptorový příjem informací, kap. 5).
31
Bílkoviny periferní (syn. asociované) pouze „přiléhají“ k zevní, či vnitřní straně PM. Jsou
připojeny vodíkovými nebo elektrostatickými silami k integrálním bílkovinám, nebo
přichyceny k lipidové dvojvrstvě pomocí tzv. molekulární kotvy.
„Kotvou“ na cytozolické straně membrány bývá delší saturovaná mastná kyselina (myristylová, 14C,
palmitová, 16C s acylovou vazbou na N-koncovém glycinu proteinu), nebo nenasycená skupina farnesylová
(15C) nebo geranylgeranylová (C20), navázaná na cysteinová residua proteinu. Souborně, jde o tzv. prenylaci
proteinu. Na zevní-exoplasmické straně membrány slouží jako kotva glykosylfosfatidylinozitol (GPI kotva)
Integrální bílkoviny biomembrán lze oddělit od lipidové dvojvrstvy pouze chemickými detergenty, periferní bílkoviny lze oddělit bez
narušení vrstvy lipidů. Každý peptid má 2 hydrofilní konce, tzv. C- a N- konce (COOH- a NH2-), které mohou být na opačných nebo
stejné straně membrány (více v Molekulární biologii).
Poměr obsahu bílkovin a tuků se liší dle typu buněk a typu membránových organel.
Relativně nejvíce bílkovin je v plazmatické membráně.
V elektron-mikroskopickém zobrazení (na velmi výkonných, nikoliv běžných přístrojích)po
obarvení kyselinou osmičelou (OsO4), mají biomembrány buněk na příčném řezu typickou
troj-vrstevnou strukturu. Ta je tvořena středním –širším a světlejším pruhem,
odpovídajícím hydrofobní část lipidické dvojvrstvy na kterou se neváže hydrofilní OsO4.
Světlá vrstva je lemovaná 2 užšími a tmavšími vrstvami obsahujícími hydrofilní složky
lipidů a bílkoviny, na které se OsO4 váže a pohlcuje procházející elektrony. Výsledkem
tmavým efektem na obrazovce mikroskopu) Viz obr. 9 A,B
Herakleitos: Panta rei (vše teče)
☺ Fluidně mozaikový model
biomembrán
Tanec lipidů
Řetězce mastných kyselin fosfolipidů biomembrán jsou v neustálém a velmi rychlém
pohybu, a to kolem své osy (107krát za sec), v rovině membrány-laterální difúze, 1-2
um/sec. Relativně velmi pomalý je pohyb v rovině vertikální (flip-flop pohyb), tj. překlápění
ze zevního do vnitřního listu dvojvrstvy (v intervalech několika hodin), což je nezbytné pro
tvorbu biomembrán de novo v hl-ER (viz shora).
Jak již uvedeno shora, bílkoviny jsou v lipidické vrstvě biomembrán "rozpuštěny" (volně
připojeny) prostřednictvím elektrostatických a vodíkových vazeb. Mohou se k sobě
přibližovat v rovině membrány a spolu reagovat (viz níže). Biomembrány mají proto za
tělesné teploty podobu „tekutého krystalu“, či fluidní mozaiky (Singer a Nicholson 1971).
Tento model biomembrán nahradil dřívější, tzv. sendvičový model (Danielli a Robertson 1952), kde bílkoviny byly lokalizovány v
souvislé vrstvě na obou stranách dvojlistu lipidů.
Fluidně-mozaikový model biomembrán vedl k převratu v chápaní jejich funkce,
především plazmatické membrány a její úlohy při příjmu látek a informací z okolí (viz
kap.3.4). Vzájemné přiblížení se sousedních bílkovin, umožněné fluiditou membrány, vede
totiž zpravidla k aktivaci jejich funkce, např. enzymatické aktivity, která pak spouští další
procesy uvnitř buňky (viz např. kap. 3.4, transdukce signálů přes PM).
Obecně platí, že vyšší stupeň fluidity mají membrány s větším zastoupením více
pohyblivých fosfolipidů s nenasycenými mastnými kyselinami. Membránovou fluiditu
(mikroviskozitu) snižuje vysoce hydrofobní cholesterol, který omezuje pohyb fosfolipidů. Při
větším poklesu teploty cholesterol brání rychlé změně ze stavu sol v gel. Stupeň fluidity
membrán značně ovlivňuje rovněž okolní teplota.
Cholesterol chybí v membránách buněk rostlin bakterií, kde bývá však nahrazen jinými steroly, což je mj. významné dieteticky.
32
Fluidita biomembrán, a tím i pohyblivost bílkovin, se zvyšuje po navázání specifické
signální molekuly, např. hormonu na receptorové bílkoviny plazmatické membrány.
Fluidita membrán je zpravidla vysoká v dělících se a diferencujících se buňkách.
Jistá omezení přemísťování v PM jsou v morfologicky a funkčně polarizovaných buňkách.
V epiteliálních buňkách nedochází např. k přesunům bílkovin mezi apikálním a bazálním
pólem, neboť by tím došlo k narušení funkčních odlišností PM na obou pólech. Překážku
představují mezibuněčné spoje a vazba integrálních bílkovin PM na cytoskelet a
extracelulární matrix.
2. 3. 2 Endomembránový systém (ES)
ES tvoří plazmatická membrána, jaderná blána endoplasmatické retikulum, Golgiho
aparát, lysozomy, endozomy a transportní váčky, vakuola a peroxisomy.
Jednotlivé typy organel ES představují specializované metabolické a funkční oddíly,
kompartmenty. Jejich membrány mohou mezi sebou splývat a přecházet tak z jedné
organely do druhé, vč. plasmatické membrány (tzv. tok membrán). Organely ES úzce
kooperují při výkonu řady základních metabolických procesů a funkcí. To je dobře patrno
např. při syntéze a transportu bílkovin, na kterých se podílí většina organel ES (viz kap.
5.3).
Zdrojem biomembrán ES je hladké endoplazmatické retikulum (hl-ER), kde se tvoří
insercí lipidů a proteinů do již existující membránové matrice tj. způsobem, který
připomíná tkaní látky na tkalcovském stavu.
Fosfolipidy jsou syntetizovány enzymy v zevním- cytozolickém listu hl-ER z glycerolu, koenzymuA a
mastných kyselin přítomných v cytozolu. Syntézy fosfatidylcholinu zajišťuje např. acyltransferáza, fosfatáza,
cholinfosfotransferáza, tvořícími postupně z uvedených prekurzorů glycerolfosfát, fosfatidovou kyselinou a
diglycerid na který se v konečném stupni naváže cholin. Do protilehlého (luminálního) listu hl-ER jsou
následně „překlopeny“ enzymy- flipázami. Tomuto překlopu nepodléhají glykolipidy, které zůstávají v zevním
listu a v konečném umístění i na povrchu plazmatické membrány (viz níže)
Následuje inzerce bílkovin tvořených v hr-ER.
Nově tvořená membrána se posléze odděluje od hl-ER formou váčku, který splývá
s membránami cílových organel (viz též váčkový transport, kap.3.1). Tímto způsobem se
může zvětšovat a obnovovat povrch buňky i ostatních organel ES. Proces se označuje
jako „tok membrán“ v buňce. Obnova biomembrán ES je poměrně rychlá. Poločas obnovy
např. PM kolísá v hodinách až dnech.
2. 3. 2. 1 PLAZMATICKÁ MEMBRÁNA (PM) (obr. 9)
PM představuje rozhraní mezi buňkou a okolím, které zajišťuje výběrový příjem látek a
signálů z okolí, ať již z extracelulárního prostoru nebo od okolních buněk, či extracelulární
matrix (více viz kap.5.4.). I když má PM stejnou základní molekulární stavbu jako ostatní
biomembrány, vykazuje některé důležité rozdíly.
Lipidová dvojvrstva PM má značně asymetrické spektrum fosfolipidů. Ve vnější polovině
jsou více zastoupeny fosfolipidy obsahující cholin (fosfatidylcholin = lecitin a sfingomyelin).
Ve vnitřním listu dvojvrstvy převažují fosfatidylethanolamin, fosfatidylserin a fosfoinositidy.
Obsah cholesterolu je v PM vyšší než v ostatních membránách buňky. V zevním listu PM
jsou i molekuly glykolipidů, které chybí v ostatních membránových organelách. Lipidy PM
představují nejen nosnou vrstvu pro ostatní molekuly PM, ale účastní se též aktivně na
33
přenosu chemických signálů od receptoru do nitra buňky (viz tvorba tzv. sekundární poslů z
membránového fosfatidylinositolu (kap. 5.4).
Mezi molekulami fosfolipidů v obou lipidických listech PM jsou vmezeřeny (interkalovány)
četné molekuly vysoce hydrofobního cholesterolu (viz shora vliv na fluiditu PM).
V membránách některých buněk , např. mozkových buněk, jsou významnou složkou i
sfingoglykolipidy (cerebrozidy).
PM některých eukayotních buněk obsahuje též tzv. acetálové (esterové) lipidy, které tvoří jsou hojné v
membránách archeí a některých anerobních bakterií (kap.3.3.). Týká se to např. neuronů, bílé hmoty,
kardiomyocytů, spermií, krevních destiček. Ovlivňují fluiditu membrán, působí jako zhášeče kyslíkových
radikálů (viz kap. 5). U spermií mají fusogení efekt tj. podporují splynutí plazmatické membrány spermie a
vajíčka. Viz též plazmalogeny na Internetu a níže jejich syntézu v peroxizomech.
Lipidy i bílkoviny PM mohou nést, na rozdíl od membrán jiných organel, na zevní straně
buňky cukerná zakončení (glykoproteiny a glykolipidy).
Funkce bílkovin PM:
Receptory, např. peptidických hormonů, růstových faktorů, cytokinů, biogenních aminů a
dalších důležitých biologických signálů (viz kap. 5.4. a předmět fyziologie)
Přenašeči (transportéry) iontů, malých organických molekul z okolí do buňky, z buňky do
buňky nebo z buňky ven (viz kap.5.1)
Iontové kanály (viz kap. 5.1)
Enzymy (např. Na+K+ ATPáza, viz kap. 5.2, G-proteiny viz kap.5.4.3 apod.)
Adhezní bílkoviny, které zajišťují soudržnost, adhezi, buněk mezi sebou a mezi buňkami
a mezibuněčnou hmotou (syn. extracelulární matrix) v tkáních (viz kap. 4.1.2.2).
V některých místech PM se mohu tvořit shluky (mikrodomény) bílkovin a lipidů – tzv. ráfty
(raft angl.vor), které představují "pohotovostní reservu vybraných molekul" (tzv.pool) pro
transport některých molekul a receptorovou signalizaci do buňky.
Ráfty jsou mikrodomény PM obohacené sfingoglykolipidy (sfingomyelin), cholesterolem a některými
bílkovinami, např. kaveoliny, trimerními a momerními G-proteiny aj., viz níže). Řetězce mastných kyselin
sfingoglykolipidů jsou v ráftech delší (jsou více "nataženy" neboť mají méně dvojných vazeb) a molekuly
jsou blíže u sebe. To, spolu s vyšším obsahem cholesterolu, vytváří nano-ostrůvky s větší tloušťkou a nižší
fluiditou. Tyto ostrůvky proo „plavou jako vory" v okolní, tekutější lipidické fázi PM. Rafty tak představují
preformovanou hotovost („ pool“) signálních a transportních molekul, především receptorového typu (viz
kap. 5.4) Segmenty PM obohacené bílkovinou kaveolinem se uplatňují ve váčkovém transportu cholesterolu
do buňky (viz kap. 5.1).
Bílkoviny asociované (periferní) se často účastní na přenosu informací od receptoru do
buňky (např. GTP vážící proteiny, enzymy syntetizující tzv. sekundární posly apod., viz
kap. 2.3.4)
Glykoproteiny a glykolipidy, spolu s dalšími okolními glykany, tvoří tzv. buněčný glykokalyx, který obsahuje
četné anionické skupiny, především kyseliny N-acetyl-neuraminové (sialové). Výsledkem je elektricky
negativně nabité pole v této "vzdálenější" oblasti PM, které se uplatňuje v buněčných interakcích, např. při
migraci buněk v časných stádiích vývoje zárodku. Pozor: Na bezprostředním povrchu má PM náboj
positivní, viz KMP níže kap. 3.1
Sacharidy tvoří zhruba 8% hmoty PM; nejčastěji se vyskytuje D- glukóza, D-manóza, Lfukóza, kyselina N-acetyl-neuraminová (sialová), N-acetyl-D-glukozamin a N-acetyl-Dgalaktozamin. Cukerná zakončení bílkovin a lipidů plazmatické membrány výrazně zvyšují
34
jejich strukturální polymorfii a tím i jejich receptorovou variabilitu a specifitu pro vazbu
signálních molekul přicházejících z okolí buňky.
Úloha PM v adhezi a mezibuněčných komunikacích (obr.12-14)
Specifické skupiny integrálních bílkovin PM zajišťují vazbu buněk mezi sebou a buněk s
extracelulární matrix (viz 6.1) v tkáních a při některých funkčních procesech (viz níže).
Hlavní skupiny těchto tzv. adhezních molekul jsou: (i) cadheriny, (ii) Ig -superfamily CAMstj. Adhezní molekuly tzv. imunoglobulinové super-rodiny a (iii) integriny (iv) selektiny a (v)
CD44 skupina molekul.
Funkce adhezních bílkovin je nezastupitelná při tvorbě a udržování tkáňových struktur
(skupiny i-iv). Některé adhezní bílkoviny jsou četnější v místech tzv. mezibuněčných
spojení (viz níže).
Adhezní bílkoviny umožňují specializovanou mechanickou a signalizační komunikaci mezi
buňkami a buňkami a extracelulárním prostředím, mezibuněčnou hmotou v tkáních (syn.
extracelulární matrix, viz kap. 5.1). Většina z nich svým intracelulární koncem reaguje
rovněž s molekulami intracelulárních signalizačních kaskád (kap. 5) řídících základní
buněčné funkce, např. buněčné dělení, migrace buněk za vývoje (viz níže), vycestovávání
leukocytů z krevního řečiště, adheze spermie k vajíčku v procesu oplozování (kap. 6),
polarizaci epiteliálních buněk (kap. 5.2) apod.
Přesuny (migrace) buněk jsou masivní při tvorbě zárodečných listů, tkání a orgánových základů (blastogeneze,
histogeneze a organogeneze, viz kap. 6.3). Adhezní molekuly slouží jako rozpoznávací znaky buněk určující jejich
konečnou tkáňovou a orgánovou lokalizaci.
Mutace adhezních molekul vedou k vážným onemocněním, např. kůže. Jsou i jednou
z příčin metastazování nádorových buněk (schopnosti přemístit se z místa primárního
ložiska nádoru do jiného orgánu).
Hlavní skupiny (rodiny) adhezních molekul podrobněji:
Kadheriny. Jsou široce zastoupené v PM v různých typech tkání a orgánů. Vyžadují pro svou funkci
přítomnost Ca2+ iontů. Spojují buňky mezi sebou v tkáňových strukturách. Jsou četné v bodových
desmozomech. Liší se svým složením v různých typech tkání. E-cadheriny se vyskytují v epiteliálních tkáních;
N-cadheriny v nervové tkáni, myokardu a čočce; P-cadheriny, v placentě a epidermis. Svým intracelulárním
koncem kontaktují bílkoviny membránového cytoskeletu, především molekuly typu kateninů (viz kap. 4.2.2.2).
Molekuly imunoglobulinové skupiny (Ig -superfamily CAMs). Jsou na Ca2+ nezávislé glykoproteiny PM.
Obsahují segment aminokyselinových sekvencí, který je společný všem imunoglobulinům. Uplatňují se
především v komunikaci mezi endotheliálními buňkami cév a buňkami imunitního systému. Vyskytují se
v několika buněčně specifických izoformách označovaných zkratkami ICAM 1-3 a VCAM.
Integriny. Jsou tvořeny 2 odlišnými podjednotkami (α, β heterodimer), které mají značně variabilní strukturu.
Fungují jako nízko afinitní receptory pro fibronektin mezibuněčné hmoty (extracelulární matrix, viz obr.14 C),
od které přebírají signály regulující adhezi, proliferaci a další funkce buněk. Na cytoplazmatické straně se
přes další bílkoviny (vinkulin, talin, alfa aktinin, viz kap.4.2) integriny spojují s aktinovými mikrofilamenty v
cytoplasmě. Existuje poměrně velký počet izoforem obou podjednotek a jejich kombinací.
Selektiny jsou Ca++ dependentní molekuly plazmatické membrány, které se váží na sacharidovou složkou
mudínům podobných adhezních molekul sousedních buněk. Uplatňují se především v interakcích cévní
výstelky a krevních buněk. Vyskytují se v několika buněčně specifických izoformách (L-leukocytární, P
(Platelet-destičkový, E-Endotheliální) Vzhledem k tomu, že selectiny rozpoznávají a váží chemicky
definované sacharidové molekuly, řadí se rovněž mezi tzv. lektiny.
CD44 skupina molekul se rovněž váží na extracelulární sacharidové molekuly, především kyselinu
hyaluronovou, ale i některé další molekuly. Slouží k mechanické a signalizační komunikaci mezi buňkami a
extracelulární matrix Podobně jako integriny, svým intracelulární koncem interagují v buňce s molekulami
35
signalizačních kaskád a uplatňují se tak v regulaci buněčného dělení, migrace, tvaru buněk, genové exprese
i přežívání buněk. Jejich mutace jsou jednou z příčin metastazování nádorových buněk (schopnosti přemístit
se z místa primárního ložiska nádoru do jiného orgánu).
Mezibuněčné spoje (Intercellular junctions).
V některých místech PM se adhezní molekuly vyskytují ve větším množství a PM vytváří
speciální struktury, tzv. mezibuněčná spojení (intercellular junctions).
Dle funkce je lze rozdělit do 3 hlavních skupin: (i) spoje těsnící (ii) zpevňující a (iii) vodivé
(komunikační), z nichž některé mají další podskupiny (a-d).
Toto členění se v poslední době opouští, neboť se ukázalo, že některé spoje plní více
funkcí, např. zpevňující i komunikační (spoje mezi buňkami a extracelulární matrix), nebo
zpevňující i morfogenetickou (viz pásové desmozomy). Nicméně, tato starší klasifikace
usnadňuje zapamatování a proto použito v následujícím výkladu.
Ad (i) Těsnící spoje, vznikají adhezí bílkovin zevních listů PM přilehlých buněk. Occludin a
claudin-1 jsou peptidy procházející 4x PM. Peptid JAM 1x. Tyto spoje jsou časté mezi
apikálními póly epiteliálních buněk slizničních výstelek, nebo mezi endothelovýcmi buňkami
kapilár mozku a varlat. Výsledkem je oboustranná neprostupnost molekul, vč. malých
organických (glukóza, aminokyseliny a pod), např. střevním obsahem a krví nebo krví a
mozkovým či testikulárním parenchymem
Ad (ii) Zpevňující spoje, jsou pásová nebo bodová ztluštění membrán přiléhajících buněk, s
úponem mikrofilament nebo středních filament cytoskeletu. Vyskytují se v tkáních, které
jsou mechanicky namáhány (epidermis, myokard a pod). Jejich hlavní podskupiny jsou:
a) Pásové desmozomy (syn. zonula adherens, adherent belts), jsou ztluštění PM tvořené
kadheriny, ke kterým se uvnitř buňky připojují přes menší bílkovinné mezičlánky (cateniny,
vinculin) svazky aktinových mikrofilament. Vytváří se tak kontraktilní prstenec mezi
apikálními částmi epiteliálních buněk, který realizuje některé morfogenetické procesy v
embryonálním vývoji (např. tvorba neurální rýhy a posléze trubice).
b) Bodové desmozomy (syn. macula adherens, nebo jen desmozomy), představují
symetrická knoflíkovitá ztluštění PM sousedních buněk, obsahující četné speciálními
bílkoviny (desmoglein a desmocollin ze skupiny kadherinů). Na vnitřní straně se přes menší
bílkovinné mezičlánky (kateninům podobný plakoglobin a desmoplakiny) upínají bočně na
střední filamenta cytoskeletu. Významně přispívají k soudržnosti buněk v tkáních.
c) Hemidesmozomy, s úpony středních filament, zpevňují vazbu mezi epiteliálními buňkami
a extracelulární matrix. Vazbu zprostředkovávají adhezní molekuly PM integrinového typu
laminin extracelulární matrix.
d) Fokální spoje se často vyskytují při bázi epiteliálních buněk. Spojují integriny PM s
fibronektinem extracelulární matrix, např. basální laminy epiteliálních tkání. V buňce na
tyto spoje navazují paprsčitě uspořádaná mikrofilamenta (stress fibers).
Ad (iii) Vodivé (komunikační) spoje
(a) nexus (syn. gap junction, elektrická synapse, též spoje dírkaté či mezerové),
umožňuje volný a rychlý přesun iontů a malých molekul z buňky do buňky; průchod se
uskutečňuje přes příčně orientované mikrokanálky, konexony, které jsou tvořeny
molekulami speciálních bílkovin. Vyskytují se často v embryonálních tkáních. V dospělosti
jsou v myokardu, mozku, mezi osteocyty kostní tkáně apod.
36
(b) chemické synapse. Jsou speciální spoje vyskytující se pouze v nervovém systému a ve
svalech (nervosvalová zakončení, neuromuskulární ploténky). Jsou tvořeny presynaptickým
"knoflíkem", synaptickou štěrbinou a postsynaptickou částí. V presynaptickém oddílu jsou
drobné vesikuly (synaptické váčky), které obsahují signální molekuly, neurotransmitery,
které se vlivem depolarizace okolní PM vylévají cestou exocytózy do synaptické štěrbiny.
Navazují se na receptory v postsynaptické membráně, kterými jsou často iontové kanály,
jejichž otevření vede k depolarizaci postsynaptické membrány a tím i přenosu nervového
impulsu na další neuron, nebo z nervového zakončení na sval.
2. 3. 2. 2 ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM (ER) (obr. 6-13)
membránový labyrint ??
ER představuje nepravidelnou síť vzájemně propojených plochých cisteren a tubulů. ER
je v dynamickém strukturálním i funkčním vztahu k ostatním organelám
endomembránového systému, především k PM, endozomálně -lysozomálnímu systému,
Golgiho aparátu, peroxizomům, vakuole, bláně jaderné. K membránám ER mohou být
připojeny ribozomy, čímž vzniká tzv. drsné či hrubé ER (hr-ER). Ostatní ER je označováno
jako hladké ER (a)
2. 3. 2. 3 Hladké ER ( Hl-ER)
Hl-ER je místem syntézy lipidů, především fosfolipidů pro novotvorbu buněčných
membrán. Tvorba buněčných membrán probíhá tak, že se do již existující membránové
„předlohy“ vkládají nové lipidické molekuly (jako do tkanina vycházející z tkalcovského
stavu, viz shor). Více v Molekulové biologii. Nově vytvořené membrány opouští hl-ER ve
formě váčků, které posléze splývají s ostatními organelami ES (viz shora „tok“ membrán
v buňce, kap. 4.1.1).
V hl-ER se syntetizuje též cholesterol a steroidy a glykogen. Probíhá zde detoxifikace
škodlivých a cizorodých látek, nejčastěji jejich oxidací, redukcí nebo konjugací s kyselinou
glukuronovou, což činí tyto látky rozpustnými ve vodě a snáze vylučitelnými z organizmu
ledvinami. Hl-ER obsahuje rovněž pohotovostní zásobu kalciových iontů, které se mohou
přechodně uvolňovat do cytozolu a aktivovat řadu buněčných funkcí (svalová kontrakce,
příjem signálů přes některé receptory, sekrece, apod., viz kap. 5.4). Tyto funkce zajišťují
membránově vázané i volné bílkoviny hl-ER (přenašeče, enzymy, iontové kanály, viz níže)
Např. ionty kalcia přecházejí z hl-ER do cytozolu speciálními iontovými kanály a z cytozolu
zpět jsou čerpány proti koncentračnímu spádu specifickými Ca++ATPázami.
Detoxifikační oxidázy spolupracují s NADPH a NADH, dvojmocnými kationty a molekulovým kyslíkem.
Klíčovou úlohu mají cytochromy P 450. Více ve výběrovém kurzu Obecná patobiologie buněk a tkání.
Detofixikace je vícestupňový proces, který původně sloužil k metabolismu krevního barviva, steroidních hormonů, přirozených toxinů z
potravy apod. Dnes i látek uměle syntetizovaných člověkem, vč. mnoha léků. Bohužel, některé meziprodukty vznikající např. při
detoxifickaci polycyklických uhlovodíků (vyskytují se i cigaretovém kouři), jsou však silně kancerogenní.
V hl_ER probíhá též minoritní tzv. ω-oxidace mastných kyselin s delším uhlíkovým řetězcem. Viz β- oxidaci v mitochondriích.
2. 3. 2. 4 Hrubé ER a ribozomy (Hr-ER, syn. drsné ER)
Hr-ER je místem syntézy bílkovin a jejich prvních, tzv. post-translačních úprav. V lumen hrER jsou bílkoviny opatřovány cukernými konci, tj. glykozylovány, většinou na
asparaginovém N zbytku peptidu (zajišťuje membránově vázaný nenasycený lipid, dolichol,
s 75-95 uhlíky). Hotové bílkoviny se odštěpují od ER formou membránou obalených
váčků, které vstupují do do Golgiho aparátu, kde jsou upravovány („processing“) a dále
37
exportovány v buňce nebo z buňky (viz níže, Golgiho aparát, lysozomy, váčkový transport,
sekrece apod.)
Lumen hr-ER souvisí s perinukleárním prostorem, který je uzavřen listy jaderné blány.
Výskyt hr-ER se v různých buňkách liší. Je relativně rozsáhlejší v buňkách s vysokou
syntézou bílkovin, např. v jaterních buňkách, žlázovém epitelu, nervových buňkách a pod).
(Více viz kap. 5.3).
Ribozomy. Mají vzhled jemných granulí, tvořených tzv. větší a menší podjednotkou. V
eukaryotních buňkách má velká podjednotka sedimentační konstantu 60S, (S= Svedberg)
a malá podjednotka 40S. Ve funkční ribozom (Cave: 80S) se obě podjenotky spojují po
navázaní na molekulu mRNA.
Ribozomy jsou tvořeny několika typy RNA (tzv. ribozomální RNA, rRNA) a velkým počtem
bílkovin. Velká podjednotka obsahuje 28S, 5.8S a 5S rRNA, malá podjednotka pouze 18S
rRNA (obr. 32 A).
Ribozomy mitochondrií a chloroplastů jsou celkově menší a jsou podobné velikostí, strukturou i citlivostí vůči
účinku antibiotik, která inhibují translaci u prokaryot (např. chloramfenikol), zatímco cytoplazmatické
ribozomy jsou citlivé na cykloheximid. Chybí 5.8S RNA ve velké podjednotce
Většina rRNA (mimo 5S RNA) je syntetizována v jadérku, kde "zraje" (štěpení, metylace
aj.) a spojuje se s ribozomálními proteiny, tvořenými primárně v cytoplasmě. Tzv. zralé
podjednotky ribozomu jsou odděleně transportovány z jádra do cytoplasmy, kde se účastní
proteosyntézy (translační fáze, viz kap. 5.3).
V eukaryontní buňce se ribozomy mohou vyskytovat volně nebo připojené na molekulu
informační ribonukleové kyseliny (mRNA), jako tzv. polyzomy nebo na endoplazmatické
retikulum (hr-ER). Volné ribozomy se podílí na syntéze cytozolových proteinů, proteinů
určených pro membrány ostatních organel endomembránového systému, jádra a
mitochondrií. Bílkoviny syntetizované na hr-ER jsou většinou určeny pro sekreci do
mezibuněčné hmoty (syn. extracelulární matrix), žlázových vývodů nebo tělních tekutin,
především krve (viz též níže sekreční dráha).
2. 3. 2. 5 GOLGIHO APARÁT (GA)
SYN G.KOMPLEX
(obr.6, 11)
Camilo Golgi (1843-1926), nació en
Corteno (Italia) y estudió medicina enla
Universidad de Pavía, donde obtuvo su
GA představuje svazek plochých-diskoidálních a na sebe naskládaných, lehce prohnutých
membránových cisteren, připomínajících "sloupek mincí". V těsném okolí cisteren jsou
četné váčky. Počet cisteren ve svazku u různých buněk kolísá v živočišných buňkách mezi
4 až 6. U flagelát jich může být až 60. V rostlinných buňkách se tento svazek označuje
někdy jako diktyzom (syn. Golgiho granulum). Počet takovýchto svazků v buňkách je
různý a tvoří tubuly či cisternami propojenou síť- aparát (komplex), která obklopuje jádro a
je i v blízkosti centrozomu.
GA je funkčně polarizovaný. Část přebírající váčky od z hr- a hladkého ER se označuje
jako cis-část. Následuje sřední část, kde probíhají terminální posttranslační úpravy váčky
přijatých molekul (glykozylace, acetylace, metylace, fosforylace, sulfatace, myristilace,
proteolytické štěpení peptidů na menší fragmenty). Tím se mění jejich chemické a
biologické vlastnosti (viz níže). Takto „upravené-opracované “ molekuly pak ve váčcích
odchází z tran-části GA k dalším cílovým oblastem buňky (viz níže transport látek,
sekrece, tvorba lysozomů a další).
38
Zmíněné úpravy bílkovin mění jejich mol.hmotnost, stabilizují a modifikují prostorovou strukturu a tím i jejich
enzymatickou či hormonální aktivitu, činí je resistentnějšími k proteolýze, zvyšují rozpustnost ve vodě,
snižují sklon k jejich samoagreagaci a pod. Cukerná zakončení molekul v PM ovlivňuje též vzájemné
"rozpoznávání " buněk (cell recognition) v procesu tvorby tkání za vývoje (histogeneze), zprostředkovává
kontaktní inhibici růstu, imunitní reakce a pod. Cukerné zbytky na sfingolipidech PM erytrocytů určují např.
aglutinogeny krevních skupin AB0. (Pozor: na ostatních buňkách jsou cukerné skupiny určující krevní skupiny
A,B,O součástí glykoproteinů PM).
Váčky zformované v trans-části GA dostávají „obal“ (coat, viz níže COP I, II) a "adresy"
ve formě specifických molekul (v-SNARES), podle kterých jsou transportovány k cílovým
strukturám buňky. Místa jejich příjmu nesou zrcadlově formované receptory, tzv. t-SNARES
(v= vesicular t= target SNARES, viz též níže transportní váčky kap. 4.1.5 a 5.1).
Proces glykozylace bílkovin začíná již v hr-ER (viz shora tzv. N- (asparagin)- linked glykozylace) a je
dokončen v GA, především na zbytcích serinu a threoninu (tzv. O-linked glykozylace). Výsledkem je vznik
glykoproteinů, které jsou určeny pro sekreci z buňky, a glykolipidů pro PM. Sacharidy v nich představují
minoritní složku. V GA se dokončuje i tvorba proteoglykanů, ve kterých tvoří sacharidy většinovou složku, a
které jsou sekretované do okolí buňky jako součást extracelulární matrix (viz kap. 6.1).
2. 3. 2. 6 BLÁNA JADERNÁ (BLJ) syn. karyotéka, jaderný obal, jaderná membrána (obr. 6,11,12)
BLJ odděluje jádro od cytoplazmy. Je tvořena dvěma plan-paralelními membránami, které
jsou deriváty cisteren ER. Štěrbina mezi listy membrán (20-40nm, perinukleární prostor
nebo perinukleární cisterna) komunikuje s cisternami hrER. Listy BLJ se v některých
místech spojují a vytvářejí polyedrické póry (70 nm v průměru), osazené proteinovými
komplexy, které zajišťují řízený transport makromolekul z cytoplazmy do jádra (např.
histonů) a z jádra do cytoplazmy, především mRNA a ribozomů. Počet pórů kolísá dle typu,
stupně zralosti a funkčního stavu buňky, a to od několika desítek do několika tisíc.
Jaderné póry jsou "osazeny" četnými molekulami bílkovin, které jsou specializované pro export a import
molekul a partikulí mezi jádrem a cytoplazmou (nukleoforiny, NES a LES proteiny -Nuclear Export and
Localisation Signal Molecules, penduliny aj.). K nim se upínají filamenta z cytoplazmatické i jaderné strany.
Na jaderné straně vytvářejí charakteristickou košíčkovitou strukturu připomínající drátěný košík na zátce lahve
šampaňského.
Na vnitřní straně vnitřního listu BLJ je jemná síť fibrilárních bílkovin, laminů, označovaná
jako jaderná lámina („skořápka“). Laminy (typ A, B a C), obsahují sekvence aminokyselin
homologní se středními filamenty cytoplazmatického cytoskeletu. Laminy B jsou spojeny s
integrálními proteiny BLJ. Laminy A a C (varianty proteinu kódovaného stejným genem)
jsou ve spojení s rozvolněnými interfázovými chromozomy. Na zevním povrchu zevního
listu BLJ jsou zpravidla navázány ribozomy. Laminy typu B jsou ubiquiterní. Laminy typu A
se vyskytují především v časných stádiích vývoje- blastogeneze. Tkáňově specificky jsou
přítomny tovněž laminy typu C.
Jak bude uvedeno v kap. 5.6., v profázi mitózy nastává depolymerizace laminů, a to v důsledku jejich
fosforylace tzv. Faktorem podporujícím zrání (Maturation Promoting Factor, MPF, tj. komplex G2 cyklinu a
tzv. CDK kinázy, viz kap. 7.4), následované rozpadem BLJ do malých vezikul, ke kterým zůstávají připojeny
molekuly laminu B. Váčky se stávají dočasnou součásti hrER. Po ukončení mitózy se váčky nesoucí lamin B
dostávají do vzájemného kontaktu a vzniká nová BLJ.
2. 3. 2. 7 LYSOZOMY,
(obr. 6,10,13,16)
ENDOZOMÁLNÍ SYSTÉM, TRANSPORTNÍ VÁČKY, KAVEOZOMY
Malé, ale důležité a rozmanité
(i) Lysozomy (Ly) jsou malé, membránou ohraničené váčky (0.5-1 um), které obsahují
hydrolytické enzymy (kyselé hydrolázy s pH optimem kolem pH 5.5). Probíhá v nich rozklad
makromolekul pohlcených z okolí buňky procesem endocytozy (viz též níže endozomy)
39
nebo biologického materiálu, např. bakterií či fragmentů poškozených uhynulých buněk
pohlcených procesem fagocytozy (viz též níže heterofagozomy). Účastní se též rozkladu
vlastních poškozených nebo opotřebených organel buňky v tzv. autofagozomech
(autofagie). Ly obsahují zhruba 40 různých hydroláz, označovaných podle
makromolekulárních substrátů, které štěpí (nukleázy, proteázy, lipázy, fosfolipázy,
glykozidázy, fosfatázy, sulfatázy a pod.). Definice a klasifikace Ly prošla několika změnami
(viz níže).
Lysozomální enzymy jsou primárně syntetizované v hr-ER, kde začíná jejich glykolyzace
(N-glykozylace), poté procházejí v GA dalšími relativně složitými úpravami (O-glykosylace)
a tříděním do klatrinem „opláštěných“ váčků (viz též níže), ve kterých se manózová
cukerná zakončení enzymů distribuují do váčků obsahujících specifický manózo-6-fosfát
receptor (MP6R). Plášť váčků se poté rozpadá a váček se mění na časný endozom
(prelysozom) v jehož membráně je protonová pumpa, která čerpáním protonů snižuje ve
váčku pH (5.0). To vede k odpojení (disociaci) manozylovaných molekul enzymů od M6Preceptoru a recyklaci MP6R v nové vytvořeném váčku do Golgiho aparátu. Zbývající obsah
(tj. fosforylované a dosud neaktivní enzymy - proenzymy), zůstávají v malých membránou
obalených váčcích, označovaných dříve jako primární lysozomy, dnes „vesikuly
transportující kyselé hydrolázy“.
Tyto vezikuly zůstávají v buňce připravené splynout s pozdními endozomy, obsahující
např. molekuly pohlcené z okolí buňky tzv. receptorově zprostředkovanou endocytou
(RZE, viz kap. 5.1.3.2) nebo fagocytozou. Splynutím endocytárních váčků se shora
zmíněnými vesikulami obsahujícími kyselé hydrolázy se vytvoří tzv. vlastní lysozom
(dříve sekundární lysozom), ve kterém se rozloží pohlcený obsah. Tímto mechanizmem je
např. transportován do buněk cholesterol v komplexu s lipoproteinovým nosičem, který se
primárně váže na receptory v PM (viz kap. 5.1).
Aktivace kyselých lysozomálních hydroláz v lysozomu vyžaduje další okyselení obsahu (pH cca 4.8), což zajišťuje
přenašeč protonů (tzv. v-ATPáza) v membráně lysozomu. Kromě protonů, do váčků procházejí iontovým kanály i
chloridové anionty. Nízké pH rovněž denaturuje bílkoviny a další makromolekuly, což usnadňuje hydrolázám přístup k
jejich enzymatickým substrátům.
Proces konverze neaktivních lysozomálních proenzymů na jejich aktivní formu je stále předmětem zkoumaní. Jeho
součástí je zřejmě i cílené odštěpení části molekuly proenzymu jinými lysozomálními proteázami. .
Nežádoucímu samonatrávení buňky po ev. uvolnění lysozomálních enzymů do cytoplazmy zabraňuje neutrální až mírně
alkalické prostředí ( pH 7.0 až 7.3) cytosolu, které tyto enzymy rychle inaktivuje.
Lysozomální enzymy mohou být sekretovány formou exocytózy i do okolí buňky. Pokud takto se vyprazdňující lysozom
obsahoval i nerozložitelný materiál, proces se někdy označuje jako „buněčná defekace“.
Lysozomální aktivita je vysoká v rostoucích a degenerujících buňkách a tkáních. Lysozomy jsou četné jsou i
v granulocytech, ve kterých slouží k usmrcení a rozkladu fagocytovaných mikroorganizmů (tzv. druhá
obranná linie organizmu proti infekci). Lysozomální enzymy uvolňené okolí buňky štěpí okolní materiál (např.
při rozrušují obaly vajíčka při oplození), podílí se na resorpci žloutku v časných fázích embryogeneze,
keratinizaci kůže, trombolýze a pod. Exocytované lysozomální enzymy mohou
Být zpět buňkami pohlceny (formou receptorově zprostředkované endocytozy, viz. Kap. 5.1.3) a opět
zapojeny do endozomálního systému buňky (viz shora).
Není váček
jako váček
Endozom (y), někdy endozom -lysozomální systém, lze tedy definovat jako
prelysozomální kompartment buňky, tvořený membránou ohraničenými váčky a tubuly,
obsahujícími látky syntetizované v buňce (viz shora kyselé prelysozomální hydrolázy)
nebo látky pohlcené z okolí (viz receptorově zprostředkovaná endocytoza shora a v kap.
5.1), ve kterém dojde nejprve k okyselení jeho obsahu a oddělení receptorů od
transportovaných molekul (časný E.), oddělení a recyklaci receptorů (pozdní E.) do PM a
40
nakonec k enzymatickému rozkladu transportovaných látek resp. jejich nosičů (viz např.
shora zmíněné komplexy lipoproteinů a cholesterolu) kyselými hydrolázami v lysozomu.
Kromě zmíněného cholesterolu jsou procesem RZE ve formě komplexů s bílkovinnými nosiči pohlcovány i
některé další molekuly potřebné pro stavbu a metabolismus buňky. Fagozomy mohou obsahovat např.
bakterie, buněčnou drť apod. pohlcené z okolí (heterofagozomy) nebo vlastní korpuskulární materiál, např.
poškozené nebo opotřebované organely (autofagozomy, viz kap. 5.1).
Znalosti o endosom -lysozomálním systému nejsou dosud ustálené a informace v
učebnicích mohou být nejednotné nebo nejasné.
(ii) Transportní váčky, jak již naznačeno shora, představují pestrý soubor drobných
membránou obalených váčků nebo nepravidelných cisteren, sloužících k transportu
molekul mezi buňkou a okolím a mezi jednotlivými organelami v buňce samotné. Obsah
váčku je označován jako náklad, cargo.Molekuly carga jsou k membráně váčku připojeny
specifickými receptory, které jsou integrálními bílkovinami membrány váčku (viz též
receptorově zprostředkovaná endocytoza a kap. 5.1.3.2).
Na povrchu mají váčky často bílkovinný plášť (coat) a jsou proto označovány jako
opláštěné váčky (coated vesicles). Přítomnost pláště je dočasná. Jeho tvorba i rozpad je
regulován řadou dalších molekul (tzv. adaptorové proteiny, membránové fosfoinozitoly,
GTPázy a další, více v Molekulové biologii).
Plášťové molekuly se účastní formování váčku, který začíná jako prohlubeň membrány
(potažená jamka v PM, coated pit, viz endocytoza, kap. 5.1), která se postupně mění ve
váček. Odškrcení váčku od mateřské membrány zajišťuje pak v místě jeho „krčku“
„kontraktilní“ bílkovina dynamin. Podobně začínající tvorba váčku z GA, ER nebo
endozomu se označuje jako pučení váčku.
První zjištěnou plašťovou bílkovinou byl klathrin.
Molekula klathrinu má podobu triskelionu (viz obr….). Při vhodných podmínkách vytváří penta- a hexagonální
komplexy, které košíčkovitě obklopí váček. Plášť je připojený k membráně váčku další bílkovinou.
Adaptinem 1 v případě lysozomů a váčků endozomálního systému transportujících molekuly z Golgiho
aparátu a adaptinem 2 pro váčky směřující endocytózou od plazmatické membrány k endo -lysozomálnímu
systému.. Rozpad klatrinového váčku vyžaduje energii z ATP.
Dalšími "plášťovými" molekulami jsou Coatomer Protein I a Coatomer Protein II (COP I,
COP II), které obalují váčky přenášející molekuly v buňce mezi ER a GA.
Nedávno byl zjištěn další typ pláště tzv. retromer, který se uplatňuje ve váčkovím
transportu v endozom-lysozomálním systému (viz shora).
Plášť tvořený COP I, II a retromerem nemá podobu klathrinového košíčku (basket coat),
nýbrž spíže hrudkovitého obalu (patchy coat).
Další bílkoviny zakotvené do membrány váčku slouží k cílené dopravě carga k dalšími
intracelulárním organelám nebo k plazmatické membráně. Významnou skupinou jsou tzv.
vesikulární SNARES (v-SNARES). Po jejich navázaní se na komplementární molekuly,
tzv. t-SNARES (t= target, cíl), na cílové organele (tzv. "docking váčku") dojde ke splynutí
membrány váčku s membránou cílové organely a předání obsahu transportního váčku do
této organely nebo jeho vyloučení z buňky (viz též exocytóza, kap. 5.1). Dle posledních
poznatků, fúzi membrány váčku a cílové organely napomáhá vytvořený komplex t- a vSNARES nejen tím, že váček „identifikuje“, ale současně jej změnou své konformace i
„přitahuje“ k cílové organely ( tzv. tethering, angl. tether= vazné lano lodi).
41
Zkratka SNARES je odvozena z Soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion Attachment protein Receptor.
Plný název není třeba znát. Transport váčků označených molekulami SNARES vyžaduje energii, která je
získávána z GTP štěpeného tzv. malými či monomerickými G proteiny, především ze skupiny tzv. rab
proteinů, majících enzymatickou aktivitu. Srovnej s trimerními G-proteiny v kap. 5.4
(iii) Kaveozomy (měchýřky "slujové", J. Černý, Vesmír sv. 82, str. 8, 2003) jsou nedávno objevené, velmi malé
endo-pinocytární váčky, které se vyskytují nejčastěji v blízkosti PM a které nemají klatrinový plášť. Jejich
menbrána je však obohacena o některé lipidy (cholesterol a glykosfingofosfolipidy, viz též shora kap. 4.1
ráfty PM) bílkoviny, především kaveolin, který představuje samostanou „plášťovou“ skupinu. Obsah
kaveozomů je pH neutrální. Představují pravděpodobně samostatnou cestu receptorově zprostředkované
endocytozy např. pro cholesterol, viz shora, a transcytózy (viz. kap. 5.1), i vstupu některých virů do buňky.
Obsah kavezomů končí zpravidla v endoplazmatickém retikulu. Někteří je považují za samostanou skupinu
membránových organel.
(iii) Vakuola (V), rozdíl od buněk rostlinných a nižších hub, kde V je součástí ELS, je v živočišných
buňkách, s výjimkou prvoků (viz trávicí a vodu transportující tzv. pulzující vakuoly), málo vyvinutá a slouží
převážně ke střádání některých látek (např. lipidů v tukových buňkách, pigmentů apod.).
Funkčně specializovanou skupinu představují synaptické váčky nervových buněk (viz kap. 6.2).
2. 3. 2. 8 PEROXIZOMY (Px, dříve syn. microbodies – mikrotělíska).
Px jsou to membránou obalené váčky o průměru 0.05 –2 mm. Obsahují enzymy schopné
odnímat vodík (oxidovat) delším mastným kyselinám (ß-oxidace) za vzniku acetyl-koA a
peroxidu vodíku a tepla; peroxid je inaktivován katalázou bez vzniku nebezpečných tzv.
volných kyslíkových radikálů. Molekulární kyslík uvolněný z H2O2 může být využit k oxidaci
a ev. inaktivaci dalších organických molekul (viz níže). Kratší štěpy mastných kyselin
mohou být využívány dalšími organelami, např. mitochondriemi.
Mezi anabolické funkce peroxizomů patří syntéza prostaglandinů, cholesterolu, žlučových
kyselin, plasmalogenů (etherové fosfolipidy, viz kap. 1.1 a shora lipidy PM), a kyseliny
oxalové. V Px se rovněž může tvořit glukóza z necukerných molekul (glukoneogeneze) a
probíhat proces transaminace. Viz též předměty Fyziologie a Biochemie.
Mezi oxidační substráty Px patří též D-aminokyseliny, alkoholy, aldehydy, fenoly, dikarboxylové kyseliny,
puriny, polyaminy. U hlodavců též močová kyselina, která je rozkládána enzymem urátoxidázou. Ta
způsobuje výskyt pravidelné mřížkové struktury, krystaloidů, patrných v elektronovém mikroskopickém obraze
těchto organel.
Enzymy peroxizomů jsou tvořeny v hr-ER, z kterého se odškrcují formou váčků, nebo se
syntetizují na volných ribozomech (kataláza) a dodatečně jsou obaleny membránou. Při
těchto procesech se netvoří ATP, ale uvolněná energie se přeměňuje přímo v teplo.
Analogem peroxizomů v rostlinných buňkách jsou glyoxyzomy, které se účastní přeměny mastných kyselin
na cukry v glyoxylátovém cyklu v semenech při klíčení a v procesu tzv. fotorespirace (viz předmět Botanika).
Peroxizomy měly pravděpodobně fylogeneticky primární úlohu v zužitkování a
zneškodňování atmosférického kyslíku, který se objevil v atmosféře v důsledku fotosyntézy.
Rudimentární funkce si Px zachovaly i po vzniku mitochondrií využívajících kyslík cestou
oxidativní fosforylace (viz 5.2). Z hlediska fylogenetického je rovněž pozoruhodné, že do
membrán Px mohu být nové molekuly vládány i mimo endoplazmatické retikulum, což
jim poskytuje jistý stupeň autonomie (semiauotomie) a někteří autoři je proto neřadí mezi
organely ES.
Peroxizomy jsou četné např. v hepatocytech a renálním epitelu, kde dochází k inaktivaci mnoha škodlivin,
glukoneogezi, transaminaci apod. Poruchy Px způsobují řadu závažných onemocnění.
42
2. 3. 3 MITOCHONDRIE A HYDROGENOZOMY (obr.6,10, 11,16)
„kW"
2. 3. 3. 1 Mitochondrie (M) jsou membránové organely kulovitého nebo tyčinkového
tvaru (cca 1 x 0.5 um). Jsou tzv. semiautonomní (polosamostatné), neboť mají relativně
vysoký stupeň reprodukční autonomie. Na rozdíl od ostatních membránových organel se
totiž tvoří dělením (odškrcováním z mateřské organely) a nikoliv odštěpováním z
endoplazmatického retikula. Mají též schopnost syntetizovat některé vlastní bílkoviny.
Počet M v buňce je úměrný jejím energetickým potřebám. Je vysoký např. v myokardu,
ledvinách, létacích svalech ptáků a od. V jaterních buňkách savců je jich zhruba 2-3 tisíce.
V ooocytech obojživelníků až 300. 000. Podobně i u některých prvoků, např. améb.
Opačně je tomu např. v povrchových keratinocytech epidermis nebo anerobních prvoků,
např. Trypanozom.
M. jsou tvořené zevní a vnitřní membránou. Vnitřní membrána je zřasena do lamel (krist,
lístků) nebo trubiček, tubulů (např. v buňkách syntetizujících steroidní hormony) jsou v ní
zakotveny molekuly dýchacího řetězce.
U hmyzu se vyskytují i smíšené lamelární -tubulární mitochondrie. Minoritním podtypem popisovaným některými autory v nervových
buňkách jsou mitochondrie s tzv. prizmatickými (trojúhelníkovými) kristami. U některých anerobních prvoků kristy prakticky chybí.
Mezi zevní a vnitřní membránou je tzv. mezimembránový prostor, ve kterém se tvoří
protonový gradient, který je využíván pro tzv. syntézu ATP cestou chemiosmotické
fosforylace (viz níže).
Na některých místech zevní a vnitřní membrána mitochondrie je propojena tzv. megapóry
(Mitochondrial Permeability Transition Pores, MPTP), které jsou za fyziologických podmínek
uzavřeny. Otevírají se však při vážném poškození buňky (viz kap. 5.8) a umožňují únik
cytochromů z mitochondrie do cytozolu, kde spouští proces tzv. programované smrti buňky,
apoptózu (viz kap.5.10).
V prostoru ohraničeným vnitřní membránou je koloidní matrix. Obsahuje řadu enzymů,
které zajišťují významé metabolické procesy. Mezi nejdůležitější patří:
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
(vii)
Dekarboxylace pyruvátu (tvořený glykolýzou v cytozolu),
Rozklad acetyl-KoA tvořeného z pyruvátu cestou tzv. Krebsova (citrátového)
cyklu,
Rozklad mastných kyselin na 2C fragmenty tzv. beta-oxidací (kap. 5.2),
Synteza steroidních molekul, močoviny a
Syntéza glukózy z necukerných molekul (viz glukoneogeneze v kap. 5.2).
Syntéza bílkovin (viz níže a kap.5.3)
Zásobárna iontů kalcia (podobně jako v hl-ER)
Zevní membrána je relativně propustná i pro větší molekuly (až do m.h. 10 000). Obsahuje některé enzymy,
mj. pro prodlužování řetězců mastných kyselin až do 18 C a metabolizmu fosfolipidů. Mitochondrie samy však
získávají většinu fosfolipidů z hladkého ER. Je pozoruhodné, že lipidická složka mitochondriálních
membrán obsahuje i etherové lipidy (plasmalogeny, viz kap. 1.1 a 4.1.2.1), které jsou hlavním fosfolipidem
v plazmatické membráně arche- i některých anerobních eu-bakterií (viz kap. 3).
Vnitřní membrána je málo propustná i pro látky nízkomolekulární. Je proto obohacena speciálním
fosfatidylglycerolem- kardiolipinem, který slouží mj. k transportu fosfátů do matrix mitochondrií. Důležitou
složkou vnitřní membrány jsou bílkoviny, které zajišťují (i) transport elektronů a protonů z NADH+ (NADH+
se tvoří Krebsově cyklu, ve kterém probíhá konečný metabolismus nejen glukózy ale i 2C štěpů
uvolňovaných beta- oxidací z mastných kyselin) a (ii) syntézu ATP, enzymem ATP syntázou, která využívá
energii protonového gradientu v mezimembránovém prostoru (viz kap.5.2).
43
V mitochondriální matrix se nachází 1 chromozom (avšak ve vícero kopiích), který je
zpravidla cirkulární (kružnicový) (viz též níže) . Je-li genetická informace všech kopií
identická, stav se označuje jako mitochondriální homoplázie. Postihne-li mutace DNA část
chromosomů, stav se označuje jako heteroplázie. Stupeň heteroplázie se může náhodně
měnit mj. při redukčním dělení ovocytů, což mívá někdy závažné funkční důsledky.
U člověka obsahuje mitochondriální chromozom pouze 37 genů (13 genů strukturálních kódujících enzymy a
přenašeče elektronů v dýchacím řetězci, 22 genů pro tRNA, 2 geny pro rRNA. Velmi nízký je obsah nekódující
DNA (junk DNA, introny, viz kap.4.3). Počet genů však není u všech živočichů stejný (viz níže). Chybí
jaderná chromatinová struktura. Význam některých kodónu je blíže k purpurovým nesirným bakteriím než
eukaryotním buňkám. Některé nukleotidové triplety mohou být sdíleny dvěma sousedními geny, kdy
v jednom genu představuje koncový, a v genu následujícím triplet počáteční. Genomickou podobnost sdílí
mitochondriální DNA s alfa proteobakteriemi. Mitochondriální DNA živočichů pochází prakticky jen z mateřské
vaječné buňky (viz níže a matroklinita v kap.7.2). Kódující geny ve vtšině případů nejsou v živočišných
buňkách přerušovány introny (výjimkou mezi eukaryoty jsou pravděpodobně mitochondrie kvasinek).
Redukce mitochondriálního genomu spojená s přesunem genů do jádra není u všech eukaryotních organizmů stejná. U
protistů Reclinomas americana jej tvoří 67 genů. U parasitických prvok ů, např. Plasmodium falciparum (původce
malárie) pouze 3 geny. I když k prvotnímu přenosu genů z mitochondrie do jádra došlo před miliardami let, tento proces
se podařilo nedávno experimentálně simulovat (viz níže).
V matrix mitochondrií jsou ribozomy, které syntetizují bílkoviny kódované mitochondriálním
genomem. Jsou menší a více podobné ribozomům bakteriálním než cytoplazmatickým
eukaryotních buněk. Většina nitochodriálních proteinů (cca 90%) je však syntetizovaná
mimo mitochondrie, dle genetické informace uložené v jádře buňky (viz shora). Z
cytoplasmy jsou proteiny "dopravovány" do mitochondrií speciálními transportními
molekulami (viz níže chaperony a kap. 5.1 a 5.8).
Transportu bílkovin z cytoplasmy do mitochondrie se účastní speciální molekuly, tzv. chaperony, viz též kap.
4, které dočasně bílkovinu linearizují (denaturují), čímž se usnadní její průchod membránami mitochondrie.
Po přesunu takto modifikovaného proteinu přes memnrány, jeho renaturaci (tj. obnovení původní prostorové
struktury) provedou v matrix opět molekuly typu chaperonů.
Mitochondrie mají vlastní reprodukční cyklus, který zahrnuje replikaci DNA, longitudinální
zvětšení organely, zaškrcení její vnitřní membrány a vytvoření 2 samostatných, septem
oddělených vnitřních oddílů. Následným zaškrcením zevní membrány se mitochindrie
rozdělí ve 2 samostatné organely. Každá dceřiná mitochondrie obdrží jednu nebo více kopií
chromozomu. Vlastní rozdělení organely zaškrcením („mitochondriokineza“) zajišťují,
podobně jako u prokaryot (viz kap. 3), speciální konstrikční proteiny U prvoků je to tubulinu
evolučně blízký prokaryotní FtsZ protein, u hub a živočichů pak pravděpodobně bílkovina
dynamin mající GTPázou aktivitu. Replikace DNA probíhá v M, na rozdíl od jádra eukaryot
(viz S-fáze, kap. 5.6), – asynchronně tj. ne ve stejnou dobu ve všech M buňky.
Vrozené poruchy v mitochondriálním genomu, jakož i syntéze a transportu mitochondriálních bílkovin jsou příčinou vážných
onemocnění svalů, nervového systému a dalších orgánů. Mitochondrie jsou po celou dobu života i zdrojem malého množství
tzv. volných kyslíkových radikálů, které mohou působit oxidační poškození biomembrán a tím urychlovat opotřebení a dobu
života buněk… a být tak jednou z příčin i stárnutí organizmu. Více viz shora – únik cytochromů z mitochodnrií do cytozolu a
aktivace apoptózy, která je popsána v kap. 5.8.
Minimaxi čtení:
“….Binary fission in procaryotes depends on filaments made of the FtsZ protein. FtsZ is a cytoskeletal GTPase that is structurally related
to tubulin and assembles into a ring at the equator of the cell. FtsZ filaments are essential for the recruitment of all the other cell division
proteins to the division site. Together, these proteins guide the inward growth of the cell wall and membrane, leading to the formation of a
septum that divides the cell into two. Bacteria in which the ftsZ gene is inactivated by mutation cannot divide. A FtsZ-based mechanism is
also used in the division of chloroplasts in plant cells mitochondria in protists. In fungi and animal cells, another self-assembling GTPase
called dynamin) has apparently taken over the function of FtsZ in mitochondrial division”.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mboc4.section.3381
“…Previously, the bacterial cell division protein, FtsZ, was shown to localize at the mitochondrial division site in the alga. We showed that FtsZ and
dynamin coexist as mitochondrial division-associated proteins that act during different phases of division. CmDnm1 was recruited from 10-20
cytoplasmic patches (dynamin patches) to the midpoint of the constricted mitochondrion-dividing ring (MD ring), which was observed as an electrondense structure on the cytoplasmic side. CmDnm1 is probably not required for early constriction; it forms a ring or spiral when the outer mitochondrial
membrane is finally severed, whereas the FtsZ and MD rings are formed before constriction. It is thought that the FtsZ, MD, and dynamin rings are
44
involved in scaffolding, constriction, and final separation, respectively. In eukaryotes, mitochondrial severance is probably the most conserved role for
the dynamin family”. http://merolae.biol.s.u-tokyo.ac.jp/publication/organelle.html Matsuzaki M, Nature 2004
Přesto, důvěřuj ale ověřuj:
“ ……..V preparátech mtDNA vyšších živočichů se vyskytuje 90% genetické informace ve tvaru obdobných “kruhů”, jaký je
na obrázku 7-3. Zbytek tvoří při separaci porušené molekuly. V preparátech mtDNA hub a rostlin je kružnicových molekul
méně a jejich velikost neodpovídá hodnotě předpovězené z kruhové mapy. U tabáku se nikdy nepodařilo izolovat
v kruhové formě více než několik procent DNA. Původně se předpokládalo, že tato mtDNA je velmi fragilní a při separaci
se snadno poškodí. Nové izolační techniky dokázaly, že mtDNA mnohých rostlin a hub tvoří vlákna o délce mnohem větší
než očekávané kružnice a že kružnicové modely jsou výjimečné….”. P. Říha, http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/7/7.htm
“At variance with the earlier belief that mitochondrial genomes are represented by circular DNA molecules, a large number of organisms
have been found to carry linear mitochondrial DNA…. The first linear mitochondrial genome was discovered in the ciliate Tetrahymena by Suyama
and Miura in 1968. Since then other species harboring linear mitochondrial genome were discovered. These organisms belong to a large variety of
taxonomical groups (ciliates, apicomplexan protozoa, algae, slime molds, oomycetous fungi, yeasts and several species of the metazoan phyllum Cnidaria).
Even mtDNA of yeast Saccharomyces cerevisiae, portrayed by geneticists as a circular molecule of 25 µm circumference, is in vivo mainly linear”. Více viz
Kováč L., http://oldwww.fns.uniba.sk/~kbi/kovlab/questions.htm#1
„…..Linear mitochondrial genomes were found in organisms belonging to diverse phylogenetic taxa such as ciliates, apicomplexan
protozoa, green algae, yeasts, oomycetes, slime molds as well as in metazoan species from the phylum Cnidaria. Several lines of
evidence indicate that the linear form of a mitochondrial genome has neither an independent evolutionary origin nor a radically different
lifestyle from its circular counterpart. Rather, the conversion from one form to another has occurred accidentally through a relatively simple
mechanism during evolution. This means that a cell with a linearized mitochondrial genome may use a tinkering strategy to mobilize a
preexisting set of proteins to deal with the end-replication problem within its organelle. Our studies revealed that the fortuitous evolutionary
emergence of linear DNA genomes in mitochondria was accompanied by the generation of various types of terminal structures, adaptation
of components of DNA replication machinery, and hence the application of differing strategies of telomere replication. ……..Moreover, the
ends of linear mitochondrial DNA were shown to adopt a higher-order structure termed the telomeric loop (t-loop), which is analogous to
the t-loops present at the tips of mammalian chromosomes“. J.Nosek, http://www.hhmi.org/research/scholars/nosek.html
Tak přece jen kružnicová, aspoň u člověka ?………. O mitochondriích, mapách a přitažlivosti kruhu,F. Cvrčková, Vesmír 73, 428,
1994/8 “ ………dříve, než si zvykneme na představu, že mitochondriální DNA je uzavřena do kružnice, měli bychom se zamyslet nad tím,
odkud ta představa pochází. Konstrukce genetické mapy se podobá mapování neznámého území před nástupem letecké či družicové
fotografie. Mapa chromozomu se sestavuje po kouskách; základem mapování je určování sousedů kteréhokoli zvoleného bodu na
molekule DNA. Narazíme-li podruhé na bod, ze kterého jsme vyšli (a jsme-li si jisti, že se tento bod na chromozomu neopakuje), mapa se
uzavírá do kruhu. Znamená to však, že se do kružnice uzavírá i studovaná molekula DNA? Bylo by tomu tak, kdybychom
mapu odvozovali z jediné kopie mitochondriálního genomu; ale skutečné mapy se sestavují na základě analýzy populací molekul. A tu se
nám náhle naskýtají dvě možnosti, jak obdržet kruhovou mapu lineárního chromozomu. Mapa sama o sobě k závěru, že mitochondriální
DNA je kružnicová, nestačí. Odkud se tedy bere všeobecně přijatá představa, že mitochondriální DNA je kružnicová? Argument, že
mitochondrie jsou někdejší bakterie a že bakterie mají kruhové chromozomy, nestačí. Nejpřesvědčivějším důkazem samozřejmě je
úhledný, elektronovým mikroskopem pořízený snímek molekul DNA uzavřených do kružnice, jejíž obvod pokud možno odpovídá délce
mapy sestavené „po kouskách“. V preparátech mitochondriální DNA vyšších živočichů je takových kroužků až 90 %. Nad zbytkem si není
třeba lámat hlavu, uvědomíme-li si, že analýza jakékoli DNA v elektronovém mikroskopu se podobá stanovování průměrné délky vařené
špagety na základě fotografie. Rozbité molekuly (a přetržené špagety) nejsou žádnou vzácností. Kruhová mapa mitochondriální DNA si
našla cestu do učebnic a tím i do obecného povědomí. Zdálo by se, že oprávněně; ale toto zdání je, jak ukazuje nedávno zveřejněný
článek Arnolda Bendicha z Univerzity v Seattlu, klamné.
Situace totiž není zdaleka tak jednoduchá, pokud se zabýváme i jinými organizmy, než jsou mnohobuněční živočichové. V preparátech
mitochondriální DNA hub a rostlin je kružnicových molekul méně, než bychom čekali, a jejich velikost mnohdy neodpovídá hodnotě
předpovězené z kruhové mapy. U tabáku např. nikdo nikdy neviděl víc než několik procent pozorovaných molekul mitochondriální DNA
v kruhové formě. Vžitou představou to však neotřáslo: je přece možné, že se tabáková DNA snadno trhá při izolaci a že zdokonalení
metod nakonec přece jenom přinese potvrzení učebnicového modelu…… K tomu však nedošlo. … byly vyvinuty nové a mnohem
šetrnější izolační techniky – ale ukázalo se, že mitochondriální DNA mnohých rostlin a hub tvoří vlákna o délce mnohem větší než
očekávané kružnice a že kružnicové molekuly jsou spíše výjimkou než pravidlem! Ne že by se zase stalo tak moc. Replikace kružnicové
DNA může dát vzniknout dlouhým, zřetězeným lineárním molekulám, které pořád poskytují stejnou kruhovou mapu a ví se, že například
některé viry takovou replikační strategii s úspěchem používají…… Proč vlastně vstoupila kruhová mapa do našeho povědomí tak
hluboko, že pozorování ojedinělých kružnicových molekul ve změti lineární DNA stačilo jako „důkaz“ obecně kruhové povahy
mitochondriálního genomu? Odpověď je jednoduchá: učebnice praví, že mitochondriální DNA je kruhová. Naše (tedy savčí)
mitochondriální DNA kruhová je, a savčí buňky byly studovány jako první. Kdyby první pozorované molekuly mitochondriální DNA
pocházely z tabáku, byli bychom se divili, k čemu je ta vzácná a neobvyklá kružnicová forma……”
Promiskuitní DNA, Stěhování genů z organel do jádra.E. Kejnovský, Vesmír 86, 179, 2007/3, Proč se geny přesouvají do jádra?
Kráceno VM. Vsuvky (…) VM.
“……Prokaryotičtí předchůdci organel (vč. mitochondrií) byli původně sexuální, a poté, ….co uzavřeli endosymbiotické partnerství,
….začali být asexuální. …..nepřítomnost sexuality vede k hromadění škodlivých mutací. Nefungují totiž opravné mechanismy na bázi
rekombinace DNA, které spočívají v opravě poškozených kopií genů podle kopií nepoškozených. Selekční tlak kromě toho zvýhodňuje
malé genomy. V evoluci byly zvýhodněny úseky DNA, které byly přeneseny do jádra, kde mohou rekombinovat, a tím opravovat své
poškození. Ukázalo se, že během evoluce organel rostlinných buněk a řas (plastidů) bylo do jádra přeneseno až 5000 genů. Mnohé kopie
těchto genů jsou funkční i po přenosu do jádra. Organely totiž využívají produkty svých bývalých genů, i když jsou tyto geny v jádře.
Které geny jsou promiskuitnější? Proč některé geny v organelách zůstávají? Byly totiž nalezeny i organely prokazatelně
endosymbiotického původu, které ztratily DNA. ….. zdá se, že některé geny zůstaly v organelách zachovány v důsledku určitých
vlastností proteinů (hydrofobicitou), a také v souvislosti s řízením oxidativních procesů. Některé proteiny by těžko procházely
membránami z cytoplazmy do organel, a proto je výhodnější je syntetizovat přímo uvnitř organel. Stejně tak v případě proteinů řídících
oxidativní procesy je výhodnější jejich syntéza přímo v organelách, kde mohou být odpovídající geny zapínány a vypínány podle potřeby
organel. Ukázalo se, že v evoluci se některé geny z organel přenášejí do jádra přednostně. Co je příčinou různé náchylnosti genů k
promiskuitě? Jako první přecházejí do jádra geny, jejichž produkty mají regulační funkci. Geny související … s překladem genetické
informace a s dýcháním opouštějí organely jako poslední. ….příkladem je enzym rubisco, jehož katalytická podjednotka je kódována
chloroplastem, zatímco regulační podjednotka pochází z jádra.
45
Jak se organelové geny dostanou do jádra?
Původně se uvažovalo o prostřednictví transpozon(ů), nebo o fágovém přenosu. Dnes existenci organelové DNA v jádře vysvětlují dvě
hypotézy: přenos prostřednictvím RNA a včlenění velkých kusů organelové DNA rekombinací. Tyto hypotézy se navzájem nevylučují a
pro obě existují experimentální důkazy. …. první hypotéza? Organelový gen se přepíše do RNA, a pak se zpětně přepíše (reverzní
transkriptázou) do komplementární DNA (cDNA), která se včlení do jaderného genomu. Skutečně byly nalezeny úseky organelových genů
v jádře, jimž chyběly introny, tj. úseky genů, které zmizí pouze při úpravách RNA. Představu včleňování velkých kusů DNA podpořily
objevy …..chloroplastové DNA v jádře rýže nebo …mitochondriální DNA v jádře huseníčku (Arabidopsis thaliana). Úseky obsahovaly
nejen geny s introny, ale i mezigenové oblasti. Tyto obří kusy DNA byly zřejmě procesem rekombinace včleněny do jaderného genomu
poté, co se membrána organel rozpustila a jejich DNA se dostala do cytoplazmy a do jádra.
Jak častý je přenos genů do jádra?
Vědci ….vložili proto do chloroplastového genomu tabáku gen kódující rezistenci k antibiotiku a zajistili, aby byl tento gen zapnut jen
tehdy, když je v jádře. Poté prokázali, že u rostlin tabáku, jež vyrostly v přítomnosti daného antibiotika, se do jádra přenesl kousek
chloroplastového genomu nesoucího rezistenci k antibiotiku. S překvapením zjistili, že je takový přenos poměrně častý, u jedné ze 16 000
rostlin…. ale (možná i) mnohem častější …… Lze říci, že z několika tisíc rostlin…. například na palouku… nese alespoň jedna v jádře
„čerstvý“ kousek chloroplastové DNA, který se do jádra včlenil v minulé generaci.
Promiskuitní DNA v lidském genomu
Úseky promiskuitní DNA jsou i v jaderném genomu člověka. Kromě mitochondriálních genů, které se přesunuly do jádra před několika
stovkami milionů let a konají svoji práci pod novou vládou, bylo v našem genomu identifikováno přes 200 nefunkčních fragmentů
mitochondriální DNA. Z nich vědci dále zkoumali 42 úseků, které se do našeho jaderného genomu včlenily nejpozději. Zjistili, že pouze 14
z nich se nachází také v jaderném genomu šimpanze, což naznačuje, že většina těchto úseků byla do našeho genomu včleněna až po
oddělení větví vedoucích k člověku a k šimpanzům, tedy někdy před 4–8 miliony let. Některé úseky se dokonce liší i mezi lidskými
populacemi, to znamená, že byly včleněny „nedávno“. Fragmenty mitochondriální DNA nejsou v lidském genomu rozptýleny rovnoměrně.
Pohlavní chromozom Y, přítomný pouze u mužů, je mitochondriální DNA kolonizován mnohem více než ostatní chromozomy. Zajímavé je
i to, že se promiskuitní DNA včleňuje s mnohem vyšší frekvencí do vysoce aktivních genů než do oblastí nekódujících (např. repetitivních)
sekvencí. …. objevy naznačují, že úseky … promiskuitní DNA v lidském genomu nejsou zcela neškodné. Jejich včlenění do genů může
způsobit i závažná onemocnění, což dokazuje nedávný objev mitochondriální DNA v genu důležitém pro srážlivost krve u pacientů
trpících hemofilií.
Promiskuitní DNA všude
Organelová DNA se pohybuje z efektivně využitého genomu prokaryot do zcela odlišného genetického prostředí eukaryotického jádra,
obsahujícího složené geny a velké množství opakujících se úseků DNA, repeticí. Organely se vyznačují nejen odlišnou genovou i
genomovou organizací ve srovnání s jádrem, ale i odlišnými mechanismy regulace genové exprese. Podíl promiskuitní DNA v genomech
byl dosud podhodnocován, což bylo způsobeno tím, že algoritmy používané v sekvenačních projektech považovaly organelové sekvence
za nežádoucí kontaminace a systematicky je vyřazovaly. To se nyní přehodnocuje. Ukázalo se, že například v genomu huseníčku
(Arabidopsis thaliana) pochází 18 % genů ze starobylého plastidového genomu. Organismy se brání, aby jejich jaderné genomy nebyly
přesyceny organelovými sekvencemi. Aktivně se jich zbavují různými mechanismy, především rekombinací. V laboratoři vývojové
genetiky rostlin v Biofyzikálním ústavu AV ČR, kde se zabýváme strukturou a evolucí pohlavních chromozomů u rostlin, jsme zjistili, že se
na pohlavním chromozomu Y modelové dvoudomé rostliny silenky širolisté (Silene latifolia) hromadí chloroplastová DNA. Zřejmě je to tím,
že u chromozomu Y, který nemá partnera (na rozdíl od autozomů a pohlavního chromozomu X), a tudíž nerekombinuje, tento obranný
mechanismus nefunguje. Ukazuje se, že všudypřítomný přenos genů z organel do jádra a vzájemné ovlivňování mezi buněčnými genomy
hrají v evoluci genomů důležitou úlohu. Spolu s přenosnými elementy – především s retroelementy (viz Vesmír 79, 273, 2000/5) – je
jedním z hlavních činitelů ovlivňujících dynamiku eukaryontních genomů od jejich vzniku”.
2. 3. 3. 2 Hydrogenozomy (H). Podobně jako mitochondrie, hydrogenozomy jsou malé
organely obalené dvojitou membránou. Vnitřní membrána však netvoří kristy ani tubuly. H.
neobsahují pravděpodobně DNA. Kolem jejich tvorby jsou stále jisté nejasnosti i když se
předpokládá rovněž jejich endoymbiotický původ (viz níže).
H. se vyskytují se u jednobuněčných anaerobních prvoků, žijících většinou parasiticky
(Trichomonas vaginalis, bičíkovci žijící v bachoru přežvýkavců, některé nižší houby).
H. mohou oxidovat některé organické molekuly, především pyruvát, který přeměňuji na
acetát a plynný molekulární vodík (H2). Oxidací uvolněnou energii přeměňují na ATP,
nikoliv však cestou chemiosmotické- (chybí ATPsyntáza), ale tzv. substrátové fosforylace
(konverzí sukcinyl-CoA na sukcinát pomocí enzymu sukcinát thiokinázy).
Tato málo častá organela je zajímavá tím, že kolem jejího původu je mnoho spekulací, které souvisí s
fylogenetickým vývojem eukaryotní buňky a mitochondrií. Dle některých autorů hydrogenozomy představují
anaerobního prokaryontního prapředka, asimilovaného v aerobní prabuňce. Dle jiných, hydrogenozomy
představují zjednodušenou formu mitochondrií, adaptovaných na anaerobní podmínky a parasitický způsob
života nositelů těchto organel. Nevylučuje se ani jejich vývojová vztah k peroxizomům. Pozoruhodné je
rovněž to, že hydrogenozomy byly objeveny v r. 1973 současně v zahraničí a u nás Jiřím Čerkasovem.
Hydrogenozomům podobné organely jsou i tzv. mitozomy. Neprodukují však plynný vodíl.
46
Mitochondriální pramatka(y) Eva(y) ?? Kolik, kde, kdy?
John B. Ferguson http://encarta.msn.com/text_761582165__1/Mitochondria.html “ ….. comparison of …. human
mitochondrial DNA suggests that humans have descended from a woman who lived in Africa 140,000 to 290,000 years ago. Genetic
samples taken from African, Asian, Australian, European, and New Guinean ethnic groups revealed a specific number of mitochondrial
DNA types. Comparison of these mitochondrial DNA types enabled scientists to construct a family tree that shows when each group
probably began evolving away from one another. On this tree, the African mitochondrial DNA occupies the longest and oldest of the
branches, giving rise to the other ethnic groups. There were likely many other women alive at the time of the so-called mitochondrial Eve,
but their lines of maternal inheritance have died out. This commonly occurs when one generation in a family fails to have a daughter.
Pavel Říha http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/19/19.htm Kráceno a upraveno (V.M.)
…..mutace DNA, které, nepoškodí-li organismus do takové míry, že by neobstál v konkurenci a tlaku prostředí, přetrvávají a hromadí se. Frekvence
vzniku mutací je v čase přibližně konstantní a u příbuzných druhů velmi podobná. Analýza mtDNA 150 žen různých ras a národností.... ukázala,
že .Největší rozdíly v mtDNA jsou mezi osobami afrického původu. ….. tato mtDNA je tudíž nejstarší, protože při konstantní rychlosti mutací
dokázala nahromadit nejvíce odchylek. V této nejstarší vývojové větvi stromu sahající do Afriky můžeme hledat ženu, po které jsme zdědili svoji
mtDNA. Na základě …. výzkumu a odhadu frekvence mutací mtDNA vědci vyslovili hypotézu posledního společného předka celého lidstva,
mitochondriální Evy. ….. O mitochondriální Evě s jistotou víme pouze, že byla žena, která měla nejméně dvě dcery, jejichž potomci přežili do
dnešních dní. Rychlost mutací mtDNA je pro člověka asi 2 – 4% změn za 1 milion let. Protože největší odchylky v lidské mtDNA byly necelých
0,6%, musela mitochondriální Eva žít před 140 000 – 280 000 lety. Ve své době nebyla jediná žijící žena, ale přesto pouze její genetická linie ..
přežila. Tehdy pravděpodobně ve východní Africe vznikla vývojově úspěšná populace Homo sapiens, která začala postupně vytlačovat dřívější
příslušníky rodu Homo nejprve v Africe a pak i ostatních částech světa. Odhadem v této zárodečné populaci žilo před 200 000 lety cca. 10 000 lidí
moderního typu. Svojí expanzí nahradila potomky první migrační vlny Homo erectus, kteří se rozšířili z Afriky již před několika sty tisíci let. Homo
sapiens byl ve svém tažení velmi úspěšný, neboť “vyhubil” všechny starší formy člověka a ovládnul Zemi. Základní chyba autorů mitochondriální
Evy… byl předpoklad, že všechny mitochondrie jednoho jedince jsou stejné. Jejich článek vyšel rok před objevením prvního onemocnění
způsobeného mutací mtDNA a formulování pojmů homoplazmie a heteroplazmie (viz shora, VM). Další námitka odpůrců teorie mitochondriální
Evy se týká spolehlivosti “molekulárních hodin”. Kdyby autoři teorie pramatky vycházeli z asi 4 – 5 krát nižší mutační frekvence, posunul by se čas
existence Evy na období před 1 milionem let. To by vyřešilo problém druhé migrace z Afriky: pramatka by byla příslušnicí Homo erectus, který
tehdy opouštěl Afriku a začal kolonizovat svět. Autoři teorie mitochondriální Evy použili pro srovnání mutační rychlosti mtDNA lidoopů, opic a
jiných savců, které jistě více odpovídají rychlostí mutace lidské mtDNA, než nízké mutační rychlosti některých druhů ryb, o které se opírali
oponenti. Jiná skupina odpůrců poukázala na fakt, že změny mitochondriálního genomu mohou být podstatně rychlejší. Správnost časových odhadů
A. C. Wilsona a jeho teamu zpochybňuje heteroplazmií. Heteroplazmie by změnila pohled na minulost. Podle nové kalkulace by mitochondriální
Eva žila před neuvěřitelnými 6000 lety. Toto číslo odporuje všem historickým poznatkům (kromě Bible). Také by se zkrátila doba osídlení Evropy i
dalších kontinentů.Protože tyto propočty zjevně nejsou reálné, je možné, že “mitochondriální hodiny” by v průběhu času změnily (zrychlily) svůj
rytmus.Někteří paleoantropologové zpochybňují teorii mitochondriální Evy a rozšíření jejích potomků, protože nebyly objeveny žádné nálezy
dokazující migraci člověka moderního typu z Afriky a vyhubení starých populací v době asi před 200 000 lety. Tuto hypotézu vyvracejí sérií
kosterních nálezů z určitých oblastí (jmenovitě např. Čína), dokazujících postupný vývoj místních populací směrem k modernímu
člověku.Představa, že by nově příchozí vyhubili své předchůdce bezezbytku, není snadno pochopitelná, natož proveditelná. Takový jev se objevuje
velmi zřídka. Spíše se populace alespoň částečně smísí nebo dokonce splynou. Zastánci teorie mitochondriální Evy tvrdí, že by v případě smísení
populací zvláště v okrajových oblastech, kam by noví emigranti z Afriky přišli zřejmě nejpozději (například východní Asie), musely přetrvat
některé linie mtDNA podstatně starší než 200 000 let. Speciální výzkum mtDNA obyvatel východní Asie nic takového nepotvrdil. Odpůrci teorie
mitochondriální Evy také zpochybnili funkci programu, pomocí kterého byla zpracovávána získaná data. Pro velký rozsah vstupních údajů nebylo
možno sestavit všechny potenciální vývojové stromy a vybrat ten s nejmenším počtem větví. Počítačový program si zapamatoval pouze omezený
počet dosud nejúspornějších stromů a ty použil v následujícím kroku. Tento postup však nevede k nejúspornějšímu řešení, tj. ke stromu s nejméně
větvemi. Někteří oponenti … nalezli strom úspornější, ba dokonce takový, ze kterého vyplýval neafrický původ pramatky. Dosud tedy neznáme
optimální vývojový strom mtDNA. Přesto o starobylosti afrických mtDNA svědčí především největší procento odchylek mezi nimi. Je o polovinu
větší než u asijských mtDNA a dvakrát větší než mezi australskými nebo evropskými mtDNA. Je možné, že potomci jedné ženy žijící ve zmíněném
období se rozptýlili a smísili se svými sousedy. Shodou nejrůznějších okolností její dcery a dcery jejich dcer pronikaly do dalších populací a
vytlačovaly potomstvo dalších žen – současnic své pramatky. Během 200 000 let se mohlo vystřídat kolem 12 000 generací, což je dostatečně
dlouhá doba pro převládnutí na celém světě. Toto šíření mtDNA by nevyžadovalo kompletní vyhubení starých populací nově příchozími. Také by
nebylo v rozporu s multiregionální teorií. Umožnilo by zachování morfologických kosterních znaků místních populací, jak je popsáno v této teorii.
Morfologické znaky jsou určovány jadernou DNA a jejich dědičnost nijak nesouvisí s heretabilitou mtDNA. Tento přístup ani nevyžaduje
předpoklad, že matka pocházela z nejprogresivnější populace. Skutečný přesun populací doprovázelo šíření jejich technologií. Zatímco v Africe se
již vyskytovaly kamenné sekery, ve východní Asii nebyly nalezeny ani po době předpokládaného příchodu moderních populací z Afriky. Takováto
shoda náhod vedla k převládnutí jedné mateřské linie. To lze jednoduše demonstrovat počítačovým programem, jak uvádí [II-2, str. 666]:
“Představme si např. 1. generaci dvaceti matek, z nichž každá má 4 dcery (synové jsou mimo hru). Těmto osmdesáti dcerám počítač přiřadí po
náhodném čísle, jehož velikost může např. reprezentovat schopnost přežití či přízeň osudu. Dcery seřadíme podle velikosti náhodných čísel a 20
“nejsilnějších” dá život druhé generaci. Každá z nich má opět 4 dcery a postup se opakuje. U každého jedince počítač samozřejmé sleduje, z které
pramatky v 1. generaci vlastně pochází. Je zřejmé, že je zde vše naprosto náhodné. Po určitém počtu cyklů (generací) vždy převládnou dcery
pocházející z jediné z 20 žen 1. generace. Není tato “souhra náhod” modelem, jak k převládnutí jediného typu mtDNA došlo? Existence
mitochondriální Evy není tedy pouze teorie, ale matematický fakt.
Y-chromosomový Adam
Protože pouze muži mohou přenést chromozom Y, je možno definovat také Adama (obr. 19-4). Existuje mnohem méně variací chromozomu Y než
mutací mitochondrií (samozřejmě vezmou-li se v úvahu jejich různé mutační frekvence). To znamená, že poslední společný předchůdce mužů, Ychromosomový Adam (značí se “YcA”), žil mnohem později než mitochondriální Eva. Je datován do období před 27 000 lety (další zdroje uvádějí
37 000 – 49 000 let a dokonce až před 188 000 lety [V-25]). Rozmnožení pouze jedné linie bylo způsobeno pohlavní selekcí ovlivněnou
ekonomickým postavením jedinců.
John B. Ferguson http://encarta.msn.com/text_761582165__1/Mitochondria.htmlAnother use of mitochondrial DNA
analysis is in forensic science. The identities of the skeletons alleged to be those of Tsar Nicholas II, the last Russian tsar,
and his family were recently established using mitochondrial DNA. The mitochondrial DNA of a living maternal relative of
the tsar's family was found to be an exact match to the suspected remains of the tsar's wife, Alexandra, and three children.
Because mitochondrial DNA is inherited through the mother, the mitochondrial DNA of Tsar Nicholas II's skeleton did not
match that of his wife and children”.
47
2. 4 CYTOSKELET
(obr.13,17,18,19, 33)
Nejen skelet
2.4.1 Hlavní komponenty cytoskeletu a jejich funkce
2.4..1.1 Mikrotubuly
2.4.1.2 Mikrofilamenta
2.4.1.3 Střední filamenta
2-4.2 Členění cytoskeletu dle lokalizace v buňce
2.4.2.1 Cytoplasmatický cytoskelet a jeho funkce
2.4.2.2 Membránový cytoskelet a jeho funkce
2.4.2.3 Jaderný cytoskelet a jeho funkce
Cytoskelet je komplexní síť vláken různé morfologie a různého chemického složení, která
prostupuje celou buňkou.
Má mnohočetné funkce. Poskytuje vnitřní oporu buňce i buňkám mezi sebou v tkáních,
zajišťuje intracelulární transport váčků, pohyb částí buněk i některých celých buněk pomocí
specializovaných organel (bičíky, brvy, panožky). Prostřednictvím specializovaných
(svalových) buněk zajišťuje i pohyb mnohobuněčných organizmů. Cytoskelet se
významně podílí rovněž na příjmu informací z okolí, hlavně z extracelulární matrix. Spolu s
mezibuněčnými spoji zajišťuje cytoskelet soudržnost tkání, morfogenetické pohyby
orgánových základů.
V některých učebnicích se proto hovoří o cytoskeletálním principu organizace buňky,
jakožto doplňku k membránovému organizačnímu principu (viz shora ES).
Současné poznatky ukazují, že tento organizační princip lze rozšířit i na celé tkáně (viz
níže adheze buněk mezi sebou a jejich úpony k mezibuněčné hmotě, kap. 6.1).
2.4.1.1 Mikrotubuly (MT). MT jsou dutá vlákénka různé délky o průměru 20 – 28 nm.
Jsou tvořena převážně dimery alfa a beta tubulinu, které jsou v dynamické rovnováze mezi
jejich nepolymerovanou a polymerovanou formou.
Tubulin je vysoce fylogeneticky konzervativní bílkovina tj. liší se mezi jednotlivými druhy živočichů jen pořadí
malého počtu aminokyselin. Geny kódující tubulin jsou na jednom nebo více chromozomech, odlišně dle
druhové příslušnosti.
Polymerací alfa a beta dimerů se tvoří lineární protofilamenta, která jsou následně
organizovaná do MT tak, že 13 protofilament vytvoří zpravidla 1 MT. MT jsou chemicky a
funkčně polarizovaná vlákna. Tzv. minus konec je zakotven alfa-tubulinem v MTOC (viz
níže) a opačný, tzv. plus konec je „osazen“ Tzv. GTP čepičkou.
Polymerace tubulinu a tvorba MT začíná v tzv. mikrotubuly organizujících centrech
(MTOC), ke kterým patří centriola (centrozom, viz níže), basální tělísko bičíku a cilií a
chromozomální kinetochor. Nezbytné je i malé množství gama tubulinu.
K polymerizaci tubulinu dochází spontánně v přítomnosti GTP, který se navazuje na beta-tubulin dimerů
(tzv. GTP čepička, GTP cap), která stabilizuje MT, tj. brání jeho depolymeraci. Přidáváním nových dimerů
na minus konci ( u MTOC) se tubulinové dimery posunují k periferii MT,i což spolu s pomalejší depolymerací
na plus konci vede k prodlužování MT. Posun tubulinových dimerů od minus konce (MTOC) k periferii se
označuje jako treadmiling MT, tj. fenomén šlapacího kola. Po hydrolýze GTP se MT začne zkracovat od
plus konce k minus konci. Růst a zánik MT tak připomíná nahazování a stahování rybářského vlasce.
K MT se připojují tzv. asociované bílkoviny (MAP), které většinou MT stabilizují. MAP2
stabilizuje např. MT v dendritech nervových buněk a tzv. tau protein (tubulin-associated
protein) v axonech. MAP 4 je přítomen v glii i jiných typech buněk.
48
Mikrotubuly se účastní transportu organel a granulárních částic v buňce (transport váčků
mezi organelami endomembránového systému, pohyb chromozomů při mitóze, pohyb
bičíku a řasinek apod.). Transport podél MT zajišťují speciální bílkoviny, tzv. molekulové
motory (syn. motor proteins). Směrem k plus konci MT váčky jsou posunovány
molekulami kinezinu, k minus konci, molekulami dyneinu. Energii pro tento transport
poskytuje ATP, které molekulové motory štěpí, neboť mají současně i ATPázovou aktivitu.
Příkladem může být rychlý transport neurotransmiterů a některých enzymů z perikarya do synaptických
zakončení v nervových buňkách dyneinem (50-400 mm/den). Transport opačným, tj. retrográdním směrem,
realizovaný kinesinem slouží např. k posunu fragmentů organel ze synapsí do těla neuronu, kde dochází k
jejich lysozomální dekompozici. Bezprostředně podél mikrotubulů a mikrofilament, tj. bez účasti asociovaných
bílkovin, probíhá v axonech tzv. pomalý transport; slouží např. přesunu rozpustných cytosolových enzymů z
perikarya do synapsí; rychlost je pouze 0.2 až 8 mm/den.
Dynein a kinezin jsou označovány též jako tzv. lineárně operující ("kráčející") molekulové
motory.
Dalším typem jsou tzv. rotační molekulové motory, např. mitochondriální ATPsyntáza, kde jsou uváděny
do rotačního pohybu její podjednotky proudem protonů. Rotačními motory, zakotvenými v plazmatické
membráně a poháněnými protony z vnějšku, jsou bičíky bakterií. Pozor: Morfologie a chemické složení
bakteriálního bičíku je však velmi odlišné od bičíku eukayrot. Další bílkoviny s motorickými funkcemi viz níže
mikrofilamenta a myoziny.Další bílkoviny s motorickými funkcemi viz níže mikrofilamenta a kurz
molekulární biologie.
Centrozom (C) je drobná organela, tvořená tvořena dvěma kolmo na sebe orientovanými
krátkými tyčinkam-centriolami (cca 0.2 um), z nichž každá je složena z 9 tripletů mikrotubulů
po obvodě (vzorec „ 9x3 +0" ). C. je uložen ve světlejším dvorci amorfní cytoplazmy
(centrosféra), který obsahuje molekuly iniciující tvorbu mikrotubulů (gamma tubulin,
pericentrin, ninein aj) . Komplex tak představuje MTOC (viz polymerace tubulinu shora)
živočišné buňky. V místě centrioly je tzv. minus konec MT, ze kterého MT paprskovitě
vybíhají do periferie cytoplasmy. Centrozom se zdvojuje (diplozom) před mitózou, při
přechodu buňky z G1 do S fáze buněčného cyklu a vytváří póly mitotického vřeténka. Jedna
centriola je při duplikaci centrozomu tzv.mateřská a řídí tvorbu mikrotubulů centrioly
dceřinné. Do dceřiné buňky přechází vždy jedna centriola mateřská a jedna dceřiná.
Centriola.může chybět v trvale postmitotických buňkách. Chybí též u vyšších rostlin a hub. Odlišnou strukturu
má např. u octomilek (9x2+0), u hlístice coenorhabditis elegans 9x1+0)
Bičík, cilie (řasinky) jsou tvořeny 9 dvojicemi (dublety) MT uspořádanými kolem jednoho
centrální dvojice MT (vzorec “ 9 x 2+2 "). Obvodové (periferní) dvojice mají společnou
přilehající část (neúplné dublety, typu „CO! a nikoliv „OO“). Centrální MT jsou ukotveny
v bazálním tělísku, které má charakter MTOC. V místě tohoto ukotvení (kořínek bičíku) je
již zpravidla pouze jeden MT. K periferním dubletům MT je přidružena bílkovina dynein,
která má ATPásovou aktivitu. Energie uvolněná po hydrolýze ATP vede ke vzájemnému
přichycení mikrotubulových, což se projeví jejich posunem a kmitavým či vlnivým
pohybem bičíku. Periferní dvojice MT jsou připojeny k centrálním pomocí speciálních
radiálně uspořádaných bílkovin („loukotě“ dřevěného kola).
Některé rostlinné alkaloidy brání polymerizaci tubulinu nebo rozpadu mikrotubulů a tím i vzniku nebo
rozpadu mitotického vřeténka (např. kolcicin z ocúnu, taxol z tisu, vinblastin z brčálu). Těchto účinků se
využívá léčebně k zástavě dělení nádorových buněk.
Tzv. primární nepohyblivé cilie se uplatňují v percepci fyzikálních a chemických signálů
z okolí. Vyskytují se u sensozorických orgánů metazoí (čich, zrak, chuť, pohyb a poloha
49
organizmu v prostorou. Mají klíčovou funkci v tvorbě a udržování tkáňových struktur a
vzniku řady vývojových poruch a dalších patologických stavů.
2.4.1.2 Mikrofilamenta syn. aktinová vláhkna (MF).
MF mají průměr 5-7 nm. Vyskytují se často ve svazcích. Jsou tvořena 2 šroubovicově
stočenými vlákny tzv. F- aktinu (F= fibrilární- polymerovaný aktin, který vzniká polymerací
G- tj. globulárního aktinu). Aktinová vlákna mají tzv. „roztřepený“ (barbed) a „bodový“ konec
(barbed a pointed end), znázorňovaný schematicky v sarkomerách v podobě opeřeného
šípu. Roztřepený konec se označuje též jako plus (+) konec MF (místo novotvorby vlákna
polymerizací), konec „bodový“ jako minus (-) konec.
MF a jejich svazky jsou provázeny řadou asociovaných (syn. aktin-vážících) bílkovin.
S molekulami myozinu zajišťují MF pohyb buněk a transportních váčků v buňce.
Pohybové funkce zahrnují améboidní pohyb, proudění cytosolu do tvořících se panožek
nitkovitého nebo „plachetkovitého“ vzhledu (filopodia a lameliodia), dynamické změny
tvaru buněk, tvorbu a udržování mikroklků a svalový pohyb, a to jak kosterních tak
hladkých svalů i myokardu. MF zajišťují též tzv. morfogenetické procesy za vývoje a
cytokinezu (kap. 3.6), která následuje mitotické dělení. Energii poskytuje ATP, štepený
molekulami myozinu . Transport váčků a jejich obsahu - karga („nákladů“)- v buňce k plus
či minus konci je určován typem myozinu. Podle nejnovějších studií, aktinová vlákna a
tzv. Actin-Related-Proteins (Arps) se účastní na přemísťování molekulárních komplexů i
v jádře eukaryot.
Aktin je fylogeneticky vysoce konzervativní molekula (80% shody v primární struktuře molekuly
v lidských a kvasinkových buňkách). V kvasinkách je aktin kódovaný 1 genem, u savců 6 geny. U
savců se dle izolelektrického bodu aktin člení do 3 podskupin: aktin-α ve skeletálních a hladkých
svalových buňkách, aktin ß-, γ- v buňkách nesvalových. Aktin ß u člověka má 8 izoforem Geny
kódující aktin kosterních svalů, myokardu či cytoplazmatický aktin nesvalových buněk však nejsou
identické.
Aktin σ a ε je přítomen u některých protozoí. Homology aktinu (MreB a ParM geny) se vyskytují i u nesferických
prokaryot.
Cyklus polymerace a depolymerace aktinu vyžaduje energii z ATP. Rychleji rostoucí konec
MF je označován jako plus (+) konec, pomaleji rostoucí, jako minus (-) konec.
G a F forma aktinu jsou ve stavu dynamického přechodu.
Cyklus polymerace a depolymerace se projevuje změnami konsistence cytoplazmy (sol--gel). Probíhá např. při tvorbě améboidních panožek nebo lamellipodií ostatních buněk
(např. pohyb měňavky, migrace leukocytů), tvorbě buněčných výběžků, mikroklků apod.
Uvedené funkce zajišťují MF kooperací s řadou skupin asociovaných (syn. aktin-vážících)
bílkovin. Kromě rozdílů v jejich složení, liší se i vazbou na (+) nebo (-) konec MF, případně
k jejich středové části (Filament side binding proteins). .
1. Na tvorbě síťových struktur pod plazmatickou membránou se podílí řada molekul, které
jsou uvedeny níže u tzv. membránového cytoskeletu. Přes bílkoviny vinkulin, talin, alfaaktinin se MF připojují k integrálním bílkovinám plazmatické membrány v místech tzv.
fokálních adhezí, četných na bazálních polech epiteliálních buněk (viz kap. 3.1.2.3).
Svazky takto připojených ("napnutých") MF se označují se jako "stress fibers".Viz též níže
myoziny.
2. Svazky aktinových filament v mikroklcích (kartáčovém lemu) epiteliálních buněk střeva
jsou příčně propojeny molekulami filaminu, vilinu, fimbrinu, alfa-aktinin
50
3. Filamin spojuje MF do gelové sítě v cytoplazmě a pseudopodiích. Bílkoviny gelsolin a
fragmin napomáhají rozpadu (depolymeraci) těchto sítí a aktinových vláken. Myozin I se
účastní pohybových aktivit plazmatické membrány (viz níže myoziny I-XVI)
4. Ve svalech jsou hlavní asociované bílkoviny myosin, troponin a tropomyosin, nebulin.
Tropomyosin podélně „obtáčí“ aktinové vlákno a váže globule troponinu. V tzv. klidovém
stavu jsou jimi blokovány místa, na které se může na aktinové vlákno připojit hlavička
myosinu, která byla před tím „napružená“ energií z ATP, zvětšením úhlu mezí ní a tzv.
ocáskem myosinu (myosin tail). Bočně asocijující nebulin udržuje praviddelné rozložení MF
v sarkomeře (viz svalová tká Viz též níže a svalová tkáň v kapitole 4.2. 3.
V kosterních svalech jsou MF zakotvena do sarkolemy specifickým proteinem dystrofinem. Vrozená mutace
této bílkoviny vede k těžkých poruchám stavby a funkce svalů, tzv. dystrofickým změnám (odtud jeho jméno,
neboť studium této choroby vedlo k objevu této molekuly i její funkce). Více ve Fyziologii živočichů.
Myosiny se vyskytují v několika isoformách (I-XV). Nejdůležitější isoformy jsou I a II.
Myosin I je monomerní, ostatní tvoří dimery. Každá isoforma je tvořena těžkým a lehkým
řetězccem. Na těžkém řetězci lze rozlišit několik částí: tzv. hlavičku, mající ATPázovou aktivitu,
flexibilní „krček“ a stočený molekulární „ocasek“ (angl. head, neck a tail). Délka ocásku
jednotlivých izoforem se liší. Je nejkratší u myosinu I . Ocásek myosinu II má helikální strukturu,
která umožňuje tvorbu myosinových dimerů (jejich vzájemným „obtočením“). Rozdíl je i v jejich
afinitě k ostatním buněčným molekulám a organelám.
Ocásek myosinu I a V se přednostně váže na membránové struktury, zatímco ocásek myosinu II se
váže na aktinová vlákna.
To, spolu s afinitou hlavičky k aktinu u obou typů myosinů, předurčuje myosin I a V
k intracelulárnímu transportu váčků, zatímco myosin II ke svalovému pohybu (viz kap. 4.2).
Myosin II v membránovém cytoskeletu (viz kap. 3.2.2) se účastní rovněž undulačních pohybů
plazmatické membrány a migrace buněk.
Mechanismus pohybových funkcí myosinu spočívá v kývavém pohybu hlavičky. V klidovém stavu
hlavička svírá s krčkem a ocáskem ostrý úhel, který se může zvětšit (více otevřít- „napružit“)
energií z ATP, uvolněné enzymatickou (ATPázovou) aktivitou hlavičky. Návrat „hlavičky“ do
původního stavu vede, při současném jejím připojení na aktinové vlákno, k jeho posunu ve směru
kmitu hlavičky. Tím se např. v kosterním svalu myosinová a aktinová vlákna po sobě posunouzasunou se, a celý komplex (sarkomera, viz kap.4.3) se zkrátí, což se projeví kontrakcí- stažením
svalu.
V případě transportu váčků v cytoplazmě myozinem I nebo myozinem V se komplex myozinváček (napojený na krátký těžký řetězec myozinu) posouvá po aktinovém vláknu k jeho plus, tzv.
roztřepenému konci. Opačným směrem posouvá váčky myozin VI.
Svalový stah je iniciován depolarizací membrány svalové buňky acetylcholinem vyplaveným
z nervového zakončení (nervosvalová ploténka). Tím dojde k uvolnění Ca2+ ze sarkoplazmatického
retikula a aktivaci ATPázové aktivity myosinu. Zvýšení Ca++ vede rovněž ke změně konfigurace
tropomyosinu a troponinu tj. jejich odklonění, čímž se na aktinovém vlákn uvolní místo pro
připojení „napružených“ hlaviček myosinu. Jak již zmíněno shora, uvolnění tohoto napružení vede
k "zasunutí" se obou těchto komponent MF ke středu tj. zkrácení komplexu. Sumace těchto
drobných mikroskopických zkrácení se projeví zkrácením celého svalu. Tento model tzv. klouzavé
kontrakce svalu bude probírán podrobněji ve Fyziologii živočichů a člověka (viz též kap. 4.3).
Krček těžkého řetězce je obtočen kratším tzv. lehkým bílkovinným řetězcem, který má schopnost vázat Ca++
ionty, které aktivují ATPázovou aktivitu myosinu. Ca++ vázající protein v oblasti krčku se u jednotlivých typů
myosinů liší. Více v Molekulární biologii.
Kromě shora uvededných aktin-vážících proteinů, v literatuře je jich popsáno několik dalších desítek
51
2.4.1. 3 Intermediární (střední) filamenta (IF). IF jsou vlákna tvořená několika typy
bílkovin, specifických pro jednotlivé základní živočišné tkáně (viz kap.6, obr.6 E). Jsou
však vždy tvořena z tetramerických, neperiodicky uspořádaných protofilament (8 v jednom
IF), dávajících IF velkou pevnost. IF poskytují buňce mechanickou oporu a spolu s
některými typy mezibuněčných spojení (desmozomy, viz shora), podílí se na stavbě a funkci
mezibuněčných spojení typu bodových desmozomů, které zajišťují soudržnost buněk
v tkáních, např. v epitelech. V hladkých svalových buňkách zabraňují jejich nadměrnému
pasivnímu protažení (viz kap. 6.2) apod.
IF tvořená bílkovinou vimentinem se vyskytují v buňkách pojivových tkání. IF obsahující
cytokeratiny (20 různých typů) se vyskytují v epitelových buňkách. IF tvořená bílkovinou
desminem jsou např. v buňkách svalových. Tzv. gliový kyselý fibrilární protein (GFAP) je
astrocytech nervové tkáně. Neurofilamentové proteiny jsou v buňkách nervových. Nestin
v nezralých prekurzorech nervových a svalových buněk. K IF jsou řazeny též laminy
jaderné blány (viz shora 4.14 a příloha obr. 17 C)
2. 4. 2 ČLENĚNÍ
CYTOSKELETU DLE LOKALIZACE V BUŇCE
(obr.17 A,B,C)
I když cytoskelet tvoří v buňce souvislou síť, která v jistém smyslu přechází i z buňky do
buňky (viz extracelulární matrix kap. 6.1), dle lokalizace v buňce se z obvykle člení do 3 oddílů: (i)
cytoplasmatického (ii) membránového a (iii) jaderného.
2.4.1 Cytoplasmatický skelet je tvořen nepravidelnou sítí vláken mezi jádrem a
plazmatickou membránou tvořená MT, IF a MF.
MT vycházejí z centrioly a zajišťují nitrobuněčný transport organel, především transportních
váčků.
IF se bočně se upínají k bodovým desmosomům a zajišťují tvar a mezibuněčnou oporu
buněk.
MF se upínají k pásovým desmozomů, hemidesmozomům a fokálním adhesím
plazmatické membrány, zpravidla přes kratší bílkovinné mezičlánky (viz shora aktinové
"stress fibers"). Mají motorické funkce a účastní se změn v utváření povrchu buňky
(pseudopodia, mikroklky), podílí se na adhezi buněk k extracelulární matrix, růstové
podložce v buněčných kulturách apod.).
2..4.2 Membránový skelet (buněčný "kortex"), je síť bílkovin pod plazmatickou membránou,
tvořená krátkými proteinovými vlákny a globulemi, vázanými z vnitřní strany membrány
na její integrální proteiny. Tyto se zevně napojují na bílkoviny extracelulární matrix
(exoskelet, viz též kap.6.1). Membránový skelet ovlivňuje vlastnosti a funkci plazmatické
membrány (fluiditu, poddajnost, tvorbu pseudopodií, filo- a lamelipodií, přenos chemických
signálů do cytoplazmy, váčkový transport, poddajnost plazmatické membrány, apod.).
Studie na erytrocytech ukázaly, že síť membránového skeletu je tvořena tetramery
bílkoviny, spektrinu propojených krátkými řetízky aktinu a globulemi několika dalších
bílkovin (protein 4.1, ankyrin, adducin a další), kterými je síť připojena k integrálním
bílkovinám PM. Analogickou, i když složitější spektrin-aktinovou mřížku s jinými
izoformami spektrinu a speciálními spojujícími molekulami (např. tzv. dystrofin ve svalechviz shora, filamin v trombocytech, ezrin v epiteliálních buňkách, apod.), lze nalézt ve
většině buněk (Obr.18 c).
2.4.3 Jaderný skelet. Jak již uvedeno shora, na vnitřní straně jaderné blány je jemná síť,
jaderná lamina tvořena středními filamenty (bílkoviny Lamin A, B,C, viz shora IF), ke které
52
jsou zakotveny chromozomy buněk v interfázi. Na jadernou laminu se připojuje další velmi
jemná síť, jaderná matrix, která prostupuje celým jádrem a je tvořena několika typy
bílkovin (aktin, aktin-related proteins-arps, myosin I a další). Zajišťuje vnitřní prostorovou
organizaci jádra, tj. konformační změny chromozomů a chromatinu, transport molekul
vznikajících v procesu transkripce genomu (m-RNA, rRNA a některé další molekuly),
některé receptorové funkce, apod. Jaderná lamina se podílí na rozpadu jaderné blány na
začátku mitózy a jaderná matrix je zřejmě i cílovou strukturou některých onkoproteinů,
regulujících buněčný cyklus (viz kap. 5.6).
2. 5 JÁDRO (NUCLEUS, KARYON) (obr. 6-12, 17 C, 20-22)
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.3
2.5.4
Chromatin
Chromozomy
Geny, transpozony, nekódující DNA
Jadérko (nucleolus)
Karyoplasma (nukleoplasma)
Databanka & velín
Trochu historie
1886 Nepřímý důkaz korpuskulárních "párů faktorů", jakožto nositelů dědičnosti G. Mendelem
1871
Objev nukleové kyseliny
1888
Popis "jaderných tělísek", chromozomů neznámé funkce, v dělících se buňkách
1944 Identifikace geneticky transformujícího materiálu s nukleovou kyselinou
1953
Poznání struktury DNA
1961
Rozluštění genetického kódu
1977 Začátek mapování lidského genomu
1954
Přečtení prvního genomu (bakterie Haemophilus influenze)
1995
Zveřejnění první verze lidského genomu
2003
Zmapování lidského genomu (nikoliv však jeho smysluplného čtení tj. stále rozumíme jen zlomku
textu)
Jádro je paměťové a řídicí centrum buňky. Je nositelem tzv. jaderné genetické informace
(viz též kp. 5.6 a 5.7). Tvar a velikost jader v buňce značně kolísá, od malého kulovitého
(lymfocyty) po veliké (neurony) až silně laločnaté (granulocyty). Buňky mohou obsahovat 2
i více jader.
Jádro je oddělené od cytoplasmy dvojitou jadernou blanou (viz 4.1.4) a označujeme jej
proto jako pravé jádro.
2. 5. 1 Chromatin
Chromos= barevný
Chromatin je materiál viditelný v jádře již světelným mikroskopem po obarvení běžnými
histologickými barvivy (hematoxylin, toluidinová modř a pod) nebo v běžném elektronmikroskopickém obraze. Chromatin tvořen DNA, RNA a bílkovinami. Jádro lidské buňky
obsahuje např. zhruba 6 pg DNA, 1-3 pg RNA a 35 pg bílkovin. Někdy se uvádí, že při
celkové délce molekuly DNA v buňce 1-2 m a velikosti jádra 5-10 um, by v tenisovém
míčku muselo být organizovaně svinuto cca 20 km nitě. Způsob této organizace viz níže.
Základní stavební supramolekulární jednotkou chromatinu jsou nukleosomy. Nukleozom je
tvořen molekulou DNA o délce zhruba 200 nukleotidových párů (200 bp, base pairs). Z toho
146 párů je navinuto na glubuli-oktetu histonů, tvořeného 2x [H2A, H2B, H3 a H4]
molekulami 2A, 2B, 3 a 4. Zbývající páry nukleotidů,tzv. punker DNA, jsou obalených
histonem H1 a tvoří spoj mezi jednotlivými nukleozomy. V EM tak vzniká obraz podobný
53
korálkům navlečeným na niti. DNA tvoří vždy 2 superhelixy (otočky) kolem každého
nukleozomu, vč. spojovacího H1 histonu.
Histon H4 je fylogeneticky vysoce konzervativní. Rozdíl v primární struktuře této bílkoviny v telecím thymu a
hrachu je pouze ve 2 aminokyselinách (z celkového počtu 102). Vysokou druhovou specifitu vykazuje histon
H1, který se uplatňuje v regulaci transkripce DNA (viz níže). V samčích spermiích jsou histony nahrazeny
polyaminy
Řady nukleozomů se stáčejí do spirály (solenoidu), vždy s šesti nukleozomy v jedné
otočce spirály. Jejich dalším stáčením se vytvářejí chromatinová vlákna o průměru 30 nm,
která se dále spirálovitě stáčejí a vzniká chromatin různého stupně kompaktnosti.
Vysoce kompaktní je tzv. heterochromatin, který představuje silně se barvící hrudky v
jádře. Málo kompaktní a málo se barvící je tzv. euchromatin. Stupeň kompaktnosti
chromatinu je zpravidla nepřímo úměrný rozsahu a intensitě transkripce genů.
Podíl hetero- a euchromatinu se v buňce může měnit. Trvale kondensovaný
heterochromatin se označuje jako konstitutivní (např. jeden X chromozom v jádrech buněk
samic vyskytující se zpravidla v blízkosti jaderné blány, jako tzv. Barrovo tělísko, nebo jako
paličkovity přívěsek laločnatého jádra v leukocytech). Dočasně kondensovaný
heterochomatin se označuje jako fakultativní.
Upořádání chromatinu je velmi komplexní a vysoce organizované, neboť musí
dostupnost DNA pro výběrovou transkripci genů (viz kap. 5.3)
umožnit
Významnou úlohu v regulaci kondenzace chromatinu a exprese genů mají jaderné bílkoviny. Např.
fosforylace H1 histonu kondezaci chromatinu zvyšuje. Acetylace histonů působí rozvolnění chromatinu.
Uskutečňuje se neutralizací jejich kladného náboj, což snižuje jejich vazbu s DNA, která se tak stavá
přístupnější pro molekuly zajišťující transkripci genu. Hypoacetylace histonů je naopak jevem
charakateristickým pro neaktivní chromatin. Stupeň acetylace je regulován aktivitou histon acetyltransferázy a
histon deacetylázy. Modifikace histonů, spolu s metylací DNA (viz kap. ….) ovlivňují genovou expresi beze
změn v primární struktuře DNA . Změny v expresi genů zůstavají zachovány v dceřinných buňkách a proto se
tyto změny/regulace genové exprese nazývají epigenetické. Uplatňují se jak fyziologicky v časném vývoji
organizmu při tvorbě/diferenciaci základních buněčných fenotypů a mohou být též příčinou některých poruch.
V jádře eukaryontních buněk se vyskytují rovněž tzv. nehistonové bílkoviny (anionické„kyselé“) bohaté na dikarboxylové aminokyseliny (glutamová, asparagová). Učastní se
regulace replikace a transkripce DNA. Jedna jejich skupina, mající vysokou
elektroforetickou pohyblivost se označuje jako HMG (High Mobility Group). Účastní se na
regulaci distribuce chromatinu a v kooperaci s transkripčními faktory i regulace transkripce
DNA.
2. 5. 2 Chromozomy
Chromozomy jsou dobře patrné v kondensované („sbalené“) formě v buňce ve stádiu
mitózy buněčného cyklu. Mitotický chromozom tvoří 2 chromatidy spojené v zúženém
místě zv. centromera. Na některých chromozomech jsou další, tzv. sekundární konstrikce.
Centromera může být zhruba uprostřed chromozomu (chromozomy metacentrické), nebo
posunuta méně nebo více k jednomu pólu (chromozomy submetacentrické ). Centromeru
na koncích chromatid mají chromozomy akrocentrické. Cenromerou oddělené části
chromozomu se označují jako raménka chromozomu (raménko p a q). Chromatin
centromery se liší od ostatních částí chromozomu (opakující se sekvence nukleotidů,
protein CENP-A místo histonu H3)
V nedělící se buňce, nebo v mezidobí mezi dvěma následujícími mitózami, jsou
chromozomy silně rozvolněné (dekondenzované) a tvořené pouze jednou chromatidou.
54
Jejich uspořádání v jádře však není náhodné. Mají vymezené své domény, podporované
jejich úpony k lamině jaderné blány.
K centromeře přiléhá mističkový proteinový komplex, kinetochor, na který se upíná část
vláken mitotického vřeténka.
Zvláštní typ chromozomů jsou tzv. chromozomy polytenní (syn. obří, giant chromosomes) a
chromozomy štětkovité.
Chromozomy polytenní (syn. obří, giant chromosomes) se vyskytují ve slinných žlázách dvoukřídlého hmyzu.
Jsou tvořené velkým počtem chromatid, které se vytvořily opakovanou replikací chromatid nenásledovanou
jejich mitotickým (tzv. endomitóza). Na některých místech těchto chromozomů se vyskytují bublinovitá
rozšíření, tzv. Balbianiho prstence (syn. puffs). V těchto místech došlo k rozvolnění chromatid v důsledku
aktuálně probíhající transkripce DNA.
Chromozomy štětkovité chromozomy (syn. lampbrush chromosomes), mají podobu kartáčů používaných
dříve na čištění petrolejových lamp (dnes např. zkumavek v laboratořích). Vyskytují se ve vajíčkách v
diplotenní stádiu profáze heterotypického dělení (meioza I, viz kap. 7) u některých živočichů (korýši,
obojživelníci, ptáci). Štětkovitý vzhled vytvářejí do stran vybíhající kličky rozvolněných chromatinových vláken,
na kterých probíhá aktuálně syntéza mRNA (viz kap. 5.3)
Koncové části chromozomů se označují jako telomery. Tvoží tzv. nelepivé konce
chromozomu, které zabraňují mj. lineárnímu spojování chromozomů mezi sebou.
Telomery jsou předmětem intensivního studia. Ukázalo se, jejich replikace v S-fázi buněčného cyklu není
úplná) a při opakovaném dělení buňky se proto i zkracují. Při jisté kritické hodnotě jejich délky buňka ztrácí
schopnosti dalšího děliteni. To je jedna z příčin tzv. generačního stárnutí buněk. Opačný typ změn vede ke
vzniku transformovaného (syn. nádorového) buněčného fenotypu, vyznačujícího se trvalou proliferací
(generační nesmrtelnost buňky, viz též kap. 5.6). Genom člověka obsahuje 92 telomer (46x2). U některých
protozoí je jejich počet mnohonásobně vyšší.
Počet chromozomů v jedné tzv. chromozomální sadě zdravé buňky jednoho živočiš-ného
druhu je konstantní. Liší se však značně mezi jednotlivými druhy živočichů. Např. pes má
39, žížala 18 párů chromozomů. Člověk má 23 párů chromozomů (celkem 46), z toho je 22
párů je tzv. autozomálních (autozomy) a 1 pár pohlavních (gonozomy). Chromozomy
tvořící ekvivalentní páry se označují též jako homologní (autozomy), páry s nestejnými
chromozomy (XY), jako chromozomy heterologní (gonozomy). Geny lokalizované na 1
chromozomu jsou tzv. ve vazbě
Buňky obsahující základní sadu chromozomálních párů (tzv. 2N počet, kde N= number) se nazývají diploidní.
V některých buňkách (např. játra a myokard mohou být 2 a více sad chromozomálních párů (buňky tetra-,
okto- polyploidní). Souborně se označují jako buňky euploidní. V procesu gametogezene dochází k redukci
chromozomů na jeden z každého chromozomálního páru (haploidní počet, viz kap. 7.2). V nádorových
buňkách bývá základní počet chromozomů „nenásobkový“ (aneuploidní buňky).
Obsah DNA v jedné sadě chromozomů se označuje „DNA Complement“. Celkový obsah DNA v jádře proto
se označuje jako 2C DNA. Srovnej s 2 N počtem chromozomů (shora)
Soubor všech chromozomů představuje karyotyp buňky. Chromozomy uměle seřazené dle
velikost a tvaru je tzv. karyogram (syn. idiogram) . Soubor všech genů buňky představuje
(genotyp). Soubor všech znaků buňky, či organizmu, určovaný exprimovanými, tj.
transkribovanými či "přepisovanými" geny, se nazývá fenotyp. Další vymezení těchto
pojmů v předmětu Genetika.
Vědní obor zabývající se strukturou (pořadím basí) DNA v u a jednotlivých genech pomocí
biotechnologických metod, příp. i jejich funkčním významem, se nazývá genomika (ev. funkční genomika).
55
Významnou novou substrukturou jádra jsou tzv. perichromatinová granula a fibrily; nacházejí se na okrajích kondenzovaného chromatinu
a jsou místem intenzivní transkripce DNA. V normálních, častěji však patologicky změněných buňkách, se vyskytují rovněž tzv. nukleární
tělíska. Jejich původ a význam není zcela jasný (pravděpodobně se uplatňují při zrání ribozomální RNA).
Sestavování karyotypu. Pro ověření chromozomálních poruch, např. u plodů s podezřením
na vrozené vady, je třeba chromozomy sestavit do homologních párů do skupin, lišících
se velikostí chromozomů a jejich typem (polohou centromery), v pořadí od větších
k menším, s umístěním pohlavních chromozomu jako posledních. Pro tento účel se
chromozomy isolují z mitotických buněk vystavených hypotonickému šoku, který vede
k prasknutí plazmatické membrány a „vysypání“ se chromozomu do nejbližšího okolí, čímž
se vzájemně separují.
Skládaní homologních párů usnadňují tzv. proužkování chromozomů.
Tzv. G-proužkování je výsledkem barvení Giemsovým roztokem po předchozí mírné digesci chromozomů
trypsinem. Tmavší proužky jsou místa méně intensivní transkripce a četnějších A-T bazí. Světlejší proužky
pak místa s vyšší transkripcí a vyšší četností G-C basí. Q-pruhování spočívá v obarvení chromozomů
flurochromem Quinacrinem. R-pruhování (Reverse banding) je barvení Giemsovým roztokem po krátkodobé
zahřátí vzorku. Tmavší pruhy odpovídají světlejším při použití G-proužkovacího barvení.
Dříve byly takto vizualizované chromozomy ofotografovány a do homologních dvojic a skupin sestaveny
ručně po rozstříhání fotografie. Dnes k tomu slouží počítačové programy pro analýzu programu
2. 5. 3 Geny, transpozony, nekódující DNA
Potřebné i zbytečné (?)
Gen (termín poprvé použitý dánským badatelem W. Johansenem v r. 1909), též cistron či
vloha, označuje úsek DNA který obsahuje informaci pro primární strukturu jednoho
polypeptidu (strukturní geny), nebo molekulu rRNA či tRNA. U prokaryot vytváří často
několik strukturních genů společně regulovanou jednotku, tzv. polycistronní gen. Tzv.
regulační geny jsou úseky DNA, které ovlivňují expresi sousedních strukturních genu, po
navázání specifické bílkoviny, transkripčního faktoru (viz též kap. 5.7). Viz též bakteriální
operon (kap. 5.7)
Geny kodující bílkoviny nezbytné pro zajištění základní stavby a funkce každé buňky
(dělení, transport látek, přeměna látek-metabolizmus, syntéza bílkovin, bílkoviny
membránových organel,cytoskeletu, risozomů, nukleozomů a pod.) se označují jako geny
„provozní“ nebo „house-keeping“ („dům-udržující“). Ostatní geny zajišťují speciál-ní funkce,
např. syntézu neurotransmiterů v neuronech, syntézu protilátek lymfocyty, hormonů, jedů u
nižších obtratlovců apod.
Počet strukturních genů u různých živočišných druhů se velmi liší. Drosophila
melanogaster má např. cca 13 500 genů, mikroskopická hlístice Caenorhabtidis elegans
19.000 genů. U amphioxa (phylum chordata) 22.000. V lidském genomu se odhaduje počet
genů na 25 000 - 30 000 (dřívější odhad 100 tisíc genů byl tedy značně redukován). Počet
genů sice s fylogenetickým vývojem živočichů se zvyšuje, avšak ne uměrně stupni vývoje a
trend je někdy i opačný (myš má např. větší počet genů než člověk). U člověka se však
významně zvyšuje obsah tzv. nekódující- intergenové- DNA (viz níže a kap 4.3.3).
Celkový počet proteinů v buňce, tzv. proteom (= protein complement of the genome) však může být, zvláště u
fylogeneticky nejvýše postavených živočichů o mnoho vyšší než počet genů, a to v důsledku modifikací
bílkovin daných variabilitou sestřihu pre-mRNA , editace mRNA a post-translačních úprav bílkovin (viz kap.
3.3).
Projekt HUGO (Human Genome Mapping Organization) http://www.hugo-international.org/ se zabývá objasňováním složení lidského
genomu, který obsahuje zhruba 3 mld párů nukleotidových bází, což by mohlo tvořit asi 100 000 genů. Současný odhad počtu genů je
jen 25 000-30 000. Projek HUGO byl zahájený na počátku 90. let 20. století, s předpokládaným ukončením v roce 2005. Přesto byl draft
lidského genomu publikován již v únoru roku 2001. Mezinárodní tým vědců oznámil dokončení plné identifikace lidského genomu 14.
dubna 2003 (k 50. výročí objevu dvoušoubovice DNA).
56
Pozn. VM. Smysluplné čtení celého lidského genomu (tj. znalost všech konkrétních bílkovin, které jsou jednotlivými jednotlivými geny
kódovány) však ještě stále chybí.
Jaké jiné –omy ješte existují?
Aby byla stuace pokud možno ještě komplikovanější, ….na nedávném sympoziu „Proteomic Forum 2001” v Mnichově intenzivně
diskutovalo … též o DNA methylacích (methylom), proteinových glykosylacích (glykom) a fosforylacích (fosfoproteom) při buněčné
signalizaci (signalom), …..(slovníček rychle proliferujích –omů a –omik lze nalézt mj. na -Omes and -omics glossary),
Projekty řešené současnou proteomikou
jsou orientované převážně …na řešení … problémů biomedicinského výzkumu. Velké americké státní instituce, jako je National Cancer
Institute (NCI) nebo U.S.Food and Drug Administration (FDA) horují pro … výchovu odborníků v proteomice ….tak, aby se příslušná
vyšetření co nejrychleji dostala k lůžku pacienta. Dva příklady takových projektů jsou uvedeny na obr. 1. Stejně jako se dostávájí do
rutinního použití DNA diagnostické metody, počítá se s použitím speciálních technik laserového odběru asi jednoho tisíce buněk normální
a nádorové tkáně, jejichž proteiny budou separovány na dvojrozměrných gelech, a abnormální proteiny identifikovány, produkovány
rekombinantně, a řešena jejich trojrozměrná struktura jako podklad pro racionální farmakologickou intervenci (obr.1, horní panel).
Podobně… v krevním séru…. budou vzorky séra podrobovány rutinní analýze po podání bežných léčiv, aby bylo možné hodnotit, které
proteiny byly po podání léčiva indukovány, popřípadě které….. viz http://www.czproteo.cz/proteomics.cs.php Kráceno V.M.
Pozoruhodným však je, množství DNA kódující proteiny, či molekuly RNA nezbytné pro
syntézu bílkovin představují často jen zlomek jejího celkového množství jaderné DNA. U
člověka, je to např. pouze asi 1.5 - 3 %. Zbývajících zhruba 97% DNA představuje tzv.
nekódující DNA (Junk DNA), jejíž význam, pokud nějaký, je nejasný (viz níže).
Geny se liší svou velikostí., tj. počtem nukelotidových tripletů kódujících aminokyseliny
bílkovin. Většina bílkovin člověka je tvořena řádově stovkami aminokyselin. Některé, jako
např. svalové bílkoviny dystrofin a titin až několika tisící.
Geny jsou na chromozomech eukaroyntních buněk uspořádány lineárně ("za sebou").
Geny na jednom chromozomu tvoří vazebnou skupinu (geny jsou tzv. ve vazbě). Lokalizace
většiny genů na chromozomech je stabilní, každý gen má svůj tzv. lokus.
Některé segmenty DNA jsou však schopny se přemisťovat v rámci genomu. Tyto
segmenty, tzv. transpozony (T, „skákající geny“). Za jejich objev (v kukuřici !!! v r. 1944)
byla v r. 1983 udělena Nobelova cena Barbaře McClintockové). Mohou ovliv- ňovat
transkripci strukturních genů (kap. 5.7). T. obsahují tzv. jádro tvořené opakovanými
sekvencemi nukleotidů, na jejichž konci je kódován enzym transpozáza, který umožňuje
vyštěpování a přemísťování transpozomu. Tvoří několik skupina představují až desítky %
celkové DNA.
Tzv. retrotranspozony se nejprve přepisují do mRNA a teprve posléze procesem reverzní
transkripce, tj. zpětným přepisem do DNA , se začlení do nového místa v genomu. Jejich
počet se v průběhu fylogenetického vývoje zvyšuje. V lidském geonomu tvoří až desítky
procentcelkové DNA . Jedna skupina, tzv. Alu sekvence, je v lidském genomu přítomna v
celém rozsahu genomu asi v počtu půl milionu kopií. Dělí se několika skupin, které se liší
stupněm přemísťovací autonomie. Některé z nich (LTR retrotranspozony) jsou blízké svou
genetickou informací retrovirům.
Většina DNA transpozonů u člověka neobsahuje použitelné genetické informace. Nicméně,
nelze vyloučit, že se nějakým způsobem uplatňovaly ve fylogenezi živočichů, vč. člověka.
Jsou proto dnes řazeny do tzv. DNA „haraburdí“, viz níže. Pomocí molekulárně
biologických metod je však je možno některé z nich oživit (jeden z nich je známý jako tzv.
„sleeping beauty“, šípková Růženka) s cílem učinit z nich terapeutické nosiče „zdravých“
genů do poškozených částí genomu.
Významně fyziologicky se však uplatňují některé retrotranspozice. Např. U obratlovců, fyziologická
transpozice genů pro konstantní a variabilní část molekuly imunuglobulinů zvyšuje obrovsky variabilitu
protilátek tvořených lymfocyty. K transposicím genů dochází i v rýhujících vajíčkách a ve stárnoucích
buňkách. Transpozice genů u bakterií a některých protozoálních intracelulárních parasitů (např. trypanozom)
vede ke změnám jejich povrchových glykoproteinů (antigenů), což zvyšuje jejich odolnost vůči obranným
57
imunitním reakcím i antibiotikům. Více ve Fyziologii a Mikrobiologii a Virologii.
http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/repetitivni_dna.htm
Počet genů na jednotlivých chromozomech se značně liší. Na chromozomu 19 je např. u
člověka 23 genů na 1 milion nukleotidových párů (BP). Na chromozomu 13 je to pouze 5
genů na 1 mil BP..
Některé geny vykazují vysokou konservativnost tj. liší se poměrně málo u fylogeneticky
vzdálených druhů. Některé geny se objevují až na jistém stupni fylogeneze. U bezobratlých
chybí např. geny kódující bílkoviny imunitních reakcí, srážlivosti krve, geny tzv. tkáňové
slučivosti apod. Mechanizmy změn struktury a počtu genů viz Evoluční biologie.
Zamyšlení nad důsledky přečtení kompletní lidské genetické informace, http://denicek.net/zamysleni-nad-dusledky-precteni-kompletni-lidskegeneticke-informace.html
“…..Přečtení kompletní lidské genetické informace (přesněji 97%, repetitivní sekvence v té době přečteny nebyly) bylo oznámeno 26. června 2000.
…..Lidský genom je sice přečtený, to však ale zdaleka neznamená, že je to hotové . Sice byly sekvenovány všechny nukleotidy, ale jen po malých
částech, které je nyní nutné poskládat ve správném pořadí.Ani zde však práce ještě nekončí, vlastně její nejdůležitější část teprve začíná a čeká zde jistě
spousta překvapení. Je sice hezké, že knihu lidského genomu máme sestavenou, ale nevíme zatím, co se vní přesně píše neznáme funkci všech
genů, jaké jsou jejich bílkovinné produkty a což je možná ještě záludnější problém vzájemné vztahy. Právě výzkum bílkovinných produktů
jednotlivými geny je navíc komplikován faktem, že v důsledku alternativního sestřihu z jednoho genu může vzniknout více než jeden typ bílkoviny (v
extrémním případě 30 000) (1). Proces sekvenování byl sice ukončen o celé tři roky dříve, než odhadovali ti nejsmělejší, ale jak dlouho potrvá, než vše,
nebo aspoň část na které bude možné založit další konkrétní činnost, pochopíme? Navíc mi nezbývá než souhlasit s F. Cvrčkovou, která píše (2):
Troufám si ale pochybovat, že právě znalost našeho vlastního genomu významně přispěje k obecnému pochopení zásadní biologické otázky, jak se z
neživých molekul dělá živé tělo. Projekt čtení lidského genomu je nejdražším svého druhu vůbec, přitom genetická informace jiných (nižších)
živočichů byla známa už před tím (první bakterie Haemophilus influenzae). Bylo skutečně nutné již nyní přistupovat k tak nákladnému procesu? V
budoucnosti lze předpokládat zdokonalení jak metodiky tak techniky a tím pádem i zrychlení a hlavně zlevnění celého procesu. Nebyly by již
vynaložené peníze užity efektivněji a hlavně užitečněji, kdyby z nich byly zaplacené podrobné analýzy již přečtených genomů? Nechci význam celé
záležitosti nijak shazovat, ale z celého počínání mám zatím dojem, že knihy pouze hromadíme, místo abychom se v nich učili číst. F. Cvrčková (2) píše:
budeme si muset počkat, až Craig Venter (pozn. ředitel Celera Genomics) osekvencuje ještě genom myši, na které se aspoň dá experimentovat. Na
současném stupni poznání by asi opravdu bylo užitečnější znát genom myši, jehož čtení je stejně náročné jako u každého jiného savce a tedy i člověka.
A ještě mnoho hlodavců bude muset, bohužel, zemřít, než se lidé dočkají prvních výsledků. Většina genomu je navíc pro myš i člověka společná, takže
přenést znalosti ze zkoumání myšího genomu na člověka by bylo jednodušší, než se pyšnit tím, jakého ohromného výsledku jsme dosáhli a zároveň si
lámat hlavu, co vlastně s ním, když máme tak svázané ruce.
Nepochybuji, že poznávání funkce všech genů se bude postupně dařit. Jedním z prvních překvapivých zjištění bylo, že genů není dříve odhadovaných
50 000 100 000, ale pouze kolem 38 000. Nejjednodušší jistě bude nalézat (a odhalovat funkci) geny velkého účinku, které však způsobují jen 2%
onemocnění (např. cystická fibróza) a ovlivňují kvalitativní znaky jako je třeba barva očí. Zbylých 98% onemocnění může být ovlivněno geny malého
účinku, přičemž jejich konkrétní konstelace může být v jedné situaci nevýhodná a v druhé naopak výhodná (3). Konkrétní problémy, před kterými po
přečtení lidského genomu stojíme se úzce dotýkají problematiky ochrany osobních informací, diskriminace na základě jejich znalosti a jejich zneužití,
dále prenatální i postnatální diagnostiky, vlivu diagnózy jedince na jeho okolí a mnoha dalších. Zároveň se však nabízí možnost efektivní prevence a
léčby nyní smrtelných a neléčitelných onemocnění, která s sebou ale opět přináší otazníky v podobě omezené dostupnosti těchto metod a nové
eugeniky . Každá odpověď vyvolává celou řadu dalších otázek, které bude nutné řešit jak na poli legislativním, tak především filosoficko-etickém.
Diskriminace na základě genetické informace
Pakliže dojde ke genetickému testování pacientů na některé dědičné nemoci, poruchy či disposice, je bezpodmínečně nutné, aby se tyto testy
uskutečňovaly jen za výslovného souhlasu pacienta a jejich výsledky byly kvalitně chráněny. Jak ve svém článku dokládá M. Lipoldová (3), není možné
o těchto problémech mluvit jako o vzdálené budoucnosti, nýbrž jako o současnosti: Poté, co lékaři otestovali populaci beduínů (arabských kočovníků)
na přítomnost recesivní mutace v genu působící metabolickou chorobu leucinózu, začal kmen pozitivní jedince diskriminovat. Ženy s touto mutací se
nemohou vdát a muži se musejí ženit mimo kmen. Chtějí-li kyperští Řekové získat povolení k sňatku, musejí předložit potvrzení, že byli geneticky
testováni na mutace vyvolávající talasémii (dědičnou chudokrevnost způsobenou tvorbou abnormálního hemoglobinu. Zatím se jedná jen o lokální
záležitosti (a i ty by bylo žádoucí zastavit), ale co kdyby se takovéto praktiky rozšířily masově? Pacient by se stal vůči rozhodnutím pojišťoven pokud
by nějaké (v dobrovolném pojišťovacím systému) existovaly a zaměstnavatelů zcela bezmocný. Naplnily by se tak orwellovské vize s tím rozdílem,
že Velký Genetický Bratr by sice neovládl naši mysl, ale jádra našich buněk a lidé geneticky nezpůsobilí by sice nebyli vaporizováni (pozn.
zmizeni, vymazáni z existence i dějin, viz. George Orwell: 1984), ale zato zcela ignorováni, nejen na trhu práce. Jaký rozdíl? Naštěstí naše společnost
k takto katastrofickým vizím nesměřuje, chtělo by se říci, ale vždyť sehnat vzorek DNA libovolného člověka je tak snadné! Stačí přece použitá sklenice,
zbytek cigarety; obezřetnost je na místě. Legislativně pravděpodobně půjde vycházet ze stávajících zákonů, pokud dojdeme konsensu na poli etickém,
ale jak se účinně zneužití bránit, když to, že zaměstnanec byl vyhozen na základě (např. pokoutně provedených) testů své DNA a ne za nedostačující
pracovní výkony se přeci tak obtížně dokazuje!
Dopad diagnóz na okolí, prenatální diagnostika, právo nevědět.
Umíme-li perfektně diagnostikovat, ještě nemusí být vyhráno. Ostatně i dnes známe mnoho nemocí, které umíme určit, nikoliv léčit (Alzheimerova
choroba). Vzroste mezera mezi diagnostickými a terapeutickými možnostmi medicíny. Vysoká účinnost nové diagnostiky nebude totiž bezprostředně
následována působivými terapeutickými zásahy. Počet neléčených chorobných stavů se zvýší, což nepotěší ani lékaře, ani pacienta. Píše Vladimír
Vonka (4). Mohli bychom tak dojít k zajímavé situaci, kdy je skoro každý nějak nemocný, ale jen málokdo se může i léčit. Ale vážně. Co způsobí
pacientovi diagnóza nemoci, která se má rozvinout třeba až za dvacet let? Co kdyby taková diagnóza byla určena třeba už při prenatálním vyšetření?
Rodiče již nyní mají právo rozhodnout, zda se jim narodí dítě např. s cystickou fibrózou. Mohou tedy rozhodovat, zda se jim narodí potomek, který na
50% zhruba ve věku 40 let onemocní rakovinou? Něco mi říká, že ne, ale jsou to přeci dva celkem podobné případy! Při takové diagnostice dopředu
se ale nemoci jednoho pacienta nemusejí týkat jen jeho samotného. Dědičnou chorobu může mít i spousta lidí z jeho příbuzenstva, ani o ní zatím
nemusejí vědět.Další rozevírání příslovečných nůžek mezi bohatým západem a chudým východem je jen dalším z mnoha důsledků. Stačí, aby se
naplnila jen část toho, co si od nové revoluce v medicíně slibujeme, aby se propast mezi námi, kteří se přejídáme a potraviny vyhazujeme a nimi,
kteří hladovějí a hlady umírají zase o pořádný kus rozšířila a mi byli těmi, kdo žijí aspoň 120 let a oni těmi, kdo umírají před čtyřicítkou .
LITERATURA:(1) Storchová, Zuzana: Homo sapiens sapiens: přečteno! Online
Vesmír 8/2000, http://vesmir.cts.cuni.cz/08_2000/427.htm,
citováno dle 22.11.2001.(2) Cvrčková, Fatima: Konec genetiky? Online
Vesmír 8/2000, http://vesmir.cts.cuni.cz/08_2000/430.htm,
58
citováno dle 22.11.2001.(3) Lipoldová, Marie: Genetické testy, etické problémy a právo nevědět. Online Vesmír 11/2000,
http://vesmir.cts.cuni.cz/11_2000/608.htm, citováno dle 22.11.2001.4) Vonka, Vladimír: Naděje a rizika molekulové medicíny. Online Vesmír 3/99,
http://vesmir.cts.cuni.cz/03_99/132.htm, citováno dle 22.11.2001.Wolpert, Lewis: Je Věda nebezpečná? Online Vesmír 6/1999,
http://vesmir.cts.cuni.cz/06_99/325.htm, citováno dle 22.11.2001.Kahn, Axel: Genetika, medicína a společnost. Online Vesmír 12/2000,
http://vesmir.cts.cuni.cz/12_2000/686.htm, citováno dle 22.11.2001.
2. 5. . 4 Jadérko syn. nucleolus. Je pravidelně se vyskytující struktura v jádře, která může
mít různý tvar a velikost, lišící se v různých typech buněk a měnící se i v závislosti na
funkčním stavu buňky.
Jadérko místem syntézy ribozomální RNA (rRNA) a zrání ribozomů. Je tvořeno 3 složkami
– komponentami rozlišitelnými v EM dle své struktury. Jsou tzv. fibrilární centra (FC), denzní
fibrilární komponenta (DFC, , syn. pars fibrosa) a granulární komponenta (GC, syn pars
granulosa). Viz níže i-iii
(i) Fibrilární centra ( syn. "amorfní" složka, nukleolemata), obsahují rDNA, tj. genetickou
informací pro syntézu rRNA. Oblast obsahující rDNA je označována též jako organizátor
jadérka (NOR, nucleolus organizing region). Vyskytuje se na jednom nebo několika
chromozomálních párech. V jádře nedělící se buňky, nebo ve stádiu interfáze dělící se
buňky, může být proto přítomno jedno nebo více jadérek. Na rozhraní fibrilární a DFC
komponenty jadérka. probíhá řepis genetické informace z rDNA do rRNA
U člověka je např. NOR lokalizován na 5 párech chromozomů a v lidské buňce může být tudíž maximálně 10
jadérek. Více NOR se však může spojit a vytvořit jedno větší jadérko, které bývá zpravidla výkonnější
v syntéze rRNA.
NOR obsahuje tandem opakujících se rRNA genů. U člověka např. až 200. rDNA geny je tvořen
promotrem, dále tzv. interním a externím spacerem (mezerníkem, ITS/ETS), vlastními kódovacími sekvencem
RNA zevním nepřepisovaných spacerem.
(ii) V DFC komponentě jadérka, probíhají post-transkripční úpravy pre-rRNA Viz níže a
též kap. 3.3).
(iii) V granulární komponentě jadérka se molekuly RNA spojují s proteiny, tj. tvoří se
nukleoproteinové komplexy a organizují se do ribozomálních podjednotek.
Pozor: Ribozomální proteiny se syntetizují v cytoplasmě dle informací mRNA
transkribované v jádře RNA polymerázou II. Poté jsou importovány do jádérka
K jadérku přiléhá tzv. perinukleolární chromatin, (heterochomatin), který dotváří celkový
vzhled jadérka.
Buňky s vysokou proteosyntézou mají zpravidla velká kompaktní jadérka (s mozaikovou
distribucí fibrilární a granulární komponenty), nebo tzv. jadérka s nukleolenematy. Pro
přechodné snížení proteosyntézy jsou charakteristická jadérka prstenčitá, zpravidla s
jedním velkým centrálně uloženým fibrilárním centrem.
2. 5. 5 Nekódující DNA (Junk DNA)
Jaderné haraburdí. Opravdu???
Jak již uvedeno shora, DNA kódující bílkoviny organizmu představuje pouze malou část
jaderné DNA. U kvasinek je to např. asi 47-68 % celkové DNA. U hmyzu 37-53%. U
člověka se odhaduje podíl této DNA na 3-8%. S fylogenetickým vývojem se tedy zvyšuje
obsah DNA nekódující proteiny nebo RNA proteosyntetického aparátu.
K nekódující DNA je možno řadit nukleotidové sekvence intronů (1.5% u člověka, viz též
níže syntéza bílkovin, kap. 3.3).
59
Introny se vyskytují ve všech eukaryotních genomech. Chybí u eubakterií, častější jsou u
archeí, především v genech pro rRNA a tRNA, ojediněle v genech kódujících proteiny. Pro
vznik a význam intronů je několik teorií. Původně to mohli být např. genomoví parazité typu
virů a transpozomů, pomnožené a přemisťované v genomu hostitele tzv. vlastním
„sestřihem“ (autosplicing), tj. katalytickou aktivitou RNA bez účasti bílkovinných enzymů. Do
této skupiny patří introny v genech kódujících rRNA a tRNA. Introny v pre-mRNA genů
kódujících bílkoviny však jsou „vystřihovány“ složitějším mechanizmem (viz kap. Syntéza
bílkovin).
Lokalizace intronů u eukaryot v některých genech kódujících proteiny je fylogeneticky vysoce
konzervativní tj. identická ve vývojově velmi vzdálených geonomech. Někteří badatelé proto
předpokládají, že tato skupiny intronů byla přítomna již ve společném buněčném prapředku a u
poději se objevivších prokaryot byly eliminovány jako „nevhodné“, protože sestřih pre-mRNA
kódující proteiny musí probíhat odděleně od proteosyntetického translačního aparátu cytoplazmy,
tj. v jádře odděleném od jadernou blanou, neboť jejich zavzetí to orimární struktury bílkovin by vedlo
k jejich nefunkčnosti. Opakem této tzv. „Introns-early hypothesis“ je „Introns-late hypothesis“, podle
které intronů v genech kódujících proteiny vznikly až dodatečně v eukaryontních buňkách. Ve vývoji
intronů v některých genech a částech genomu eukaryot se významně uplatňovaly i jejich replikace a
případné redislokace.
Další a četnější skupinou molekul nekódující DNA jsou tzv. dlouhé (Long) a krátké (Short)
vmezeřené (Interspaced) repetivní nukleotidové (Nucleotide) sekvence-elementy
(Elements) (zkratky LINE, SINE). Mohu vyskytovat v blocích (tzv. tandemové repetice) nebo
být volně rozptýlené v různých oblastech jádra. Repetivní sekvence jsou časté
v konstitutivním heterochomatinu, v centromerických a telomerických oblastech
chromozomů. V lidském genomu sem patří i DNA transpozonů (viz shora).
Další skupinu nekódující DNA představuje tzv. satelitní DNA, tvořena mnohotně se
opakujícími stejným sekvencemi nukleotidů. Při centrifugaci sedimentuje v podobě
vedlejšího (satelitního) a menšího prstence (více v molekulární biologii).
Některé nekódující sekvence DNA vykazují velký interindividuální polymorfismus, který je
využíván k identifikaci osob v kriminalistice (viz např. VNTR a RFLP sekvence a DNA
finger prints, kap. 8).
Nekódující DNA je někdy označovaná též jako "hlušinová" nebo "odpadová" (junk) DNA.
Donedávna byla považována za "skladiště", např. porouchaných, a v průběhu fylogeneze
vyřazených genů, transpozonů ( viz shora a kap. 5.6 a 5.7), tzv. parazitárních či
sobeckých genů, atp. Přibývá však poznatků o jejich významu.
Pokusy na zvířatech skutečně ukazují, že např. myši, u kterých byla vyřazena velká část nekódující DNA se
vyvíjejí a žijí bez zřejmých poruch. Nicméně, část této "zbytečné" DNA a její transkripty mají
pravděpodobně funkční úlohu. Přemisťující se sekvence (především retrotranspozony) mohou např.
ovlivňovat expresi sousedních strukturálních genů. Rovněž některé rozdíly v alelách VNTR se ukazují být
pravděpodobně funkčně významné (např. mohou zvyšovat náchylnost k cukrovce).
Samostatnou skupinu transribovaných intergenových úseků DNA jsou tzv. malé RNA
molekuly, které neobsahují informaci pro žádné proteiny, ani pro RNA proteosyntetického
aparátu, které ale mohou ovlivňovat syntézu bílkovin. Jsou tvořeny obvykle 80-300 páry
nukleotidů.
60
Hlavní skupiny malých RNA jsou
(A) malé jaderné RNA (snRNA, small nuclear RNA)
(B) malé jadérkové RNA (snoRNA, small nucleolar RNA)
(C) malé cytoplazmatické RNA (scRNA, small cytoplasmic RNA), tvořené hlavně
tzv. microRNA (miRNA).
SnRNA jsou se uplatňují v samotném jádře v procesu sestřihu pre-mRNA. MicroRNA jsou transportovány do
cytoplazmy, kde po jistých úpravách zabraňují translaci hybridizací s komplementárními sekvencemi mRNA
nebo vedou k degradaci mRNA. Tato inhibice translace se označuje jako přirozená RNA interference (RNAi).
Jde o fylogeneticky starý mechanismus buněčné obrany proti některým virům. Využívá se též k cílené
inhibici tvorby některých bílkoviných transkriptů pomocí malých, synteticky připravených tzv.siRNA (short
interfering RNA). Více v Molekulové biologii
Ukazuje se , že malé molekuly RNA jsou četnější u fylogeneticky výše postavených druhů i funkčně
komplexnějších orgánů, dosahujíce maxima v mozku člověka.Některé jejich podskupiny zasahující zřejmě do
mnoha funkcí, např. do vývoje gamet, těhotenství, odolnosti vůči virům, nádorové transformace a pod. Viz
též zpráva níže.
….miRNAs and siRNAs are ∼21-26-nucleotide (nt) RNA molecules…..které jsou functionally equivalent ..ale… distinguished
by their mode of biogenesis… miRNAs are produced from transcripts that form stem-loop structures….processed in the
nucleus by a complex of at least two components: the RNase III enzyme Drosha, a protein called Pasha in Drosophila or
DGCR8 in mammals….. transport(ed) to the cytoplasm of a 65-75-nt pre-miRNA, which is .. processed (in) the cytoplasm
(RNase III endonuclease Dicer complex…., RNA silencing complex (RISC). .. In contrast, siRNAs are produced from long
double-stranded RNA (dsRNA) precursors, which can be either endogenously produced or exogenously provided. Processing
of siRNAs is also Dicer-dependent and their assembly into the RISC complex is facilitated by the Dicer enzyme complex, at
least in some cases (Valencia-Sanches M.A., Genes and Development, 2006, kráceno a upraveno VM)
Čerstvá zpráva: „The first highly specific knockouts of a microRNA, miR155, in mice result in
multiple defects in adaptive immunity…”, Moffett et al. Genome Biology 2007, 8:221
2. 5. 6 Karyoplasma (syn. nukleoplasma). Jde o amorfní obsah jádra, tvořený ve vodě
rozpuštěnými bílkovinami, ionty a různými metabolity. Někdy je sem řazena i stále dosud
málo prozkoumaná tzv. jaderná matrix, tvořená molekulami volnými aktinu a myosinu I,
nebo jejich krátkými oligomery, které se účastní přemísťování molekul v procesu
transkripce DNA. Bílkoviny nukleoplasmy se mohou uplatňovat též jako receptory pro
některé hormony (viz kap. 5.4).
2. 6 CYTOSOL A INKLUSE
Buněčná šťáva. Zn. lékaři (ne)doporučují
Cytosol je koloidní roztok makromolekul a nízkomolekulárních látek (ionty, ve vodě
rozpustné malé organické molekuly vč. některých enzymů), který zbývá jako supernatant
po intenzivním odstředění suspense jemně rozrušených buněk (105.000 x g). V cytosolu
se mohou vyskytovat různá granula, tzv. inkluse (paraplazma), která obsahují zásobní,
odpadní či sekreční produkty buněk (tukové kapky, glykogen, žloutková zrnka, pigmenty
aj.).
Shora použitému skupinovému členění organel se vymykají proteazomy. Jsou to velmi
malé, membránou neohraničené mikrobarely, tvořené bílkovinami s proteázovou aktivitou.
Sestávají z centrální „duté válcovité “ katalytické podjednotky (sedimentační konstanta
20S) s vlastní proteázovou aktivitou a 2 menších čepičkovitých, tzv. regulačních
podjednotek (19S) na obou koncích podjednotky centrální. Ty mění strukturu ubiquitinem
(viz níže) označeného poškozeného nebo cizorodého proteinu tak, aby jej bylo možno „
zasunout“ do proteázového centrálního mikrobarelu (viz též kap.5.8).
61
Proteazomy slouží k organizovanému (řízenému) rozkladu poškozených nebo cizorodých
bílkovin. Tyto však musí být předem „označeny“ navázáním peptidu ubiquitinu (viz
kap.5.8). Proces vyžaduje ATP, který je štěpen jednou z malých podjendotek, tzv. víčkem,
které rozpoznává ubiquitinovou značku .
V případě cizorodých bílkovin je tento rozklad často neúplný. V buňkách imunitního systému
takto vytvořené fragmenty slouží např. k tzv. prezentaci antigenu při imunitních reakcích
(více v předmětu Fyziologie).
Ubiquitin-proteázomový systém byl dosud popisován pouze v cytoplazmě. Ukazuje se
však, že se vyskytuje i v jádře.
Za objev ubiquitinu a jeho funkce byla udělena Nobelova cena v r. 2004
62
3 KOMPLEXNÍ BUNĚČNÉ FUNKCE
Obr. 21-40
Buňky i celý organizmus představují otevřený systém tj. mezi nimi a okolním prostředím
probíhá trvalá výměna látek, energie a informací.
Toky látek, energie a informací jsou výběrové a obousměrné. Jsou nezbytné pro udržení
vnitřní struktury a homeostázy vnitřního prostředí, funkční aktivity buněk, jejich adaptaci
na změny okolních podmínek, reparaci poškození, a v případě jejich neopravitelnosti, i tzv.
programovanou smrt. Jedná se o procesy řízené širokým spektrem molekul (enzymy,
přenašečI, signální molekuly) VIZ kap. 3.1 a 3.4.
Mezi společné funkce buněk a živočichů patří rovněž přeměna látek (metabolizmus) a
pohyb. Pohyb na úrovni celých organizmu či jeho částí byl již zmíněn kap 1.4. Na
buněčné úrovni v kap. 2. 4.
Rozmnožování, slouží k zachování živočišného druhu Je spojené s předáváním genetické
informace dceřinným buňkám (mitotické a meiotické dělení). Na úrovni buněčné se
uskutečňuje mitotickým a meiotickým dělením (viz kap 6). Součástí je i schopnost
regulovaného (programovaného) úhynu buněk při opotřebení a irreversibilním poškození
(viz kap. 4.).Na úrovni organnizmů má mnohočetnou podobu a regulace (viz kap. 6 a
fyziologie živočichů).
Buňky různých fenotypů se liší v zastoupení a rozsahu těchto funkcí a je zajišťujících
morfologických struktur. Tyto rozdíly se vytvářejí procesu diferenciace, uskutečnovaným
regulovanou expresí genů (clock geny, viz kap. 3.11) a pacemakery svalových buněk
myokardu a zažívací trubice (kap. 4. 4)
Většina biologických procesů probíhá cyklicky. Tento jev je dovbře známý z pozorování
orgánových funkcí a celeého organizmu (denní, měsíční, sezonní rytmy). V poslední době
bylo získáno mnoho poznatků o buněčných mechanizmech těchto změn, řízených zpravidla
periodickým kolísáním exprese speciálních genů a konformačními změnami speciálních
bílkovin.
P
P
…
Pooouuuzzzeeeppprrrooo"""vvvyyyvvvooollleeennnééé"""…
…...
(((iiiooonnntttyyy,,,m
…
m
…))) Jízdné v ATP
mooollleeekkkuuulllyyy,,,pppaaarrrtttiiikkkuuullleee…
3. 1 Transport látek (obr.23-26)
Život živých organizmů je závislý na příijmu určitých lázek z okolí a výdeji jejich zbytků.
Přijímané látky slouží jako stavební molekuly pro růst a obnovu organizmu, zdroje energie
výkon základní životní funkce živočichů, katalýzu metabiolických rocesů a pod.
Organizmus musí přijímat vodu, ionty, plyny a četné organické molekuly..
U jednobuněčných a nejjednoduších bezobratlých ---- přijem chemických látek celým
povrchem těla tzv. parenterálně. . U většiny vícebuněčných k tomu slouží speciální
orgán(y), které jsou v různém stupni specializované pro přijem, rozklad. trávení,
vstčřebávání a a vyvrhování nestravitelných a metabiolických zbytků Viz Srovnávací
Fyziologie.
Klíčovou úlohu u všech živočichů mají transportní mechanizmy látek přes plazmatickou
membránu buněk a jejich organel.
63
Základní typy transportu přes plazmatickou membránu.
3.1.1 Pasivní transport (prostá difuse)
3.1.2 Aktivní transport pomocí přenašečů :
3.1.2.1 usnadněná (facilitovaná) difuse
3.1.2.2 primární transport (Na+K+ pumpa) a klidový membránový potenciál
3.1.2.3 sekundární transport (Na+ kotransport)
3.1.2.4 skupinová translokace
3.1.2.5 iontové kanály
3.1.3 Cytoza (váčkový transport makromolekul a částic)
3.1.3.1 endocytoza prostá (pinocytoza)
3.1.3.2 receptorově zprostředkovaná endocytoza
3.1.3.3 exocytoza
3.1.3.4 transcytoza
3.1.3.5 fagocytóza
Volné výměně látek mezi buňkou a okolím brání plazmatická membrána (PM). PM je
polopropustná, semipermeabilní. Fosfolipidová dojvrstva představuje bariéru, kterou mohou
volně procházet jen malé nepolární molekuly (O2, CO2, N2) a látky rozpustné v tucích
(lipofilní, hydrofobní). Tyto látky mohou vstupovat do buňky prostou difusí, tj. bez potřeby
chemické energie, po svém koncentračním spádu.
Ostatní látky (vč. např. většiny iontů i jednoduchých organických molekul jako např.
glukóza, aminokyseliny, nukleotidy apod.) musí být do buněk selektivně přenášeny
(transportovány), či aktivně propouštěny. Tyto funkce vykonávají specializované integrální
bílkoviny plazmatické membrány (viz níže pumpy, iontové kanály, aj.)
Makromolekuly ve vodní fázi, a příp. i větší partikule, mohou vstupovat do buněk i ve
váčcích, které se odškrcují od plazmalemy.
Transportní mechanismy operující na PM slouží k udržování stálého iontové složení
buněčného nitra, přívodu živin, vylučování metabolických zplodin, přívodu biologicky
aktivních (regulačních) molekul do buňky
3. 1.1 Pasivní transport. Prostá difúze
Pouze pro malé a nenabité Zn. zdarma
Volně mohou do buňky přes plazmatickou membránu procházet molekuly malé, bez
elektrického náboje (nepolární) a rozpustné v tucích, lipofilní (CO2,O2,N2, glycerol, urea,
ethanol, mastné kyseliny, étery, steroly, nedisociované organické kyseliny a rovněž většina
léčiv a ekologicky škodlivých látek). Zvláštní formou difúze (osmóza) procházejí do buňky
molekuly vody (viz níže akvaporiny).
Difúze je závislá na koncentračním spádu látky, nevyžaduje energii a probíhá do ustavení
termodynamické rovnováhy. Difuse není buňkou regulovatelná, neumožňuje výběr molekul
u okolí.
3. 1. 2 Transport pomocí přenašečů
Jak již uvedeno shora, ionty, polární a ve vodě rozpustné (tj. hydrofilní, čili lipofobní)
molekuly (např. glukóza, sacharóza, aminokyseliny, ATP, glukózo-6-fosfát, ionty např. K+,
Mg++, Ca++, Cl-, HCO3-, HPO4- aj.) nemohou volně prostupovat PM.
Transport těchto látek zajišťují molekuly PM, které mají povahu specifických pump,
přenašečů nebo kanálů. Jsou poháněny energií získávanou z ATP nebo koncentračního
64
gradientu přenášených, nebo spolu-přenášených (ko-transportovaných) látek, např. iontů
sodíku nebo protonů.
3.1.2.1 Usnadněná (syn. zprostředkovaná nebo facilitovaná) difúze. Přenašečem je
specifická bílkovina PM (permeáza, translokáza), která po navázání příslušné molekuly
změní svou konfiguraci tak, že umožní průchod látky do buňky. Jde o přenos typu uniportu,
který nevyžaduje chemickou energii, je závislý na koncentračním gradientu, který je však
pro každou molekulu specifický. Uplatňuje se např. při přenosu monosacharidů a
aminokyselin z buněk střevní sliznice do krve, z krve do buněk ostatních orgánů, iontů
chlóru z krve do parietálních buněk žaludku a pod.
3.1.2.2 Primární aktivní transport (syn. sodíko-draslíková pumpa, Na+K+ ATPáza).
Zajišťuje přenos iontů sodíku a draslíku do buňky a z buňky. Vytváří nerovnoměrné
rozložení iontů mezi buňkou a okolím, které se projevuje vznikem elektrického napětí,
klidového membránového potenciálu.
Molekulární pumpa má Na+K+- ATPázovou aktivitu, která pro transport poskytuje
chemickou energii štěpením ATP. Každou "funkční otočkou" pumpy se z buňky vyčerpají 3
ionty sodíku a do buňky přenesou 2 ionty draslíku. Tento způsob přenosu látek se označuje
též jako antiport.
Na+K+ ATPáza je protein, který se skládá z 1 páru menších (glykozylovaných) a 1 páru větších podjednotek,
nesoucích na zevní straně vazebná místa pro 2 ionty draslíku a na vnitřní (tj.cytoplazmatické) straně pro 3
ionty sodíku, jakož i katalytické místo pro ATP (v komplexu s Mg++).
Iontově specifické transportní ATPázy čerpají rovněž Ca++ z buňky, nebo z cytosolu do
endoplazmatického retikula a protony z cytosolu do lyso-endozomálních váčků (proto
název v-ATPázy).
Antiport Na+, H+ na plazmatické membráně se uplatňuje při regulaci pH cytozolu.
V PM i v endoplazmatické retikulu je i další velká skupina tzv. ABC ATPáz (ATP Binding
Casette ATPase), které přenášejí i některé menší organické molekuly, např. menší
fragmenty peptidů z proteazomů na povrch buňky. U některých parazitů a nádorových
buněk vyčerpávají z buněk léčiva a tím podmiňují i jejich odolnost vůči těmto látkám.
Jejich inhibitory jsou proto zkoumány jako nová terapeutika. Další příklady v Molekulové
biologii a Fyziologii živočichů.
Klidový membránový potenciál (KMP) (obr.21b)
Pozor, napětí!!
KMP je elektrický náboj na plazmatické membráně (PM) všech živých buněk. Na zevním
povrchu PM je náboj positivní, na vnitřní straně negativní. Hodnota KMP se liší u různých
typů buněk a kolísá v rozmezí -40 až - 90 mV.
KMP vzniká v důsledku nerovnoměrného rozložení iontů a ionizovaných skupin větších
molekul v buňce a jejím okolí, což je primárně podmíněno semipermeabilitou PM, tj. její
odlišnou propustností pro některé ionty a větší molekuly. Uvnitř buňky je především
mnoho větších molekul s negativně nabitými funkčními skupinami, které nemohou z buňky
unikat difuzí (aminokyseliny, bílkoviny aj.) a které svým elektrickým nábojem „přitahují" z
okolí dovnitř buňky kationty.
65
Ustavení početní rovnováhy kladných a záporných nábojů na obou stranách
semipermeabilní membrány se nazývá Gibbs-Donnanova rovnováha.
V okolí buňky je sice vysoká koncentrace Na+ a Ca++ pro které není plazmatická
membrána permeabilní. Relativně snáze však pronikají do buňky ionty draslíku. Při
vyrovnání kladných a záporných nábojů v buňce touto cestou však nitrobuněčná
koncentrace (115 mmol/l) draslíku značně přesáhne jeho koncentraci v okolí buňky (3.8 –
5.4 mmol/l). Část K+ z buňky proto uniká po koncentračním spádu.Tzv. elektrochemická
rovnováha draslíku se ustálí při cca –70 mV. Tuto rovnováhu vyjadřuje Nernstova rovnice:
KMP=log (K+ zevně/K+ uvnitř buňky) x RT/ZF
(R je plynová konstanta, T absolutní teplota, Z valence=+1, F Faradayova konstanta)
Za některých okolností, např. při podráždění nervových buněk, dochází k rychlému otevření
iontových kanálů pro Na+ (viz níže), což vede poklesu KMP, k tzv. depolarizaci PM.
Okamžitý „přebytek“ kladných nábojů je ihned „kompenzován“ únikem ekvivalentního
množství K+ z buňky (repolarizace PM). PM je však pro sodíkové ionty volně neprostupná
z obou jejích stran a buňka musí pro obnovení iontové rovnováhy "přebytek" Na+ vyčerpat
(spolu s dočerpáním iontů K+, které unikly v procesu repolarizace PM). Obnovení této
iontové rovnováhy zajišťuje tzv. sodíko-draslíková pumpa PM (viz shora).
Obsah Na+ u většiny buněk se zvyšuje i jinými mechanizmy, na např. ko-transportem
větších molekul (viz níže). Vyčerpávání Na+ zajišťuje rovněž sodíko-draslíková pumpa.
Více ve Fyziologii živočichů.
Na vzniku KMP se však podílejí i další ionty (Mg++, Ca++ , Cl-). Iontovou rovnováhu všech
skupin iontů vyjadřuje tzv. Goldmannova rovnice (viz Molekulová biologie)
Depolarizace PM nervové nebo svalové buňky, zprostředkovaná rychlým přesunem sodíkových iontů
do buňky otevřením příslušných iontových kanálů se lavinovitě šíří jako tzv. akční nebo
postsynaptický potenciál po buňce a jejich výběžcích a představuje tzv. nervový vzruch, impulz. Více
ve Fyziologii živočichů a člověka.
U bakterií, hub, rosltinných buněk, ale i některých organel živočišných buněk, např. mitochodrií, je
elektrický náboj tvořen protony a podmíněn primárně tzv. elektrogenní iontovou pumpou. Je méně
závislý na iontovém složení okolního prostředí a na rozdíl od KMP popsaného shora, klesá velmi
rychle po zástavě funkce iontové pumpy.
3.1.2.3 Sekundární aktivní transport (syn. Na+ nebo H+ kontransport), využívá nejčastěji
elektrochemického potenciálu protonů ( H+ v bakteriích, plísních a rostlinách) nebo Na+,
vytvořených transportem primárním. Jedná se o transport typu symportu, kdy organická
molekula je přenášena do buňky proti koncentračnímu spádu, zatímco ionty Na+ nebo H+
proudí do buňky po koncentračním spádu a jejich iontový gradient poskytuje kotransportu
potřebnou energii. Tento typ přenosu látek se uplatňuje např. při resorpci aminokyselin v
ledvinách, cukrů ve střevě a pod.
3.1.2.4 Transport skupinovou translokací je spojen se změnou chemické struktury
přenášené molekuly. Přenášečem je enzym, který je zároveň katalyzátorem příslušné
chemické změny. Jde např. o současnou fosforylaci monosacharidů v bakteriích, štěpení
disacharidů ve střevě, připojení glutamylového zbytku k aminokyselinám při jejich zpětné
resorpci v tubulech ledvin aj.).
3.1.2. 5 Transport selektivními kanály. Zajišťuje specifický transport iontů a vody. Tyto
transportéry jsou bílkoviny plazmatické membrány schopné konformačních změn, které je
66
činí tzv. otevřené nebo zavřené. Část molekuly, která je odpovědná za uzávěr se nazývá
hradlem kanálu. K otevření hradla dochází receptorovým navázáním agonistní molekuly
(acetylcholin, kys. gama aminomáselná a pod.). Podle způsobu jakým se kanál otevírá
rozlišujeme iontové kanály bezhradlové, s hradlem regulovaným chemicky, napěťově nebo
mechanicky.
Transport vody zdarma (bez ATP)
Zvláštní skupinu tvoří kanálky umožňující prostup vody do buňky a z buňky ven, tzv.
akvaporiny. Za jejich objev byla v r. udělena Nobelova cena. Jsou tvořeny tetramery
bílkovin, které umožňují selektivní průchod molekul vody. Jejich počet v PM buňky je
regulován podle potřeb vodního hospodářství organizmu signálními molekulami (hormony).
Akvaporinovým kanálkem může projít 2-4x109 molekul vody za sec. Akvaporiny jsou četné v PM erytrocytů,
ledvinných nefronech, žlázách se zevní sekrecí, plicích, centrálním nervové systému. Akvaporiny v různých
typech buněk se liší složením bílkovin. Existuje až 12 různých typů akvaporinů. Více ve fyziologi živočichů.
Není kanál jako kanál
Typy iontových kanálů
Bezhradlové kanály slouží např. pro transport aniontů, některých cukrů a další energetických
substrátů v bakteriích, vnější membráně mitochondrií a chloroplastů
Kanály s chemickým či ligandovým hradlem, např. pro Na+ a K+ v kanále nikotinového
acetylcholinového receptoru na postsynaptické membráně nervosvalové ploténky kosterního svalu ¨
Kanály s napěťovým hradlem, na př. pro Na+ v axonu
Kanály s mechanickou regulací, pro některé kationty, na př. K+ v stereocilích vláskových buněk
vnitřního ucha, ale též v PM prvoků.
Pro většinu iontových kanálů existují dobře definované molekuly blokátorů, z nichž některé významné klinické použití (blokátory Ca++
+
kanálů v buňkách myokardu, kanálů excitačních aminokyselin v mozku, Na kanálů v epitelu ledvin a pod.).
Transportní mechanismy jsou v buňce často nerovnoměrně rozloženy. Např. v epiteliálních
buňkách zažívacího traktu na tzv. apikálním a basálním operují odlišné transportní
mechanismy. Uvedeme na příkladu transportu glukózy enterocyty a tvorbě HCl v žaludku.
Do enterocytu se glukóza dostává ze střevní dutiny sekundárním transportem v apikální části buňky. Energii poskytuje gradient Na+
iontů, vytvářený primárním transportem (Na+K+- ATPázou), operujícím v bazolaterální části buňky. Do krve je z enterocytu glukóza
přenášena usnadněnou difúzí. Jejímu zpětnému toku z extracelulárního prostoru do střevního lumen brání těsná spojení mezi apikálními
částmi buněk. Do parietálních buněk žaludeční sliznice prostupuje z krve CO2 volnou difúzí. Z CO2 se v basální části buňky enzymaticky
tvoří bikarbonátový aniont; antiportem HCO3- a Cl- se do buňky čerpají chloridové anionty, které jsou v apikální části buňky exportovány
do lumen žaludku enzymatickým přenášečem, permeázou, tj. mechanismem usnadněné difúze. Proton vznikající při tvorbě
bikarbonátového aniontu je exportován do lumen žaludku antiportem s ionty kália. Samostatně trasnportované ionty H a Cl- vytvoří
HCL teprve v lumen žaludku. Více ve Fyziologii živočichů a člověka
+
3.1.3 Cytoza, váčkový transport
(obr.25, 26,33)
Balíková pošta
??
Přenos větších, ve vodě rozpustných molekul (proteiny, lipoproteiny, chromoproteiny,
některé neurotransmitery) i partikulí (buněčná drť, bakterie, drobné anorganické a
organické částice) do buněk se uskutečňuje pomocí váčků, které se tvoří vchlipováním
plazmalemy a transportované komplexy postupně zcela obklopí.
Formou membránou obalených váčků jsou přenášeny rovněž bílkovinné komplexy v buňce
mezi jednotlivými organelami. Speciálním případem je transport neurotransmiterů v
nervových buňkách.
5.1.3.1 Endocytoza prostá, syn. pinocytoza (buněčné pití, též fluidní či konstitutivní
endocytoza), se dle starší představy uskutečňuje trvalým vchlipováním PM a tvorbou
67
váčků, které obsahují vodu a ve vodě rozpuštěné látky v okolí buňky. Jde o nespecifický
transport, který zřejmě nevyžaduje tvorbu speciálních opláštěných váčků. Proces fluidní
endocytozy probíhá trvale ve všech buňkách, velmi výrazně např. v trámčitém epitelu jater,
epitelu kanálku ledvin, folikulech štítné žlázy, a dalších.
3.1.3.2 Receptorově zprostředkovaná endocytoza (RZE)
Jako RZE je označován váčkový transport, kterého se účastní specifické receptory PM.
Účast receptorů činí tento proces nejen výběrový ale i mnohonásobně, až 10.000 krát
účinnější.
Příklady. RZE slouží k transportu např. Fe++ v komplexu s bílkovinou feritinem, nebo
cholesterolu navázaného na nízkohustotní lipoprotein, inzulínu, vitelogeninu,
imunoglobulinů v embryonálním období vývoje, některých hormonů a růstových faktorů,
lysozomálních enzymů apod..
Průběh RZE. Na receptor v PM se nejprve naváže transportovaná látka, zpravidla v
komplexu s bílkovinou. Navázáním komplexu (ligandy) na receptor, např. lipoproteinu
nesoucího cholesterol, se komplexy receptor-liganda shlukují (koncentrují) a v místě jejich
shluku se začíná vchlipovat PM. Na cytoplazmatické straně tvořícího se jamky se hromadí
bílkovina klatrin, která se připojuje na membránu jamky, a později váčku, pomocí dalších
bílkovin, adaptinů. Vytváří se tak tzv. potažená jamka (coated pit, coated cap, viz obr.
13,25,26), která se prohlubuje, až posléze vytvoří klatrinovým pláštěm potažený váček
(coated vesicle), který se za účasti energie uvolněné hydrolýzou GTP a další bílkoviny
(dynamin) odškrtí od PM.
Současně s ligandou je nespecificky (tj. bez účasti receptoru a bez možnosti koncentrace pohlcovaných látek)
internalizována i extracelulární tekutina (pinocytoza, syn. endocytoza vodní fáze, syn. fluid phase endocytosis. Otázka
klatrin-nezávislé pinocytózy není dosud definitivně zodpovězena (viz též shora).
Opláštěné váčky ztrácejí v buňce klatrinový plášť a přeměňují se v tzv. časný endozom
(systém komunikujících váčků a tubulů), ve kterém se oddělí transportované molekuly
(ligandy) od receptorů, a to v důsledku poklesu pH uvnitř endozomu. Molekuly receptorů
jsou pak transportovány zpět k PM, formou váčku, který vypučí z endozomu. Časný
endozom se dříve označoval zkratkou CURL (Compartment of Uncoupling of Receptors
and Ligands).
Rozpad klatrinového váčku vyžaduje energii, kterou z ATP uvolňují okolní cytosolické ATPázy.
Zbytek časného endozomu se mění v tzv. pozdní endozom , který má na vnitřní straně
membrány vysokou koncentraci receptorů pro manoso-6-fosfát (M6P-R). K těmto
receptorům jsou směrovány vesikuly obsahující lysozomální enzymy z trans-Golgiho
aparátu (viz kap. 2. 3). Lysozomální enzymy se aktivují a rozloží nosič ligandy (např.
lipoproteinový nosič cholesterolu, viz níže) na aminokyseliny a mastné kyseliny, které se
uvolní do cytosolu spolu s molekulami ligandy, tj. cíleně transportovaných molekul (viz níže
příklad RZE cholesterolu). Celý proces RZE trvá zhruba 15 min.
Příklad RZE cholesterolu z krve do buněk. Cholesterol se do krve dostává z jater a střeva ve formě
lipoproteinových (L) komplexů. Pro bílkovinou čast jednoho z nich, tzv. nízkodensitní (LDL, low density
lipoprotein) komplex, mají cévní endothelie na svém povrchu receptor, přes který jsou liporoteinové
komplexy endocytovány cestou RZE tj. váčků potažených klatrinem. Po odpadnutí klatrinového pláště se
váček mění v tzv. časný endozom, ve kterém se sníží pH a tím oddělí receptory od přenášené molekuly
(ligandy). Receptory se vrací (jsou recyklovány) formou nově vytvořeného váčku zpět do PM endothelií.
Vzniká pozdní endozom, do kterého byly nasměrovány lysozomální enzymy, které rozloží proteinovou
složku LDL komplexu na jednotlivé aminokyseliny, a ty se spolu s cholesterolem, se uvolní do cytosolu.
68
Aminokyseliny jsou využity pro běžnou proteosyntézu, cholesterol je zabudován do biomembrán, nebo je
využit k syntéze dalších molekul, např. steroidních hormonů. Podobně jsou např. do buněk transportovány i
jiné látky uvedené na začátku kapitoly.
Nedostatek příslušných receptorů z vrozených nebo získaných příčin (na př. v důsledku autoimunitních
procesů), vede k vážným metabolickým poruchám, např. tzv. familiární hypercholesterolemii (postižení
receptorů pro tzv. nízkohustotní lipoprotein, který přenáší do buněk cholesterol). V důsledku zvýšené
koncentrace molekuly cholesterolu vypadávají z roztoku a tvoří v poškozených částech cévních stěn depozita
(atheromy), které omezují přítok krve do orgánu a vedou tak např. vzniku srdečních infarktů, mozkových
mrtvic apod.
Po obalení membránou může být pohlcena i větší částice procesem fagocytózy (viz níže) .
Formou uměle připravených lipidických váčků (lipozomů) lze do buňky rychle a účinně dopravovat hydrofilní
farmaka.
2.1.3.4 Transcytoza. Je váčkový transport látek přes celou buňku, tj. z přenos molekul z
extracelulárního prostoru na jedné straně epiteliálních buněk do prostoru na straně
protilehlé. Tento proces probíhá např. v epiteliálních buňkách střeva při transportu
mléčných proteinů do krve novorozenců.
2.1.3.5 Exocytoza je proces váčkového transportu oligo až polymerních látek, nebo
některých menších molekul, např. neurotransmiterů, z buněk do okolí. Membrána
sekrečního váčku musí nejprve splynout s PM a obsahu váčku se pak vyprázdní do
extracelulárního prostoru. Na spojení transportních váčků s membránou cílové organely se
podílejí tzv. GTP vazebné proteiny. Membrána váčku je integrována do PM.
Formou exocytozy se uskutečňuje zevní i vnitřní sekrece, jakož i trvalý (konstitutivní)
transport molekul do extracelulárního prostoru (např. kolagenu z fibroblastů v pojivových
tkáních). Proces zevní a vnitřní sekrece je řízen nervovými a hormonálními faktory
(sekrece regulovaná, pulzní). Obsah váčků bývá více zahuštěn než u sekrece konstitutivní
a zpravidla i více post-translačně modifikován).
Jak vyplývá z vnitřní organizace buňky, bílkovinný obsah sekrečních váčků se tvoří v hrubém
endoplasmatickém retikulu. Je opracován v Golgiho aparátu, odkud se transportuje ve váčcích opatřených
specifickými bílkovinami (koatomery, klatrin, t-Snares viz shora). Tento řetěz procesů, vázaných na shora
uvedené organely se označuje též jako sekreční dráha. Vlastní transport váčků zajišťují molekulové motory
asociované k mikrotubulům. Trvale probíhající sekrece (např. tvorba slin) se označuje jako
konstitutivní.Sekrece stimulovaná nervově nebo hormonálně je tzv. regulovaná.
Zvláštní formou sekrece je tzv. sekrece apokrinní a holokrinní (mazové žlázky a mléčná žláza), kdy se do
sekretu odškrcuje celý apikální segment epiteliální buňky, nebo se celá buňka přeměňuje na sekret (viz též
kap.6)
2.1.3.6 Fagocytoza. Je forma váčkového transportu makromolekul (lipoproteinové
komplexy, transferin apod. viz níže) a mikročástic (partikulí, např. bakterií, virů,
poškozených organel a částí buněk z extracelulárního prostoru, ale i vlastních zbytků
organel v buňce) do buňky a v buňce. Tento proces neprobíhá za účasti klatrinem
potažených (coated) jamek a váčků, ale protředníctvím aktinových mikrofilament, které
umožňují tvorbu jemných výběžků PM kolem pohlcovaného objektu, kterými jej zcela obalí.
Výsledný váček, fagozom, se označuje jako heterofagozom v případě, že jeho obsah
pochází z extracelulárního prostoru, nebo jako autofagozom v případě, že byla pohlcena
poškozená část z nitra fagocytující buňky. Fagozom v buňce splyne s vesikulou nesoucí
lysozomální enzymy za vzniku fagolysozomu, ve kterém dojde k enzymatickému rozkladu
pohlcené částice. Nerozložitelné zbytky tvoří tzv. residuální tělíska, která mohou být
vyloučena z buňkou cestou exocytozy.
Příklad experimentálně vyvolané fagocytozy latexových mikrokuliček gliovými buňkami je uveden na Obr. 11
69
Některé buňky jsou na proces fagocytozy vysoce specializovány. Patří sem především neutrofilní granulocyty
(mikrofagocyty) a makrofágy (profesionální fagocyty), které se uplatňují při imunitních reakcích organizmu.
V těchto buňkách je rozklad pohlceného obsahu komplexnější. Více ve Fyziologii a VK Patobiologie buněk a
tkání.
Více podrobností a další tranportní systémy v předmětu Molekulární biologie.
3 2 PŘEMĚNA LÁTEK A ENERGIE (LÁTKOVÝ A ENERGETICKÝ
METABOLIZMUS BUNĚK)
(obr. 27,28,29)
3.2.1 Celková charakteristika metabolických procesů
Metabolic pathways
Látkový metabolismus, syn. látková přeměna, představuje soubor chemických reakcí a s
nimi spojených energetických přeměn, probíhajících po předem definovaných, tzv.
metabolických drahách (metabolic pathways).
Výsledkem je buď syntéza nových látek, především stavebních a zásobních molekul např.
lipidů a bílkovin biomembrán, cytoskeletu, mezibuněčné hmoty, glykogenu, zásobních
lipidů a pod., nebo tzv. biologicky aktivních molekul (enzymy, receptory, adhezní
molekuly, hormony, cytokiny, růstové faktory a pod). Tyto procesy označujeme souborně
jako anabolické.
Jiné metabolické dráhy vedou k rozkladu organických molekul, především živin,
provázeným uvolněním energie. (reakce endergonické). Tyto procesy nazýváme souborně
katabolickými, syn. degradačními.
Rozklad přechodně se uplatňujících regulačních molekul, např. cyklinů v buněčném cyklu, nebo molekul
poškozených, viz kap. 5.6.
U jednobuněčných jsou metabolické procesy vázány na organely buňky. U vícebuněčných
živočichů jsou pro metabolické procesy specializované orgány (syntéza glykogenu v
játrech a svalech, tvorba močoviny a žlučových kyselin v játrech, syntéza hormonů v
endokrinních žlázách, trávicích enzymů ve žlázách zažívacího traktu apod.).
Anabolické procesy zvyšují komplexitu molekul a vyžadují proto energii, získávanou z
makroergních fosfátových vazeb, nejčastěji z ATP, GTP, fosfokreatinu nebo u bezobratlých
i z fosfoargininu (reakce endergonické). Nedílným vedlejším produktem metabolických
přeměn je teplo.
¨
Klíčovou úlohu v metabolických procesech mají enzymy
3. 2. 2 Enzymy, jejich stavba, klasifikace a funkce (Viz kurzy Chemie živých soustav a Úvod…)
Enzymy jsou molekuly (bílkoviny, event RNA- tzv. ribozymy), které působí jako
katalyzátory biochemických reakcí (biokatalyzátory) tím, že snižují aktivační práh reakce, tj.
hodnotu energie potřebnou ke spuštění reakce.
Skládají se z bílkovinné a nebílkovinné časti zv. koenzym. Koenzym muže tvořit
nekovalentně vázaný atom některých kovů (Fe2+, Mg2+ Cu2+ apod., syn. kofaktor) nebo
složitější organická molekula, např. eletrony přenášející NAD+, FAD+ v dýchacím řetězci
mitochondrií, NADP+, karboxyl přenášející koenzym A, viz kap.5.2, některé vitaminy
apod. Bílkovinná část se označuje též jako apoenzym. Komplex bílkovinné a nebílkovinné
části tvoří holoenzym (holos = celý).
70
Viz též ribonukleoproteinový enzymový komplex katalyzující syntézu koncových částí chromozomů, telomer,
enzym telomeráza kap.5.6.
Enzymy jsou zpravidla globulární bílkoviny. Za katalytickou reakci je odpovědno tzv. aktivní
centrum (místo) molekuly, na které se váže substrát(y), které vstupují do reakce. Aktivní
centrum enzymu je specifikováno sekvencí několika aminokyselin na peptidovém řetězci a
terciární konfigurací molekuly. U některých enzymů je za katalytickou reakci odpovědná
pevně vázaná nebílkovinná prostetická skupina.
Katalytickou aktivitu mohou mít též některé molekuly RNA zv. ribozymy. Uplatňují se např.
při úpravách RNA molekul (viz kap. 3.3). Předpokládá se, že autokatalytické vlastnosti RNA
měly primární význam pro vznik a vývoj živé hmoty. Více v evoluční biologii.
Jako isoenzymy jsou označovány enzymy se stejnou substrátovou afinitou, lišící se však v primární
struktuře, tj. sekvenci aminokyselin. Mohou se lišit v optimálních podmínkách, za kterých reakce jimi
katalyzovaná probíhá. Existence isoenzymů je projevem tzv. genového polymorfismu (více viz předmět
Genetika a Molekulární biologie)
Syntéza enzymů je primárně řízena na úrovni transkripce příslušných genů. Některé
enzymy se tvoří neustále (tzv. konstitutivní enzymy). Jiné v závislosti na přítomnosti či
absenci jejich substrátu (induktivní enzymy). Tzv. induktory nebo represory působí v
regulační oblasti genu. Viz kap. 3. 6.
Enzymy se syntetizují často v neaktivní formě (proenzymy, zymogeny), které jsou
aktivovány, např. odštěpením části peptidického řetězce (limitovaná či parciální
proteolýza), fosforylací apod. Takto je např. neaktivní trypsinogen nebo pepsinogen,
tvořený v pankreatu, přeměněn na aktivní trypsin v žaludku.
Každá enzymatická reakce probíhá optimálně za jistého pH. U savců a člověka je optimální
pH v rozmezí 7.35-7.40. Nízké pH vyžadují ale např. lysozomální hydrolázy (viz kap. 4.1),
jistého množství (koncentrace) substrátu a teploty (25-45oC). Více viz předmět Chemie
pro biology). Aktivita enzymu není vždy stejná, ale v závislosti na podmínkách v reakční
soustavě se mění. Tak lze najít pro každý enzym jisté optimum. Jednotkou aktivity enzymu
je katal, tj. takové množství enzymu, které je schopno přeměnit 1 mol substrátu za sekundu.
Tzv. specifická aktivita vyjadřuje počet katalů na kg bílkoviny.
Aktivitu enzymu ovlivňují též některé látky, tzv. aktivátory či inhibitory enzymu. Zatímco aktivátory enzymatické reakce
zrychlují (např. ionty kovů K+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Zn2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, a Mo3+), inhibitory tuto reakci zpomalují nebo
2+
blokují (těžké kovy, Hg ). Inhibice může být tzv. vratná nebo nevratná. Podle místa zásahu inhibitoru do molekuly
enzymu pak můžeme rozlišit inhibitory kompetitivní, nekompetitivní a allosterické.
Kompetitivní inhibitor se váže na stejné místo jako substrát enzymu, se kterým soutěží o vazné místo. Této inhibici lze
zabránit nadbytkem substrátu (blokace sukcinát dehydrogenasy kyselinou malonovou).
Nekompetitivní inhibitor se váže na reaktivní skupiny v molekule enzymu a tím ovlivňuje jeho afinitu. Nekompetitivní
inhibici nemůžeme odstranit nadbytkem substrátu (např. blokace Krebsova cyklu kyselinou fluoroctovou). Ke kompetitivní
inhibici dochází tehdy, jestliže se inhibitor váže na komplex enzym-substrát.
Při alosterické inhibici se inhibitor váže na enzym tak, že mění jeho prostorové uspořádání a enzym pak není schopen
reakci katalyzovat. Patří
se např. organofosfáty (tabun) blokující acetylcholinesterasu rozkládající acetylcholin,
neurotrasmiter vylévající se na nervových synapsích. Jeho nekontrolovatelné vylévání kolem synapse působí na další
neurony a způsobuje křeče.
Pro enzymy jsou užívány dva typy názvosloví. Staré, tzv. triviální ( trypsin, pepsin,
kathepsiny, atp.) a nové, systematické, které vychází z povahy katalyzované reakce a
názvu enzymatického substrátu (např. NADH dehydrogenáza, glutamin transamináza,
cytochromoxidáza, gama glutamyltranspeptidáza a pod).
71
Mezinárodní klasifikace rozděluje enzymy do 6 skupin (EC1-6):
1.Oxidoreduktutázy (přenos elektronů),
2.Transferázy (přenos skupin atomů)
3.Hydrolázy (hydrolytické štěpení různých vazeb)
4.Lyázy (štěpení chemických vazeb jinou než hydrolytickou cestou)
5.Isomerázy (intramolekulové přeměny substrátu)
6.Ligázy (syntetázy) (slučování dvou molekul za současného štěpení ATP nebo
jiného energetického substrátu)
„V lidském těle existuje více jak 2000 typů enzymů. Chybění některého vede často k vážným zdravotním poruchám, např. tzv.
fenylketonurii, kdy v důsledku genetické mutace chybí enzym fenylalanin hydroxylasa, která přeměňuje aminokyselinu fenylalanin na
tyrosin. Někdy chybí jen kofaktor tohoto enzymu, tetrahydrobiopterin. V důsledku toho se fenylalanin v organizmu hromadí, což vede k
mentální retardaci a potlačení syntézy melaninu (blonďaté vlasy a modré oči). Touto poruchou trpí jedno dítě z 4500-100 000 narozených.
Tito jedinci se musí vyvarovat potravin obsahujících fenylanin vč. masa, mléka, sýrů a mnoha dalšího s vyznačím „nevhodné pro
fenylketonuriky“ na obalech. Fenylketonurii popsal Finský A. Fönsen r. 1934. Zjistil, že v moči postižených se objevuje fenylpyruvát.
Přítomnost této molekuly je dnes ověřována u všech novorozených dětí. Řízenou výživou lze pak předejít vzniku mentální retardace.
Ovlivnění aktivity některých enzymů se využívá léčebně. Např. acylpyrin blokuje hormon ovlivňující syntézu prostaglandinů, látek s
krátkou životností vznikajících v těle v místě postižených zánětem. Prostaglandiny jsou zodpovědné jak za projevy zánětu (otok,
zarudnutí, bolestivost, zvýšená teplota). Potlačení jejich tvorby odstraňuje tyto příznaky. Inhibicí enzymu tromboxan A2 vede ke snížení
srážlivosti krve. Některé enzymy vyráběné biotechnologicky se používají k likvidaci na antibiotika rezistentních bakterií způsobujících
střevní infekce. Enzym je navázán na iontoměničovou pryskyřici aby odolal nízkému pH v žaludku a přechází do střeva, kde rozkládá
buněčnou stěnu kvasinek a baktérií“.
http://chemistry.webzdarma.cz/enzymy.htm Viz též
výběrový kurz Patobiologie živočišných buněk a tkání.
3. 2. 3 PŘEMĚNA ENERGIE V BUŇCE (obr. 27-30)
Jouly, kalorie
Jak uvedo již shora, buňky i organizmy potřebují pro výkon svých funkcí energii, kterou
získávají metabolickou přeměnou potravou přijatých živin, tj. organických molekul
synatizovaných rostlinami nebo živočichy, nebo rozkladem vlastních zísobních látek
(glykogen, fosforeatin, triglyceridy).
Energie uložená v chemických vazbách živin je uvolňována oxidorekčními procesy a
přeměňovaná v energii ukládánou do chemických vazeb nově syntetizovaných
strukturálních a funkčních molekul, nebo do tzv. makroergních vazeb některých molekul
(ATP. GTP, fosfokreatin, fosforarginin u bezaobralých aj).
Energie makroergních vazeb slouží pro transport látek (příjem a výdej látek z buňky a do
buňky), syntézu bílkovin a dalších molekul, nitrobuněčný transport molekul a organel
pomocí molekulových motorů, buněčný pohyb, příjem informací přes receptory aj.
Přeměna energie v buňce i organizmu je řízená 2 obecně platnými termodynamickými
zákony, dle kterých:
1.Energie nemůže vznikat ani zanikat, může se pouze se přeměňovat z jedné formy na
jinou
2. Při přeměně energie v jinou se vždy uvolňuje určité množství tepla.
Oxidorekučním procesy jsou z živin uvolňovány vysokoenergetické elektrony (oxidace je
provázená ztrátou elektronu) a přenášejí se na molekuly s vyšším tzv. redox potenciálem
(nejčastěji na aktivovaný kyslík). Spolu s elektrony jsou transportovány i protony (H+). Proto
je oxidace organických molekul spojena s jejich dehydrogenací. Tyto procesy musí
probíhat v živé hmotě postupně, tj. energie odebraných elektronů musí být uvolňována po
malých kvantech a přeměňována postupně v makroergní vazby jiných molekul (viz výše).
72
Oxidační procesy bez účasti kyslíku probíhají v cytozolu (viz níže gl\kolýza a fermentace) a
za účasti kyslíku v mitochondriích (viz oxidativní fosforylace), v peroxizomech
Hlavním zdrojem energie je pro buňky glukóza a mastné kyseliny. Oxidace glukózy
probíhá v první fází v cytozolu glykolýzou, která v nepřítomnosti kyslíku končí fermentací.
V přítomnosti kyslíku pokračuje oxidativní fosforylací v mitochondriích.
Glykolýza začíná fosforylací glukózy na glukózo-6-fosfát, za účasti enzymu hexokinázy a
dodání energie z 2 molů ATP na 1 mol glukózy. Tato, tzv. aktivovaná glukóza se rozkládá
činností dalších enzymů na 2 triózy a nakonec na 2 molekuly kyseliny pyrohroznové.
V průběhu tohoto procesu se uvolní energie, která se přemění na 4 mol ATP. Čistý
energetický zisk z 1 mol glykolyticky rozložené glukózy je tedy 2 mol ATP (4 minus 2
moly spotřebované na iniciální aktivaci glukózy). To je však pouze zhruba 3% energie
obsažené v glukóze. Vodík uvolněný z glukózy přejímá NADH+.
V nepřítomnosti kyslíku se kyselina pyrohroznová se redukuje příjmem atomu vodíku
z NADH+ (viz níže) a mění se na ethanol nebo kyselinu mléčnou (alkoholové nebo mléčné
kvašení, fermentace).
NADH+H+ se tímto redukuje na NAD+ a regeneruje pro opětovné přijetí vodíkových atomů z dalších
molekul glykolyticky štěpené glukózy. Fermentací v jiných biologických systémech může se tvořit též řada
dalších látek (kys.octová, máselná, propionová, butanol aj., viz např. Biologie prokaryot)
V přítomnosti kyslíku vstupuje kyselina pyrohroznová do mitotochondrií.
V mitochondriální matrix je pak pyruvát dekarboxylován a přeměněn na acetyl-CoA. Ten
je dále přeměňován kaskádou reakcí tvořících tzv. Krebsův (citrátový) cyklus, ve kterém
dojde k jeho dekarboxylaci za vzniku CO2 a NADH+ H+.
Molekuly NADH+H+ (příp. FADH2) přenášejí vysokoenergetické elektrony k vnitřní
membráně mitochondrií, kde jsou oxidovány (dehydrogenovány) a odebrané elektrony
dále přenášeny tzv. dýchacím řetězcem. Energie elektronů je postupně přeměňována na
protonový gradient v mezimembránovém prostoru mitochondrií.
Dýchací řetězec je tvořený několika molekulárními komplexy (komplex I-IV), které jsou
integrálními bílkovinami vnitřní mitochondriální membrány. Syn. Oxidativně-fosfoforylační
systém, OXFOS. Pohyblivými články jsou Ubiquinon syn. Koenzym Q a cytochrom c.
Zjednodušeně řečeno, první článek dýchacího řetězce, tzv. komplex I, nebo II (viz níže)
přebírá vysoko-energetické elektrony spolu s protony od NADH+H+ (komplex I) event.
FADH2 (komplex II). cchemicky jsou to flavinové dehydrogenázy-oxidoreduktázy Po
disociaci protonů a elektronů, elektrony přecházejí na ubichinon (koenzym Q), který
elektrony předává cytochromům b-c1 ve spolupráci s enzymem cytochrom c reduktázou
(komplex III). Cytochrom c je poté oxidován cytochrom c oxidázou a elektrony přebírají
cytochromy a1-a3 (komplex IV). Nízko-energetické („energeticky vyčerpané“) elektrony
přebírá vysokoafinitně kyslík, který se v matrix slučuje s protony (H+) na vodu.
Elektrony jsou, s výjimkou CoQ, transportovány ve dvojicích, v párech. CoQ přebírá a dále
předává elektrony jednotlivě. To vede k jejich častějšímu „úletu“ a solitárnímu záchytu na
jiných molekulách. Nespárovaný elektron dává těmto molekulám vysokou oxidační aktivitu
tj. schopnost „vytrhnout“ elektron chybějící do páru z molekul a organel v okolí a tím
poškódit jejich strukturu a funkci (viz kap.1.8.1).
73
Tok elektronů představuje tedy vícečlánkový řetěz oxidoredukčních dějů, které probíhají po
spádu tzv. redox potenciálu jednotlivých článků dýchacího řetězce (z
-0.320 komplexu I na +0.815 komplexu IV). Afinita jednotlivých článků dýchacího řetězce
k negativnímu náboji elektronů se tedy postupně zvyšuje a je nejvyšší na jeho konci.
Rozdíly v redox potenciálu, spolu s enzymatickou aktivitou a pevným zakotvením některých
článků dýchacího řetězce ve vnitřní membráně mitochondrie (Komplex I, III a IV), určují
posloupnost transportu elektronů. Více v Biochemii.
Důležitou složkou komplexů I-III jsou tzv. FeS (železo-sirná) centra, které představují
vlastní vazná místa elektronů v jednotlivých komplexech. Komplex III a IV obsahuje kromě
atomů železa i kationty mědi, ze kterých přebírá elektrony v konečné fázi aktivovaný
kyslík.
Energie přenášených elektronů je dýchacím řetězcem postupně (cca 200 kJ z jednoho
páru elektronů) využívaná uvedenými komplexy dýchacího řetězce pro transport protonů
do prostoru mezi zevní a vnitřní membránou mitochondrie.
Energie elektronů odňatých ze substrátů Krebsova cyklu je takto transformována v
energii elektrochemického protonového gradientu v intermembránovém prostoru
mitochondrie.
Energie tohoto gradientu (proud protonů do matrix mitochondrie) je přeměňovaná
ATPsyntázou (lokalizovanou rovněž ve vnitřní mitochondriální membráně) na chemickou
energii ukládanou do ATP.
Vzhledem k uplatňování se jak fyzikálních tak chemických procesů, tvorba ATP
v mitochondriích se označuje jako chemiosmotická fosforylace (!!!)
Jiný způsob fosforylace je tzv. substrátová fosforylace, kdy příslušný enzym přímo dehydrogenuje
energeticky bohatý substrát a makroergní fosfátová vazba se přímo přenáší na ADP za vniku ATP. Touto
cestou se tvoří ATP při glykolýze.
Energie jednoho pár elektronů z NADH+H+ stačí pro přenos 6 protonů do
mezimembránového prostoru. K syntéze 1 molekuly ATP je potřeba 2 protonů.
Z 1 molekuly glukózy vznikají tedy 4 molekuly ATP při glykolýze (čistý zisk 2 molekuly) a
cca 36 molekul při oxidativní fosforylaci.
Zástavu oxidativní fosforylace působí oxid uhelnatý (CO) blokádou přenosu elektronů cytochromoxidázou.
Kyanidy působí takto vazbou na ionty železa v cytochromech a organická látka dinitrofenol, zvýšením
propustnosti vnitřní mitochondriální membrány, což vede k ztrátě protonového gradientu
v mezimembránovém prostoru.
Oxidace glukózy může probíhat též v tzv. pentózovém cyklu, který se uskutečňuje v cytosolu. Jeho
úlohou však není pouze tvorba ATP, ale i molekul pentoz, potřebných pro syntézu nukleotidů a
nukleových kyselin. Více viz předmět biochemie.
Glukóza je jako hlavní energetický zdroj využívána především mozkovými a svalovými
buňkami. V jiných orgánech jsou hlavním zdrojem energie mastné kyseliny (srdce, ledviny
aj.) a glukóza slouží jen jako zdroj minoritní.
Energetické využití mastných kyselin probíhá rovněž z velké části v mitochondriích.
Mastné kyseliny jsou v matrix rozkládány tzv. beta dekarboxylací, při které vznikají
dvojuhlíkaté zbytky, které vstupují jako acetyl-CoA do shora popsaného Krebsova cyklu.
74
Beta-oxidace delších mastných kyselin probíhá též v peroxizomech (viz kap. 4.1). Uvolňování energie z takto
vytvořených molekul acetyl-CoA však probíhá v mitochondriích oxidativní fosforylací.
Cestou beta-oxidace mohou být využívány jako zdroj energie též aminokyseliny pro
předchozí deaminaci (rovněž v mitochondriích). Z odštěpené aminoskupiny se tvoří
v mitochondriích močovina (tzv. ornitinový cyklus)
V buňkách některých orgánů může být glukóza syntetizovaná ze zbytků některých aminokyselin a glycerolu
triglyceridů. Tento proces se označuje jako glukoneogeneza (více viz předmět fyziologie živočichů).
Shora popsané metabolické cesty umožňující vzájemnou přeměnu základních
jednoduchých organických molekul se označují souborně jako intermediární metabolizmus
(syn. metabolický pool). Více v předmětu Fyziologie živočichů.
3. 3 TRANSKRIPCE DNA A SYNTÉZA BÍLKOVIN (obr. 31,32)
Funkce bílkovin: strukturální, enzymatické, receptorové…. …..
kapitola je v přípravě
Není dogma
jako dogma
3. 3. 1 Centrální dogma molekulární biologie
Informace pro složení a strukturu všech bílkovin je uložena v jaderné DNA. Tato tzv.
genetická informace musí být nejprve v jádře přepsána (transkripce) do molekuly mRNA,
nesoucí pak tzv. genetický kód. V cytoplazmě pak dojde k „překladu“ (translaci) této
informace z nukleotidového kódu mRNA do kódu aminokyselinového.
Tok informací z nukleových kyselin do bílkovin je označován jako Centrální dogma biologie.
Obrácený tok informací je možný jen mezi RNA a DNA, a to pomocí tzv. reverzní
transkripce za účasti enzymu reverzní transkriptázy (uplatňuje se významně např. při
přesunech transpozonů v jádře, množení RNA virů v buňce nebo v některých
biotechnologických postupech, viz kap. 8), nikoliv však od bílkovin zpět k nukleovým
kyselinám.
3. 3. 2 Transkripce genetické informace
Transkripcí rozumíme proces, kterým se genetická informace obsažená v nukleotidovém
kódu DNA přepisuje do nukleotidového kódu messengerové RNA (mRNA, syn.informační
nebo mediátorová RNA). Proces transkripce probíhá v jádře (a v matrix mitochondrií).
Konečným produktem trankripce mohou být
a. Bílkoviny s převážně strukturální-stavební funkcí (např. bílkoviny cytoskeletu,
extracelulární matrix aj.)
b. Bílkoviny, majících funkce metabolické, informační, transportní, pohybové a pod.
(enzymy, receptory, růstové faktory, transduční bílkoviny, molekulové motory, cytokiny,
transkripční faktory a pod)
c.Transferové RNA (tRNA) a ribozomální RNA (rRNA).
d. Tzv. microRNA molekul, s dosud málo objasněnou funkcí (Viz též kap. 4.3.4)
Procesu transkripce předchází rozvolnění chromatinové struktury a oddálení obou vláken
DNA v příslušném segmentu genomu. Transkripce začíná od tzv. startovacího kodonu
příslušného genu a končí nukleotidovou sekvencí zvanou terminátor (syn. stop místo). Zde
dojde k uvolnění RNA řetězce od DNA templátu. V těsné blízkosti před startovacím místem
75
je u většiny genů sekvence nukleotidů označovaná jako promotor, která je schopna vázat
RNA-polymerázu a další proteiny, které jsou nezbytné pro zahájení procesu transkripce
strukturního genu. Část transkripční jednotky kódující primární strukturu dané bílkoviny se
označuje jako strukturní gén. Úsek DNA účastnící se transkripce genu se označuje jako
transkripční jednotka. Viz též operon prokaryot, kap.5.7.2.
Přepisováno je zpravidla pouze jedno vlákno DNA, které se označuje jako templát (raznice,
syn. matriční nebo negativní vlákno). Nepřepisované vlákno se označuje jako positivní.
Templátové vlákno DNA je přepisováno směrem od svého konce 3´ ke konci 5´.
Syntetizovaný řetězec RNA se prodlužuje ve směru od 5´--3´ a od DNA se odvíjí tudíž
svým 5´ koncem. Nukleotidy se připojují na DNA templát komplementárním párováním bazí
(A-U, T-A, C-G, G-C). Polymeraci jednotlivých nukleotidů ve vlákno zajišťují enzymy RNA
polymerázy.
Eukaryotické buňky mají 3 třídy RNA polymeráz (I, II, III), které spojují jednotlivé nukleotidy
v řetězec ve směru 5´-->3´. Vazba RNA-polymerázy na promotor a zahájení transkripce
genu u v eukaryontní buňce vyžaduje přítomnost tzv. transkripčních faktorů, TATA Box
Binding protein-TBF, TF-B, -F, -E, -H, které se v uvedeném pořadí važí na TATA box
promotoru jako první
RNA polymeráza I se uplatňuje při přepisu většiny rRNA genů. RNA polymeráza II při přepisu všech genů
kódujících veškeré proteiny a některé geny pro tzv. malé RNA. RNA polymeráza III, pro tRNA gen , 5S rRNA
gen a některé malé RNA. U prokaryot operuje pouze jedna třída RNA polymerázy.
Pro regulaci transkripce u prokaryot a eukaryot viz kap. 5.7.2.
Výsledkem transkripce strukturního genu je tzv. primární transkript, označovaný jako premessengerová RNA (pre-mRNA). Syn.: heterogenous nuclear RNA (hnRNA)
Pre-mRNA musí být před exportem z jádra do cytoplasmy „upravena“. Tento tzv.
postranskripční processing zahrnuje následující kroky
a. přidání GTP "čepičky" na 5´ začátek molekuly
b. přidání polyadenylového konce (ocásku, Poly(A)tail) na jejím 3´ konci, tvořeným až
několika sty adenin nukleotidovými bazemi .
c. tzv. sestřih (splicing) pre-mRNA, který spočívá v odstranění nekódujících úseků
tzv. intronů (chybí u bakterií). Kódující úseky primárního transkriptu, tzv. exony se
spojí v souvislý řetěz kodónů.
d. V molekule však jsou ponechány nekódující sekvence (UTRs, untranslated regions)
před tzv. startovním kodonem (5´UTR) a za stop kodonem (3´UTR, viz též shora),
které podporují stabilitu mRNA (chrání před štěpením ribonukleázami). Dále,
podílí se na „umístění“ mRNA v cytoplazmě (3´UTR) a pravděpodobně i modulaci
efektivity translace
e. Takto upravený transkript představuje zralou mRNA, který je transportován
jadernými póry do cytoplasmy.
Sestřih, který odstaní všechny introny je označován jako konstitutivní. Pokud některé inntrony zůstávají, jde o tzv. alternativní sestřih.
Jejich přepisem se částečně mění vlastnosti bílkovin. Tímto mechanizmem vznikají např. isoenzymy, tj. bílkoviny se stejnou
enzymatickou aktivitou, ale s poněkud odlišnou strukturou.
V procesu sestřihu pre-mRNA (RNA) se uplatňuje autokatalytická aktivita RNA, tj. autokatalytická reakce
probíhá bez účasti bílkovinných enzymů (ribozymy).
Stabilita mRNA je časově omezená. Na rozdíl od prokaryot, kde mRNA se rozpadá po
několika minutách, mRNA eukaryotních buněk má delší poločas (desítky minut až hodin,
ojediněle delší (např. ve zralých bezjaderných erytrocytech).
76
Eukaryotická mRNA je tzv. monocistronická (cistron = gen), tj. kóduje pouze jeden peptid
(který však může být v rámci postranslačních úprav štěpen na menší aktivní segmenty).
Bakteriální mRNA je na rozdíl od toho často polycistronická, tj. jedna molekula mRNA kóduje více
polypeptidů. Dále, u bakterií může proces transkripce i translace probíhat pro daný peptid současně. Nikoliv
však v buňce eukaryontní. RNA transkripty bakteriálních genů nepodléhají shora uvedeným postranskripčním
úpravám.
Triplety nukleotidů mRNA (tzv. kodóny), které nesou genetickou informaci získanou
transkripcí z DNA, představují genetický kód (sensu strictum).
Vlastnosti genetického kódu (GK):
♪ Univerzálnost. V celé živé přírodě, tj. vč. virů, je GK tvořen triplety nukleotidů. Ve většině
buněčných organizmů je většina aminokyselin kódována stejnými triplety (tzv. canonical
code) . O některých výjimkách (non-canonical code) viz níže a Molekulová biologie.
♫ Degenerovanost. GK Je tvořen 64 kodóny, vždy třemi ze čtyř možných N-basí (celkem 43
kombinací). 61 kodónů slouží ke kódovaní 20 základních aminokyselin. Některé
aminokyseliny jsou tedy kódovány vícero kodóny, tzv. synonymními kodóny (např. leucin,
serin, arginin 6 kodóny). Možnost kódovaní jedné aminokyseliny vícero kodóny (vždy však
jen jedním z možných kodónů) se označuje jako degenerovanost GK. Tato vlastnost
(redundace) je výhodná v případě bodových mutačních změn DNA, neboť mutace nemusí
pak znamenat vždy změnu zápisu pro určitou aminokyselinu. Pouze 2 aminokyseliny mají k
dispozici pouze 1 kodon: methionin (AUG) a tryptofán (UGG).
AUG kodón (start codon), patří methioninu a označuje i místo začátku přepisu mRNA. Je pro všechna
eukaryota i většinu prokaryot. UAA, UGA a UAG nekódují žádnou aminokyselinu ale označují místo, kde
přepis (translace) mRNA končí (stop nebo též nebo terminační kodóny).
♫♪ Nepřekryvnost. Kódony musí být „čteny“ v řádě jeden za druhým a každý nukleotid
musí být čten pouze jako součást svého kodonu a ve směru 5´--3´. Tato posloupnost čtení
se nazývá čtecí rámec (reading frame). Jeho posun o např. 1 nukleodid (frame-shifting),
vede ke vzniku nefunkčního, nebo jinak funkčně pozměného proteinu. Vzácné fyziologické
vyjímky, viz Molekulová biologie.
Za některých okolností může být informace přepisována z mRNA do DNA tzv. reverzní
transkripcí.
Proces je katalyzován enzymem RNA-dependentní DNA polymerázou (syn. reverzní trankriptáza). Proces je
využíván v biotechnologicky pro přenosy genů (transfekce buněk).
Reverzní transkripce se přirozeně uplatňuje v přesunech retrotranspozonů v buňkách a v rozmnožovacím
cyklu některých RNA virů (syn. retroviry), jejichž genom musí být nejprve integrován do molekuly DNA
hostitelské buňky. Inhibitory reverzní transkriptázy slouží jako antivirotika.
Některé RNA transkripty (tzv. small nuclear RNA) nevstupují do cytoplasmy a nejsou nositeli kódu pro syntézu
bílkovin. Jiné, tz. micro RNA, v cytoplasmě interferují s translací mRNA (viz níže)
Dovětek: Proces transkripce u eukaryontů byl zdokumentováni i morfologicky, elektronmikroskopicky , např. v žabích vajíčkách. Vícero molekul RNA se tvoří současně a
molekuly RNA polymeráz postupují po rDNA postupně „za sebou“. Molekuly syntetizované
jako první jsou proto nejdelší, molekuly jejichž syntéza začala později jsou dočasně kratší.
Různá momentální délka bočně od DNA odstupujících molekul vytváří obraz podobný
vánočnímu stromečku (Christmas trees, viz též http://www.cytochemistry.net/Cell77
biology/nucleus3.htm Na této adrese můžete najít pěkný EM obraz jadérka i zmíněných vánočních
stromečků
3. 3. 3 Syntéza bíkovin. Translace nukleotidového kódu do aminokyselinového
Proces translace probíhá v cytoplasmě. Účastní se jej ribozomy, tRNA, mRNA, řada
enzymů, bílkovinných „faktorů“ a GTP. Jeho výsledkem je překlad nukleotidového
genetického kodu do aminokyselinové „abecedy“ (kodu).
Translace se pracovně dělí do 3 stádií: (i) iniciaci (ii) elongaci a (iii) terminaci.
(i) Iniciace začíná v živočišné buňce spojením malé podjednotky ribozomu s methionintRNA (na vazné místo P, zatímco místo A zůstavává volné), dále s tzv. eukaryotickým
iniciačním faktorem (eIF1-5) a GTP. Poté se za účasti další bílkoviny se připojí mRNA.
Methionin-tRNA se posune na tzv. iniciační kodon (AUG) mRNA. Po hydrolýze GTP a
uvolnění uvedených faktorů se připojí velká podjednotka ribozomu a může být zahájeno
stádium elongace. Viz níže odstavec ii.
Pozn. U prokaryont translaci zahajuje formyl-methionin-tRNA
Molekuly tRNA (transferové RNA) jsou kódovány v jádře, zpravidla tandemově ve vícero
kopiích (podobně jako rRNA). Molekula tRNA musí projít post-transkripčními úpravami na
obou koncích i uvnitř molekuly. Části molekuly s komplementárními nukleotidy vytváří
dvouvláknové úseky a molekula získává podobu jetelového listu (plošný model) nebo
písmena L (prostorový model).
Na jednom pólu (konec 3´ s tripletem CCA) takto utvářené molekuly tRNA je vazné místo
pro specifickou aminokyselinu. Na opačném pólu molekuly je nukleotidový triplet antikodón- , který je komplementární ke struktuře tripletu kodujícího příslušnou
aminokyselinu v molekule mRNA. Tyto informace jsou „čteny“ ribozomy. To zajišťuje
správné zasazení příslušné aminokyseliny do syntetizovaného peptidického řetězce
Připojení správné aminokyseliny k tRNA vyžaduje ATP a enzym aminoacyl-tRNA syntetázu
(tzv. aktivace aminokyseliny). V buňce je 1 enzym pro každou aminokyselinu, celkem 20
skupin.
Počet druhů tRNA je v eukaryontní buňce je cca 45, tj. větší než počet aminokyselin
(důsledek degenerovanosti genetického kódu) avšak menší než celkový počet tripletů
genetického kódu
Párování posledního nukleotidu tripletu antikodonu tRNA a mRNA není totiž tak striktní jako je tomu mezi
DNA a mRNA. Např. uridin ve třetí posici antikodonu tRNA se může párovat buď s adeninem nebo guaninem
na třetím míste tripletu mRNA. Tato volnost se označuje jako kolísání. tRNA v cytozolu a matrix
mitochondrií nejsou vždy identické.
(ii) Elongace představuje postupné připojování dalších aminoacyl-tRNA komplexů dle
informace čtené z mRNA ve směru 5´--3´. Nová aminokyselina se nejprve připojuje na tzv.
A místo (aminoacylové, akceptorové, aminokyselinové) ribozomu za účasti tzv.
eukaryotických elongačních faktorů (eEF1alfa2, eEF1A, eEF1B) a GTP. Mezi
karboxylovou skupinou první aminokyseliny (methionin, viz startovací kodon shora) a
aminoskupinou skupinou další aminokyseliny se v místě A ribozomu vytvoří peptidická
vazba. Vytvořený dipeptid se poté přesune na P místo ribozomu, ze kterého se současně
uvolní aminoacyl-tRNA první (předchozí) aminokyseliny tím, že se přesune na E místo
ribozomu, kde jej opustí. Opakováním tohoto procesu („přesuny tam a zpátky “ mezi místy
A-P-A, spojenými s posunem ribozomu po molekule mRNA, tj. posunem místa A ribozomu
78
na další kodon mRNA) se peptidický řetězec prodlužuje (elonguje). Proces elongace je
ukončen terminací (viz níže odstavec iii.
Vznik peptidické vazby vyžaduje energii z GTP a enzym peptidyltransferázu, která je
integrální součástí velké podjednotky (23S RNA, která má vlastní katalytickou aktivitu a jde
tedy o velký nebílkovinný enzym typu ribozymu, viz kap. 5.2). Energii z GTP vyžaduje
rovněž přesun rostoucího peptidu z místa A na místo P ribozomu.
(ii) Terminace. Po dosažení tzv. terminačního stop kodonu na mRNA (UAA, UAG nebo
UGA) se naváže tzv. terminační uvolňovací faktor (Releasing Factor, RF) a GTP a na
poslední aminokyselině se místo peptidické vazby, připojením H2O, vytvoří volná
karboxylová skupina (-COOH). V posledním kroku je tRNA z P-místa přesunuta do místa
E (Exit). Peptidový řetězec se pak oddělí od ribozomu za účasti tzv. uvolňovacích faktorů
(releasing factors). Obě podjednotky ribozomů se pak opět oddělí. Celý proces trvá desítky
sekund až několik minut.
Průběh translace u Prokaryot viz Kurz Mikrobiologie
Celková energetická bilance translace: Syntéza 1 peptidické vazby vyžaduje 4 makroergni
vazby pocházející z ATP (pro vazbu aminokyseliny na příslušnou tRNA za vzniku komplexu
aminoacyl-tRNA) a 2 molekul GTP (pro vznik peptidické vazby, přesuny z místa A na P při
elongaci peptidu a jeho konečné uvolnění od ribozomu, viz shora).
Na 1 molekule jedné mRNA může pracovat (překládat informaci z nukletidového do
aminokyselinového kódu) postupně za sebou více ribozomů, z nichž každý syntetizuje
stejný peptid. Peptid syntetizovaný prvním ribozomem se tak stává dočasně nejdelším a
nejprve ukončeným.
Po ukončení translace jsou peptidy syntetizované na hr-ER dále upravovány. Již
v cisternách hr-ER, kam je peptid translokován pomocí speciálních molekul, probíhají tzv.
tzv. ko-translační úpravy (N-glykozylace tj. glykozylace na N-asparaginových residuích
bílkoviny). Po odškrcení z hr-ER se je peptid váčkovým transportem přenesen do Golgiho
aparátu, kde proběhnou posttranslační úpravy. Ty zahrnují odštěpení koncových částí
peptidu, úpravy postranních řetězců hydroxylací, fosforylací, tvorbu disulfidických můstků,
o-glykozylaci, štěpení peptidu na menší fragmenty a případné následné přidávaní
prostetických skupin a sestavování polypeptidů do kvartérních struktur a pod. Zvláštní
formou postranslačních úprav je tzv. sestřih (splicing) peptidu (viz níže).
Tvorba molekul rRNA a ribozomů probíhá v jadérku (viz kap. 4.5.3). Genetická informace
nesená rDNA v NOR segmentu chromozomu je nejprve přepisovaná do 45S pre-rRNA.
Její post-transkripční úpravy a tzv. „zrání ribozomů“ zahrnují:
(i)
(ii)
(iii)
štěpení 45S pre-rRNA na 28S RNA a 5.8S rRNA velké podjednotky a 18S rRNA
malé podjednotky
připojení 5S rRNA k velké podjednotce, kódované a přepisované mimo jadérko
připojení velkého počtu ribozomy tvořících bílkovin syntetizovaných v
cytoplazmě.
Morfologie a molekulární stavba ribozomů je popsaná v kap. 4.1.3.2
Syntéza bílkovin v prokaryontní a eukaryontní buňce probíhá principiálně stejně. Existují však jisté rozdíly (ribozomy bakterií jsou menší,
mRNA je tzv. polycystronická tj. kóduje více proteinů, neobsahuje introny, translace začíná formyl-methion-tRNA komplexem a pod), které
jsou využívány v léčbě infekčních bakteriálních onemocnění antibiotiky. Antibiotika jsou produkty hub, plísní apod., mající inhibiční
účinek na syntézu bílkovin bakterií, nikoliv však buněk eukaryontních.
79
Některé bakterie mají odolnost vůči antibiotikům zakódovanou v DNA. V tom případě se hovoří o jejich "přirozené odolnosti". Častější je však odolnost získaná stykem s antibiotiky.
Děje se tak dvěma způsoby. V kultuře bakterií buď objeví jedna zmutovaná, která potom své vlastnosti předá dalším odnožím ("vertikální" šíření), nebo se odolnost šíří "horizontálně",
kdy imunitu si předávají bakterie mezi sebou, výměnou tzv. R plasmidů. Tomu napomáhá nadužívání antibiotik v medicíně, zemědělství, prmyslu atp. Bakterie se takto "otužují"
http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_splicing Protein splicing is an intramolecular reaction of a particular protein in which an internal
protein segment (called an intein) is removed from a precursor protein with a ligation of C-terminal and N-terminal external proteins (called
exteins) on both sides. ….Normally, splicing is associated only with pre-mRNA splicing. …… splicing proteins is categorized into 4
classes: maxi-intein, mini-intein, trans-splicing intein, and alanine intein. Více v Molekulové biologii
80
3. 4 BUNĚČNÉ A MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMY PŘÍJMU INFORMACÍ
(obr. 34,37)
3.4.1 Chemické a fyzikální biologické signály
3.4.2 Receptory, jejich funkce, vlastnosti a distribuce v buňce
3.4.3 Receptory lokalizované v PM
5.4.3.1 Celková charakteristika
5.4.3.2 Přenos signálu přes PM a jeho šíření v buňce
3.4.4 Receptory v cytoplazmě a jádře
3.4.5 Rychlost receptorové odpovědi
3.4.6 Ukončení receptorové odpovědi
Molekulová seznamka
Hledám receptor
Zn. menší hydrofobní agonista
Příjem informací z okolí i vnitřního prostředí slouží k interakci buněk, orgánů a organizmu
s s okolím. K příimu informací u jednobuněčných živočichů slouží speciální bílkovinyreceptory v plazmatické membráně a jejich výběžcích (viz níže cilie), nebo uvnitř buněk. U
vícebuněčných se vyvinuly speciální sensorické buńky, které jsou buď rozloženy
celotělově (fotoreceptory bezobratlých, mechano- a chemo- a thermoreceptory v kůži
obratlovců a pod) nebo jsou soustředěeny do tzv. smyslových orgánů (oči, uši, sluch,
chuťové pohárky a další, viz fyziologie živočichů).
Klíčové molekuly pro příjem všech typů podnětů (viz níže) jsou receptorové molekuly
buněk.
3. 4. 1 Chemické a fyzikální biologické signály
Informační komunikace mezi buňkami jakož i vnitřním prostředím organizmu a okolím se
děje pomocí chemických a fyzikálních signálů, které jsou přijímány specifickými
molekulami, receptory. Signální molekuly mohou být volné nebo vázané a to buď na okolní
buňky nebo mezibuněčnou hmotu, extracelulární matrix. Informační komunikaci umožňují
též některá mezibuněčná spojení (chemické synapse a nexy syn. gap junctions, elektrické
synapse, viz kap. 4.1.2.3)
Hlavní skupiny signálních molekul jsou:
● hormony endokrinních žláz,
● neurotransmitery, feromony
● tkáňové hormony (růstové faktory, cytokiny).
● molekuly mezibuněčné hmoty (extracelulární matrix, viz kap. 6.1) a okolních buněk.
● oxid dusnatý (NO), molekulární kyslík a pravděpodobně i jeho tzv. reaktivní formy (viz
kap. )
Z fyzikálních vlivů se u živočichů signalizačně uplatňují:
● teplota,
● mechanické podněty, tlak, vibrace apod.,
● osmolarita,
● elektrické napětí, zvuk, fotonové záření, magnetické pole aj.
3. 4. 2 Receptory (R-y), jejich společné vlastnosti a výskyt v buňce
Definice R-ů a jejich společné vlastnosti. R-y jsou molekuly, zpravidla bílkovinného typu,
specializované pro vazbu specifických molekul (syn. agonistů, ligand, primárních poslů). Po
navázání ligandy (např. hormonu) nebo dopadu fyzikálního podnětu dojde k tzv. stimulaci či
aktivaci receptoru, která vyvolá kaskádu dalších, předem naprogramovaných změn,
81
jejichž výsledkem je funkční nebo metabolická odpověď buňky. Bílkovinné R-y představují
asi 1% celkových bílkovin v těle.
Výskyt R-ů v buňce. R-y jsou lokalizovány buď na povrchu buněk nebo v cytosolu,
případně až j jádře.
Hydrofilní a velké lipofilní signální molekuly, které nemohou volně vstupovat do buněk mají
receptory na povrchu buňky,v plazmatické membráně (PM). Jsou to integrální bílkoviny PM.
Hydrofobní signální molekuly, které mohou snaze difundovat přes PM mají R-y
lokalizované intracelulárně (viz níže kap. 5.4.4).
3. 4. 3 Membránově lokalizované R-y
R-y PM jsou zpravidla tvořeny jednou nebo několika peptidickými podjednotkami, z nichž
každá jednou nebo vícekrát membránu prostupuje ("prošívá PM"). Receptor pro
katecholaminy prochází na př. PM 7x ( obr. 37 B). Savčí buňka obsahuje na svém povrchu
více než 100 různých typů R-ů pro různé signální molekuly z okolí.
Typický receptor PM obsahuje (a) vnější oblast pro zakotvení hormonu nebo jiného "posla", ( b) část, která
procházející plazmatickou membránou a (c) volné zakončení uvnitř buňky. Navázání ligandy (agonisty) na
zevní část se aktivuje cytoplazmatické zakončení, což vede k jeho interakci s jednou nebo více molekulami
specializovanými pro přenos informací uvnitř buňky (tzv. transdukce signalizace přes PM, viz níže Gproteiny). Výsledkem je metabolická a funkční odpověď buňky (viz níže).
Šíření signálu od R-ů v PM do buňky (tzv. transdukce signálu) probíhá několika způsoby,
dle kterých je lze rozdělit do 3 skupin:
a.
b.
c.
d.
R-y spřažené s G-proteiny
R-y s vlastní enzymatickou aktivitou
R-y typu iontových kanálů
R-y cytokinové super-rodiny
Receptory spřažené s G-proteiny předávají informace do nitra buňky nepřímo,
prostřednictvím dalších molekul, G-proteinů (viz níže).
Přímou cestou signalizují podnět do buňky R-y typu iontových kanálů nebo receptory
s vlastní enzymatickou aktivitou (viz níže).
Ad (i) R-y spřažené s G-proteiny.
Podnět přinášený k tomuto typu R-ů signální molekulou (tzv. primárním poslem) je
předáván do cytoplazmy pomocí tzv. sekundární poslů (secondary messengers). Tomu
předchází interakce receptoru s G-proteiny, asociované k vnitřní straně PM. G-proteiny
aktivují sousední membránové proteiny - enzymy, které syntetizují molekuly sekundárních
poslů.
Jako sekundární posli slouží nejčastěji cyklický AMP (cAMP). Dále, to jsou deriváty
membránového fosfoinositolu (viz fosfolipidy kap.2), - inositol 1,4,5- trifosfát (IP3),
diacylglycerol (DAG), Ca++, cGMP. Přenos podnětu od receptoru do nitra buňky se
nazývá transdukce signálu přes PM
Funkci sekundárních poslů mohou plnit i jiné molekuly. Jde na př. o oxoniové ionty, vznikající aktivací NADH2 oxidázy, nebo oxid dusnatý
(více v předmětu Fyziologie živočichů). Z membránových fosoflipidů mohou být receptorově aktivovanou fosfolipázou A2 vznikat
z membránových fosfolipidů, především jejich polynenasycených mastných kyselin (viz PUFA, kap. 1.1) přes kys. arachidonovou též
prostaglandiny, tromboxany a leukotrieny. Tyto molekuly slouží i jako signální molekuly vylučované do blízkého okolí (viz parakrinní
sekrece, kap.6).
82
G-proteiny jsou bíkovinné trimery, tvořené 3 podjednotkami (α,ß,γ). Jsou lokalizovány na
vnitřní straně PM. Patří do početnější skupiny tzv. GTP-vázajících proteinů (proto i název
G-proteiny).
Podjednotka α váže za klidových podmínek GDP. Po stimulaci receptoru se trimerní
komplex G-proteinu spojí dočasně s receptorem, podjednotka α uvolní GDP, naváže GTP
a oddělí se od podjednotek ß, γ. Takto aktivovaná podjednotka α, i dimer ß,γ, mohou
reagovat s dalšími, tzv. cílovými proteiny plazmatické membrány (viz níže). Podjednotka α
pak svou enzymatickou aktivitou hydrolyzuje navázané GTP, spojí opět s podjednotkami
ß,γ a tím se celý G-protein stává opět inaktivní.
Cílovými proteiny aktivovaných G-proteinů, jsou sousední bílkoviny PM, mající
enzymatickou aktivitu, kterou katalyzují v cytozolu tvorbu dalších molekul účastnících se
přenosu a šíření informace, tzv. sekundárních poslů.
Častým, a prvně objeveným sekundárním poslem je cAMP, které syntetizuje G-proteinem
aktivovaná adenylátcykláza. Aktivace fosfolipázy C- ß vede k syntéze sekundárních
poslů IP3 a DAG z fosfolipidu fosfoinositolu v PM (viz shora). IP3 difunduje do cytoplazmy
a uvolňuje Ca2+ z hl-ER. DAG zůstává vázán v PM.
Sekundární posli aktivují v cytoplazmě další enzymy, proteinkinázy, které fosforylují
efektorové (výkonné) bílkoviny, které realizují změnu metabolismu a funkce buněk. Např.
aktivaci nebo zástavu buněčného dělení, změny permeability PM, vylučování hormonů ze
sekrečních buněk, glykogenolýzu v játrech a svalech, lipolýzu v tukové tkáni-viz kap. 6,
exprese genomu, apod.
Proteinkinázy tvoří mnohočlenou tzv. rodinu bílkovin. Proteinkináza A je aktivovaná, tj. je
dependentní na cAMP. Proteinkinázu C aktivuje DAG a IP3. Ca ionty uvolněné z ER
vedou k aktivaci tzv. Calmodulin (CaM) dependentní kinázy. Viz též níže též tzv. Mitogeny
aktivované kínázy (MAPK).
Zvýšení hladiny Ca2+ v cytozolu vyvolané IP3, nebo i otevření Ca iontových kanálů v PM jinými ligandami,
vede ke změnám funkce buňky přes aktivaci tzv. Ca2+ vážící proteiny, které po navázání kalciových iontů
reagují s dalšími efektorovými proteiny (kalmodulin, troponin C a další), které zajistí požadovanou funkční
odpověď buňky. Ionty kalcia mohou vstupovat též do mitochondrií, kde podporují energetickou přeměnu
aktivací pyruvát- , izocitrát- , a glutarát-dehydrogenázy.
G proteiny se vykytují v několika isoformách. Shora popsané zvýšení hladiny cAMP zajišťuje tzv. Gs protein
(s = stimulační). Receptorová aktivace tzv. Gi-proteinů (i = inhibiční) vede naopak k inhibici adenylylcyklázy,
což se projeví, spíše než poklesem hladiny cAMP, změnou propustnosti některých iontových kanálů.
Fosfolipázu C- ß (vznik IP3 a DAG, viz shora) aktivují receptory přes tzv. Gq proteiny.
Tzv. Gt-protein, (t=transducin), zajišťuje přenos světelného signálu v tyčinkách sítnice. Golf (ofl-olfactory) vznik podráždění v čichovém
epitelu. Funkci podobnou shora uvaděným tzv. trimerním G proteinů, mají i tzv. malé, monomerní G proteiny označované zkratkami
(Ras, RhoA, Rac1, RaIA apod). Jejich mutace jsou častou příčínou poruch dělení buněk, vč. nádorového bujení. Viz též níže onkogeny.
Více v předmětu Molekulární biologie.
Signalizační cestu (kaskádu) se sekundárními posly používají často peptidické hormony
tvořené žlázami s vnitřní sekrecí, dále některé neuromediátory (adrenalin, noradrenalin,
acetylcholin, histamin) a další biologicky aktivní molekuly, ale i např. světlo fotony
dopadající na světločivé buňky sítnice. Více v předmětu Fyziologie a Molekulární biologie.
Aktivace jednoho R tohoto typu stačí k aktivaci většího počtu G-proteinů. Každá molekula
sekundárního posla aktivuje větší počet kináz, atd., což vede í k mohutnému zesílení
(amplifikaci) primárního signálu.
83
Buňky používají i signalizační kaskády tvořené řadou tzv. „malých G-proteinů“ . Často se jedná o monomery
fungující podobně jako shora popsaná G-alfa podjednotka shora popsaných trimerních („velkých“ ) Gproteinů. Patří sem např. tzv. ras proteiny uplatňujících se řízení dělení buněk (viz níže a kap. 5.6) nebo
váčkové transportu látek (kap. 4.1, iii). Mutace těchto molekul proto vede často nádorové transformaci buněk.
Více v kap. 5.6 a výběrovém kurzu Patobiologie buněk a tkání.
cAMP využívají jako signalizační molekulu i prokaryontní buňky (např. v regulaci metabolizmu při nedostatku
energetických substrátů). Působí však pouze přes změny transkripce genů (viz kap. 5.7)
Ad (ii) R-y s vlastní enzymatickou aktivitou.
Cytoplazmatická část těchto R-ů má enzymatické vlastnosti, které se aktivují po
podráždění receptoru specifickým podnětem. Enzymatická aktivita se projevuje nejčastěji
fosforylací (tzv. proteinkinázová aktivita) dalších bílkovin cytoplazmy. Tím se mění
metabolizmus a funkční aktivita buňky.
Fosforylace cílových cytoplazmatických bílkovin probíhá zpravidla na jejich tyrozinových
residuích (zbytcích) a proto jsou tyto receptory označovány jako R-y s vlastní (!) tyrozinkinázovou aktivitou (RTK). Tento typ R-ů se uplatňuje při regulaci buněčného dělení
růstovými faktory (viz kap. 5.6). Některé receptory této skupiny mají i fosfatázovou
enzymatickou aktivitu, tj. schopnost defosforylace a inaktivace R..
Některé receptory, např. pro atriový natriuretický faktor, předávají signál cestou aktivace své
guanylátcyklázové aktivity. Více ve Fyziologii živočichů
Ad (iii) R-y typu iontových kanálů.
Tyto R-y se po podráždění na několik milisekund otevřou tj. stanou se propustnými pro
určitý typ iontů (např. sodíku, draslíku, vápníku, chloridů a pod). Zvýšení jejich hladiny
vede ke změně funkční aktivity buňky. Tento typ R-ů bývá aktivován chemicky, např.
acetylcholinem, změnou elektrického napětí na PM, nebo mechanicky. V klidovém stavu je
iontový kanál uzavřen tzv. hradlem nebo vrátky, které vzniká těsným přiblížením se jeho
peptidických podjednotek či „smyček“ k sobě.
Podle povahy signálu, který iontový kanál aktivuje (otevírá) iontové kanály se dělí na
chemicky, napěťově a mechanicky regulované. Součástí názvu kanálu jsou rovněž ionty,
které specificky propouští a případně i název příslušné jeho ligandy.
Iontové kanály jsou tvořeny zpravidla 5 peptidickými podjednotkami, seskupenými do kruhu.
Střed takovéhoto pentamerického kanálu je v klidovém stavu zpravidla uzavřen. Po otevření
(viz výše) propouští kationty nebo anionty, dle náboje postranních skupin aminokyselin
mířících do nitra kanálu. Nagativní náboj uvnitř otevřeného kanálu umožňuje průchod
kationtů, pozitivní náboj pak průchod aniontů.
Příklad: Sarkolemma kosterních svalových vláken obsahuje chemicky regulované iontové
kanály pro Na+ aktivovatelné acetylcholinem.
Některé iontové kanály se cyklicky samy spontánně otevírají a zavírají. Takto je zajišťovaná např. srdeční
automacie nebo střevní peristaltika. Více ve fyziologii živočichů- Existuje i zvláštní skupina iontových kanálů,
které jsou dlouhodobě až trvale otevřeny.
Cave: Iontové kanály je třeba odlišovat od konexonů a akvaporinů umožňujících transport větších molekul do
živočišné buňky.
84
Ad (iv) R-y cytokinové super-rodiny.
Syn. R-y vážící se s tyrozinkinázovou aktivitou. Tyto R-y nemají vlastní enzymatickou aktivitu jako skupina
(ii). Po aktivaci však spojují s cytoplazmatickými proteiny, u kterých aktivují tyrozinkinázovou aktivitu, která
pak fosforyluje cílové bílkoviny buňky, odpovědné za její metabolické a funkční změny. R-y této skupiny se
váží s biologicky aktivními molekulami tvořenými buňkami imunitního systému (lymfokiny i některými dalšími
tzv. tkáňovými hormony- cytokiny a růstovým hormonem člověka.
Signalizační síť aktivovaná různými R-y je však ještě mnohem komplexnější, než
popsáno shora. Některé další mezičlánky a molekulární informační sítě jsou stručně
uvedeny níže. Více v Molekulové biologii.
Šíření signálů v buňce od R-ů se zpravidla účastní malé molekuly bílkovin, kódované tzv. c (ras proteiny , viz shora i
kap. 5.6 c-onc), patřící do skupiny tzv. monomerních G-proteinů (GTPáz), které aktivují další články signalizačních
kaskád, které se označují zkratkami, např. podle výsledné funkční odpovědi- Mitogeny Aktivované Protein Kinázy
(MAPK) a kinázy těchto kináz (MAPKK).
Aktivace MAP kináz je konečným článkem kinázových kaskád, které se účastní několik dalších kinázových
rodin. Jsou to např. tzv. Stress Activated Protein Kinases-SAPKs, Janus kinases-JAKs, a další označkované
opět pouze zkratkami, jako např. ERKs- Extracellular Signal Regulation Kinases, STATs apod). Cílovou
molekulou kinázových kaskád, vedoucích podnět od receptorů PM, je často až jádro, kde mění expresi
genomu. Změny exprese mohou postihnout až 100 dosud známých genů, které regulují buněčné dělení. Patří
do skupiny tzv. early response genes, z nichž některé geny (např. c-Fos, c-Jun) kódují transkripční faktory
(viz kap. 5.3, 5.6 a 5.7), které ovlivňují transkripci dalších genů. Kinázy lze je uspořádat dle fylogenetické
příbuznosti do bílkovinných rodin a super (nad)-rodin (angl. protein families and superfamilies). Více v
předmětu Molekulární biologie.
Poznámka. V PM mají receptory též lipofillní deriváty mastných kyselin, prostaglandiny, které vznikají oxidací kyseliny arachidonové
PM. Působí lokálně jako tkáňové hormony zejména na hladké svaly, nervové buňky, cévní systém a reprodukční aparát. Jsou
synthetisovány ve většině buněk. Tvoří se ve zvýšené míře při zánětlivých reakcích a jsou i příčinou bolesti v místě zánětu. Inhibice
jejich tvorby kyselinou acetylosalicylovou (acylpyrin, ibalgin, brufen a podobné farmaceutické preparáty) proto tlumí zánět i bolest. Mají
ochrannou funkci pro žaludeční sliznici. Potlačení jejich tvorby nadměrným používáním shora uvedených a volně dostupných léků,
může vést k tvorbě tzv. žaludečních a dvanácterníkových vředů.
3. 4. 4 Receptory v cytoplazmě a jádře buněk
V cytoplazmě a jádře se nacházejí R-y pro biologicky aktivní molekuly, které mohou volně
procházet PM (nepolární, lipofilní molekuly). Patří sem steroidní pohlavní hormony,
hormony kůry nadledvin, štítné žlázy a retinol (provitamin A), vitamin D.
Některé z nich (glukokortikoidy) se receptorově spojují již v cytoplazmě s tzv.
transportními proteiny. Vytvořený komplex se pak přenáší do jádra, kde se váže na
specifické regulační úseky DNA, tzv. steroid responsive elements v oblasti promotoru
strukturálních genů, které mění jejich transkripci, ev. ovlivňují stabilitu m-RNA, vznikající
jejich přepisem.
Jiné hormony této skupiny (retinoidy, thyroxin štítné žlázy) mají bílkovinný receptor až na
DNA v jádře. Návázaním příslušné hormonální ligandy se aktivuje transkripce příslušných
genů. Slouží k regulaci růstu a diferenciace buněk. Více v Molekulové biologii a Fyziologii
živočichů.
3. 4. 5 Rychlost receptorové odpovědi
Po podráždění receptorů typu membránových iontových kanálů dojde k odpovědi buňky
v řádu milisekund. Tyto R-y se uplatňují především při synaptickém přenosu (např. tzv.
nikotinové R-y pro acetylcholin, glutamátové, glycinové a GABAA receptory, viz později
předmět Fyziologie živočichů). Několik desítek milisekund vyžaduje odpověď
zprostředkovaná R-y působícími přes G protein. Odpověď s latencí hodin až dnů nastává
85
po stimulaci R-ů pro steroidy, tyroxin a retinol, které mají receptory v cytoplazmě nebo až
v jádře (viz níže).
Pozn. Pro některé R-y nejsou dosud známé jejich ligandy. Označují se proto jako sirotčí (orphan) R-y
3. 4. 6 Ukončení receptorové odpovědi
Stimulace R-ů PM a následná odpověď může být ukončena několika způsoby:
(i) Enzymatickým rozložením molekuly sekundárního posla (viz níže rozpad cAMP), nebo
(ii) defosforylací cílové efektorové bílkoviny enzymy, fosfatázami. Enzymaticky může být
(iii) selektivně rozložena i molekula stimulující receptor (např. acetylcholin nebo jiný
neuromediátor v synaptické štěrbině chemických synapsí). Další možností ukončení Rsignalizace je ten, že segment membrány nesoucí komplex receptor-agonista je (iv) pohlcen
endocytozou formou membránovou obaleného váčku, ve kterém je agonistní molekula
enzymaticky rozštěpena a R vrácen do plazmatické membrány transportním váčkem
(recyklace receptoru).
Aktivací těchto, i některých dalších mechanismů, lze též dosáhnout fyziologického snížení
odpovědi R-ů, tzv. desenzitizace R-ů.
Přenos podnětu receptorovým systémem využívajícím G proteiny lze narušit farmakologicky. Oslabení odpovědi lze docílit
obsazením vazebných míst na receptorech molekulami tzv. antagonistů, z nichž některé mají široké klinické použití
(blokátory a a ß- adrenergních receptorů, kalciových kanálů, excitačních aminokyselin a pod.).
Zvýšení jejich účinnosti lze docílit inhibicí enzymatického rozkladu molekul sekundárních poslů. Rozpad cAMP zpomalují
např. xanthinové deriváty, ke kterým patří kofein a thein, theobromin v kávě, čaji a čokoládě. Podjednotku α Gs-proteinu
udržuje ve stavu trvalé aktivity toxin bakterií působících choleru, což vede k poruchám resorbce látek ve střevě a je
příčinou těžkého průjmu.
Opačně působí toxin bakterií vyvolávajících černý kašel (pertusis). Geneticky podmíněné defekty α podjednotky Gsproteinu vede ke změnám citlivosti na různého hormony a tím i k poruchám vývoje a některých další hormonálně řízených
funkcí.
3. 5 BUNĚČNÝ CYKLUS A JEHO REGULAČNÍ MECHAMIZMY
(obr. 35,36, 38-42)
3. 5. 1 Význam buněčného dělení
Dělení buněk zajišťuje řadu základních funkcí živočichů. Mezi nejdůležitější patří:
☺
☺
☺
☺
rozmnožování jednobuněčných organizmů,
nepohlavní rozmnožování organizmů vícebuněčných,
ontogenetický vývoj
obnova tkání za vývoje a v dospělosti (epitelové výstelky, žlázy se zevní sekrecí,
kostní dřeň a pod).
☺ reparace a regenerace poškozených tkání a orgánů
V průběhu dělení dochází k tzv. lineárnímu přenosu genetické informace z mateřské buňky
na buňky dceřiné. U jednobuněčných živočichů se genetická informace dělením přenáší
na celý nový organizmus (vertikální přenos genetické informace).
Přenos se týká informace obsažené v genech buněčného jádra (tzv. jaderná dědičnost) i v mitochondriích
(mimojaderná dědičnost, matroklinita, viz kap. 4.1).
Živočišné buňky se dělí nepřímo, mitoticky. Mitóza (nepřímé dělení jádra) je však jen
konečné stádium dělení buňky, kterému předchází řetěz morfologických a chemických
dějů, označovaných souborně jako buněčný cyklus (BC).
86
☻ Poruchy dělení buněk mají závažné důsledky pro vývoj a život organizmu. K
nejzávažnějším poruchám, spočívajícím v nekontrolovaném dělení buněk, patří nádorová
transformace buněk.
3. 5. 2 Buněčný cyklus (BC), jeho fáze a regulace
(a) Definice BC : BC je řetěz strukturálních a chemických změn jehož výsledkem je
rozdělení mateřské buňky ve 2 buňky dceřiné. Období předcházející vlastnímu dělení
(mitóze), se označuje jako interfáze.
(b)
Fáze BC: BC se člení se do 3 úseků, fází: postmitotická G1-fáze, fáze syntézy DNA,
též S-fáze a premitotická G2-fáze. Následuje fáze mitotická, M-fáze a cytokineze.
Co se děje v jednotlivých fázích BC?
V G1-fázi se v buňce syntetizují strukturální a funkční makromolekuly (specifické m- RNA,
bílkoviny, na př. G1 cyklinu a jeho kinázy, enzymy potřebné pro nadcházející replikaci
DNA).
(i)
V S-fázi, dochází k replikaci DNA (duplikace genetické informace), pokračuje
syntéza RNA a některých bílkovin (histonů).
(ii)
V G2 fázi probíhá syntéza RNA a regulačních bílkovin, např. G2 cyklinu, (viz
níže cyklinové hodiny a MPF faktor), nehistonových proteinů, fosfolipidů a některých
enzymů, dokončuje se replikace centrozomů, které migrují k opačným pólům buňky.
(iii)
Ve fázi mitózy dojde k rozpadu jaderné blány (viz níže), vytvoření mitotického
vřeténka, jeho úponu na kinetochory chromozomů, rozdělení chromatid a jejich
redistribuce k pólům mateřské buňky.
(iv)
V průběhu cytokineze se zaškrcuje cytoplasma a dokončí se oddělení obou
dceřiných buněk. Zaškrcení realizuje tzv. kontraktilní prstenec tvoření svazky mikrofilament
orientovaných kolmo na podélnou osu buňky.
Replikace DNA (obr.38)
Replikace (syn. reduplikace) DNA probíhá u živočichů na každém chromozomu odděleně.
Začíná v několika (až 20-ti) tzv. iniciačních replikačních bodech chromozomu (u bakterií
je tomu tak pouze jednom místě, tzv. ori lokus). Segmenty DNA, které jsou replikovány z
jednoho iniciačního replikačního bodu se nazývají replikony. Zpravidla se proces člení do 3
fází: iniciačná, elongační a termínační
V iniciační fázi se v iniciačních replikačních bodech obě vlákna dvojšroubovice DNA rozpojí
aktivací enzymu helikázy a spolupracujích proteinů a vznikne replikační bublina či vidlice,
do jejíž vrcholu nasedne na obě vlákna speciální tzv. DNA vážící protein a DNA-primáza
(DNA řízená RNA-polymeráza), syntetizující tzv. RNA-primer, tj. krátký segment 50-2001000 nukleotidů zv. též startér. Následuje vlastní replikace DNA připojováním basí na
principu komplementárního párování na obou mateřských vláknech DNA. Viz též níže
V elongační fázi rozplétání obou vláken zajišťuje helikáza a další proteiny (single strandDNA binding protein). Deoxynukleotidy dceřinných vláken jsou spojovány DNA
polymerázami za účasti tzv. proteinové svorky (PCNA, Proliferation Cell Nuclear Antigen).
Enzymy zv. topoisomerázy uvolňují napětí v molekule dvojšroubovice, které vzniká jejím
rozplétáním na vrcholu replikační vidlice.
V eukaryontní buňce je to DNA-polymeráza α v komplexu DNA primázy na zpožďujícím se vlákně a DNA
polymeráza δ na vedoucím vlákně.
87
Nová dvojšroubovice obsahuje pak vždy jedno vlákno mateřské a jedno vlákno nově
syntetizované DNA. Tento proces replikace DNA označujeme proto jako semikonservativní.
Proces replikace DNA probíhá pouze ve směru 5´--3´. Vzhledem k tomu, že obě vlákna
mateřské DNA jsou uspořádána antiparalelně (na obou koncích dvojšroubovice jsou
koncové části 3´ i 5´ (viz též kap. 4.3), jedno vlákno se replikuje kontinuálně směrem k
5´konci mateřského vlákna (tzv. vedoucí nebo předbíhající, též anterográdní vlákno),
zatímco druhé vlákno se synthetisuje semidiskontinuálně, tj. vždy až po odvinutí
krátkého úseku mateřského vlákna (proto se označuje též jako zpožďující se, nebo též
retrográdní vlákno). Postupně syntetizované polynukleotidové segmenty tvořené na
zpožďujícím se vlákně se nazývají Okazakiho fragmenty ( proces vzdáleně připomíná tzv.
zadní steh při ručním šití). Následně se primer (nezbytný pro začátek syntézy každého
segmentu) odbourá a činností DNA-polymerázy je nahrazen polydeoxyribonukleotidovým
řetězcem a spojen DNA-ligázou v souvislý řetězec.
Ve fázi terminace na konci zpožďujícího se řetězce však nastává replikační problém, který
spočívá v tom, že 3´konci matricového (vedoucího) řetězce „již není místo“ na navázaní
RNA primeru a DNA-polymerázy. Tento problém řeší enzym telomeráza.
Telomeráza je tvořená RNA a katalyticky aktivním proteinem. Rozpoznává
matricovou telomerickou DNA, která je bohatá na G baze. U člověka se jedná o
mnohonásobné sekvence GGGTTA. Ribonukleotidové sekvence telomerázy přechodně
prodlouží vedoucí DNA nukleotidový řetezec, což poskytne úchyt pro RNA primeru a DNA
polymerázy, která poté dosyntetizuje chybějící nukleotidové baze na konci opožďujícího se
dceřinného vlákna (komplementárním párováním dle telomerázou prodlouženého konce
matricového řetězce. Podobný problém, řešený rovněž telomerázou, je i na začátku
vedoucího DNA řetězce po uvolněni iniciálního RNA primeru..
Telomery se za fyziologických podmínek v dělících se somatických buňkách přesto po
každé mitóze zkracují. Po zhruba 50-60 cyklech se proto dělení zastaví, jako prevence
vzniku mutace případným „slepováním“ chromozomů. Vyčerpání mitotické aktivity se
označuje jako generační stárnutí buňky.
Tento problém odpadá při replikaci kružnicové DNA prokaryot a mitochondrií.
Před oddělením mateřských a dceřiných vláken projdou dceřiná vlákna tzv. kontrolním
čtením (proof-reading) a případné chybně spárované nukleotidy jsou vyměněny činností
DNA-polymerázy β
DNA-polymeráza γ zajišťuje replikaci DNA v mitochondriích (probíhá nezávisle na replikaci jaderné DNA).
U prokaryont se replikace DNA účastní DNA-polymeráza I,II a III.Více v Molekulové biologii.
3. 5. .3 Řízení BC
Cyklinové hodiny, bim,,bam, bum…
BC cyklus je řízen řadou nízkomolekulárních látek (kalciové ionty, cyklické nukleotidy,
prostaglandiny aj.) a bílkovin, které fungují jako nitrobuněčné hodiny, jako signální
molekuly působící na buňku z jejího okolí nebo jako jejich receptory na povrchu buňky.
Kromě chemické identifikace a stanovení specifických funkčních vlastností těchto bílkovin
se v posledních letech podařilo nalézt i geny, které je kódují. Tím se otevřela cesta
k poznání poruch buněčného dělení vznikajících velmi často poškozením jaderné DNA.
88
Regulace buněčného cyklu spočívá v řízení:
(1)
postupného přechodu buňky z G1 do M-fáze a fáze cytokineze
(2)
opakovaného vstupu dceřiných buněk do G1 fáze BC, event. vstupu nedělící se
buňky (Go fáze) do G1, tj. startu BC
(3)
zástavy BC před mitózou v buňkách, u kterých došlo k neúplné replikaci DNA
nebo jejímu poškození
Ad 1. Přechod buňky jednotlivými fázemi BC zajišťují bílkoviny označované jako
cykliny a cyklin-dependentní kinázy
Cykliny jsou specifické bílkoviny, které působí v komplexu s tzv. cyklin dependentními
proteinkinázami (zkratka Cdk), které aktivují. Aktivované proteinkinázy pak fosforylují další
bílkoviny, čímž indukují další krok BC, tj. posun buňky do jeho další fáze. Oba typy
molekul jsou syntetizovány přímo v dělící se buňce.
Molekuly cyklinu jsou po vstupu do cílové fáze BC enzymaticky rozloženy v organelách zv.
proteazomy (viz kap. 2. 6 a kap. 4). Molekuly Cdk dependentních kináz zůstávají
zachovány pro další cyklus. K aktivaci proteinkináz dochází až při dosažení jistého, tzv.
kritického počtu cyklinových molekul. Obsah cyklinů proto v dělící se buňce periodicky
stoupá a klesá a celý systém se proto někdy označuje jako "cyklinové hodiny".
Cykliny, i jimi aktivované proteinkinázy se v živočišných buňkách vyskytují v několika
typech (Cyklin A,B,E,D a další), z nichž každý je specifický pro přechod buňky do
následující fáze BC. Cyklin A a E řídí např. přechod z G1 do S-fáze. Proto se též označují
jako G1- a S-cykliny. Cyklin B, přechod z G2 fáze do mitózy.
K poznání regulační úlohy těchto molekul přispěl o studium živočišných buněk v kulturách, dělení kvasinek a jejich tzv.
CDC (Cell Division Cycle) mutantů a překvapivě i některých virů (viz níže).
Při hledání příčin poruch dělení CDC kvasinkových mutantů byly totiž zjištěny defekty v genech, které kódují
bílkoviny, které svým složením se podobaly jak cyklinům, tak Cdk proteinkinázám isolovaným z živočišných buněk, vč.
níže zmíněného MPF faktoru žabích vajíček. Tím byl získán důkaz o univerzalitě cyklinového systému a položeny
základy k dalšímu rozvoji poznatků o regulaci BC genovými produkty za normálních podmínek, i pro objasňování poruch
dělení, vč. nádorové transformace buněk (viz níže, růstové faktory).
První objevený cyklin, cyklin B (též premitotický), aktivuje cdk-dependentní kinázu v G2
fázi BC. Proteinkináza fosforyluje laminy v jádře. Výsledkem je depolymerace laminů
rozpad jaderné blány, následované kondenzací chromozomů a tvorbou mitotického
vřeténka, tj. vstup a průchod buňky do M-fáze (mitózy) BC.
Tento cyklin byl objeven původně jako součást tzv.MPF faktoru (M-phase Promoting Factor) v žabích
vajíčkách, kde je nezbytný pro vstup do M-fáze prvního meiotické dělení. Na tomto modelu bylo rovněž
zjištěno, že obsah MPF v cytoplasmě vajíček osciluje. Dosahoval maxima před M-fází a poté jeho obsah
rychle klesal. Na tomto modelu bylo rovněž zjištěno, že MPF obsahuje i další bílkovinu s proteinkinázovou
aktivitou, později identifikovanou s cyklin-dependentní kinázou.
Ad 2. Opakovaný vstup dceřiných buněk do BC, případně vstup nedělící se buňky z
Go do G1 fáze zajišťují některé tzv. růstové faktory (RF)
Vstup buňky do G1 fáze vyžaduje překonání tzv. startovního místa cyklu (syn. restrikčního
bodu). Pokusy s pěstováním buněk mimo organizmus v podmínkách kultur ukázalo, že
vstup buňky do G1 fáze závisí na přítomnosti některých polypeptidů vyskytujících se v
krevním séru, zvláště mláďat, Jsou označovány jako růstové faktory (RF nebo GF z angl.
Groth Factors). Působí přes receptory lokalizované v plazmatické membráně buněk (viz
kap. 5.6).
89
Názvy RF pocházejí často z názvů buněk, ze kterých byly RF poprvé isolovány, nebo buněk na kterých byly
poprvé růstové účinky zjištěny, i když je dnes známo, že se uplatňují v regulaci mnoha jiných typů buněk.
Používají se většinou jen zkratky (akronymy) jejich anglických názvů.
Příklady: Epidermal Growth Factor-EGF, Fibroblastic Growth Factor-FGF, Platelet Derived Growth FactorPDGF (Růstový faktor isolovaný z krevních destiček), Insulin like growth factor-IGF apod. Řada z nich e
vyskytuje v několika isoformách.
Růstové faktory a některé další molekuly (cytokiny, viz molekulární biologie a fyziologie) a
jejich receptory, spolu s molekulami účastnící se přenosu podnětu přes plazmatickou
membránu a uvnitř buňky (transdukce signálu, viz kap. 5.4) jsou kódovány geny, které se
souborně označují jako protoonkogeny, nebo tzv. celulární onkogeny, c-onc. Viz níže
Ad 3. Zástavu BC v poškozených buňkách umožňují proteiny kódované několika
geny, z nichž klíčovou úlohu má gen TP 53 a gen Rb1
I brzd třeba........
Exprese (transkripce) genu TP 53 se aktivuje v případě, že došlo k poškození buňky,
zvláště molekuly DNA. Protein kódovaný tímto genem buněčný cyklus, p53, zastaví dělení
do doby než buňka poškození opraví. V případě, že oprava není možná, p53 aktivuje
apoptotický proces (viz kap. 5.10). Gen TP 53 je proto nazýván "strážcem integrity
genomu". Produkt „zdravého“ (angl. wild) genu Rb1 (odvozeno z názvu nádoruretinoblastom, ve kterém byla isolována jeho mutovaná forma) rovněž brzdí buněčný cyklus.
Působí v součinnosti s genem kódujícím protein E2F (viz níže).
p53 má charakter transkripčního faktoru, tj. působí navázáním na regulační sekvence genů regulujících
průchod buněk BC. Aktivuje především gen p21, který kóduje tzv. Cdk-inhibiční protein. V případě jeho
mutace, poškozené (mutované) buňky se mohou dále dělit a stát se zdrojem buněk nádorových. Brzdné
účinky bílkoviny kódované genem RB se ztrácejí její nadměrnou fosforylací (oddělí se podjednotka E2F,
která aktivuje expresi genů kódujících enzymy pro vstup do S-fáze).
The E2F family of transcription factors is a key regulator of cell-cycle
checkpoints in mammalian cells. The E2F protein is a major target of Rb and the
activity of E2F/pRb is intimately connected with the G1-S transition of the cell
cycle.
Protoonkogeny, onkogeny, antionkogeny
Jak již zmíněno shora, onkogeny zahrnují skupinu genů, jejichž bílkovinné produkty se
podílejí na regulaci buněčného cyklu. Patří mezi ně růstové faktory (RF) a cytokiny (viz
shora) a jejich receptory, bílkoviny transdukčních signalizačních drah, transkripční faktory
apod. Bílkoviny kódované onkogeny mohou být lokalizovány v plazmatické membráně,
v cytoplazmě nebo v jádře.
Jejich skupinový a poněkud alarmující název onkogeny, vznikl pod vlivem poznatků o
virech, které u zvířat, vyjímečně i člověka (viz níže), jsou schopny vyvolat nádorovou
transformaci buněk. Ukázalo se totiž, že některé ze shora uvedených bílkovin regulujících
buněčný cyklus, především RF a jejich receptory, jsou svým chemickým složením často
velmi podobném (nikoliv však zcela identické) bílkovinám kódovaným v genomu těchto,
tzv. onkogeních virů (RNA retroviry, viz níže).
Geny kódující shora uvedené bílkoviny regulující buněčné dělení v nepoškozených
eukaryontních buňkách se proto souborně označují jako protoonkogeny. Onkogeny
odpovědné za nádorovou transformaci buněk, jejímž charakteristickým znakem je ztrát
kontroly buněčného cyklu (nekontrolované nadměrné dělení), vznikají mutací DNA.
90
Protoonkogeny označovány též jako c-onkogeny (cellular oncogenes), zatímco geny
onkogenních virů jako v-onkogeny. Zpravidla se používají zkratky c- onc a v-onc. Geny
p53 a RB se někdy označují jako anti-onkogeny. Název onkogenu je zpravidla uváděn
zkratkou ze 3 písmen, viz níže.
Mezi nejznámnější onkogenní viry zvířat patří virus Rousova sarkomu (v-src). Mezi lidské onkoviry patří některé
papilomariry (dnes existuje proti nim vakcinace, předcházející karcinomu děložního hrdla a penisu), herpetické viry, virus
hepatitidy B a C, virus Epstein-Barrové (EBC virus) a některé další málo četné agens.
http://genetika.wz.cz/clanky/onkogenni_viry.php
Látky působící změnu c-onc na v-onc se označují skupinově jako mutageny. Vymknutí se
z genetické kontroly buněčného děleni (i adhezivity a migrace) je podstatou nádorové
transformace buněk. Takto působící mutageny se označují jako kancerogeny
Mutageny lze dělit na fyzikální (např. různé typy radiace), chemické (polycyklické aromatické uhlovodíky,
aromatické aminy, nitrosaminy, alkylační látky, benzpyren, benzidin, pesticidy, polycyklické uhlovodíky,
uhelný dehet, plísňový aflatoxin B1, arsen, azbest a pod) a biologické (RNA retroviry).
V buňce může dojít i k tzv. spontánním mutacím, např. při selhání oprav DNA způsobených samotným
replikačním aparátem buňky, nebo ovlivněním genů regulujících intenzitu dělení přesunem tzv. transpozonů
(viz kap. 4).
Mutace se mohou týkat celého genomu (polyploidie), jednotlivých chromozomů (zmnožení počtu, translokace
části jednoho chromozomu na jiný) nebo jednotlivých genů, resp. molekuly DNA (tzv. bodové mutace:
inzerce, delece nebo translokace bazí, posun čtecího rámce, tvorba dimerů).
Důsledkem mutací genů je změna transkripční aktivity příslušných genů nebo změna primární struktury, a
tím i funkce proteinu kódovaného příslušným genem. Bodové mutace se však v důsledku degenerovanosti
genetického kódu (viz kap. 2. 5 a kap. 3.3) nemusí projevit změnou v sekvencích aminokyselin a tím i
změně funkce takto kódované bílkoviny (tzv. tiché mutace).
K nádorové ztrátě kontroly buněčného dělení může vést přemístěním některých transpozonů do oblasti genů
kódujících buněčný cyklus, adhezi a migraci buněk.
Cyklující buňky představují tzv. růstovou frakci populace. Nedělící se buňky, setrvávající
dočasně nebo trvale v tzv. Go fázi, představují tzv. nerůstovou frakci Růstová frakce je vysoká v
rostoucích populacích v mládí; v dospělosti pak v tkáních s rychlou fyziologickou obnovou (krevní buňky, epitely, kostní
dřeň a pod.). Mezi málo se dělící patří např. mozkové, jaterní a svalové buňky
3. 5. .4 Generační stárnutí buněk
"50 krát, a dost" !
Většina tělových (somatických) buněk savců se může rozdělit pouze zhruba 50 krát.
Významnou příčinou tohoto, tzv. generačního stárnutí buněk, je vyhasínání exprese genu,
který kóduje enzym, telomerázu, která zajišťuje replikaci koncových částí chromozomů. V
důsledku "vyhasínání" funkce tohoto genu, resp. enzymu, se konce chromozomů v
průběhu opakovaných cyklů zkracují, až posléze se dělení buňky nevratně zastaví. Aktivitu
tohoto genu si uchovávají tzv. kmenové buňky. (viz kap. 3.6). Vysokou aktivitu telomerázy
mají často nádorové buňky.
3.6 DIFERENCIACE BUNĚK V PRŮBĚHU VÝVOJE A V DOSPĚLOSTI (obr. 43)
3. 6. 1 Diferenciální („výběrová“) exprese genů, její regulační mechanismy a
biologický význam
V těle živočichů je široké spektrum buněčných typů (fenotypů). Tato rozmanitost se
odvozuje z oplozené vaječné buňky procesem diferenciace. Podstatou tohoto procesu je
řízená exprese genů, která vede k dělení a postupné proměně vajíčka na blastomery,
91
buňky zárodečných listů, orgánových základů a parechyncmové buňky jednotlivých tělních
orgánů. Diferenciální exprese genů je rovněž nezbytná pro v dospělosti v procesech
adaptace, reparace a regenerace v tkání, orgánů a organizmu.
I když každá buňka obsahuje všechny geny (u člověka zhruba 30.000) přepisována
(transkribována, exprimována) je pouze jejich malá část (cca 1-5%). Ve všech buňkách
jsou přepisovány geny kódující proteiny membránových organel, cytoskeletu, ribozomů,
chromozomů, cytosolu, různých forem RNA nebo enzymů, zajišťujících základní
metabolické dráhy a funkce buňky, pod.. Proto se tyto geny označují též jako „provozní“
nebo housekeeping genes ("domácnost udržující geny").
Kromě toho jsou v buňkách přepisovány geny jejichž produkty zajišťují specifické funkce
buňky, např. specifické signální molekuly (hormony, cytokiny, růstové faktory), jejich
receptory, enzymy syntetizující neuromediátory v nervové tkáni a atp. Tyto geny se někdy
označují skupinově jako buněčně či tkáňově specifické, nebo „luxusní“ geny, které jsou
základem odlišností v morfologii a funkci buněčných fenotypů.
Spektrum přepisovaných (syn. exprimovaných) genů kódujících bílkoviny, které vykonávají
specifické funkce, se liší v buňkách různých fenotypů (nap. buňkách nervových, svalových,
krevních apod.).
V průběhu ontogenetického vývoje se buňky změnami exprese genů od sebe odlišují
morfologickými, chemickými i funkčními vlastnostmi. Tento proces se označuje jako
buněčná diferenciace. Z oplozeného vajíčka takto vznikají buňky různých fenotypů.
Z blastomer se diferenciací tvoří takto postupně, zárodečné listy, orgánové základy a
nakonec dospělé orgány (viz kap. 7.2).
Proces diferenciace probíhá i v dospělosti v tzv. fyziologicky se obnovujících tkáních (např.
epitely, krev) a při některých reparačních a regeneračních procesech (viz kap. 5.8, 5.9).
Na regulaci expresi genů se v průběhu diferenciace podílí humorální vlivy (volné
chemické působky jako např. hormony, růstové faktory, cytokiny a pod), jakož i přímé
kontakty mezi buňkami (viz kap. 2.3 ) a buňkami a extracelulární matrix (EXCM viz kap.
5.1). Spektrum těchto regulačních mechanizmů se stále rozšiřuje. Viz např. malé RNA
molekuly kap. 1.1., 2.5. a 3.3) . Více v předmětu Molekulární biologie
Dobře zevně patrným a známým příkladem diferenciace buněk je vývoj sekundárních pohlavních znaků v
pubertě, kdy pod vlivem cirkulujících pohlavních hormonů se např. u samců zvyšuje transkripce genů
kódujících syntézu svalových bílkovin, v epidermis se na některých částech začínají exprimovat geny pro
tvorbu ochlupení, u samic pak geny podmiňující tvorbu mléčných žláz apod. V trvale obnovujících se tkáních,
např. v epidermis, je migrace dceřiných buněk k povrchu provázena změnou exprese genů, např. pro
bílkoviny středních filament cytoskeletu. Regenerace poškozených tkání, nebo celých částí těla (viz níže)
vyžaduje rovněž aktivaci transkripce řady genů.
Změnou spektra exprimovaných genů, nebo změnou intensity transkripce již
exprimovaných genů (pomocí tzv. zesilovačů-enhancers a zeslabovačů- silencers) se
buňky a orgány mohou též adaptovat na změny funkčních požadavků i v dospělosti. (viz
též kap. 3. 6 a předmět Molekulární biologie).
Zvýšenou expresi genů kódujících enzymy a membránové pumpy potřebují např. jaterní nebo ledvinné
buňky k rozkladu či vyloučení škodlivých látek (alkohol, alkaloidy, chlorované uhlovodíky, volné kyslíkové a
jiné radikály apod., ale i léky, viz níže kap. 4), svalové buňky ke zvětšení celkového objemu svalu při
trvalejším zvýšení fyzické námahy apod. Exprese speciálních genů je nezbytná i pro programovanou smrt
buňky, apoptózu (viz. níže kap. 4.10)
92
Schopnost tvořit nové a různorodé diferencované buněčné fenotypy z nezralých
prekurzorů v průběhu života klesá. Velkou diferenciační kapacitu, tj. schopnost tvořit
dceřinné buňky různých fenotypů, si zachovávají tzv. zárodečné, kmenové a
progenitorové buňky (viz kap. 3.6).
l
Regenerace jater J. Brůha a kol., Vesmír 86, 518, 2007/8 (Kráceno a dopněno textem v závorkách VM)
“….Jestliže je objem (chirugicky) odstraněné jaterní tkáně – parenchymu – s patologickým ložiskem příliš velký, hrozí akutní selhání jater. ….. zbytkový
parenchym (obsahuje) buňky progenitorové, schopné diferencovat v hepatocyty a cholangiocyty. ….. progenitorové buňky … zdrojem hepatocytů jen
průběžně se obměňujících. Jsou zde však ještě kmenové buňky, a to jednak krvetvorné, jednak mezenchymální. ….(které) mohou doplnit počet
progenitorových buněk i diferencovat (se) ve vlastní jaterní buňky (hepatocyty), nebo v buňky žlučovodů (cholangiocyty). Navíc, ….jsou schopny fúzovat jak
se zdravou, tak s poškozenou buňkou jater, a tím jí jednak vrátí její funkci…..Co nutí buňky, aby zvyšovaly svůj počet (proliferovaly), a tím zahájily
regeneraci? Již několik hodin po vyřazení části jaterního parenchymu vzroste sérová hladina interlukinu 6 a jednoho z faktorů nekrotizujících tumor (TNFalfa). …… Začátek proliferace je provázen vzestupem růstového faktoru hepatocytů (HGF), epidermálního růstového faktoru (EGF) a transformujícího
růstového faktoru alfa (TGF-alfa). Růstový faktor hepatocytů je produkován neparenchymovými jaterními buňkami a podněcuje tvorbu parenchymových
buněk, zatímco transformující růstový faktor alfa produkují parenchymové buňky k své vlastní stimulaci. Konec proliferace je naopak provázen vzestupem
sérové hladiny transformujícího růstového faktoru beta (TGF-beta), který produkují hepatocyty, když dosáhnou dostatečné celkové funkční kapacity.
Progenitorové buňky…. (mají) na povrchu receptory pro (uvedené) růstové faktory spouštějící diferenciaci buněk”.
3. 6.2 Molekulární mechanismy regulace exprese genů
Přepis strukturálních genů je řízen sekvencemi nukleotidů, které jsou umístěny na
molekule DNA před startovacím nukleotidem tzv. strukturních genů. Tyto sekvence se
označují jako regulační oblasti genu.
Nejlépe a nejúplněji byl mechanismus exprese genů popsán u prokaryot na tzv.
operonovém modelu. Operon je transkripční jednotka, která kromě strukturního genu(ů),
kódujících např. enzymy pro rozklad laktózy nebo syntézu histidinu, obsahuje regulační
sekvence nukleotidů, které jsou umístěny na DNA před jeho startovacím kodónem,
označované jako tzv. promotor a operátor.
Promotor je část operonu, na který se váže RNA polymeráza, která uskutečňuje proces
transkripce. Operátor je regulační oblast, na kterou se váže molekula tzv. represoru, která
je kódována částí operonu, zvanou regulátor. Represor navázaný na regulátor brání
transkripci strukturního genu. Po inaktivace represoru se uvolní transkripce strukturních
genů. Tento mechanismus regulace je dobře znám u operonu pro metabolismus laktózy
(lac-peron) bakterií (viz níže).
Laktózový operon (lac operon) kóduje enzymy rozkládající a metabolizující laktózu (disacharid glukózagalaktóza). V nepřítomnosti laktózy v živném médiu je transkripce operonu zablokovaná tzv. represorovým
proteinem. Po přidání laktózy se tato váže na represor, který tím ztrácí schopnost se dále vázat na
operátor. Výsledkem je uvolnění transkripce genů kódujících enzymy pro hydrolýzu laktozy a metabolismus
uvolněné galaktózy.
Podobným způsobem funguje i např. tzv. histidinový nebo tryptofánový operon. V tomto případě jde však o
vypnutí genů kódujících enzymy pro syntézu histidinu nebo tryptofánu, vyvolaného přidáním příslušných
aminokyselin do živného média. Přidaný histidin nebo tryptofán aktivuje represor a tím se zastavuje
transkripce genů kódujících enzymy pro syntézu těchto aminokyselin (obr. 43).
Kromě genů operonového typu, existují u bakterií i geny neoperonové, ve kterých je
transkripční jednotka řízena pouze promotorem.
Regulace transkripce genů (exprese genů) u eukaryot je složitější, vícestupňová a dosud
méně objasněna. Jak již uvedeno, prvním stupeň regulace u živočichů představuje
změna míry kondenzace chromatinu, která určuje dostupnost transkripčních enzymů k
molekule DNA. Kondenzaci chromatinu ovlivňuje např. stupeň acetylace, fosforylace
histonů nebo metylace DNA.
Fosforylace a defosforylace histonů H1 vede ke kondenzaci a dekondenzaci chromatinu.
Podobně acetylace histonů neukleozomálního jádra, zajišťované rovněž enzymaticky
(histon acetyltransferázy a histon deacetylázy). Pro vazbu těchto enzymů na chromatin je
93
však třeba ještě dalších proteinů. Uplatňovat se mohou i jiné mechanizmy, např.
ubiquitinace histonů (kap. ……). Proto se někdy hovoří i tzv. histonovém kódu.
Expresi genů snižuje též metylace N- bazí DNA, zpravidla na 5 uhlíku cytozinu
v dinukleotidu CpG. Takto je např. inaktivován jeden z X chromozomů u samic a tento
mechanizmus se uplatňuje v rámci tzv. genového imprintingu, kdy je omezena exprese
některých genů pouze na otcovskou nebo matčinu alelu.
Dinukleotidy CpG se vyskytují převážně v repetitivní DNA a v promotorových oblastech
genů, tj. jsou nečetné v genech strukturálních, kódujících pořadí aminokyselin. Metylace
usnadňuje nebo zabraňuje vazbě transkripční faktorů nebo transkripci inhibujících
komplexů (obsahujících shora zmíněné histon deacetylázy a jejich vazebné proteiny).
Metylaci DNA zajišťují metyltransferázy.
Tzv. Dnmt1 metyláza připojuje metyl k nově vznikajícímu řetězci při replikaci DNA dle
vzoru z mateřské předlohy.. Výsledkem je přenos stávajícího stupně exprese daného genů
na dceřinné buňky. Nízký stupeň metylace DNA je charakteristický pro časný embryonální
vývoj (preimplatační u savců), kdy se přepisuje relativně největší počet strukturálních
genů.
Poruchy metylace DNA v dospělosti jsou často spojeny s nádorovou transformací buněk.
Jsou rovněž jednou z příčin či průvodních jevů stárnutí buněk a následně i tkání, orgánů a
organizmu, vč. častějšího výskytu nádorů
Uvedené změny transkripce mohou být dočasné nebo trvalé a přecházet i do dceřinných
buněk, případně i potomstva celých organizmů v případě, že proběhnou již v gametách
rodičů. Protože takto vyvolané změny vlastností nejsou provázeny změnou kódovacích
vlastností tripletů DNA, označují se jako změny epigenetické
Hlavními a specifickými, regulátory exprese genů eukaryot jsou však tzv. transkripční
faktory (TF, viz kap. …..).TF jsou bílkoviny vážící se na DNA regulačních oblastí genu.
Jejich prostorová (terciární) struktura zajišťuje vazbu na dvojšroubovici DNA a jsou
schopny i rozlišovat jednotlivé triplety DNA. TF mají některé skupinové strukturální rysy,
tzv. motivy.
Nejčastějšími motivy jsou:
(a) motiv zinkových prstů (atom zinku se váže na 4 protilehlé
aminokyseliny tak, že příslušný úsek peptidu je držen v prstovité podobě),
(b) motiv leucinového zipu
(c) motiv helix-závit-helix
(d) motiv helix-smyčka-helix (více v Molekulové biologii).
TF lze rozdělit do dvou skupin. První tvoří tzv.obecné TF, které jsou ve většině buněk a
podílí se na tzv. bazální a konstitutivní transkripci, která zajišťuje základní a tzv. provozní
(housekeeping) funkce společné všem buňkám (viz kap……).. Umožňují RNA
polymeráze II zahájit proces transkripce strukturálního genu, tj. DNA obsahující informaci
pro daný protein nebo RNA. Podskupina tzv. konstitutivních TF zvyšuje intenzitu
transkripce zahájené bazálními TF. Obecné TF jsou fylogeneticky vysoce konzervativní.
Druhou skupinou jsou speciální TF ( gene-specificTF), které ovlivňují transkripci pouze
genů specifických pro daný buněčný fenotyp. Tyto TF jsou indukovatelné signalizací z okolí
buněk. Působí často v komplexu s hormony, např. štítné žlázy, kůry nadledvin, gonád,
94
retinoidy aj.. Výsledkem je aktivace nebo změna intenzity transkripce příšlušného genu,
následovaná í specifickými změnami proteomu a tím i morfologie a funkce buněk. To je
podstatou diferenciace buněk za vývoje i v dospělosti (v obnovujících se populacích, např.
epiteliáních výstelek, kostní dřeni), adaptace buněk na funkční zátěž apod. (viz shora kap.
….a Fyziologie živočichů).
TF se váží na specifické nukleotidové sekvence v regulačních segmentech genu, zpravidla
jeho promotoru, např. tzv. TATA boxech aj. (viz níže). Na rozpoznávání příslušných
nukleotidových segmentů se podílí shora zmíněné motivy TF.
Výsledná transkripce genomu v daném buněčném fenotypu vyžaduje koordinovanou
spolupráci všech skupin TF.
Transkripci mohou TF ovlivňovat též rozvolňováním chromatinu a činit tak kódující
sekvence genů lépe dostupné transkribujícím molekulám.
.
TATA box (syn. Hognessův box) obsahuje sekvenci TATAAAA v úseku -26 až 34. Váže se na něj TFIID. TFIID ve spolupráci s dalšími
proteiny může rozeznávat i promotory bez TATA boxů (tzv. nulové promotory) a působit i despiralizaci nukleozomální vláken acetylací
histonů. Kromě TATA boxů, promotory vážící bazální TF obsahují i další sekvence/boxy (CAAT box – GGCCAATCT, vážící CTF/NF1,
GC box, tzv. oktamer se sekvencí ATTTGCAT, dále velmi důležitý tzv. startovací nukleotid A uvnitř úseku tvořeného pyrimidovými
basemi, označovaný též jako Inhr element. TF vážící se na tyto sekvence zajišťují bazální transkripci. Patří sem TFIID, TFIIA,
TFFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH, TFIIJ viz též translace- syntéza bílkovin). Promotory provozních genů mají odlišné TF vážící
nukleotidové sekvence (chybí TATA box a často CAAT box, mají více startovacích nukleotidů aj.).
Tzv. posilovači transkripce (syn. enhancers) a zeslabovači (silencers) jsou sekvence nukleotidů v DNA před nebo za příslušným
strukturním genem (tzv. down-stream a up-stream regulace transkripce). Jejich funkce vyžaduje navázání specifického transkripčního
faktoru (TF).Funkce se uskutečňuje tzv. kličkovým (loopingovým) mechanismem (vlásenkové překlopení komplexu enhancer-TF na
komplex promotor- RNA polymeráza II)
Genovou aktivitu mohou tlumit i některé malé molekuly RNA (microRNA). Tzv. small interference RNA) jsou např. krátké
dvoušroubovice RNA, které mohou se mohou vázat a štěpit molekuly mRNA, což vede k potlačení funkční projevů produktů
příslušného genu, viz kap. 3.3.4 micro RNA. Více v kurzu mol.biologie a Patobiologie živočišných buněk a tkání a
http://en.wikipedia.org/wiki/Small_interfering_RNA http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/gene/siRNA.htm
Viz též kap. … Pro podrobnějši výklad struktury a funkci TF viz učebnice genetiky
(http://biology.ujep.cz/vyuka/file.php/1/opory/Genetika.pdf) a biochemie.
4. POŠKOZENÍ, REPARACE A REGENERACE
BUNĚK, TKÁNÍ A ORGÁNŮ
4.1 Hlavní škodliviny a mechanizmy jejich působení
4.2 Obranné a reparční reakce
4.3 Regenerace buněk, tkání a orgánů. Kmenové buňky
4.4 Buněčná smrt, její formy, mechanizmy a význam
(obr. 44) Viz též výběrový kurz Patobiologie buněk a tkáni
4.1 Hlavní škodliviny a mechanismy jejich působení
Buňky i celé organizmy jsou trvale vystaveny mnoha škodlivým vlivům fyzikálním,
chemickým a biologickým ze zevního prostředí. Některé škodlivé látky se tvoří v průběhu
metabolizmu i v buňkách a organizmu samotném. Kritickou cílovou strukturou těchto
fyzikálních a chemických škodlivin jsou nejčastěji lipidy a bílkoviny, a to jak volné v cytozolu
tak v buněčných membránách, cytoskeletu. V jádře a mitochondriích jsou častým terčem
škodlivin i nukleové kyseliny.
Škodliviny mohou být povahy fyzikální (mechanické, teplo, chlad, elektromagnetické,
ionizující a ÚV záření, tlak vzduchu, mikro- a nanočástice ve vzduchu a vodě, vč.
cigaretového kouře aj.), chemické (některé kovy, kyseliny, louhy, těžké kovy, látky působící
silně oxidačně redukčně, deaminačně, alkylačně pod., viz níže ROS a kancerogeny,
95
bakteriální, rostlinné a živočišné jedy, změny pH, a pod.) nebo biologické (bakterie, viry,
viroidy, priony, viz níže např. v-onkogeny).
Mechanizmy působení těchto škodlivin v buňce jsou pestré a komplexní. Výsledkem je ale
ve většině případů poškození jedné nebo vícero skupin makromolekul, ex-- tj. lipidů, bílkovin a
nukleových kyselin buněčných organel.
Spektra molekulových a organelovových cílů/terčů (targets) škodlivin jsou různě široká ex-l.
Fyzikální vlivy (viz shora) a jednoduché chemické škodliviny (anorganické kyseliny a
zásady, těžké kovy a pod), působí denaturaci mnoha molekul, především bílkovin. Někeré
chemické jedy však vyřadí z funkce pouze jednu bílkovinu, např. enzym nebo strukturální
protein tím, že blokují její klíčové funkční skupiny (na př. aktivní centrum enzymu, vazné
místo receptoru, membránového přenašeče, viz kap. 3.2, nebo místo nezbytné pro
polymeraci strukturálních bílkovin, viz např. kap. 4 a 5 cytoskelet a buněčné dělení).
Poškození může být zasáhnout pouze jednu skupinu organel. V případě, že poškození je
rozsáhlé a neopravitelné buňka hyne cestou nekrózy nebo apoptózy (viz kap. 5).
Poškození DNA, které nebylo opraveno a nevedlo k eliminaci buňky apoptózou (viz kap. 5.10) může být příčinou vzniku nádoru. Cílené
poškození DNA nebo bílkovin cytoskeletu se využívá k léčebnému usmrcování nádorových buněk tzv. cytostatiky.
Narušení metabolických procesů, především přeměny energie, vede v buňce a tělních
tekutinách k hromadění kyselých metabolických zplodin, které narušují acidobazickou
rovnováhu a tím funkci enzymů a výpadku jimi katalyzovaných reakcí.
Častým a stále více aktuálním je poškozením molekul lipidů, bílkovin i DNA hyperoxidací.
Příčinou jsou endogenně vznikající tzv. volné kyslíkové radikály (ROS, Radical Oxygen
Species, především superoxid O2.- a hydroxylový radikál OH*. Oxidativně vysoce aktivní
radikály se mohou tvořit i z dalších fyziologicky se vyskytujících molekul, např. oxidu
dusnatého, sloužícího k intracelulární signalizaci
(viz kap.5), nebo membránových
fosfolipidů, ze kterých mohou vznikat lipoperoxidy, a to jako meziprodukt primárního
oxidačního poškození fosfolipidů. Zdrojem mohou být i některé cizorodé potravinové
doplňky či enviromentální chemické species.
ROSy jsou molekulární species kyslíku s neúplným počtem elektronů v zevním orbitu
atomu. K doplnění si „vytrhávají“ elektrony z okolních molekul, které tím ztrácí svou
původní funkci. Poškození membránových bílkovin a lipidů vede k poruše jejich funkcí
strukturálních, enzymatických, receptorových, transportních, adhezních aj., viz kap.5.1, 5.4).
Ztráta semipermeability vede k osmoticky podmíněné nadměrné hydrataci (edému, otoku)
až ruptuře buňky. Oxidační poškození lipidů se v buňce lavinovitě šíří autogenně se
tvořícími lipoperoxidy, které představují oxidační meziprodukty. Oxidační poškození DNA
vede k mutacím nebo smrti buňky. Více ve výběrovém kurzu Obecná patobiologie buněk a tkání.
ROSy vznikají v omezeném množství již fyziologicky, hlavně při transportu elektronů
v mitochondriích nebo při samovolném rozpadu peroxidu vodíku, tvořeného
v peroxizomech. Jsou však rychle inaktivovány (viz níže). V malých množstvích mají v
některých případech fyziologickou signalizační funkci.
Řízeným zvýšením tvorby reaktivních oxidačních radikálů (tzv. oxidační vzplanutím) zneškodňují i leukocyty
fagocytované bakterie (viz fyziologie živočichů)
Tvorba ROS se však nadprahově zvyšuje po působení některých zevních škodlivin,
především těch, které primárně naruší funkci mitochondrií, ve kterých se pak generují
ROSy ve zvýšené (viz shora). Příčinou je např. nedostatek kyslíku (hypoxie), hyperthermie,
působení některých jedů nebo ionizující záření. Tvorbu ROS mohou spustit též např. volné,
96
tj. nevázané na proteinový nosič, ionty Fe++
Patobiologie).
a Fe++++ (Fentonova reakce, viz kurz
Z endogenních škodlivin je dnes v popředí hromadění homocysteinu (H), molekuly vznikající při metabolické
přeměně aminokyseliny methioninu. H. je považován za jeden z rizikových faktorů vzniku kardiovaskulárních
chorob. Preventivně působí dostatečný přívod vitaminu kyseliny listové, která je koenzymem enzymu
přeměňujícího metylací H. zpět na metionin.
Funkci buněk může poškodit též hromadění některých látek (lipidů, bílkovin), jejichž metabolická přeměna
vázne. Výsledkem je útlak organel a degenerace až zánik buňky. Tyto stavy jsou časté při defektech
lysozomálních enzymů nebo abnormitách nově syntetizovaných bílkovin. Vedou k buněčnému a orgánovému
poškození např. jater, srdce, svalů, mozku aj. Střádání cholesterolu se podílí na vzniku aterosklerózy cév.
Poškození může způsobit i porucha metabolismu jednoduchých organických molekul, např. aminokyseliny
fenylalaninu nebo kyseliny glutamové v mozku. Více ve výběrovém kurzu Patobiologie živočišných buněk a
tkání
4.2 Obranné a reparační mechanismy poškozených buněk
Organizmus i jednotlivé buňky se mohou
mnoha způsoby.
bránit
škodlivým vlivům a jejich následkům
Celotělově se na odstraňování chemických škodlivých látek podílejí orgány se hydrofobní
látky přeměňují na hydrofilní a tím i lépe vylučitelnými z těla (viz níže např. konjugace s
kyselinou glukuronovou. Na vylučování škodlivých látek z organizmu se takto podílí
především játra a ledviny, ale i řada dalších orgánů (kůže, střevo, dýchací trakt a pod). Viz
předmět fyziologie živočichů
Na úrovni buněčné, chemické škodliviny mohou detoxifikovány oxidací nebo redukcí,
především v hl-ER (cytochromem P45O, viz kurz Obecné patobiologie) a peroxizomech
(viz kap. 4) nebo oxidací látkami v cytozolu obsahujícími SH-skupiny rozpuštěných,
tripeptidem glutathionem. Škodlivé látky mohou být též
vyloučeny z buňky pomocí
speciálních transportních mechanismů operujících na plazmatické membráně.
Zvýšení aktivity těchto membránových „exportérů“ je nežádoucí jev při léčbě některých onemocnění, především nádorů cytostatiky.
Ke komplexnějším a obecným obranným reakcím aktivovaným řadou různých škodlivin
patří zástava buněčného dělení (viz např. kap. 5.6.3, strážce genomu p53, aktivace enzymů
zajišťujících reparační syntézu DNA (viz níže) a syntéza tzv. bílkovin tepelného šoku (heat
shock proteins, viz níže). Poslední obrannou reakcí organizmu je eliminace neopravitelně
poškozené buňky aktivací molekul genů spouštějících a realizujících apoptózu (viz shora
a níže kap. 4…..).
Tvorbu shora popsaných ROS(ů) a dalších reaktivních oxidačních radikálů omezují v buňce
některé enzymy, např. kataláza v peroxizomech tím, že štěpí peroxid vodíku na vodu a
neškodný molekulární kyslík. Enzym superoxidismutáza v mitochondriích a cytozolu nebo
glutathionperoxidáza rozkládají peroxid vodíku na vodu a oxidovaný glutation, apod..
Shora uvedené enzymatické reakce totiž předcházejí spontánnímu, tzv. ne-enzymatickém rozpadu peroxidu
vodíku, který je katalyzován Fe++ (Fentonova reakce) a při kterém vznikají nebezpečné ROS(y). Více v
kurzu Obecná patobiologie živočišných buněk a tkání.
K zneškodnění již vytvořených reaktivních radikálů slouží v buňce molekuly, které je
mohou neutralizovat ("zhášet" či „zametat“) pohotovou nabídkou svých elektronů, aniž by se
samy staly pro buňku škodlivými. Mezi tyto "zhášeče" patří např. některé vitaminy C a E,
dále flavonoidy obsažené ve slupkách barevného ovoce a zelenině, jakož i látky obsahující
SH skupiny (metionin, cystein a tripeptid glutation). Bohatým zdrojem SH skupin je mléko a
mléčné výrobky.
97
Řada enzymatických detoxifikačních procesů je po zátěži buňky škodlivinou vystupňována
zvýšením transkripce genů kódujících příslušné enzymy. Jejich zvýšené aktivity nacházíme
v krvi a tkáních, např. chronických alkoholiků nebo uživatelů drog, ale i jako vedlejší
nežádoucí účinek některých léků.
Mezi důležité a fylogeneticky velmi staré reparační mechanismy poškozených bílkovin patří
jejich rekonfigurace (renaturace) pomocí speciálních bílkovin, chaperonů (původně proteiny
tepelného šoku, heat shock proteins, Hsp), objevených poprvé v bakteriích exponovaných
tepelnému šoku.
Hsp proteiny (syn. šokové bílkoviny, chaperony, chaperoniny, heat shock cognates – hsc, hs-příbuzné
bílkoviny) tvoří několik skupin, které se liší molekulovou vahou (Hsp 10-110kDa) i některými dalšími
vlastnostmi. Zvýšení jejich exprese je společnou odpovědí buněk na subletální poškození různými faktory,
např. zvýšení teploty, změnu pH a osmolarity, hypoxii, ionizující záření, cytostatika apod. Hsp typu chaperonů
se uplatňují v protekci proteinů před denaturací a při renaturaci poškozených bílkovin.
Některé chaperony se účastní na konformaci bílkovin i za fyziologických podmínek (např. Hsp 60 a 70 při
importu bílkovin z cytozolu do mitochondriální matrix, nebo nově syntetizovaných peptidů do cisteren hr-ER,
kdy molekula musí dočasně lineárně roztažena („roztavení“ prostorové organizace)a po průchodu membránou
opět vrácena do svého původního prostorového uspořádání.
Hsp 90 při receptorové signalizaci
nadledvinkových hormonů. Více viz předmět Molekulární biologie
Poškození molekuly DNA, způsobená např. zářením nebo chemickými látkami, mohou
opravit speciální enzymy cestou tzv. DNA repair syntézy. Endonukleázy a DNA glykozylázy
mohou tak např. nahradit jednotlivé poškozené nebo informačně pozměněné báze (base
excission repair). Větší nukleotidové segmenty (nucleotide excission repair), poškozené
např. UV světlem, mohou být nahrazeny pomocí DNA helikázy, DNA polymerázy a DNA
ligázy. Aktivace těchto enzymů je rovněž součástí shora zmíněné SOS reakce bakterií
vystavených tepelnému šoku. V případě, že oprava DNA nezdaří, organizmus jí eliminuje
spolu s celou buňkou formou apoptózy (viz 5.10). Tím se i zabrání propagaci mutace do
dceřiných buněk, které by mohly stát např. zdrojem nádoru (viz 5.10)
V případě, že se oprava poškozené bílkoviny nezdaří, její molekula může být cíleně
rozložena v proteazomech. Proteazomy jsou molekulární mikrobarely (15 nm dlouhé)
tvořené cca 28 bílkovinnými podjednotkami uspořádanými do několika věncovitě
uspořádaných molekul bílkovin, které mají peptidázovou aktivitu. Na každém konci takto
vytvořeného soudku- jádra proteazomu (proteasome core), je zátkovitý bílkovinný komplex
mající ATPázovou aktivitu. Tato zátka má schopnost rozpoznat poškozenou bílkovinu a
dopravit ji dovnitř shora popsaného barelu, kde dojde k jejímu rozložení. Rozpoznání
poškozené bílkoviny umožňuje její předchozí „označení“ krátkým peptidem ubiquitinem.
Ubiquitin (U) je fylogeneticky vysoce konzervativní protein skládající se pouze ze 76 aminokyselin. Mezi kvasinkou a
člověkem se U liší pouze ve 3 aminokyselinách. U patří do skupiny stressových proteinů. K proteolytickému rozkladu
označuje i nepoškozené bílkoviny, např. ty které buňka potřebuje pouze dočasně, např. cykliny, řídící buněčný cyklus (viz
kap. 5.6). Jeho vazba na příslušné proteiny se řídí určitými pravidly a vyžaduje součinnost dalších 3 bílkovin (E1-3) a ATP.
Proteiny určené k rozkladu jsou zpravidla označeny ne pouze jednou, ale polymerem vícero molekul ubiquitinu. Označení
pouze jednou molekulou ubiquitinu může mít jiný, zpravidla fyziologický regulační význam (změny transkripce genů
cestou přechodné ubiquitinizace histonů, regulace transportu látek endozomálně-lysozomálním systémem a pod). Více
v Molekulové biologii).
Rozklad peptidu v proteazomech bývá často neúplný úplný a peptidické zlomky (8-9 aminokyselin) jsou
využívány např. k tzv. prezentaci antigenu v imunitním systému. Jde např. o fragmenty bílkovin bakterií, virů
nebo nádorově transformovaných buněk presentovaných makrofágy lymfocytům. Více ve fyziologii,
mikrobiologii a molekulární biologii
98
Větší struktury, např. vlastní poškozené organely, jsou v buňce rozkládány lysozomálními
enzymy v autofagozomech. Nevratně poškozené buňky hynou a organizmus se jich zbavuje
fagocytózou (viz kap. 5.1 a 5.10)
Reparace biomembrán je možná cestou náhrady poškozených segmentů, tj. insercí nově
vytvořených membrán v Hl-ER, přenášených transportními váčky. Větší poškození PM
však vede často dříve k uhynu buňky v důsledku ztráty její semipermeability (viz kap. 5.10).
4.3 REGENERACE BUNĚK, TKÁNÍ A ORGÁNŮ. KMENOVÉ BUŇKY
4. 2. 1 Definice regenerace a její význam
Leccos se zahojí, ale nová vám ruka nenaroste (zatím)
Regenerace je proces, který vede k náhradě opotřebených či poškozených buněk, tkání
nebo orgánů. Proces obnovy trvale probíhá ve většině epiteliálních tkání (přirozená,
fyziologická regenerace). Vychází zpravidla z tzv. zárodečné (germinální) oblasti tkáně či
orgánu, která např. v plošných epitelech je v blízkosti bazální laminy (BL), která řídí
prostorovou orientaci (uspořádání) nově vznikajících dceřiných buněk.
BL brání např. prorůstání epitelových buněk do hlubších vrstev orgánů). Porucha této pozičně-informační
funkce bazální laminy je jednou z příčin tvorby tzv. metastáz u nádorových onemocnění.
4. 3. 2 Výskyt a formy regeneračních procesů.
Intensivní a celoživotně probíhá obnova buněk např. v populaci krevních elementů
v kostní dřeni, v zárodečném epitelu samčích gonád, ve střevních kryptách, epidermis,
apod. Regenerační schopnost je obecně vysoká u většiny bezobratlých. U suchozemských
živočichů, např. plazů, ptáků, savců, probíhá většinou jen tzv. zhojení (zacelení) rány.
Náhrada částí těla je možná však u ryb a ocasatých obojživelníků.
Hypertrofie a hyperplázie. Zvýšená proliferace buněk může být též odpovědí na zvýšené
funkční požadavky tkáně či orgánu. Výslednou změnu označujeme jako kompenzační
hyperplazie. Pokud je proces doprovázen i zvětšováním buněk, označujeme jej jako
kompenzační hypertrofii. Tyto procesy mohou kompenzovat např. ztrátu jednoho
z párových orgánů (např. ledviny).
Hypertrofie a hyperplázie hladké svaloviny ve stěně cév při vysokém krevním tlaku. vede k tvorbě lokálních
ztluštění, do kterých se ukládá cholesterol. Následné zhoršení průtoku krve vede k hypoxii buněk v cílové
oblasti (infarkt myokardu, mozkové mrtvice apod.).
V posledních letech bylo získání mnoho poznatků o tom, že proces regenerace vychází z
velmi nezralých, tj. nediferencovaných, buněk, které lze označit jako kmenové buňky
v širším slova smyslu. Podle toho, jak široké spektrum diferencovaných dceřiných buněk
se může z nich vytvořit, označují se jako pluripotentní, totipotentní, z nichž se mohou
diferencovat všechny typy buněk. Z tzv. determinovaných prekurzorových buněk se
mohou diferencovat již pouze některé typy buněk.
Jednou z důležitých vlastností kmenových buněk je schopnost tzv. asymetrického dělení
(jedna dceřiná buňka si ponechává vlastnosti mateřské kmenové buňky a druhá se začíná
již diferencovat-determinovat). Kmenová buňka si zachovává vysokou aktivitu enzymu
telomerázy, která se účastní replikace koncových částí chromozomů (viz též kap. 5.6).
Nejlepším příkladem omnipotentní buňky je zralé vajíčko. Tuto vlastnost si zachovají též
blastomery rýhujících se vajíček. Velký počet buněčných typů se může diferencovat i z tzv.
hematopoetických buněk kostní dřeně. Více ve speciálních předmětech.
99
Kmenové buňky jsou dnes předmětem intenzivního výzkumu. Mohou být pěstovány i v podmínkách mimo
organizmus v tzv. buněčných kulturách. Využívají se např. pro urychlení rozsáhlých popálenin kůže a pří
léčbě leukémií (tzv. transplantace kostní dřeně). Předmětem výzkumu je možnost náhrady svalových buněk
srdce poškozených infarktem, míšních buněk poškozených úrazy, mozkových buněk poškozených
degenerativními procesy apod.
Orgány na míru? Stále ale v nedohlednu
4. 4 BUNĚČNÁ SMRT, JEJÍ FORMY, MECHANIZMY A VÝZNAM
(obr. 45,46)
Úhyn buněk v živočišném organizmu je fyziologicky nezbytný pro udržování rovnováhy
počtu buněk v obnovujících se tkáních (epitely, krev, pojivové tkáně), odstraňování
neopravitelně poškozených chemickými, fyzikálním nebo biologickými škodlivinami (viz
níže). Odstraněny musí být z organizmu i nadbytečné buňky vytvořené v časných fázích
ontogeneze (viz níže morfogenetická úloha buněčné smrti). Úhyn buňky může proběhnout
buď procesem zvaným nekróza nebo apoptóza. Oba procesy jsou dnes podrobně
rozpracovány. Zde bude podán je velmi zkrácený přehled základních znaků a mechanizmů
těchto dějů.
R. I. P.
4. 4. 1 Nekróza
Nekróza je forma rychlého a neorganizovaného úhynu buňky. Dochází k němu po větším a
náhlém poškození buněčných organel a molekul, především plazmatické membrány.
Výsledkem je zástava oxidativní fosforylace, následná ztráta semipermeability plazmatické
membrány, neorganizovaný rozklad bílkovin, nukleových kyselin a dalších molekul
lysozomálními hydrolytickými enzymy. Kromě ztráty funkce těchto makromolekul, jejich
štěpy zvyšují osmotický tlak v buňce, v důsledku čehož dochází k její velké hydrataci,
edému, následované rupturou plazmatické membrány. Autokatalyticky rozložený obsah
buňky se vylévá do okolí buňky, kde vyvolává dráždivou zánětlivou reakci.
4. 4. 2 Apoptóza (programovaná smrt).
V případě poškození, které není tak masivní aby vyvolalo nekrózu buňky, na př. při
menším avšak neopravitelném poškození jaderné nebo mitochondriální DNA- (způsobené
např. malými dávkami ionizujícího záření, mitotických jedů vč. léků používaných k léčbě
nádorů, tzv. cytostatik, nebo volnými kyslíkovými radikály, které se tvoří ve velkém množství
např. při nedostatku kyslíku při orgánových infarktech apod.), -je rozvoj patologických změn
i proces buněčné smrti pomalejší a organizovanější. Proces se označuje jako apoptóza
(apo řecky: padati dolů-opadávání, koncovka …óza označuje proces analogický, i když
opačného významu, než mitóza). Synonymem širšího významu je programovaná smrt
(Programmed Cell Death, PCD).
Příčinou může být též stimulace specifických, tzv. Cell Death Receptorů na povrchu buněk
(viz níže zevní cesta apoptózy) nebo chybění fyziologických stimulů pro přežití buňky (viz
níže tzv. pasivní apoptóza). Tyto mechanizmy se významně uplatňují i za fyziologických
podmínek, především v průběhu časného vývoje organizmu při vytváření orgánových
základů a v některých orgánech i v dospělosti (viz níže)
Aktivace a průběh apoptózy.
Klíčovými molekulárními vykonavateli apoptózy jsou endopeptidázy zv. Caspázy (Cystein
ASPartÁZY-, vyslov kaspázy, s pořadovým číslem 1 až 9, u člověka 1 až 15). Jde o
fylogeneticky vysoce konzervativní proteiny, přítomné již u kvasinek a jednoduchých
bezobratlých, viz např. níže gen ced-3 u hlístice Coenorhabditis elegans.
100
Aktivace kaspáz spočívá v proteolytické aktivaci jejich neaktivních, tzv. zymogeních forem–
prokaspáz. Proces probíhá postupně, kaskádovitě. Prvním článkem kaskády je zpravidla
aktivace kaspázy-9 (viz níže tzv. vnitřní cesta) nebo kaspázy-8 (viz níže tzv. zevní cesta).
Konečným exekučním článkem kaskády je kaspáza-3, která nevratně štěpí makromolekuly
nezbytné pro život buňky, např. molekuly opravující poškozenou DNA (enzymy opravné
syntézu DNA - Poly (ADP-ribose) polymerázu, zkratka PARP, laminy jaderné blány, molekuly
cytoplazmatického cytoskeletu, a další). Štěpí rovněž chromatin na jednotlivé nukleozomy
nebo jejich násobky. Důsledkem toho se DNA elektro-foreticky rozděluje do vícero dobře
ohraničených proužků, čímž se vytváří v elektroforetogramu tzv. řebříček (DNA ladder),
jehož příčky odpovídají molekulární hmotnosti jednotlivých nukleozomů a jejich násobků,
což je jednou ze známek apoptózy.
Kaspáza-3 je podobná bílkovině kódované tzv. genem smrti hlístice Coenorhabditis
elegans (cell death gene, ced-3, viz níže) jejíž studium významně přispělo o objasnění
molekulárních mechanizmů apoptózy..
Morfologické a molekulární znaky apoptózy.
a. Kondenzace cytoplazmy a jádra, při zachování základních funkcí plazmatické
membrány a membránových organel v cytoplasmě, především. mitochondrií, jakožto zdroje
ATP nezbytného pro funkci kaspáz.
b. Akumulace kondenzovaného chromatinu u jaderné blány, která ztrácí pravidelnou
kontůru a jádro vytváří vícečetné laloky, lobuly.
c. Chromatin je štěpen do nukleozomálních segmentů (viz shora tzv. řebříček DNA
rozdělené elektroforézou).
d. Terminální rozpad buňky do malých fragmentů, tzv. apoptotických tělísek, která
obsahují nukleozomální fragmenty chromatinu obalené zbytky cytoplasmy a plazmatickou
membránou. Apoptotická tělíska jsou fagocytována okolními makrofágy. Fagocytózu
usnadňuje přesmyk fosfatidylserinu (FS) z vnitřního do zevním listu fosfolipidové
dvojvrstvy PM.
To lze prokázat vazbou fluorescentně označené bílkoviny zv. Annexin V, která se váže na FS, který je za
fyziologických okolností Annexinu nedostupný, neboť FS je na vnitřní straně PM.
Apoptóza, na rozdíl od nekrózy, je tedy řízený aktivní proces, který vyžaduje energii
(ATP), expresi specifických genů a aktivací kaskády enzymů, kaspáz (viz shora).
Apoptóza, na rozdíl od nekrózy, nevede k poškození tkáňového okolí uvolněním
lysozomálních enzymů, což nastává vždy v procesu nekrózy. Proto je apoptóza
označována též jako organizovaná či altruistická smrt buňky. Synonymem je rovněž
programovaná smrt, neboť vyžaduje aktivaci předem naprogramovaných, geneticky
kódovaných,signalizačních a exekutivních procesů Někdy je pro programovanou smrt
používán i ne zcela vhodný termín buněčná sebevražda.
Součástí apoptózy je i aktivace enzymu transglutaminázy, která způsobí „zesíťování“ bílkovin a tím
svrašťování buňky a jejich funkčnímu vyřazení
jejich “kondenzaci” vedoucí k
Proces apoptózy může být spuštěn tzv. vnitřní nebo vnější signální cestou.
(i) Vnitřní signální cesta
Tato cesta je aktivována nejčastěji poškozením jaderné DNA, hladkého endoplazmatického
retikula nebo mitochondrií. Kritickým společným krokem je vyplavení cytochromu c
z mitochondrií do cytozolu (viz níže).
101
Při poškození DNA se fosforylací současně aktivuje protein kódovaný genem p53 (viz
shora "strážce genomu", kap. 5.6), který tím získává schopnost vazby na DNA jako
transkripční faktor (viz kap. 5.7) a zastavuje buněčný cyklus. Pokud není poškození DNA
opraveno, spustí se proces apoptózy aktivací kaspázové kaskády.
Vyplavení cytochromu c z mitochondrií se děje přes tzv. mega mitochondriální kanály (permeability-transition
pores), které procházejí zevní i vnitřní mitochondriální membránou v místech, kde se obě membrány k sobě
těsně přikládají. Cytochrom c vytvoří komplex s cytosolickým proteinem Apaf-1 a ATP, tzv. apoptozóm, který
je aktivátorem kaspázy-9, která aktivuje kaskádu, na jejímž konci je exekuční kaspáza-3 (viz též shora).
Z poškozených mitochondrií se může uvolnit též molekula
AIP (Apoptosis
v intermembránovém prostoru), který po transportu do jádra spustí štěpení chromatinu.
Induction
Protein
lokalizovaný
fyziologicky
Mitochondrie mohou být poškozeny primárně např. kyslíkovými radikály, tvořícími se v nadměrném množství např. při hypoxii, radiací,
nebo vysokou koncentrací Ca++ uvolněných nadměrně z hladkého endoplazmatického retikula, nebo vstupem Ca++ u okolí buňky
např. po nadměrném otevření Ca++ iontových kanálů v plazmatické membráně (v mozku po hyperstimulaci glutamátových receptorů, více
ve Fyziologii).
Do doby aktivace kaspáz je proces vratný. Uvolnění cytochromu c
brání produkty
některých anti-apoptotických genů, např genu bcl-2 (viz shora). Opačně působí produkty
genů bax a bak. Viz též níže anti- a proapoptotické působení virů. Rozvoji apoptózy
zabraňují též látky blokující nadměrný influx Ca++ do poškozené buňky (viz též níže) a dále
ionty zinku.
Do skupiny látek inhibujících apoptózu patří též tzv." promotory" nádorové transformace
buněk (aktivátory protein kinázy C) tím, že podporují přežívání a další nekontrolované
množení mutovaných buněk. Dále, apoptózu blokuje baculovirům strukturálně blízká, a
fyziologicky se vyskytující bílkovina, zv. survivin
Survivin inhibuje apoptózu potlačením Fas receptorů na povrchu buňky (viz níže). Její nadměrný obsah v nádorových buňkách však
působí nežádoucně, neboť brání apoptóze vyvolávané buňkami imunitního systému v rámci sebeobrany organizmu (viz též shora kap….
c- a v-onkogeny a níže zevní aktivační cesta apoptózy přes TNF/Fas receptory, viz níže).
Potlačení apoptózy v některých orgánech je jednou z příčin nezhoubného zvětšení,
hypertrofie, některých orgánů ve stáří, např. prostaty u mužů, některých forem rakoviny prsu
apod.
Vnitřní cestu apoptózy mohou spustit i hydrolytické enzymy uvolněné částečnou permeabilizací lysozomů
(nikoliv masivní aktivací těchto organel) v důsledku nahromadění některých lipidů, tenzidů, nebo vlivem
reaktivních forem kyslíku. Uvolněné enzymy (katepsiny B,K,L,S) aktivují v cytozolu tzv. Bid protein, který
permeabilizuje zevní membránu mitochondrií. To vede k uvolnění cytochromu c a aktivaci kaspáz (viz shora).
(ii) Vnější apoptotická signální dráha
Tato dráha je spouštěna nejčastěji aktivací tzv. receptorů smrti na povrchu plazmatické
membrány. Tyto receptory patří do skupiny tzv. Tumor Necrosis Factor-alpha, která
zahrnuje rovněž tzv. Fas receptory (proto Fas/TNF receptory). Látky aktivující tyto
receptory se označují jako Fas ligandy (FasL, viz též níže TNF-alfa, TRAIL molekuly,
inferferony a další). Výsledkem je spuštění kazpázové kaskády, s klíčovou startovací
úlohou kaspázy-8, která aktivuje exekuční kaspázu-3.
Zkratka Fas pochází zřejmě z angl. apoptosis stimulated Fragment. TRAIL = Tumour Necrosis Factor-Related Apoptosis-Inducing Ligand
neboť v nádorech byl tento ligand poprvé objeven. Celé názvy se ale nepoužívají.
K vyvolání apoptózy vnější cestou může dojít z četných fyziologických a patologických
příčin. Tento mechanizmus je fyziologicky součástí morfogenetického utváření řady orgánů
a vyzrávání buněčných populací, především imunitních buněk, v časném vývoji
organizmu. Je součástí tíž specifické imunologické obrany organizmu v dospělosti (viz
následující odstavec).
102
Fyziologické morfogenetické funkce apoptózy-příklady
Segmentální apoptotický zánik buněk v základech končetin embrya vede např. k oddělení
základů jednotlivých prstů ruky a nohy.
Apoptóza vede fyziologicky k odpadnutí ocasu u pulců při metamorfóze. Spouštěčem je
hormon tyroxin, objevený českým fyziologem W. Laufbergerem začátkem 20. století.
Fyziologicky zevní apoptotickou cestou hynou nadpočetné motoneurony v míše zárodků
některých obratlovců. Hynou neurony, které „včas“nenavázaly kontakt se svalovými vlákny
v periferii. Příčinou je chybění signálů pro přežití („pasivní“ apoptóza).
Význam apoptózy ve vývoji specifické imunity.
Vnější cestou apoptózy jsou též fyziologicky eliminovány v embryonálním thymu tzv. zakázané klony T-lymfocytů, které by mohly
reagovat s bílkovinami vlastního organizmu a tím vyvolat poškození buněk a orgánů (více ve Fyziologii). Eliminaci spouští interakce
mezi tzv. školícími epiteliálním buňkami stromatu thymu (viz kap. 6.2) a povrchovými receptory embryonálních lymfocytů.
Apoptóza vs. některé patologické stavy
Chybění signálů „pro přežití“, v dospělosti vede k úhynu neuronů v mozku a vzniku stařecké demence a
degenerativních chorob mozku vč. Alzheimerovy nemoci. Chybějícím signálem je nedostatek peptidu zv.
Nerve Growth Factor.
Vnější signalizační apoptotická cesta se významně uplatňuje při eliminaci buněk obsahujících cizorodé bílkoviny, ať již virové, parazitární
nebo vlastní nádorově transformované bílkoviny buňkami imunitního systému.
Mezi významné aktivátory apoptózy patří TNF-alfa, peptid ze skupiny tzv. cytokinů produkovaných makrofágy. Jejich aktivaci působí
lymfocyty stimulované cizorodými molekulami- antigeny, vč. molekul nádorově transformovaných buněk. Jde o přirozený obranný
mechanizmus organizmu. Zevní apoptotickou dráhu spouští vazbou na receptory buněčné smrti v plazmatické membráně rovněž
intenzivně studované molekuly TRAIL , viz též shora.
Vyvoláním apoptózy zevní cestou usmrcují rovněž některé lymfocyty buňky infikované viry. Po přilnutí na infikovanou buňku vypustí
bílkovinu granzym B, který je endocytován infikovanou buňkou, ve které aktivuje kaspázy 7 a 3 a uvolní cytochrom C z mitochondrií,
více ve Fyziologii živočichů).
Buňky infikované viry, nebo obsahující cizorodé bílkoviny jiného původu, usmrcuje apoptoticky též interferon-gama produkovaný
imunitními buňkami.
Apoptózu buněk významně ovlivňují viry. Jejich antiapoptoticky působící bílkoviny prodlužují život hostitelské, virem napadené buňky a
tím prodlužují fázi svého intracelulárního množení (např. tzv. CmrA protein kravských neštovic a další. Vyšší aktivita antiapoptotického NS
faktor reguluje mj. též nebezpečnost chřipkových virů). Některé viry jsou schopny apoptózu i stimulovat, což jim usnadňuje šíření do
okolních zdravých buněk. V neposlední řádě, apoptotické kaspázy hostitelské buňky mohou samy působit protivirově tím, že štěpí
bílkoviny důležité pro replikační cyklus virů.
Jiné formy apoptózy
Vzácněji se vyskytuje apoptóza nezávislá na kaspázách. Výkonnou molekulou je flavoprotein, tzv. apoptózu
vyvolávající faktor a endonukleáza G.
Zvláštní formou programované buněčné smrti (tzv.PCD II, zkratka Programmed Cell Death) je cestou
autofagocytózy, tj. rozkladem poškozených organel vlastním lysozomálně-fagocytárním systémem. Klasická
shora popsaná apoptóza je označovaná jako PCD I. Existují i další méně časté formy PCD.
Geny života a smrti.
Mnoho obecně platných poznatků o apoptóze byla získána na modelu mikroskopické hlístice
Caenorhabditis elegans. Její časný zárodek je tvořen na začátku 1090 buňkami, z nichž 131 hyne
procesem apoptózy. Studium mutantů, u kterých byla tato redukce počtu buněk nadměrná nebo
naopak chyběla, bylo zjištěno, že proces apoptózy je spouštěn bílkovinou molekulou kódovanou
tzv. genem ced-3, tzv. genem buněčné smrti (cell death gene, ced-3), kódujícím bílkovinu
s proteázovou aktivitou, která spouští shora zmíněnou kaskádu kaspáz štěpících životně důležité
makromolekuly buňky (viz shora). Na tomto modelu byly rovněž zjištěny geny, jejichž produkty
působí antiapoptoticky- především gen ced 9 tzv. gen nesmrtelnosti. Jeho savčím ekvivalentem je
103
gen bcl-2, viz shora (geny ced-1,2,5,6,7,10 mají pravděpodobně funkce fagocytární, uklízecí, viz
shora).
What is C. elegans?
C. elegans is a nematode - a member of the phylum Nematoda ……. a phylum of smooth-skinned, unsegmented worms
with a 1 mm long cylindrical body shape tapered at the ends. ……t survives by feeding on microbes such as bacteria. It is of no
economic importance to man.
Why study C. elegans?
Between October, 1994 and January, 1995 73 scientific articles about this creature appeared in international science
journals. Why invest so much effort into the study of such an insignificant organism? The worm is conceived as a single
cell which undergoes a complex process of development, starting with embryonic cleavage, proceeding through
morphogenesis and growth to the adult. It has a nervous system with a 'brain' (the circumpharyngeal nerve ring). It exhibits
behavior and is even capable of rudimentary learning. It produces sperm and eggs, mates and reproduces. After
reproduction it gradually ages, loses vigor and finally dies. Embryogenesis, morphogenesis, development, nerve function,
behavior and aging, and how they are determined by genes: the list includes most of the fundamental mysteries of modern
biology. C. elegans …. is only 1 mm long and … is usually grown on petri plates seeded with bacteria. All 959 somatic
cells of its transparent body are visible with a microscope, and its average life span is a mere 2-3 weeks. Thus C. elegans
provides the researcher with the ideal compromise between complexity and tractability.
C. elegans project was initiated by the South African biologist Sydney Brenner…..C. elegans is a free-living nematode. There are two
sexes: a self-fertilizing hermaphrodite and a male. The adult essentially comprises a tube, the exterior cuticle, containing two smaller
tubes, the pharynx and gut, and the reproductive system. Most of the volume of the animal is taken up by the reproductive system. Of
the 959 somatic cells of the hermaphrodite some 300 are neurons. Neural structures include a battery of sense organs in the head which
mediate responses to taste, smell, temperature and touch - and although C. elegans has no eyes, it might respond slightly to light.
Among other neural structures is an anterior nerve ring with a ventral nerve cord running back down the body. (There is also a smaller
dorsal nerve cord.) There are 81 muscle cells. C. elegans moves by means of four longitudinal bands of muscle paired sub-dorsally and
sub-ventrally. Alternative flexing and relaxation generates dorsal-ventral waves along the body, propelling the animal along. The
development and function of this diploid organism is encoded by an estimated 17,800 distinct genes.
http://www.cbs.umn.edu/CGC/WhatisCe/wormintro.htm (kráceno VM).
Příčiny apoptózy. Spektrum škodlivin vyvolávajících apoptózu je obrovské a neustále se rozrůstá. Kromě již shora
zmíněných fyzikálních a chemických vlivů poškozujících DNA a biomembrány, především mitochondrie, apoptózu
může vyvolat hypertermie, ionizující a UV záření, virové infekce, autoimunitní reakce, ischémie, malnutrice,
glukokortikoidy, ethanol, hyperstimulace glutamátových receptorů v mozku, volné kyslíkové radikály, cytostatika a další.
Při některých onemocněních, např. infarktu myokardu nebo mozkové mrtvici, se vyskytuje jak nekrotická tal apoptotická smrt buněk. Ve
středu ložiska s maximálních hypoxií převládá nekróza, v širším okolí apoptóza
Requiescant
in Pacem
Addendum
Rest in peace
Ať odpočívaji v pokoji
Molekulárně Biologická Pohádka (pro 16+)
E-mail: [email protected]
+
++
Náměty: O hluchém receptoru, O neposedných fosfolipidech , O ucpaném kanálku (Cl-, K , Ca ), O cyklinovém budíku, O
strašidlech na buněčném hřbitově, o popravčí kaspazové četě, atd. Pošlete na [email protected]
Jednoho krásného dne šla malá DNA jako obvykle do školy. Ráno vstala, učesala si histony, starý taťka templát ji pomohl s taškou a říkal
jí: " Ne abys chodila do cytoplazmatického lesa, tam nesmíš ". Ten den se malá DNA ve škole učila polymerovat levé ruce, ty pravé už
uměla odmala. Levá ruka to byl problém, musela ji skládat z kousků jako puzzle a ne vždy se jí to povedlo. O přestávce zhltly něco
nukleotidů, které jim naservíroval starý školník Klenow. Jen co skončila škola začaly malé DNA pronásledovat přidrzlé RNA, které je od
rána zlobily štípáním mezi histony. V zápalu hry se dostala malá DNA až na pokraj cytoplazmatického lesa, když tu před sebou uviděla
jednu obzvlášť protivnou RNA rozběhla se za ní a nakopla jí přímo do ramene. S pocitem uspokojeni se DNA rozhlédla kolem a s úžasem
zjistila, že to tady vůbec nezná. Nechápala zákazy rodičů, proč se sem nesměla podívat, když je tu tak pěkně. K večeru dostala hlad a
řekla si, že se sem určitě zítra zase přijde podívat. Začala tedy hledat cestu zpět, ale nebyly tady číslované pravoúhlé ulice jako doma,
kde se nikdy neztratila. Když konečně došla na kraj cytoplazmatického lesa narazila na vysokou zeď, šla tedy podél zdi až našla bránu,
která byla zavřená. Zabušila na ni a čekala. V okně se objevil strážný Semipermeabil a zeptal se: " Kdo je tam? " " Tady malá DNA, co se
ztratila v lese " odpověděla DNA. " Kecáš a vypadni nebo na tebe pošlu kousavou nukleázu! "
Úplně se setmělo a DNA začala mít strach, zalezla tedy do jeskyně. U vchodu byl poustevník Golgi, slušně se ho zeptala, jestli může
dovnitř přespat. Řekl jí, že proti tomu nic nemá, ale že tady straší sladké strašidlo a každého, kdo se mu namane, toho strašlivě upatlá.
Unavená malá DNA si nastlala něco lipidů a rychle usnula. Ráno poděkovala poustevníkovi a vydala se opět k bráně. Vládl tam čilý
provoz. Ven utíkaly RNA všech možných druhů, dovnitř se na povozech zase vezly hromady nukleotidů a sem tam nějaký ten obr, který
div nezbořil bránu. Ze stínu cytoplazmatického lesa na malou DNA kdosi syčel. Za stromem stála dokulata zamotaná stuha a říkala : "
DNA, prosím tě vem mě sebou domů, já ti poradím, jak projdeš přes bránu, stačí, když si mě zapleteš do vlasů - jenom tři nukleotidy
vyštípnu a pak zase hned půjdu, nebudu ti nijak vadit, ještě stihneš ráno školu."
Malá DNA souhlasila." Musíš si dát pozor na toho zlého a strašného Semipermeabila stačí, když si otočíš rukávy naruby a nalepíš si na
mě kus listí co roste tamhle na tom stromu Ribosomu a když se tě bude Semipermeabil ptát tak mu řekni, že jseš Transkripční faktor, co
jde navštívit svou starou tetu DNA", poradila jí stuha. Když přešly přes bránu, bylo akorát za 10 minut osm a tak DNA běžela se stuhou
rovnou do školy. Stará, přísná a nekompromisní polymeráza měla zrovna dneska zkoušet polymeraci levé ruky. Když na ní došla řada a
začala vzpomínat, jak to včera bylo ve škole, zašeptala jí stuha: " Rozvaž mě já ti pomůžu." DNA začala polymerovat levou ruku a staré
polymeráze se to velmi líbilo. Dala malé DNA výborně a vyvolala další. DNA řekla stuze: " Tak už prestaň to už stačí!" , ale stuha
neposlechla. DNA se lekla, aby si nikdo nevšiml kdo jí pomohl, tak strčila ruku do tašky. Do konce školy chybělo jen pár minut, a tak si to
104
potom se stuhou vyřídí. Konečně zvonek. DNA chtěla dát svůj sešit do batohu, ale už se tam nevešel. Batoh byl plný stuh, rychle ho
zavřela a šla ven. U dveří stál starý dobrý školník Klenow. Co kdyby se mu svěřila. Vytáhla levou ruku z batohu, ze kterého vypadla jedna
stuha a mazala pryč. Školník Klenow spráskl ruce, zašlápl plazící se stuhu a běžel rychle volat 155. Za chvíli už bylo slyšet sirénu
přijízdějící sanitky, která naložila malou plačící DNA i s batohem a rychle se rozjela do nemocnice. Tam již čekaly sestřičky nukleázy a
chirurgický tým doktora Restriktora a začali hned operovat. Naštěstí toto je jen pohádka, a proto vše dobře dopadlo a malá DNA se
uzdravila. Doma jí taťka templát pohrozil, že jestli ještě jednou půjde do cytoplazmatického lesa, dostane výprask pyrofosfátem. Ve
skutečnosti byl moc rád, že je malá DNA zase doma. A jestli je nikdo neosekvenoval, žijí na pokraji cytoplazmatického lesa dodnes.
Pohádka o DNA a nukleasách (Martin Hassman, biochemické pohádky) http://www.met.cz/tvorba/pohadky/dna-a-nukleasy/
Za jednou buněčnou stěnou a cytoplasmatickou membránou, v jedné gramnegativní bakterii žila, byla, replikovala se jedna Deoxyribonukleová
kyselina. Z žití, bytí a replikování ji nejvíce bavilo replikování. To přišla RNA-polymerasa, holka jedna ureplikovaná. Poklepala lehce na DNA, ta jí
nabídla své rámě a začaly replikovat. Všechno se zdálo být v pořádku, až se holky najednou nějak nepohodly, pohádaly, vjely si do vlasů, RNApolymerasa si sebrala fidlátka a odbrownovala si to replikovat někam jinam. DNA bylo smutno. "Co si jen počnu," naříkala rozreplikovaná, "kdo mne
doreplikuje?"
Sotva na to pomyslela, jak už to v pohádkách bývá, kde se vzala, tu se vzala DNA-polymerasa a postavila se rychle do pozoru, až se jí rozcuchaly alfahelixy. Rychle je učísla svými beta-hřebeny, představila se a dala se do replikování. Vlastně doreplikování. A tak si holky spolu replikovaly, replikovaly
a replikovaly, rep... až...... Konečně. "Hotovo!" prohlásila pyšně DNA-polymerasa.
"To bylo krásné," povzdechla si DNA, "cítím se teď tak nějak dvojnásob šťastná."
"Já jsem se tou prací musela opít, vidím tě totiž jaksi dvakrát," vzdychla DNA-polymerasa, "ale to se mi stává po každé dobře vykonané práci."
"Teď ale už musím jít."
"Počkej, to už se neuvidíme?" dvojhlasně zaznělo.
"Vydrž do dalšího dělení, pak snad. ALE PAMATUJ! Dávej pozor na nukleasy. Potvory jedny darebný. Jsou ze všech nejhorší a vlezou všude. Ale
znám starého inhibitora a ten je chytá." ….atd viz adresa shora Zkuste te napsat tu svou (aspoň pro 6+ let)
105
5 ORGANIZACE BUNĚK DO TKÁNÍ, ORGÁNŮ
A ORGÁNOVÝCH SYSTÉMŮ
5.1
Buněčná složka a extracelulární matrix. .
5.2
Základní typy živočišných tkání a jejich charakteristiky
5.2.1 Epitely
5.2.2 Pojiva
5..2.3 Svalová tkáň
5.2.4 Nervová tkáň
5.1 Buňky a extracelulární matrix
Živočišné organizmy, s výjimkou jednobuněčných a nejjednodušších vícebuněčných, jsou
tvořeny orgány a orgánovými systémy. Orgány sestávají z různých druhů tkání.
Tkáně jsou soubory morfologicky a funkčně podobných buněk a jejich derivátů. Vývoj
tkáně v průběhu ontogenetického vývoje se nazývá histogeneze, vývoj orgánů,
organogeneze.
Každá tkáň se skládá z buněk a mezibuněčné (mimobuněčné) hmoty (extracelulární matrix,
EXCM), kterou buňky syntetizují a secernují do svého okolí.
Ve všech tkáních, s výjimkou krve, jsou buňky mezi sebou, a často i s EXCM- viz níže
např. epitely, spojeny mezibuněčnými spoji a speciálními adhezními molekulami (viz kap.
2.3).
Buněčná složka je nositelem hlavních funkčních vlastností tkáně, a to buď přímo (epitely,
svalová, nervová tkáň) nebo tím, že buňky syntetizují EXCM, která dává tkáni další
specifické fyzikální a chemické vlastnosti (viz níže např. pojiva).
Spektrum buněk v jednotlivých tkáních je různě široké a bude uvedeno při výkladu
jednotlivých typů tkáně. V diferencovaném stavu, se buňky v jednotlivých typech tkání liší
svým vzájemným a prostorovým uspořádáním, morfologií, počtem, metabolickými a
funkčními vlastnostmi. Důležitým znakem tkáňové příslušnosti buněk je chemické složení
středních filament jejich cytoskeletu (viz kap. 2.4 i níže). Jsou však i rozdíly ve složení a
obsahu dalších bílkovin, případně jejich isoforem, podílejících se na specifických funkcích
jednotlivých buněk a tkání.
EXCM různých tkání se liší svou funkcí, množstvím i složením. Nejméně je zastoupena
v epitelech, svalové a nervové tkáni. Nejvíce v pojivech, kde určuje jejich fyzikální vlastnosti
tkání (pružnost, pevnost, turgor). Ve většině tkání má však EXCM je i zdrojem signálů,
které přes receptory v plazmatické membráně (viz např. integriny v kap. 4.1) ovlivňují
metabolismus, dělení, migraci a diferenciaci buněčné složky (viz kap. 5.10). EXCM
představuje i molekulární filtr pro přísun plynů a živin a odvod metabolických zplodin.
Přibývá poznatků rovněž o informační úloze EXCM. To je dobře patrné v tkáních
epiteliálních, ve kterých EXCM tvoří tzv. lamina basalis, která představuje nejen
molekulární oporu, ale též informaci o prostorovém uspořádání (organizaci) buněk tj.
usměrňuje migraci dceřinných buněk k povrchu tkáně (sliznic) při fyziologické obnově i
regeneraci po poškození.
106
Společným rysem EXCM různých tkání je její vzhled ve světelném mikroskopu, kde lze
rozlišit tzv. část amorfní a fibrilární. Podíl obou komponent EXCM v různých tkáních se
liší a liší se do jisté míry i jejich chemickým složením. Nicméně, existují i následující
společné vlastnosti.
Amorfní část (pars amorpha) EXCM obsahuje vodou, ionty, v některých případech i
anorganické soli a minerály (hydroxyapatit v kostní tkáni), tzv. nekolagenní bílkoviny a
polysacharidy – glykosylaminoglykany (GLG, dříve kyselé mukopolysacharidy), které se
váží na molekuly bílkovin a tvoří velké komplexy proteoglykanů (PGL).
GAG (dříve kyselé mukoproteiny, mukopolysacharidy nebo aminopolysacharidy) jsou
lineárně uspořádané řetězce, ve kterých se pravidelně střídají N-acetylované aminocukry a
jejich alduronové kyseliny (syn. uronové kyseliny), spojené vazbami beta-1,4 a beta-1,3.
Aminocukry jsou často sulfatovány. Anionické sulfátové a karboxylové skupiny
sacharidových reziduí přitahují sodíkové kationty, které jsou silně hydratovány. Důsledkem
je zvýšený turgor EXCM, který dodává tkáni pružnost a tlakovou odolnost, vč. absorbce
mechanické energie (viz funkce chrupavky v kloubech).
Hlavní skupiny GAG, představuje kyselina hyaluronová, chondroitin sulfáty A, B, C,
dermatan sulfát a heparansulfát. U hmyzu se vyskytuje poly-N-acetylglukosamin (chitin)
v exoskeletu.
Kyselina hyaluronová (KH, syn. hyaluronát, hyaluronan) je polymer zhruba 50 000
disacharidových residuí tvořených N-acetyl-D-glukozaminu a kyseliny glukuronové.
Vyskytuje téměř ve všech typech PT. Je vysoce hydrofilní a váže velký počet molekul
vody. Objem hydratovaného polymeru HA je několika tisíckrát větší než samotné KH).
Komplex je silně viskózní a transparentní (uplatňuje se na např. v synoviálně tekutině jako
tzv. kloubní maz, nebo hmotu ve sklivci oka). KH snižuje adhesivní vlastnosti buněk a je
proto hojná na povrchu migrujících buněk ve vyvvíjejích sse tkáních a orgánech, ve kterých
se váže na specifický porvchový receptor těchto buněk (tzv. CD44 receptor, CD = Cell
Differentiation antigen)
Chondrotin sulfát (polymer N-acetyl-delta-galaktosaminu a delta-glukuronové kyselina) je
zastoupen hlavně v chrupavce, kosti, stěně velkých cév. Jeho izomerní formu představuje
dermatalsulfát, který je obsažen v dermis, šlachách, srdečních chlopních.
Keratansulfát (polymer N-acetyl-delta-galaktosaminu a delta galaktózy) se vyskytuje
v rohovce, chrupavce a meziobratlových ploténkách. Heparansulfát (v podobě perlecanu,
viz níže) je častou složkou bazální laminy.
Většina GAG se váže „kolmo“ na tzv. osový či centrální protein protein a vytváří větší
komplexy označované jako proteoglykany . Vyskytují v mnoho obměnách (aggrecan,
syndecany, betaglykan, decorin, perlecan, serglycin- viz níže).
Molekuly proteoglykanů se často dále váží na molekulu kyseliny hyaluronové (přes malé
spojovací proteiny) a vytváří obrovské supramolekulární komplexy viditelné již
v elektronovém mikroskopu, připomínající větvičky jehličnanu, či kartáče. V jednom
takovém komplexu může být zastoupeno vícero typů GAG. Viz obr. 47.
Molekuly proteoglykanů lze klasifikovat podle jejich velikosti a tkáňové výskytu. Mezi tzv. velké, patří
aggrekany vyskytující se v chrupavce. Mezi malé proteoglykany patří řada molekul s triviálními názvy
(biglykany, dekoriny, perlekan, brevikan, neurokan, cerebroglykan, syndekany a další).
107
Některé GAG a PGL zůstávají uvnitř buňky jako součást sekrečních váčků (serglycin), kde slouží k organizaci jiných
sekretovaných molekul. V jiných případech, jsou součástí plazmatické membrány (syndecany) a spolu s integriny fungují
jako receptory pro kolagen, fibronektin a další proteiny EXCM. Váží též tzv. růstové faktory, které stimulují dělení
buněk. Např. syndecany (heparansulfáty) váží Fibroblastový růstový faktor (FGF) a „presentují“ jej receptorům
v plazmatické membráně okolních buněk. Tzv. betaglycan se podobně účastní na signalizační funkci tzv.
Transformačního růstového faktoru-beta (TGF-beta, viz též růstové faktory v kapitole o regulaci buněčného cyklu).
Podrobněji ve speciální literatuře, např. Alberts, Základy buněčné biologie nebo Molecular Biology of the Cell, viz
doporučená literatura)
Fibrilární složka (pars fibrillaris) EXCM je tvořena kolagenními, elastickými a
retikulárními vlákny a skupinou tzv. nekolagenních bílkovin, které mohou mít monomerní
nebo polymerní fibrilání formu (fibronektin).
Kolagenní vlákna jsou tvořena glykoproteinem kolagenem, která několik isoforem (IXVIII), s vysokým obsahem glycinu, prolinu a hydroxyprolinu. Jednotlivé isoformy se liší
primární strukturou, stupněm hydroxylace a glykozylace. Kolagen je z buněk vylučován
jako prekurzorová molekula, protokolagen, který je upravován extracelulárně (hydroxylace
prolinu a lysinu, glykosylace hydroxylysinu, cástečná proteolýza-odštěpení konvových
segmentů) a tvoří se z něj postupně polymerací protofibrily a mikrofibrily, fibrily a typická
kolagenní vlákna a jejich svazky, které vidíme v mikroskopických preparátech po použití
specifických barvících postupů. V mikrofibrilách se molekuly uspořádány tak, že se
překrývají vždy jen o 1/4 délky, čímž vzniká příčné pruhování o periodicitě 60-70 nm.
Kolagenní vlákna mají vysokou pevnost. Zvláštní typ kolagenu tvoří i retikulární vlákna,
která tvoří jemné sítě, které jsou nosným stromatem pro buňky.
Jednotlivých typy tkání obsahují různé isoformy kolagenu. Např. kolagen I ve vazivech, II
v chrupavce, IV a XVIII v bazální lamině, VII v pod vícevrstevnými rohovějícími epitely
apod..
Elastická vlána jsou tvořena glykoproteinem elastinem, který obsahuje aminokyseliny glycin
a desmozin a isodesmozin. Vlákna mají vinutou podobu a elastické vlastnosti.
Fibronektin se receptorově váže na integriny plazmatické membrány, především fibroblastů
ve vazivech a na kolagenní vlákna EXCM. Integriny se v buňce spojují s aktinovými
mikrofilamenty a tím tvoří EXCM a buňka morfologický a funkční vazebný komplex, který
může dynamicky reagovat na aktuální potřeby buněk a tkáně. Vazba fibronektinu se
uskutečňuje v tom místě molekuly, která obsahuje tripeptidické sekvence tvořené
argininem-glycinem-aspartovou kyselinou (tzv. RGD sekvence). Analogicky,
chondronektin (váže chondrocyty ke kolagenu v chrupavce).
Významnou další bílkovinou EXCM je laminin, který má rovněž schopnost vázat se jak na
buňky tak i kolagenní vlákna. Váže především epiteliální buňky k lamina basalis (viz níže).
5. 2 Základní typy živočišných tkánía jejich charakteristika
Tkáně: (i) Epitelové
(ii) Pojivové
(iii) Svalové
(iv) Nervová
5. 2.1 EPITELOVÉ TKÁNĚ (ET)
(obr. 47, 48, histol. příloha A-I, P,Q, Z3)
ET vznikají za vývoje ze všech 3 embryonálních listů. Mají málo extracelulární matrix a s
výjimkou epitelu retikulárního, buňky k sobě těsně přiléhají většinou svého povrchu.
Jedním svým pólem, tzv. basálním, jsou buňky připojeny k tenké vrstvičce speciální
mezibuněčné hmoty tv. bazální lamina (BL). Tvar buněk v různých typech epitelů může
být dlaždicový, kubický, cylindrický až polyedrický, výjimečně hvězdicovitý. Tvar a počet
108
vrstev buněk , spolu s jejich ukotvením v bazální lamině, jsou jedním z kriterií morfologické
klasifikace epitelů, především plošných (viz níže). Ve většině případů mají epitelové buňky
mají relativně hojnou cytoplasmu a jsou morfologicky a funkčně polarizovány (viz níže).
Střední filamenta jsou tvořena cytokeratiny (viz kap. 4.2). V ET chybí cévy (viz níže
výměna látek v ET)
Cytokeratiny se vyskytují v řadě isoforem (viz kap. 4.2), kterými se buňky mohou lišit jak v různých typech
epiteliálních tkání či orgánů. Mění se též i v průběhu diferenciace v rámci jednoho typu tkáně, např. v procesu
diferenciace a keratinizace ve vícevrstevných epitelech, např. epidermis.
Stavba a funkce BL. BL je 100-200 nm silná vrstva mezibuněčné hmoty. Je viditelná pouze
v elektronovém mikroskopu. BL slouží jako molekulární síto pro látky difundující z cév
v přilehlé vrstvě vaziva (např. podslizničního vaziva). BL slouží rovněž jako funkční a
signalizační opora epitelových buněk, která zajišťuje správné prostorové začleňování
dceřiných buněk při fyziologické obnově a hojení tkáně po poškození.
Elektron mikroskopicky lze v BL rozlišit 3 podvrstvy: tmavší střední-lamina densa a 2
světlejší-laminae rarae (syn. laminae lucidae, --ae, koncovky v množ.čísle). Chemicky je
BL tvořena nevláknitým kolagenem typu IV (více ve střední lamina densa), glykoproteinem
lamininem (hlavně v zevní lamina rara mezi PM epiteliálních buněk a lamina densa),
fibronektinem (ve vnitřní lamina rara), který váže BL k podkladovému vazivu nebo lamina
fibroreticularis a proteoglykanem heparansulfátem (viz tníže EXCM).
BL se vyskytuje i pod endotheliemi vlásečnic, kolem buněk hladké svalové tkáně, kosterních svalů, adipocytů a
Schwanových buněk v periferních nervech. BL spolu s lamina fibroreticularis tvoří tzv. bazální membránu, která je silnější
(0.ř až 1 um) a kterou lze vidět již ve světelném mikroskopu po speciálním barvení (tzv. PAS reakce a některé
impregnace)
Polarizace epiteliálních buněk. Jak již uvedeno shora , basální pól buněk je přivrácen k BL,
opačný pól, tzv. apikální, směřuje často do orgánových nebo tělních dutin, či cévního
lumen.
Morfologicky, na apikálním pólu mohou být např. mikroklky (kartáčový lem) nebo řasinky,
cilie. U apikálního pólu jsou buňky mezi sebou spojeny těsnými spoji (tight junctions) a
pásovými desmozomy (viz shora, mezibuněčná spojení, kap. 4.1). Na bazálním pólu
některých epitelů tvoří plazmatická membrána často četné invaginace. Mechanickou
soudržnost epiteliálních mezi sebou buněk a s BL zajišťují četné bodové desmozomy a
hemidesmozomy (viz kap. 4.1).
Buněčné póly mají rovněž svá molekulární specifika. Na apikálním pólu např. střevního
epitelu jsou v PM enzymy štěpící některé molekuly potravy (např. disacharidázy) a
přenašeči jejich štěpů (monosacharidy, aminokyseliny apod.) do nitra buněk. Na bazálním
pólu bývají jiné typy transportérů látek (viz kap. 5.1). V myoepiteliu jsou pak zde
kontraktilní myofilamenta (viz též níže). Molekuly PM integrinového typu (viz kap. ….) na
bazálním pólu epiteliálních buněk jsou spojeny s molekulami bazální laminy (viz
membránový cytoskelet, kap. 4.2).
Morfologická klasifikace ET:
(a) E. plošné
(b) E. „trámčité“ (varianta plošných)
(c) E. retikulární, rozvlákněné
Nejrozšířenější skupinou jsou epitely plošné. Plní funkce krycí, žlazové a resobční (sliznice
dutých orgánů, epidermis, výstelky tělních dutin, endothel, tubuly ledvin aj.). Do této skupiny
109
by bylo možno de facto řadit i epitely trámčité ((játra, žlázy s vnitřní sekrecí aj.), neboť
trámčitý vzhled viditelný ve světelném mikroskopu je v prostorovém pohledu dán řezy
quasi paralelně probíhajících listů buněk, oddělených BL a vmezeřenými kapilárami. Pro
epitel zárodečný a jeho deriváty viz kap. 7.2., gametogeneza. Epitel retikulární má
omezaný výskyt (stroma thymu, mízních uzlin, zubní pulpa)
Morfologické členění a výskyt plošných epitelů:
I. E. jednovrstevné:
a) dlaždicový, syn. squamosní (plicní sklípky, Henleova klička, serosní obaly orgánů
a blanité výstelky tělních dutin=mesothel, endothel cév aj.)
b) kubický (tubuly ledvin, tyreoidea, plexus chorioideus)
c) cylindrický, děloha, vývody žláz s žíhaným lemem, sliznice dolního zažívacího
traktu, vláskové bb. v Cortiho orgánu vnitřního ucha)
II. E. víceřadé (všechny buňky jsou v přímém kontaktu s basální laminou):
a) cylindrický s řasinkami (horní respirační trakt, vejcovod)
a)
přechodný: V hloubce malé, na povrchu 2-3 větší nepravidelné větší buňky,
např. v močových cestách
III. E. vícevrstevné (název je specifikován vlastnostmi povrchní vrstvy):
a) dlaždicový rohovějící (epidermis)
b)
dlaždicový nerohovějící (ústní sliznice,jícen, pochva, žalud penisu)
c) cylindrický, málo často se vyskytuje (část spojivky, epiglotis, nosohltanu)
Funkční klasifikace ET:
a) krycí, b) žlázový, c) resorpční, d) zárodečný, e) smyslový,
f) myoepitel, g) pigmentový, h) „školící“ V myoepiteliu jsou pak zde kontraktilní
myofilamenta (nezmar, mléčná žláza savců, duhovka oka
Ad a) E. krycí tvoří pokrávají slizniční povrchy vnitřních orgánů a povrch těla (viz shora)
Ad b) E. žlazový tvoří žlázy s vniřní sekrecí (E. trámčitý) a žlázy se zevní sekrecí
Typy žlaz se zevní sekrecí
I. Jednobuněčné (pohárkové buňky zažívacího a dýchacího traktu, sekrece
hlenu, mucinu)
II. Vícebuněčné:
a)Tubulární: Jednoduché a větvené (zažívací trakt), stočené (potní žlázy)
b) Acinární: Jednoduché (např. jedové žlázy), větvené (mazové žlázy),
složené (slinné žlázy)
c) Tuboacinární (např. pankreatické žlázy, slzné žlázy,mléčná žláza)
/Pozn. Sekret je obvykle vylučován vyprázdněním sekrečních váčků, exocytózou, při které membrána
váčku splyne s plazmatickou membránou. Jde o tzv. sekreci merokrinní, např. ve slinných žlázách,
zažívacím traktu a pod, viz obr. 48 C. V některých případech do sekretu odchází celý apikální pól
epithelové buňky (sekrece apokrinní, např. v mléčné žláze). Buňka se též může zcela naplnit sekretem
a celá uvolnit do sekretu (sekrece holokrinní, např. v mazových žlázách kůže).
110
Při sekreci exokrinní je sekret vylučován do vývodů ústících na povrch sliznic nebo kůže. Při sekreci
endokrinní je sekret vylučován do krve. Při sekreci parakrinní do mezibuněčného prostoru v okolí
buňky. Jako sekreci autokrinní označujeme proces, kdy sekret vyloučený z buňky působí zpětně na
receptory buňky, ze které sekret pochází.
Ad e) smyslový tvoří sensorickou část smyslů (sítnice, čichový epitel, vláskové
buňky audio-vestibulárního aparátu, chuťových pohárků)
Ad f) myoepitel V myoepitelu jsou na bazálním pólu kontraktilní myofilamenta (nezmar,
mléčná žláza savců, duhovka oka)
Ad g) E. pigmentový obsahuje četná mezaninová granula, absorbující světlo, např.
pod retinou oka
Ad h) „školící“ je retikulárního typu, např. stromatu thymu. Řídí zrání T-lymfocytů a
eliminaci klonů rozpoznávající tělu vlastní antigeny (více ve Fyziologii)
V případě sekundárního „natěsnání „ buněk, hovoříme o jejich epiteloidním (t. nepravém epitelovém)
uspořádání (oontoblasty, osteoblasty).
5. 2. 2 POJIVOVÉ TKÁNĚ (PT)
(Obr. 47, histologická příloha J-V)
PT vznikají z mesenchymu ze středního (mesodermálního) zárodečného listu. Proto jsou
též označovány jako tkáně mezenchymálního původu. Mesenchym je tvořen síťovitě
uspořádanými buňkami, mezi kterými je hojná mezibuněčná hmota (syn. extracelulární
matrix, EXCM). V průběhu ontogenetického vývoje mezenchymální buňky se diferencují
v několik buněčných typů, které jsou pak hlavními buňkami základních skupin PT (viz
níže).
Základní tkáňový strukturální vzorec mesenchymu, byť v některých případech značně
modifikovaný, zůstává zachován i v diferencovaných PT. Mají volně, síťovitě nebo
skupinově uspořádané buňky, mezi kterými je hojná mezibuněčná hmota. Střední
filamenta většiny buněk PT obsahují bílkovinu vimentin (viz kap.4.2).
PT plní řadu funkcí. Některé jsou součástí výstelek tělních dutin (vazivová složka poplicnice,
pobřišnice, mozkových plen apod.), vyplňují nebo spojují mezi sebou jiné tkáně (svazků
nervových a svalových vláken), slouží jako pevné opory těla nebo jeho jednotlivých jeho
částí (chrupavky a kosti), tvoří spoje (šlachy, kloubní pouzdra a vazy apod.) a pevnější
obaly (fascie, serózy) vnitřních orgánů, uskladňují lipidy látky, rozpoznávají, zneškodňují,
pohlcují cizorodé látky a částice (krevní buňky a jejich tkáňové deriváty) apod. (viz níže
jednotlivé typy PT).
Buňky PT lze s jistými omezeními dělit na tzv. stálé a bloudivé. Stále buňky jsou v tkáni
trvale přítomny a odpovídají za tvorbu většiny EXCM. Dle typu PT (viz níže) jsou to
fibrocyty, chondrocyty, osteocyty, ev. s příponou -blasty, adipocyty, histiocyty (usedlé
makrofágy), žírné buňky a nediferencované mesenchymální buňky. Skupinu buněk
přechodně přítomných, bloudivých, tvoří lymfocyty, plazmatické buňky, granulocyty a
monocyty, migrující do tkáně z krve. Stále buňky syntetizují a sekretují molekuly EXCM do
svého okolí. Počet bloudivých buněk se zvyšuje po lokálním dráždění tkáně mechanicky,
infekcí nebo některými chemickými látkami.
111
EXCM dává jednotlivým typům PT specifické fyzikální a chemické vlastnosti (viz níže). Její
chemické složení je uvedeno na začátku kapitoly. Určujícím je relativní objem, chemické
složení a molekulární a supramolekulární organizace jednotlivých složek EXCM (viz
shora).
Dělení PT dle konsistence extracelulární matrix (EXCM):
a)
polotuhá
b) tuhá
c) tekutá
Funkční členění PT:
I.
Pojiva „pravá“, nebo-li vaziva mechanicky spojují kosti a svaly, též různé
buněčné komponenty orgánech, tvoří obaly orgánů a výstelky tělních dutin, poskytují
mechanickou oporu některým orgánům. Kromě těchto mechanických funkcí mají některé
typy pojiv i funkce střádací, váží vodu a účastní se obranných imunitních reakcí (zánět).
Tento typ vaziv je bohatý na buňky a EXCM má řidší konsistenci v důsledku převahy
amorfní, zpravidla vysoce hydratovanou složky. Vaziva s mechanickými funkcemi mají
méně buněk a v ECXM hustě organizovaně uspořádanou fibrilární složku, podle které se
dělí do několika skupin (viz níže). Vaziva mají cévní zásobení a značnou schopnost
regenerace. Nahrazují jizvou poškozené neregenerující tkáně (např. myokardu a kosterních
svalů, i větší defekty epidermis).
Vaziva lze dále členit do následujících podskupin.
a) Vazivo rosolovité (v pupečníku, pulpě dočasných zubů a duhovce)
b) Vaziva řídká, syn.areolární:
ba) embryonální – mezenchymálního typu
bb) kolagenní, syn. fibrilární, (výstelky tělních dutin, obaly orgánů, mezi
svalovými a nervovými vlákny, vazivové vrstvy sliznic aj.). Kromě
funkcí mechanických má i funkce střádací a fagocytární. Vlákna
jsou převážně kolagenní s příměsí elastických a retikulárních.
Buněčná složka je tvořena převážně fibroblasty, makrofágy a
bloudivými buňkami.
bc) retikulární (stroma kostní dřeně lymfatických uzlin, sleziny). Je
tvořeno málo diferencovanými retikulárními buňkami
mezenchymálního typu a retikulárními vláky.
c ) Hustá ( tuhá):
ca) nepravidelná (škára, skléra oka, vazivové obaly orgánů, okostice,
ochrustavice), tvořená plstí nepravidelně uspořádaných
kolagenních vláken, mezi kterými jsou nečetné fibroblasty.
cb) pravidelná (šlachy, vazy - bílá ligamenta), tvořená snopci
paralelně hustě uspořádaných kolagenních vláken, mezi kterými
jsou řady oploštěných fibroblastů s četnými výběžky.
cc) Elastické (tzv. žlutá ligamenta kolem páteře, hlasivkové vazy,
suspensorium penis aj.) mají podobnou stavbu jako shora sub
cb, avšak s tím
rozdílem, že převažující fibrilární složkou EXCM jsou vlákna
elastická. Jejich svazky jsou však obaleny tenkou vrstvou vláken
kolagenních
112
II. Pojiva oporná:
a) Chrupavka má v EXCM hojnou interfibrilární amorfní složku bohatou na chondroitin a
keratansulfát a glykoproteiny, které jí dávají mléčný vzhled a pevnost. Vláknitá složka je
většinou špatně viditelná. Hlavní skupinou buněk jsou chondrocyty, které jsou uloženy
v hladkostěnných komůrkách- lakunách- tvořených EXCM sekretovanou chondrocyty do
okolí. Dceřiné buňky zůstávají blízko sebe a tak vznikají tzv. isogenní skupiny
chondrocytů. Chybí cévní zásobení a schopnost regenerace s výjimkou perichondrálních
oblastí.
Podle složení a vzhledu EXCM se chrupavky dělí na
a) chondroidní
b) hyalinní- průhledná až bělavá (kloubní a žeberní chrupavky,
některé části hrtanu, tracheální prstence, též
chrupavčité kostní základy před osifikací)
b) elastická (ušní boltec, Eustachova trubice, některé části hrtanu
a v malých bronchách)
c) fibrózní, syn. vazivová, s četnými a v mikroskopu viditelnými
kolagenními vlákny (meziobratlové destičky,
symphysis ossis pubis, chrupavka v kloubu čelistním
a akromioklavikulárním)
b. Kostní tkáň
Hlavní buněčnou složku představují osteoblasty, diferencované a nedělící se osteocyty a
osteoklasty.
Osteoblasty syntetizují vláknitou a amorfní část EXCM (kolagenní vlákna z kolagenu typu
I, proteoglykany a glykoproteiny, sialoprotein, osteokalcin, souborné označení ossein), do
které se ukládají anorganické vápenaté soli (hydroxyapatit- kalcium fosfát a kalcium
karbonát). Osteoblasty jsou tak postupně uzavírány do komůrek EXCM a mění se ve
vřetenovité buňky s dlouhými výběžky, uloženými v jemných kanálcích (canaliculi ossium) v
EXCM. Přes výběžky jsou sousední buňky propojeny vodivými spoji (gap junctions, nexy),
počínaje buňkami v blízkosti cév. Tím je zajištěn přísun živin, kyslíku a odvod metabolických
zplodin do cév i do vzdálenějších, a EXCM isolovaných, osteocytů.
Osteoklasty jsou obrovské více jaderné buňky krevního původu (z monocytů), které mají
osteolytickou aktivitu. Osteosyntetická aktivita osteoblastů a osteolytická aktivita osteoklastů
zajišťuje trvalou obměnu (přestavbu) kostní tkáně a to jak v období časné osifikace, tak
v dospělosti. Činnost obou skupin buněk je hormonálně řízena (více ve Fyziologii živočichů
a člověka). V poslední době jsou popisovány též tzv. osteoprogenitorní buňky, mající
charakter buněk kmenových, nacházející se na vnitřní straně periostu, v endosteu a podél
krevních cév.
EXCM je tvořena osteoblasty. Obsahuje kolagenní fibrily, které poskytují kostní tkáni
pružnost. Složka amorfní složku, tvořená glykosyalaminoglykany a anorganickými solemi
(hydroxyapatit, tj. kalcium karbonát a fosfát), dává kostní tkáni pevnost.
Podle uspořádání kolagenních fibril a amorfní složky EXCM lze rozlišit 2 typy kostní tkáně.
ba) Kost plsťovitá či vláknitá (embryonální forma, v dospělosti např. zubní alveoly) má
v EXCM kolagenní fibrily uspořádány nepravidelně, síťovitě
113
bb) lamelární (lamelózní), ve které jsou fibrily a amorfní složka EXCM uspořádány do
koncentrických lamel kolem centrálního, tzv. Haversova kanálku, ve kterém probíhají krevní
a mízní cévy a nervová vlákna. Cévy vstupují do těchto kanálků bočně, tzv. kanálky
Volkmanovými. Lamely jsou od sebe odděleny velmi tenkou vrstvičkou modifikované
amorfní hmoty, označovanou jako cementová linie.
Sloupec koncentrických lamel se středovým kanálkem se označuje jako osteon, syn.
Haversův systém. U dlouhých kostí (i povrchu kostních trámců kosti houbovité, spongiózní,
viz níže) jsou též lamely zv. plášťové, tj. probíhající rovnoběžně s celým povrchem kosti.
Podobně je tomu i na dutinové (dřeňové) straně kosti.
V důsledku trvale probíhající přestavby kosti (viz shora) jsou některé části osteonů
neúplné („vykousnuté“) a nahrazeny lamelami nově tvořených osteonů (viz obrazová
příloha).
Lamelární kost je přítomna v:
bba) kosti houbovité syn. spongiózní (epifýzy dlouhých kostí)
bbb) kosti kompaktní (diafýza dlouhých kostí)
bbc) zubovině syn. dentin, šupiny ryb, kožní kosti krokodýlů
Kostní tkáň se tvoří až v průběhu ontogenetického vývoje procesem zv. osifikace, který
spočívá v přeměně mezechymálního (desmogeního) nebo chondrogeního základu. Více
v somatologii.
III.
a)
Pojiva speciální:
Tuková tkáň (TK) se vyskytuje jako tzv. bílá a hnědá.
V bílé tukové tkáni mají zralé hlavní buňky – adipocyty- v cytoplasmě zpravidla jednu
velkou tukovou kapku, bez membránového obalu. Jádro i ostatní cytoplazmatické organely
jsou zatlačeny k plazmatické membráně. V nezralých adipocytech bývají mnohočetné malé
kapky lipidů, které v průběhu zrání buňky splývají v jednu.
Buňky jsou obklopeny kapilárami a tenkou vrstvičkou ECXM, tvořené kolagenními a
elastickými vláky, mezi kterými jsou fibroblasty, lymfocyty a žírné buňky. Na mechanicky
namáhaných místech se tvoří lalůčky ohraničené hustším kolagenním vazivem.
Funkce TK: podkožní tuk, tuk okolo srdce, ledvin, kolem břišních orgánů a pod. slouží jako
tepelná isolace a energetická reserva. Významné jsou též funkce mechanické. V podkoží
dlaní a plosky nohou slouží např. TK jako tlumič nárazů. Podobnou funkci má TK kolem
kloubů, srdce a ledvin, kde nedochází k mobilizaci tuku ani při hladovění. Tukový polštářek
v kůži lící malých dětí zpevňuje tváře a napomáhá sání mléka. Nově zjištěné jsou funkce
metabolické a endokrinní (viz níže)
Tuková tkáň byla donedávna považována za málo metabolicky aktivní. Opak se ukazuje jako pravda. Jako příklad
lze uvést mechanismy řídících syntézu a rozklad lipidů v adipocytech. Pro spuštění rozkladu lipidů (lipolýza)
adipocyty musí aktivovat kaskádu chemických reakcí popsaných v kap. 5.4. Nejprve musí adipocyt přijmout
hormonální signál (adrenalin, glukagon, adrenokortikotropní hormon hypofýzy) receptory v plazmatické
membráně, přenést podnět do nitra buňky cestou G-proteinů a syntézy sekundárního posla cAMP, který dále
aktivuje fosfoproteinkinázy, které teprve aktivují enzymy vlastního štěpení triglyceridů. Podněty přijímané jinými
receptory v PM, představované především hormonem insulinem, vedou podobnou cestou aktivaci enzymu
štěpících cAMP a tím lipolýzu tlumit. Další projevem aktivity adipocytů je syntéza a sekrece hormonu regulujícího
kalorický příjem organismu, leptinu. V poslední době se ukazuje, že tuková tkáň je i zdrojem tkáňových hormonů
typu cytokinů. Jejich nadměrná tvorba je zřejmě jednou z příčin aterosklerózy.
114
Hnědá tuková tkáň – je tvořena adipocyty s četnými vakuolami a mitochondriemi (hnědá
barva železa v dýchacím řetězci), které obsahují tzv. odpřahující proteiny (uncoupling
proteins), které odpřahují protonový gradient od syntézy ATP a mění jeho energii na teplo.
Vyskytuje se např. v mezilopatkové krajině novorozenců (též u hibernujících savců) a má
význam termoregulační.
b) Trofická pojiva (tělní tekutiny: krev, lymfa, perienterická a celomová tekutina,
hemolymfa, tkáňový mok).
ba) Krev- vyskytuje se u živočichů s uzavřeným oběhovým systémem. Je tvořena částí
buněčnou a nebuněčnou.
Část nebuněčná -plasma: voda (90%), ionty (Na+, K+, Ca++, Mg++, Mn++, aj., jednoduché
organické molekuly (soli-NaCl, NaHCO3 aj., glukóza, mastné kyseliny, aminokyseliny, Nbaze, signální molekuly, vitaminy aj.), bílkoviny (albuminy, globuliny-α,β,γ, fibrinogen,
protrombin a další proteiny koagulační kaskády, peptidy s hormonálními účinky, aj.),
lipoproteiny a další.
Část buněčná: erytrocyty (červené krvinky)
leukocyty (bílé krvinky) : granulární (neutrofilní, eosinofilni, bazofilní,
dle povahy cytoplazmatických granul)
: agranulocyty (lymfocyty T a B, monocyty)
trombocyty (krevní destičky)
Tvorba krve = hematopoeza. Začíná z kmenových pluripotentních kmenových buněk v
kostní dřeni.
Myelopoeza = tvorba erytrocytů a granulocytů, monocytů a trombocytů ze společné
prekurzorové buňky.
Lymfopoeza= tvorba lymfocytů ze společné blastového prekurzoru.
Erytrocyty (erc) savců a člověka jsou v diferencované formě bikonkávní bezjaderné
elementy (cave: ve fetálním období vývoje, v časných fázích erytropoeze i dospělých a u
některých živočichů po celý život i zralé erc obsahují jádro). Pod plazmatickou membránou
je bohatý membránový (kortikální) skelet, tvořený řadou bílkovin (spektrin, aktin aj., viz kap.
4.2), který činí PM poddajnou a pružnou, což usnadňuje průchod erytrocytů kapilárami.
Erc jsou bohaté na enzymy glykolytické a hexozomonofosfátové metabolické dráhy.
Podstatnou část obsahu erc (35 % jejich hmotnosti, 28-32 pg/erc) je červený transportní
metaloprotein- hemoglobin (Hb). Od objevu Hb (1851) ke a stanovení jeho funkce
(C.Bernard 18…) a molekulární struktury (1959 M.Perutz aj. kendrew, Nobelova cena)
uplynulo více jak sto let.
Hb je tvořený bílkovinnou částí – globinem a prostetickou (nebílkovinnou) částí – hemem.
Hem je tvořen 4 pyrolovými jádry na jejichž atom dusíku je vázán Fe++, z nichž každý
reverzibilně váže 1 molekulu kyslíku. Globin stejně jako jiné bílkoviny vzniká na ribozomech,
hem v mitochodriích a cytozolu.
Hb člověka se vyskytuje v několika variantách (HbA, HbA2, HbAo, HbF), které se liší
bílkovinou složkou. HbA je hlavní frakcí v dospělosti. Skládá se ze 4 podjednotek, dvou
alfa (α) a dvou beta (ß). Minoritní frakcí (2-3%) je u dospělého člověka HbA2, který místo
ß podjednotek obsahuje dvě δ podjednotky. HbF je fetální forma Hb. V malém množství
(0.5%) je přítomen i u dospělých žen. Místo ß podjednotek má dvě γ podjednotky.
115
Hydrofilní aminokyseliny globinu komunikují s okolním vodním prostředím a hydrofobní AK jsou uvnitř
molekuly, kde vytváří tzv. hydrofobní kapsu. Mezi aminokyseliny His F8 a His E7 (písmeno určuje α-helix a
číslo pořadí AK v daném α-helixu) v hydrofobní kapse se zasunuje planární (rovninná) molekula hemu. Ve
středu tetrapyrrolového jádra hemu je vázáno dvojmocné železo (Fe2+), které je v hydrofobní kapse globinu
chráněnopřed oxidací na Fe +++.
Hemoglobin (Hb) přenáší kyslík z plic nebo žaber tkání a opačně oxid uhličitý. Oxygenací
deoxyhemoglobinu (tmavě červený) vzniká oxyhemoglobin (světle červený). Množství
kyslíku vázaného v oxyhemohlobinu zavisí na na parciálním tlaku kyslíku. 1 gram tetrameru
hemoglobinu může vázat 1,4 ml kyslíku.Saturační křivka HB kyslíkem má sigmoidní
(esovitý) tvar (viz fyziologie živočichů), což usnadňuje pro uvolňování kyslíku v tkáních.
Afinita HbF ke kyslíku je vyšší, což usnadňuje jeho přechod z krve matky (příčinou je rozdíl
v podjednotách globinu). U člověka může 1 l krve vázat až 200ml kyslíku. Životnost erc
člověka je 110-120 dní
Vazbou CO na Hb vzniká karboxyhemoglobin, jehož vazba na HB je asi 200x pevnější než kyslíku. Proto již
při nízké koncentraci ve vzduchu vytlačí oxid uhelnatý molekulu kyslíku z vazby na Hb. Dusičnany v potravě
nebo v pitné vodě způsobují oxidaci Fe2+na Fe3+ za vzniku namodralého methemoglobinu, který již
nepřenáší kyslík. Redukci methemoglobinu na hemoglobin zajišťuje methemoglobireduktáza, která má
nízkou aktivitu u kojenců. Ukládání methemoglobinu v periferních tkáních vede k modrání kojenců (blue
babies).
Leukocyty se dělí podle granul v cytoplazmě viditelných ve světelném mikroskopu,
na granulocyty a agranulocyty, resp. granulární a agranulární leukocyty.
Neutrofilní granulocyty jsou nejpočetnější (u člověka 60-70%). Ve zralé formě mají laločnaté
jádro a v cytoplazmě specifická jemná a slabě až modrofialově se barvící granula (váčky),
která obsahují enzymy a některé další biologicky účinné látky. Dle obsahu a barvitelnosti se
dělí do 2 skupin, granula tzv. azurofilní a tzv. specifická. V cytozolu jsou zrnka glykogenu
(viz též inkluze v kap.4.4 a enzymy pro glykolýzu.
Azurofilní granula (váčky) se barví jemně fialově obsahují enzymy skupiny lysozomálních hydroláz (např.
kyselou fosfatázu, arylfosfatázu, beta galaktozidázu, peroxidázu a další, viz shora kap. ….), dále baktericidní
bílkovinu lysozym (odlišuj od lysozom!!) a tzv.kationický antimikrobiální protein. Specifická granula jsou
menší a proto i po obarvení málo výrazná. Obsahují alkalickou fosfatázu, kolagenázu , laktoferin, lysozom a
některé další antimikrobiální proteiny.
Neutrofilní granulocyty jsou schopny migrace a fagocytózy (mikrofagocyty). Pohlcený
materiál je v heterofagozomech denaturován nízkým pH (4.0), které zajišťuje protonová
pumpa v membráně fagozomu, se kterým posléze splynou azurofilní granula, která
provedou konečný rozklad pohlceného materiálu. Plazmatická membrána je bohatá na
specifické bílkoviny, které plní funkce receptorů a adhezních molekul (viz kap. 4.1), které
jsou nezbytné pro imunitní funkce, vč. vycestování z krevního řečiště. Jejich životnost v krvi
je krátká (několik hodin). Po vycestování z krevního řečiště do tkání žijí 2-4 dny (více ve
Fyziologii živočichů).
Eozinofilní granulocyty představují minoritní skupinu (1-4%) leukocytů. Jádro je zpravidla
méně laločnaté. V cytoplasmě jsou větší, ovoidní a eosinofilní granula resp. váčky, která
obsahují kyselou fosfatázu, arylfosfatázu, beta galaktozidázu, peroxidázu a další
specifické proteiny schopné usmrcovat některé parazity (např. bilharzie) i ovlivňovat místní
zánětlivé reakce. Jejich zmnožení provází některé typy alergií. Životnost 7-14 dní.
Bazofilni granulocyty jsou nejméně početné (0.3-1%). Jádro je relativně velké a málo
členěné. V cytoplazmě jsou nečetná hrubší bazofilní granula obsahující biologicky aktivní
molekuly, např. heparin, histamin, leukotrieny apod. Po výstupu z krevního řečiště se mění
nebo podporují žírné buňky.
116
Lymfocyty tvoří 20-30% leukocytů. Většinou jsou malé, kulaté s relativně velkým kulovitým
jádrem. V tenkém cytoplazmatickém lemu jsou ojedinělé polyzomy, cisterny Golgiho
aparátu, ojedinělé mitochondrie a jemná bazofilní granula. Po aktivaci antigenem se
zvětšují. Tzv. B-lymfocyty, vyzrávající u ptáků v Burza Fabritii a u člověka v kostní dřeni, se
po setkání s antigenem aktivují a mění na tzv. plazmatické buňky (plazmocyty) . Aktivace
zahrnuje růst objemu buněk, zmnožení hrubého endoplazmatického retikula, zvýšeni
syntézy bílkovin- imunoglobulinových protilátek, které se pak uvolňují do krevní plazmy.
Tzv. T-lymfocyty vyzrávají v v thymu a odpovídají za tzv. buněčně zprostředkovanou
imunitní odpověď (více ve Fyziologii živočichů).
Monocyty, tvoří 3-8% leukocytů a jsou největší. Jádro je většinou ledvinovitého tvaru,
Cytoplazma je lehce bazofilní a obsahuje jemná azurofilní granula vybavená
hydrolytickými enzymy. Jsou vysoce ameboidně pohyblivé a po vycestování z krevního
řečiště se mění na tzv. profesionální makrofágy.
Trombocyty, krevní destičky jsou fragmenty cytoplazmy megakaryoblastů, s nečetnými
organelami, zrníčky glykogenu dalšími granuly. Alfa granula obsahují fibrinogen a některé
další proteiny, delta granula serotonin, ionty vápníku, adeninové nukleotidy a pyrofosfát.
Lambda granula obsahují lysozomální enzymy. Trombocyty se účastní stavění krvácení.
Životnost 10-12 dní. Více ve Fyziologii).
bb) Lymfa je tvořena mízní plazmou a lymfocyty, které do ní vstupují při průtoku mízními uzlinami. Lymfa
přitékající od břišních orgánů obsahuje chylomikrony a lipoproteinové částice (LDL, VLDL, IDL, HDL, více ve
Fyziologii Živočichů a člověka)
bc) Tkáňový mok, syn. intersticiální či mezibuněčná tekutina je ultrafiltrát krevní plazmy bez buněčných
elementů. Obsahuje metabolity prostupující z krevních cév a metabolické zplodiny vylučované tělními
buňkami.
bd) Hemolymfa. Vyskytuje se u bezobratlých s otevřeným cévním systémem. Obsahuje jen malý počet
buněk- hemocytů, které obvykle nenesou dýchací pigmenty. Dýchací pigmenty mohou být volně rozpuštěny
v plazmě (modrý Cu++ hemocyanin u korýšů, měkýšů, zelený chlorocruorin a Fe++ hemoglobin u annelid, též
kospuskulární hemocyninu podobný Fe-non-porfyrinový hemerythrin) Mohou se vyskytovat i současně.
5. 2. 3 CHARAKTERISTIKA SVALOVÉ TKÁNĚ (ST)
(Obr. 41, 49-51, histologická příloha S-U)
ST, s výjimkou m. sfincter pupilae, je derivátem středního zárodečného listu, mesodermu.
ST má málo mezibuněčné hmoty. Buňky obsahují velké množství kontraktilních vláken,
typu mikrofilament (myofilament), organizovaných do větších svazků- myofibril. ST se
vyskytuje se ve 2 základních typech, jako svalovina hladká a příčně pruhovaná (žíhaná),
která se u obratlovců dále člení na svalovinu kosterní a srdeční. Střední filamenta
cytoskeletu svalových buněk jsou tvořena bílkovinou desminem (viz kap. 4.2).
I.
Hladká svalovina
Výskyt: stěna dutých orgánů obratlovců, pohybový aparát některých bezobratlých, stěna
cév, duhovka.
Je tvořena vřetenovitými jednojadernými buňkami, která obsahují četná prostorově
nepravidelně (síťovitě) orientovaná myofilamenta, která jsou tvořena aktinovými a
myosinovými vlákny (myosin II, viz kap….) a upínají se do „ztluštěnin“ plazmatické
membrány, tzv. tmavých tělísek (dense bodies, viz obr. 51 C), která jsou analogy Z-linií
kosterních svalů, viz níže ). Úpon myofilament je zprostředkován bílkovinami středních
filament (desmin, vimentin). Zkrácení hladké svalové buňky se uskutečňuje ve směru
117
uspořádání většiny myofilament. Mezi buňkami jsou četné vodivé spoje typu nexů (gap
junctions, viz kap.4.1), které umožňují rychlé přesuny iontů (šíření depolarizace) mezi
buňkami a tím i synchronizaci stahů velkých skupin buněk.
II. Příčně pruhovaná svalová tkáň
Vyskytuje se už u bezobratlých (kroužkovci, měkkýši, členovci). U členovců se upíná na
vnější kutikulární kostru. U obratlovců na kostru vnitřní.
a)
kosterní
Je tvořena mnohojaderným cylindrickými buňkami (syn. svalovými vlákny), které mohou mít
různou délku a jsou obklopeny velmi tenkou vrstvou řídkého (syn. areolárního) kolagenního
vaziva (endomyzium). Svalová vlákna se sdružují do svalových snopečků a snopců,
krytých silnější vazivovou vrstvičkou, perimyziem. Na povrchu svalu je pak blanka
neuspořádaného hustého vaziva, epimyzium, které přechází v pevnou vazivovou fascií,
která odděluje jednotlivé svaly a přechází ve šlachu upínající se na kost. Příčně
pruhovaná svalovina vyskytuje nejen u obratlovců, ale již i bezobratlých (žahavci,
měkkýši, kroužkovci, členovci).
Plazmatická membrána (PM, syn sarkolemma) tvoří hluboké tubulární vchlípeniny do
cytoplasmy buňky (T-tubuly), kolem kterých je jsou rozšířené cisterny hladkého
sarkoplazmatického (syn. sarkoplazmatického) retikula, které je zásobárnou kalciových
iontů nezbytných pro kontrakci svalu. V EM řezech vzniká tak obraz tzv. triád (viz obrázek).
Jádra svalových buněk jsou v blízko pod sarkolemmou.V cytoplazmě jsou v EM patrná
zrnka glykogenu.
V cytoplasmě jsou paralelně, ve směru podélné osy, uspořádaná myofilamenta, aktinová a
myosinová vlákna, která se částečně překrývají, což je odpovědné za tzv. příčné žíhání.
Místa jejich částečného překrytí jsou v mikroskopu tmavší v důsledku vyššího obsahu
bílkovin a lomu světla (anisotropní A-segment), místa bez myosinových vláken jsou
světlejší (isototropní I-segmenty). Segment mezi dvěma Z-liniemi se nazývá sarkomera
(viz obr. 49,50).
Ve středu sarkomery lze v EM rozlišit ještě užší světlý proužek s tmavším středem, tzv. H zonu (něm. Helles,
světlý), viz níže. Zkratky označující segmenty sarkomer jsou ze starší německé terminologie (Z-:
Zwischenscheibe, M-: Mittel, H-: Heller). Název sarkomera je odvozen z řečtiny: sark-maso, meros:dělit
Aktinová vlákna jsou zakotvena kolmo do tzv. Z-linií (viditelných jen v EM), tvořených
bílkovinou středních filament- desminem a dalšími proteiny (alfa- aktinin, CapZ, viz níže).
Myozinová vláka obsahuj tzv. myozin II (více o těchto molekulách v kap. 4.2).
Kolem jednoho myosinového vlákna je pravidelně rozloženo 6 tenkých vláken aktinových. K
aktinovým vláknům jsou přidruženy další bílkoviny, nezbytné pro zkrácení („kontrakci“)
sarkomer. Troponin je Ca++ vážící protein a tropomyosin blokuje v klidovém stavu vazbu
myozinových hlaviček na aktinová vlákna (více ve Fyziologii živočichů).
Délka sarkomery je kolem 2 um. Svazky myofilament a řetěz sarkomer tvoří myofibrily,
mezi kterými je cytozol a cytoplazmatické organely. Myofibrily procházejí celou svalovou
buňkou (svalovým vláknem), jehož délka může být několik desítek mm až cm a sarkomer
desítky až stovky tisíc.
Při kontrakci svalu se sarkomery zkrácují (tzv. klouzavý model svalové kontrakce) tím, že
myosinová a aktinová filamenta se vzájemně vůči sobě podélně posouvají, tj. zasunou se
hlouběji mezi sebe. Více o svalové kontrakci v kurzu Fyziologie živočichů.
118
Pro morfologickou organizaci samrkomer a funkci svalů jsou důležité i další vláknité bílkoviny. Titin je
zakotven do Z linie a probíhá podél myozinových vláken až do středu sarkomery. Funguje jako elastická
pružina, která udržuje osovou polohu myozinových vláken při kontrakci svalu a brání i nadměrnému
pasivnímu protažení svalu. Bílkovina nebulin, je uložena podél aktinových vláken a podílí se na jejich
zakotvení do Z-linií. Na tomto zakotvení se podílejí i další proteiny, např. CapZ a alfa-aktinin. Ve středu
sarkomer se na myosinová filamenta váží bílkoviny myomesin a C-protein, kde tvoří EM tmavší, tzv. M-linii.
Titin a nebulin se považují za „pravítka“ odpovědná na podélnou organizaci sarkomer.
Větší počet mitochondrií, spolu s větším množstvím kyslík vázajícího Fe++ myoglobinu, je
přítomen v tzv. červených svalových vláknech, která jsou tenčí a kontrahují se pomaleji i
menší silou. Jsou i méně unavitelné. Získávají energii (ATP) převážně oxidativní
fosforylací. Patří sem svaly končetin a antigravitační svaly, prsní svaly migrujících ptáků.
Silnější, tzv. bílá svalová vlákna (syn. rychlá vláka) získávají energii převážně cestou
anaerobní glykolýzy. Tato vlákna se vyznačují rychlými a silnějšími kontrakcemi (např.
okohybné svaly, svaly zajišťující hybnost prstů a další). Jejich unavitelnost je rychlejší. Mají i
bohatší inervaci, což umožňuje velmi jemnou funkční regulaci. Odlišení obou typů
svalových vláken umožňují některé histochemické reakce (např. aktivita mitochondriální
sukcinát dehydrogenázy je vyšší v červených vláknech).
V cytoplasmě svalových buněk, především bílých vláken, jsou četná zrnka glykogenu (viz
inkluze kap.4.4). Glykogen, spolu s glukózou a mastnými kyselinami z krve, jsou hlavní
zdroje pro syntézu ATP. Specifickou zásobárnou makroergních fosfátových vazeb je
fosfokreatin. Více ve Fyziologii živočichů.
Mezi svalovými buňkami jsou malé, tzv. satelitní buňky, které mají povahu kmenových
buněk. Mohou se totiž po poškození svalu dělit a diferencovat v myoblasty a zralé svalové
buňky (syn. svalová vlákna). Po větším poškození je svalová tkáň nahrazována vazivovou
jizvou. Diferencované svalové buňky se prakticky nedělí.
b)
srdeční (myokard)
Je tvořen jedno až dvoujadernými buňkami (kardiomyocyty), uspořádanými do dlouhých
řad. Buňky jsou jedno až dvoujaderné, oddělené tzv. interkalárními disky (ID). Mezi
buňkami jsou cytoplasmatické můstky.
ID představují komplexní mezibuněčné spoje tvořené hlavně pásovými a bodovými
desmozomy a vodivými spoji (nexů). ID zajišťují vzájemnou soudržnost buněk a umožňují
rychlé přesuny iontů při depolarizaci PM a tím synchronizaci stahu myokardu. Buňky jsou
jedno nebo dvoujaderné
Jádra buněk jsou uložena spíše ve středu cytoplazmy, ve které jsou dlouhé mitochondrie,
sarkoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, kapénky lipidů a zrnka glykogenu. T-tubuly
plazmatické membrány jsou pouze ve svalovině komor a na rozdíl od kosterní svaloviny,
nešíří se jimi depolarizace a nevytváří typické triády.
Hl-ER se totiž na rozdíl od kosterních svalů přikládá k T-tubulům přikládá „pouze z jedné strany“ a v EM
řezech tvoří s T-bubuly „diády“, nikoliv triády, přítomné v kosterních svalech. V myokardu jsou některé
specifické izoformy řady bílkovin zmíněných již v kosterních svalech. Např. Troponin C, Nebulejte aj. Rozdíly
jsou v receptorech a iontových kanálech plazmatické membrány. Více ve Fyziologii.
V síňové svalovině jsou v cytoplazmě granula obsahující natriuretický hormon. Častá jsou
zrnka glykogenu. S věkem přibývá zrnek lipofuscinu (zbytkový střádaný hnědý pigment).
Více ve Fyziologie živočichů a Obecné patobiologii.
119
Sarkomery mají základní stavbu podobnou kosterním svalům. Jsou však kratší a sousední
myofibrily často navzájem anastomozují. Rozdíly jsou ve složení shora zmíněných bílkovin
přidružených k myofilamentům. Více ve Fyziologii živočichů.
5. 2. 4 CHARAKTERISTIKA NERVOVÉ TKÁNĚ (NT)
(Obr. 47, 52, histologická příloha V-R)
NT vzniká z neuroektodermu (viz kap. 7.3.3 a 7.3.4). U obratlovců tvoří mozek, míchu,
periferní ganglia a nervy, dřeň nadledviny. U bezobratlých NT tkáň tvoří sítě, ganglia a
provazce. Obsahuje buňky nervové a gliové, mezi kterými, s výjimkou nedávno objevené
velmi jemné pericelulární sítě proteoglykanů a tenkého filmu extracelulární tekutiny, není
prakticky žádná mezibuněčná hmota. Morfologické spektrum buněk se zvyšuje
s fylogenetickou vývojovou řadou. Přibývá výrazně i gliových buněk.
NT je silně vaskularizovaná. V míše a mozku jsou mezi endotheliemi kapilár těsné spoje
(viz kap. 4.1), které omezují transport látek mezi nervovou tkání a krví. Spolu
s membránovými obaly astrocytů (viz níže) tvoří tzv. hematoencefalickou barieru.
Na nervové buňce rozlišujeme tělo (perikaryon, syn. soma) a výběžky. Perikaryon je
tvořený jádrem a cytoplasmou. V případě velkých buněk, např. míšních motoneuronů,
jsou v cytoplazmě agregáty hr-ER, které v histologických preparátech obarvených
toluidinovou nebo metylénovou modří vypadají jako modré „obláčky“, tzv. Nisslova
substance (syn. „tygroid“, protože to dodává cytoplazmě skvrnitý vzhled). V takovýchto
neuronech je velké a jadernými barvivy se silně barvící jadérko.
V perikaryu a výběžcích, především axonu, střední filamenta cytoskeletu obsahují tzv.
neurofilamentové proteiny (3 isoformy, viz kap. 4.2). Jisté specifity v chemickém složení
mají i mikrotubulární komponenty cytoskeletu. Neurony se nedělí. Nezralé prekurzory
nervových a gliových buněk mají ve středních filamentech cytoskeletu specifickou bílkovinu
nestin.
Plazmatická membrána (PM) nervových buněk obsahuje mnoho funkčně důležitých
bílkovin, které odpovídají za její excitabilitu. Jsou to především, iontové kanály,
transportéry iontů, především Na+K+ATPáza (sodíko-draslíková pumpa), která spolu se
semipermeabilitou PM, udržuje klidový membránový potenciál PM (viz kap. 5.1). Funkčně
velmi důležité jsou receptory pro synaptické neuromediátory v post-synaptických
membránách. Nejvyšší hustota iontových kanálů je v PM v místě odstupu axonu (tzv.
hrbolek či hillock). Více v kurzu Fyziologie živočichů
Výběžky nervových buněk jsou dvojího typu. Silnější, zpravidla kratší a vícečetné, se
nazývají dendrity. Solitární, delší a tenký je neurit (syn axon). Dendrity slouží k vedení
nervových vzruchů do buňky (centripetálně, proto též výběžky aferentní). Axon vede
vzruchy z buňky (centrifugálně, eferentně) k dalšímu neuronu nebo jiné efektorové buňce
(sval, žlazový epitel aj). Svazky axonů tvoří v míše a mozku nervové trakty (syn. dráhy,
fascikuly nebo komisury) a v periferním systému různé typy nervů.
Neurity v periferních nervech jsou obaleny velmi jemnou vrstvou vaziva (endoneurium) a
jejich svazky tzv. perineuriem. Na povrchu nervu je další vazivový obal, epineurium.
Délka axonu může být několik desítek mikrometrů až 1 m (v míše a periferních nervech).
Dlouhé axony se někdy označují jako nervová vlákna. Axon obsahuje svazky podélně
uspořádaných vláken cytoskeletu uložené v axoplasmě. Jsou tvořeny středními filamenty
tvořenými tzv. neurofilametovými peptidy. Mikrotubuly (viz kap. 4.2), slouží jako transportní
120
dráhy pro váčky s neuromediátory, syntetizované v perikaryu. V minulosti se impregnace
cytoskeletu solemi stříbra používala k mikroskopickému zobrazování nervových buněk a
vláken.
Od axonu mohou odstupovat tzv. kolaterály a na konci se bohatě větví (tzv. telodendron).
Axon může být kryt jen plazmatickou membránou (axolema), tzv. vlákna nahá (zvláště na
jejich konci), nebo být obalen myelinovou pochvou.
Myelin (řecky myelos = bílý) je tvořen koncentricky uspořádanými plazmatickými
membrány gliových buněk, s modifikovanou strukturou jejich lipidické i bílkovinné složky.
V mozku a míše vytvářejí myelin buňky oligodendrogliové, v periferních nervech
Schwannovy buňky (viz níže). Myelinový obal je periodicky přerušován tzv. Ranvierovými
zářezy, kde je axon kryt pouze základní membránou oligodendroglie nebo Schwannovy
buňky.
Oblasti mozku a míchy bohatá na myelinizovaná vlákna představují bílou hmotu míšní a
mozkovou. Šedá hmota je tvořena neuronálními perikaryi, jejich vlákny a buňkami gliovými.
Síť vláken mezi buněčnými těly se označuje jako neuropil.
Na koncích axonálních výběžků jsou mikroskopická rozšíření, tzv. presynaptická
zakončení („knoflíky“ či „butony“, odvozeno od „boutons terminaux“), která se přikládají na
povrch další nervové buňky a tvoří chemické synapse.
Podle postsynaptické lokalizace se synapse dělí na axosomatické (na PM perikarya),
axodendritické a axoaxonální. Každá synapse je tvořena presynaptickým knoflíkem,
synaptickou štěrbinou a postsynaptickou částí, kterou je specificky ztluštělá plazmatická
membrána následujícího neuronu.
V presynaptické části jsou četné mitochondrie a synaptické váčky, obsahující
neuromediátory, které se po podráždění nervové buňky vylévají (exocytóza) do synaptické
štěrbiny a váží na receptory v postsynaptické membráně. Receptory jsou buď chemicky
regulované iontové kanály, nebo receptory spřažené s G-proteiny (viz kap. 5.4), které
iontové kanály regulují.
V synaptické štěrbině jsou enzymy, které neuromediátory rozkládají. Více ve Fyziologii
živočichů a člověka. Kromě chemických synapsí se v NT vyskytují též elektrické synapse,
které představují mezibuněčné spoje typu gap junctions (nexy)
Neurony se v dospělém mozku nedělí a většina ani neobnovuje. Pouze v minoritních oblastech mozku (gyrus
dentatus hipokampu savců, jádra řídící zpěv ptáků apod.) existuje možnost jejich obnovy za některých
funkčních okolností. Výrazným změnám však může podléhat počet a rozložení synapsí (tzv. synaptická
plasticita), která se mění již v průběhu učení. Obnovy, resp. regenerace jsou schopny prakticky všechny
axony periferních nervů.
Nervové buňky vykazují značnou morfologickou variabilitu, tj. liší se velikosti,
tvarem, počtem a uspořádáním výběžků, typem neurotransmiterů v synapsích. Liší se
i některými svými funkcemi.
Morfologická klasifikace neuronů dle tvaru a velikosti perikarya:
a) neurony pyramidové
b) neurony stelární (hvězdicové)
c) neurony granulární (malé)
d) neurony speciálních tvarů (např. Purkyňovy buňky mozečku)
121
Podle počtu výběžků
a)
b)
c)
d)
neurony unipolární
neurony bipolární
neurony multipolární
neurony pseudounipolární
Klasifikace dle funkce
a)
b)
c)
d)
e)
f)
neurony projekční (s dlouhými axony spojujícími vzdálené oblasti CNS a CNS
s periferními orgány těla)
neurony asociační (vmezeřené) s krátkými výběžky spojujícími jiné málo
vzdálené neurony mezi sebou
neurony sensorické a motorické
neurony excitační a inhibiční a pod.
neurony neurosekreční
Klasifikace dle typu neurotransmiteru v synaptických váčcích
a)
b)
c)
d)
e)
f)
neurony acetylcholinergni
noradrenergní
GABAergní
serotoninergní
peptidergní
glutamátergní atd., (více ve Fyziologii)
Gliové buňky
Jsou většinou menší a svým počtem převyšují u většiny obratlovců počet nervových buněk.
V mozku laboratorního potkana je to zhruba 3x, u člověka v některých oblastech mozku až
5x. Jejich fyziologické funkce jsou uvedeny níže.
Po poškození nervové tkáně v míše nebo mozku se aktivuje dělení a fagocytární
schopnosti některých jejich podskupin (astrocyty a mikroglie), které pak zajišťují tzv.
úklidovou reakci a tvorbu gliové jizvy, která nahradí poškozené nervové buňky.
Podle morfologie a funkce jsou gliové buňky děleny do několika skupin:
Astrocyty. Hvězdicovité buňky v preparátech impregnovaných solemi stříbra. Jejich
výběžky obalují kapiláry a těla nervových buněk, udržují vodní, ionotovou a
neurotrasmiterovou homeostázu mezibuněčněho prostoru nervové tkáně, do kterého se
vyplavují tyto molekuly z aktivovaných neuronů- viz Fyziologie živočichů. V cytoplasmě a
výběžcích astorcytů bílé hmoty jsou četná střední filamenta tvořená specifickou bílkovinou
zv. GFAP (Glial Fibrillary Acidic Protein, Kyselý Fibrilární Gliový Protein). Astrocyty šedé
hmoty jsou více plazmatické a mají méně GFAP.
Oligodendrocyty. Menší buňky s nečetnými výběžky. Metabolicky kooperují s neurony a
tvoří myelinové obaly axonů v mozku a míše.
122
Mikroglie. Nejméně četná skupina giových buněk. Buňky jsou zpravidla velmi malé
s krátkými výběžky. V impregnovaných preparátech připomínají malé pavoučky. Uplatňují
se při imunitních a fagocytárních úklidových reakcích poškozené tkáně.
Schwannovy buňky tvoří myelinové obaly periferních nervů.
Ependymální buňky. Jsou epiteliálně uspořádané, kubické, nebo dlaždicovité buňky
pokrývající vnitřní stěnu komorového systému míchy a mozku. Podílejí se na transportu
látek mezi mozkomíšní tekutinou v komorách a tkáňovém parenchymu.
Zvláštní non-neuronální („gliovou“) skupinou jsou epiteloidní buňky pokrývající tzv. houbovitá tělesa mozkových komor
(chorioideální plexy) tvořící mozkomíšní (cerebrospinální) mok. V místě úponu plexů, plynule přecházejí v ependym.
Poznámka. Klky plexů mají uvnitř osovou pojivovou tkáň nesoucí krevní kapiláry.
123
6 ROZMNOŽOVÁNÍ ŽIVOČICHŮ. GAMETOGENEZE A
BLASTOGENEZE (obr.53-56)
6.1 Nepohlavní rozmnožování
Láska je když…….
6.2 Pohlavní rozmnožování
6.2.1 Evoluční význam
6.2.1 Vývoj gamet (gametogeneza)
(meióza a další zrání gamet,)
6. 2 .2 Determinace pohlaví a pohlavní znaky
6.2.3 Blastogeneza
6.2.3.1 Osemenění a oplození
6.2.3.2 Rýhování.
6.2.3.3 Gastrulace
6.2.4 Genetické aspekty rozmnožování
Účelem rozmnožování je zachování živočišného druhu. Proces rozmnožování je spojen s
tzv. vertikálním přenosem genetické informace tj. z rodičovských organizmů na potomstvo.
Život jedince lze rozdělit na fázi prenatální, zahrnující vznik zygoty, blastogenezi, a
organogenezi, porod a fázi postnatální, zahrnující dospívaní, stáří a smrt.
Zygota vzniká splynutím zárodečných buněk v procesu oplození. Následuje stádium
blastogeneze, které zahrnuje rýhování, tvorbu blastuly a gastrulaci (u člověka zhruba
v prvních 2 týdnech). Výsledkem je vznik zárodku tvořeného 3 zárodečnými listy,
ektodermem, entodermem a mesodermem. Následuje stádium organogeneze, ve kterém
se tvoří základy jednotlivých orgánů.
U savců rozlišujeme v prenatálním období fázi embryonální (do vývoje orgánových základů) a fázi fetální
(plodovou), pokračující až do porodu. U člověka je za plod považován zárodek od 9. týdne těhotenství.
Postembryonální vývoj živočichů může být tzv. přímý, kdy zárodek má při narození již
hlavní charakteristické znaky tělesné stavby rodičů (předpokladem je větší množství
žloutku, ochranné obaly, nebo přívod živin z mateřského organizmu jak tomu je u plazů,
ptáků a savců) nebo nepřímý, vývoj s tzv. vývoj s proměnou (metamorfózou), kdy
zárodek se svou základní tělesnou stavbou od rodičovských organizmů velmi liší a
získává je až později tzv. proměnou (metamorfózou).
Zárodek- larva, však je schopná samostatného života. U některých živočichů opouštějí larvy vajíčko ještě ve stavu
blastuly nebo gastruly (viz níže). Larvy se dělí na tzv. primární (fylektické) a sekundární (hmyz). Larvy procházejí
proměnami, metamorfózou, která je buď tzv. evolutivní, nekrobiotická nebo regresivní. U hmyzu jsou stádia larválního
vývoje (instary) oddělena svlékáním, řízeným hormony, produkovanými neurosekretorickými buňkami mozku (aktivační
hormon, svlékací hormon-ekdyzon a juvenilní hormon).
Více ve speciální zoologii.
6.1 NEPOHLAVNÍ ROZMNOŽOVÁNÍ
Při nepohlavním (asexuálním) rozmnožování vzniká nový jedinec ze somatických buněk
mateřského organizmu mitotickým dělením. Nepohlavní rozmnožování je dominantní
způsob rozmnožování u jednobuněčných a některých primitivních mnohobuněčných
živočichů. Při nepohlavním rozmnožování nedochází k tvorbě a splývání gamet. Ze zhruba
3 milionů živočišných druhů se jich výhradně nepohlavně rozmnožuje jen asi 1 tisíc.
Zhruba 15 tisíc druhů střídá rozmnožování nepohlavní a pohlavní. Výsledkem
nepohlavního rozmnožování je potomstvo geneticky identické s mateřským organizmem.
124
Omezuje se tak různorodost potomstva, což může mít negativní dopad na jeho adaptaci a
přežívání při nepříznivé změně okolních životních podmínek. Výhodou je rychlejší způsob
množení, jakož i to, že tento způsob rozmnožování může probíhat i při řídké populační
hustotě jedinců. Vyžaduje optimální okolní podmínky. Při jejich změně často přechází
v rozmnožování pohlavní (viz níže).
Protozoa
Tzv. ekválním dělením vznikají noví jedinci stejné velikosti. Dělením inekválním (pučením)
vzniká dceřiný jedinec, který je podstatně menší (u přisedlých nálevníků) a který nese jeden
mitoticky rozdělený mikronukleus a odškrcenou část makronukleu.
Tzv. binární dělení probíhá v rovině podélné (bičíkovci) nebo příčné (nálevníci). Při
dělení mnohonásobném se opakovaně dělí jádro bez bezprostředního dělení cytoplazmy
rodičovského organizmu. Vzniká vícejaderné plazmódium, které se posléze rozpadá na
jednojaderné buňky. Vznikat mohou takto vegetativní formy organizmu (schizogonie),
spory (sporogonie) nebo gamety (gamogonie).
Metazoa
Nepohlavní rozmnožování se vyskytuje především u bezobratlých živočichů.
Dělení (fisiparie) je většinou příčné a může mít mnoho podob, určovaných pozdějším
vývojem dceřiného organizmu. Nový jedinec se může oddělit buď v kterémkoliv místě
mateřského organizmu nebo v určité, tzv. blastogenní, zóně. V tomto případě je nový
jedinec vybaven všemi orgány již před oddělením od organizmu mateřského. Proces se
označuje jako paratomie (hvězdice, polypovci). V předchozím případě, výstavba nového
organizmu je dokončena až po jeho oddělení a proces se označuje jako architomie
(ploštěnky a někteří kroužkovci).
Zvláštní formou příčného dělení je strobilace (medúzovci), při kterém dochází k odškrcování nových buněk
vznikajících příčným dělením na apikálním konci rodičovského organizmu.
Při schizogenezi vzniká celá skupina nových jedinců (zooidů), kteří jsou dočasně navzájem spojeni. Při
metamerické disociaci se tělo mateřského organizmu rozpadne do skupiny článků, z nichž vznikají noví
jedinci (máloštětinatci). Při polyembryonii se rýhující vajíčko nebo blastula rozpadne do vícero blastomer, z
nichž každá dá vzniku novému jedinci (někteří žahavci, máloštětinatci, blanokřídlý hmyz, pásovci, výjimečně
i člověka- vznik tzv. jednovaječných dvojčat).
Podélné dělení (lacerace), je málo časté (sasanky).
Pučení (gemiparie) je rozšířenějším a velmi rozmanitým způsobem nepohlavního
rozmnožování vícebuněčných bezobratlých. Mateřský jedinec si při tom zachovává svou
základní organizaci. Pučení může být tzv. vnější (gematio) nebo vnitřní (gemulatio).
Dceřiní jedinci mohou zůstat v trvalém spojení a vytvořit kolonii (např. trubýši).
Při množení rozpadem, fragmentaci (např. živočišné houby, pásnice, sasanky aj.) se od
rodičovského organizmu oddělují části těla, které se pak vyvíjejí v samostatné jedince,
přičemž individualita mateřského organizmu zůstává zachována.
Více o nepohlavním rozmnožování v předmětu Bezobratlí.
Nepohlavní formou rozmnožování je i vznik jednovaječných dvojčat člověka (z prvních 2 blastomer
vytvořených mitotickým dělením se vytvoří 2 samostatní jedinci). Viz polyembronie shora.
125
6. 2 POHLAVNÍ ROZMNOŽOVÁNÍ
sex nejen pro radost
6.2.1 Evoluční a adaptační význam
Při pohlavním (sexuálním) rozmnožování nový jedinec vzniká splynutím dvou odlišných
zárodečných buněk, samčí a samičí gamety, za vzniku zygoty. Pohlavní rozmnožování
umožňuje vznik potomstva s větší genotypovou i fenotypovou variabilitou, což zvyšuje
adaptabilitu a tím i šanci živočišného druhu na přežití.
Variabilita potomstva je podmíněna náhodností (i) kombinace rodičovských organizmů i
(ii) gamet účastnících se vzniku zygoty, (iii) přesuny genetického materiálu při tvorbě
zárodečných buněk redukčním dělení- meióze (výměna částí chromatid v průběhu tzv.
crossing-over prvního meiotického dělení a náhodný rozchod homologních chromozomů,
tzv. independent assortment na konci prvního meiotického dělení, viz níže).
Pohlavní rozmnožování v plném slova smyslu se vyskytuje jen u mnohobuněčných, i když
některé prvky tohoto procesu se vyskytují i u prvoků (gametogamie a gamontogamie, viz
předmět Bezobratlí)
6.2.2 Tvorba gamet, gametogeneza
(obr. 53, 55, histologická příloha P,Q)
Gamety jsou speciální haploidní buňky tvořené mnohobuněčnými živočichy za účelem
pohlavního rozmnožování. Jsou produkované zárodečnými žlázami (gonádami): varlaty –
testes u samců a vaječníky – ovárii u samic. Zárodečné žlázy jsou primárním pohlavním
znakem živočichů. Živočichové mající gonády pouze jednoho pohlaví se označují jako
gonochoristé. Nositelé obou typů gonád jsou hermafrodité (viz níže kap. 7.2.4).
Gametogeneza probíhá u obou pohlaví ve třech fázích:
(i)
(ii)
(iii)
fáze rozmnožovací (mitotické dělení primordiálních oogonií spermatogonií)
fáze růstová (zvětšování objemu cytoplasmy, vznik primárních spermatocytů a
oocytů)
fáze zrání (vznik haploidních sekundárních spermatocytů a oocytů.
V procesu spermatogeneze vznikají 4 zralé spermatocyty, v procesu oogeneze jeden zralý
oocyt (ootida, vajíčko) a 3 malé pólové buňky.
Zralé gamety se u jednotlivých druhů živočichů morfologicky liší tvarem, velikostí i
některými stavebními prvky. Vajíčka se rovněž liší množství žloutku a jeho rozložením
v buňce, stavbou obalů a determinovaností další diferenciace blastomer. Viz níže druhové
rozdíly gamet.
Zatímco ootida je po druhém meiotickém dělení zralou vaječnou buňkou, spermatidy musí
projít dalším procesem diferenciace, tzv. spermateliozou.
V průběhu spermateliozy spermatocyt ztrácí většinu cytoplasmy a tvoří se typická
morfologie spermie : hlavička s kondenzovaným chromatinem jádra a akrozomálním
váčkem na předním pólu jádra, krček s mitochondriemi a bičík s bazálním tělískem –
derivátem centrioly). Akrozomální váček (syn. akrozom, řecky akron = koncový vrchol) je
derivátem Golgiho aparátu a obsahuje granula s hydrolytickými lysozomálními enzymy,
které se uplatňují při oplození vajíčka (viz níže). Druhové rozdíly viz níže.
126
Spermatelioza u savců probíhá v kontaktu a pod kontrolou Sertoliho buněk
v semenotvorných kanálcích. Proces spermatogeneze probíhá ve všech shora uvedených
fázích po celou dobu života, počínaje pohlavní dospělostí.
Proliferační fáze oogeneze probíhá u některých živočišných druhů (savci) již v
embryonálním období života a neopakuje se. U člověka je to v 7. – 8. měsíci
embryogeneze. Dle novějších poznatků však proliferace oogonií může probíhat u savců v
jisté míře i v dospělosti.
V embryonálním období probíhá i růstová fáze oogeneze a vajíčka vstupují i do prvního
stádia fáze zrání, profáze I. Proces zrání se však v profázi I zastavuje a pokračuje až v
období pohlavní dospělosti. Končí v klimakteriu. Počet vajíček, která současně dozrávají
se u různých druhů liší. Konečné zrání vajíček má zpravidla cyklický charakter (měsíční
cyklus u člověka) řízený hypotalamem. U některých druhů probíhá jen v jistých ročních
obdobích (říje, estrus).
Zrací fáze zárodečných buněk má 2 fáze: Meiosu I a meiosu II (obr.53).
Meiosa I, tzv. dělení heterotypické.
Meiose I předcházející interfáze je podobná interfázi mitotického dělení. Replikace DNA
(cca 5%) končí u některých species až v profázi I. Proto se uvádí, že často chybí typická
G2 fáze. Dělení jádra se od dělení mitotického liší svým průběhem i výsledkem.
Profáze I, má 5 stádií:
Leptotene: Rozpadá se jadérko a jaderná blána, formují se dlouhé a tenké
chromozomy
Zygotene: tvoří se páry homologních chromozomů, tzv. bivalenty (syn.
tetrády tj. čtyř-chromatidové struktury, spojené synaptonemálním
komplexem v místě centromer
Pachytene: kondenzují a zkracují se chromozomy, výměna části
chromatid – crossing-over (místo překřížení zv. chiasma
Diplotene: chromozomy se opět oddalují, zůstávají však spojeny v
chiasmatech
Diakineze: další kondenzace chromozomů, chiasma se posunuje na jejich
konce, mizí jaderná blána).
Metafáze I: tetrády se posunují a uspořádávají do ekvatoriální roviny , tvoří se
mitotické vřeténko.
Anafáze I: oddělení chromozomů z bivalentů a náhodný rozchod homologních
chromozomů k pólům buňky.
Telofáze I a cytokineze I: dokončení heterotypického dělení, vznik haploidních
sekundárních oocytů a spermatocytů (s polovičním počtem
chromozomů, tvořených však stále 2 chromatidami).
Nondisjunction –Důsledky poruch rozchodu chromozomů v meiose I. http: en.Wikipedia.org
The normal separation of chromosomes in Meiosis I or sister chromatids in meiosis II is termed disjunction. When the separation is not
normal, it is called nondisjunction. This results in the production of gametes which have either more or less of the usual amount of genetic
material, and is a common mechanism for trisomy or monosomy. Nondisjunction can occur in the meiosis I or meiosis II, phases of cellular
reproduction, or during mitosis.
This is a cause of several medical conditions in humans:
127
Down Syndrome - trisomy of chromosome 21
Patau Syndrome - trisomy of chromosome 13
Edward Syndrome - trisomy of chromosome 18
Klinefelter Syndrome - extra X chromosomes in males - ie XXY, XXXY, XXXXY
Turner Syndrome - atypical X chromosome dosage in females - ie XO, XXX, XXXX
XYY Syndrome Supermale - an extra Y chromosome in males
[
Meiosa II, tzv. dělení homeotypické.
Spočívá v mitotickém rozdělení chromatid do dceřiných buněk, chybí typická interfáze vč.
bez replikace DNA. Výsledkem meiosy jsou 4 haploidní gamety u samců a 1 gameta a 3
pólové buňky u samic.
Morfologie samčích a samičích gamet.
Nejsou-li gamety odlišeny velikostí a tvarem hovoříme o isogametii. V opačném případě o
anisogametii. Gamety samičí bývají zpravidla větší (makrogamety), gamety samčí menší
(mikrogamety)
Zralé samičí gamety. Vajíčka- oocyty
Vajíčka různých druhů živočichů se liší:
a. velikostí: U ptáků dosahuje až několik desítek centimetrů, zatímco u savců pouze
mikrometrů.
b.množstvím žloutku: vajíčka polylecitální- vysoký obsah, v. oligolecitální-malý obsah a
vajíčka alecitální (velmi malý až žádny obsah žloutku,
c. polohou žloutku: vajíčka izolecitální- žloutek je rovnoměrně rozložený, vajíčka
heterolecitální- nerovnoměrně rozložený žloutek, vajíčka telolecitální- žloutek je
nahromaděn na jednom pólu (pól vegetativní), vajíčka centrolecitální-žloutek je ve středu
vajíčka.
d. primárními obaly: plazmatická membrána a její ekvivalent vitelinní
membrána u ptáků, zona pellucida u savců, chorion u ryb apod.
e. sekundárními a terciárními obaly, vznikajícími činností okolních buněk a
přídatných pohlavních orgánů pohlavní (rosolovité obaly u obojživelníků,
chitinový obal u hmyzu, bílek, papírová blanka a skořápka u ptáků, vrstva
folikulární buněk u savců
f. stupněm determinovanosti dalšího směrování vývoje jednotlivých oblastí
cytoplasmy vajíčka a prvních blastomer (vajíčka mosaiková, determinační a
indeterminační, viz níže)
Zralé samčí zárodečné buňky. Spermie .
Spermie vznikají v konečné fázi spermatogeneze procesem zv. spermatotelióza. Je to
proces probíhající v interakci se Sertoliho buňkami semenotvorných kanálků, především
membránových bílkovin zrajících spermií a Sertoliho buněk, řízených testosteronem,
tvořeným Leydigovými intersticiálními buňkami varlete.
128
Ztralá spermie je tovřena hlavičkou, krčkem a bičíkem.. Hlavička je tvořena převážně
haploidním jádrem na jehož předním pólu je tzv. akrozomální váček V průběhu
spermateliózy se kondenzuje chromatin, mění se jeho bílkoviny (tvoří se protaminy a
pozměňují histony). Většina cytoplazmy je odvržena s vyjímkou Golgiho aparátu, který se
přesunuje na přední pól jádra v podobě tzv. akrozomálního váčku. Ten obsahuje
lysozomální hydrolázy, které se aktivují při kontaktu s obaly vajíčka (akrozomální reakce).
Tvar hlavičky se u různých živočišných druhů liší. Je např. ovoidní u člověka a prohnutě
kopínatý u malých hlodavců. U bičíkatých spermí, které jsou u u obratlovců, i většiny
bezobratlých, se tvoří zpravidla jeden bičík, obsahující mitkrotubuly v typickém uspořádání
(„9x2+1x2 ve středu) a dyneinu, vyrůstající z jedné ze dvou centriol.. Oblast krčku
spirálovitě obklopují mitochondrie, které jsou zdrojem ATP pro vlnitý pohyb bičíku.
6. 2. 3 Determinace pohlaví
Who is who (a proč?)
U většiny živočichů rozmnožujících se pohlavně je pohlaví určeno (determinováno)
genotypově (chromozomálně), pohlavními chromozomy (syn. gonozomy). U savců je to
párem nestejných chromozomů XX u samic a XY u samců (typ Drosophila, syn. typ
savčí ). U ptáků, motýlů, některých ryb a obojživelníků, jsou určující chromozomy ZW u
samic a ZZ u samců (typ ptačí, syn typ Abraxas, Abraxas glosulariata = motýl píďalka
morušová). U rovnokřídlého hmyzu má samčí pohlaví jen jeden chromozom (X0 samci,
XX samic, typ Protenor), příp. jsou rozdíly v počtu chromozomálních sad (samice 2n,
samci 1n, typ Habrobracon).
U některých druhů je pohlaví určeno až epigeneticky, tj. tvorba samčích či samičích
gamet je dána vlivem vnějších podmínek (zdroje potravy, stupeň vlhkosti aj.) nebo polohou
prekurzorových pohlavních buněk v těle, fyziologickým stavem organizmu, aktuální velikostí
živočicha, ektohormony apod.
Genotypovou determinaci mužského pohlaví u člověka zajišťuje SRY gen na krátkém
raménku Y chromozomu (zkratka odvozena od Sex Region on Y). Účastní se však i některé
další geny (viz níže).
SRY gen byl objeven v r.1990. Pokud se SRY uměle zavede do oplodněného vajíčka, vždy se z něj vyvine
samec, i když jeho rýhovaná buňka nesla dva chromozomy X. To byl případ myšího samce Randy, který měl
dva X chromozomy, čili byl geneticky samicí, ale choval se jako samec a samice ho jako samce braly.
Jediným navenek patrným rozdílem vůči jiným samcům byla menší varlata, ale ve styku se samicemi byl
převelice čilý, kopuloval až šestkrát denně.
Později byly objeveny i další geny, které se účastní procesu determinace pohlaví DAX1-kontroluje tvorbu
ovárií, SOX9- v kombinaci s SRYdeterminuje vývoj testes, WNT4 potlačuje vývoj testosteron produkujících
Leydigových buněk a je lokalizován dokonce na chromozomu 1. Viz např. http://www.biologie.uni-mburg.de/bonline/library/cat-removed/graves.htm http://home.vicnet.net.au/~aissg/the_scientist.htm.l)
Pro správný vývoj samčích pohlavních orgánů lidského embrya je kritický 7. týden života, kdy aktivace
exprese SRY genu na chromozomu Y vede k vývoji varlat. Po aktivaci SRY genu se z varlat začne
vylučovat testosteron, který zajišťuje formování přídatných pohlavních orgánů.
Na objevu genu SRY měl svůj podíl francouzský vědec, který zkoumal příčiny neplodnosti dvou mužů. Ke svému velkému překvapení
zjistil, že oba mají v genomu dva chromozomy X (tedy jako ženy). V jednom X z jejich páru objevil malý fragment chromozomu Y s genem
SRY. To embryu stačilo, aby se vyvíjelo v muže i přes přítomnost páru XX chromozomů. Co ale oba muži neměli, byly další geny řídící
tvorbu spermií. Více na http://www.katedrala.cz/netem/article.php?sid=524. Tato poruch je vzácná (1: 20 000 mužů). Častější
jsou hrubší změny v gonozomech člověka. Např. ženy s gonozomy X0 trpí tz. Turnerovým syndromem. Muži s gonozomy XXY
syndromem Kleinfelterovým. O těchto a dalších poruchách více v kurzu Obecná patobiologie.
V současnosti je známo více genů, které determinují pohlaví a přídatné pohlavní orgány u různých
živočišných taxonů. Více v Mol. Biol.
129
6.2. 4 Sexuální dimorfismus
U gonochoristů je gonáda samčí v jiném jedinci, než gonáda samičí. U hermafroditů
(obojetníků) jsou gonády obojího typu neseny tímž jedincem. Výlučnými gonochoristy jsou
hlavonožci, členovci, ostnokožci a obratlovci. Výjimku představují některé hermafrodické
ryby. U hermafroditů se spermie a vajíčka mohou vyvíjet v oddělených žlázách, někdy však
v jediné (ovotestis). Ve všech případech však existují mechanismy, které zabraňují oplození
vajíček vlastními spermiemi (autofekondaci).
Gonochorismus je zpravidla provázen dalšími znaky sexuálního dimorfismu (není patrný
např. u málo pohyblivých přisedlých bezobratlých). Dimorfismus je výsledkem působení
pohlavních hormony vylučovaných gonádami, které podmiňují vývoj sekundárních
pohlavních znaků (rozdíly v morfologii pomocných pohlavních orgánů, velikosti těla,
utváření kostry, množství svalové hmoty, ochlupení, orgánech sloužících k páření, péči o
potomstvo, signálních znacích, zbraních, atp.). Druhotné pohlavní znaky mohou být
přítomny trvalé nebo se periodicky objevovat v období rozmnožování (svatební šat, tance,
mateřské instinkty aj.).
6. 2. 5 OSEMENĚNÍ A OPLOZENÍ (obr.54 A)
Na počátku je ..
Proces osemenění má zajistit přiblížení samčích a samičích gamet do vzájemné blízkosti.
Osemenění může být vnější (ryby, obojživelníci a další) nebo vnitřní (savci aj.). Vnitřnímu
osemenění slouží přídatné pohlavní orgány a dochází k němu počas páření (syn.
kopulace, koitus). Rovněž následné oplození vajíčka může být zevní nebo vnitřní.
V procesu oplozování (fertilizace) se spermie při kontaktu s látkami vylučovanými vajíčkem
aktivují (kapacitace spermií), což se projeví zvýšením jejich pohyblivosti a aktivací
hydrolytických enzymů v akrozomálním váčku.
Předpokadem oplození je navázání se spermie na druhově specifický receptor v zoně
pellucida (molekuly ZP3, ZP2). Následuje akrozomální reakce (uvolnění hydrolytických
enzymů z akrozomálního váčku), kterou se rozruší proteinové a glykanové obaly vajíčka,
což umožní se přiblížení a fúzi PM obou typů gamet. Toto spojení zajišťuje speciální
protein PM hlavičky spermie, tzv. fertilin (blízký svou strukturou fúzním proteinům virů,
které umožňují proniknutí virů do buněk), který se musí specificky spojit s jeho
integrinovým receptorem v PM vajíčka. Tím je zajištěna druhová specifika oplození. U
obratlovců musí spermie nejprve ještě překonat obal folikulárních buněk uvolněných
s vajíčkem při ovulaci. Rozvolnění této přékážky se uksutečňuje enzymem hyaluronidázou.
Po fúzi PM obou gamet dojde k vniknutí hlavičky spermie do vajíčka. Prvojádro samčí a
samičí splynou a vytvoří diploidní zygotu.
Oplození 1 vajíčka se u většiny živočichů účastní pouze 1 spermie. Vniknutí většího počtu
spermií do vajíčka (polyspermie) zabraňuje:
(a)
depolarizace PM vajíčka, ke které dojde okamžitě po fúzi PM obou gamet (tzv.
rychlý, elektrický blok polyspermie)
(b)
oplozovací membrána (trvalý blok polyspermie), která vzniká přestavbou zóny
pellucidy vajíčka. Spočívá v jejím "zpevnění" a inaktivaci rozpoznávacích receptorových
proteinů (viz ZP2 a 3 shora). Proces je provázen exocytozou tzv. kortikálních granul z
vajíčka, spuštěnou receptorově zprostředkovaným zvýšením inositoltrifosfátu (viz
130
sekundární posli, kap. 5.4) a přechodným zvýšením koncentrace kalciových iontů v
cytozolu vajíčka (uvolněných z hl-ER) .
Z kortikální granul uvolněné glykosylaminoglykany vytvoří hyperosmotické prostředí, čímž se prostor mezi PM vajíčka a
zonou pellucidou osmoticky hydratuje, což představuje novou překážku průniku spermií k vajíčku.
U oligolecitálních vajíček může vniknout spermie kdekoliv, u telolecitálních v oblasti
animálního pólu, u některých vajíček s pevným obalem pak otvůrky, zv. mikropyle.
Vývoj vajíčka bez účasti spermie, tzv. partenogeneza, se vyskytuje u přisedlých a
parazitických bezobratlých, kde je malá hustota populace a malá pravděpodobnost setkání
gamet opačného pohlaví nebo u některých druhů jako rychlá forma množení za příjemných
podmínek (viz předmět Bezobratlí).
Partenogeneze u žraloka a varanů komodských. J.Robovský, Vesmír 86, 477, 2007/8
Partenogeneze – schopnost živočichů rozmnožovat se z neoplozených vajíček – je známá pouze asi u 70 obratlovců (například u
pozoruhodných kavkazských ještěrek) a považuje se za vzácný jev. V poslední době však byla popsána u dalších dvou obratlovců,
nejprve u velkého ostrovního varana komodského z jedné britské zoo a nejnověji také u kladivouna tiburo (Sphyrna tiburo) ze zoo v
Nebrasce. Protože v obou případech existovala i možnost, byť málo pravděpodobná, že si samice skladovaly spermie po léta, bylo nutno
partenogenezi potvrdit molekulárními analýzami. Ukázalo se, že mláďata skutečně mají partenogenetický původ. Do budoucna jistě bude
zajímavé sledovat, u kterých dalších obratlovců se partenogeneze objeví, popř. jak moc a za jakých okolností byla či je těmto zvířatům
užitečná (mohla se osvědčit třeba při osídlování ostrovů apod.). Ačkoli byla zaznamenána už také u jiných varanů, v rámci paryb jde
patrně o její první prokázaný výskyt. (http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6196225....,
http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6681793....)
Cytoplasma oplozeného vajíčka rotuje směrem k místu kde vnikla spermie. Na rozhraní
animálního a vegetativního pólu dojde tím k posunu pigmentových granul, které jsou pod
povrchem PM. Odhalí se méně pigmentovaná výseč, tzv. šedý srpek, které je místem
budoucí hřbetní strany zárodku. V místě protilehlém (tj. oblasti vniknutí spermie) pak se
vytvoří strana břišní.
6. 3 BLASTOGENEZE
Blastogeneze zahrnuje vývoj oplodněného vajíčka od splynutí jader zralého vajíčka a
spermie (zygota) do stadia gastruly, tvořené u Triblastik 3-mi zárodečnými listy. U člověka
trvá toho období zhruba 3 týdny.
Blastogenezi dělíme do několika fází, označovaných jako rýhování vajíčka, tvorba blastuly-(
„blastulogeneze“- nepoužívaný termín) a gastrulace.
Tyto procesy mají u většiny živočichů mnohé společné rysy. Podle tzv. Haecklova
pravidla je „Ontogeneze zkrácené opakování fylogeneze“, což je však v poslední době
kritizováno jako přílišné zjednodušení. http://en.wikipedia.org/wiki/Recapitulation_theory
6. 3. 1 RÝHOVÁNÍ (obr. 54 B)
Zygota, která vznikla splynutím samčího a samičího prvojádra, se mitoticky dělí, rýhuje.
Buňky, které vznikají, blastomery, Velikost oplozeného vajíčka se však příůiš nemění, takže
blastomery jsou stále menší. Průběh rýh je určován polohou mitotického vřeténka. Proces
rýhování je ovlivňován množstvím a distribucí žloutku, jehož větší nahromadění,
představuje překážku rýhování.
Vajíčka s malým množstvím žloutku (oligo- a isolecitální) rýhující se celá, se označují jako
holoblastická. Vajíčka s velkým množstvím žloutku, u kterých se rýhuje jen oblast
animálního pólu obsahující zygotické jádro, se označují jako meroblastická. V oblasti
animálního pólu tohoto typu vajíček se rýhováním vytvoří zárodečný terčík, ve kterém
vytvoří základ těla organismu (viz níže).
131
Rýhování, které vede ke vzniku blastomer se zcela oddělenou cytoplazmou se označuje
jako celkové (totální). V případě, že blastomery jsou stejně velké, je to rýhování totální a
ekvální (vajíčka hub, žahavců, placentální savců, ostnokožců).
První a druhá rýha probíhají souběžně s vegetativně-animální osou zárodku, tj. podélně
(tzv. meridionální rýhy). Tím se zygota rozdělí na 4 blastomery. Jejich příčným
rozdělením, tzv. rýhou ekvatoriální (tj. kolmo na předchozí meridionální rýhu), vzniká 8
blastomer. Dalšími opakovanými děleními vzniká kompaktní morušovitý mnohobuněčný
útvar, morula.
Rýhování totální inekvální vede ke vzniku moruly, ve které jsou některé blastomery jsou
relativně menší (mikromery na pólu animálním a makromery na pólu vegetativním např. u
obojživelníků).
Rýhování parciální (částečné, syn. terčíkovité, diskoidální) se vyskytuje u vajíček s větším
množstvím žloutku (vajíčka poly- a telolecitální). Jeho výsledkem je nerozrýhovaná část
obsahující žloutek a rýhováním vytvořený plochý terčík, blastodisk, který leží na žloutkové
mase a ze kterého se vyvíjí vlastní zárodek (plazi, ptáci, hlavonožci).
Při povrchovém (superficiálním, hmyz) rýhování se nově vznikající jádra neoddělují
plazmatickou membránou.
Rýhování radiální (paprsčité) je charakterizován střídavě meridionálně a equatoriálně
probíhajícími rýhami a zárodek má proto radiální symetrii (žahavci, houby a ostnokožci).
Dalšími typy rýhování je rýhování bilaterální (pláštěnci), disymetrické (žebernatky) a
spirální (kroužkovci, měkkýši). Viz předmět speciální zoologie.
Při rýhování determinačním odstranění jedné blastomery vede k chybění části těla, pro
kterou byla blastomera určena (determinovaná). Při rýhování indeterminačním je defekt
kompenzován ostatními blastomerami.
6. 3. 2 TVORBA BLASTULY (Obr. 54 B, 56 A)
Uvnitř moruly se vytvoří dutina (blastocel, prvotní tělní dutina) a vzniká další vývojové
stádium, blastula. Blastula je tvořena blastodermem s epiteliálně uspořádanými buňkami
v jedné nebo více vrstvách, obklopujících blastocel. Dle polohy blastocelu, lze blastuly
rozdělit do několika skupin.
(i) Archiblastula: centrálně uložený velký blastocel,
(ii) Amfiblastula: blastocel je menší a je posunut k jednomu pólu vajíčka,
(iii) Diskoblastula: blastocel je štěrbinovitý a silně zatlačen k jednomu pólu,
(iv) Sterroblastula nebo též periblastula: blastoderm (periblast) obklopuje
nerozrýhovaný žloutek, např. při superficiálním rýhování centrolecitálních
vajíček hmyzu)
(v) Blastocysta s dutinou zv. lecitocel (placentální savci): je tvořená vnitřní masou
buněk, embryoblastem (budoucí tělo zárodku) a vnější masou buněk
–trofoblastem, základu placenty.
Osud jednotlivých blastomer je u vajíček mozaikových (rýhování determinační) od počátku
předurčen (determinován) k vývoji určitých částí zárodků (obojživelníci).
132
U vajíček regulačních je rýhování indeterminační, tj. blastomery jsou determinovány až
později. Odstranění části blastomer u těchto zárodků pak nevede k vývoji neúplného
jedince, je pouze menší (žahavci, obratlovci).
6. 3. 3 GASTRULACE (obr. 56 B,C)
Gastrulace je proces, v průběhu kterého dochází k reorganizaci blastodermu, která vede
k vytvoření dvou (Diblastika, houby žahavci a žebernatky) až 3 zárodečných listů
(triblastika, většina živočichů): ektodermu (vnější list), entodermu (vnitřní list, angl. syn.
endoderm) a mezodermu (list střední, syn. mezoblast).
Mezi ekto- a entodermem diblastických živočichů se může vyskytovat nebuněčná, průzračná, inertní
gelatinosní substance, tzv. mesogela, která poskytuje mechanickou oporu tělu ve vodním prostředí.
U vajíček s totálním rýhováním začíná proces gastrulace vchlipováním blastodermu
budoucí hřbetní strany blastuly do blastocelu. Vchlípenina, resp. její vstupní otvor, se
označuje jako tzv. prvoústa (blastoporus). Vchlipením se vytvoří dvojvrstevný útvar,
jehož zevní list představuje ektoderm a vnitřní entoderm. Dutina obklopena entodermem
představuje prvostřevo (archenteron).
Blastoporus zůstává otvorem ústním u tzv. prvoústých živočichů - Prostomií (např. ploštěnci, hlísti, kroužkovci, členovci),
U druhoústých-Deuterostomií blastoporus zaniká a v jeho blízkosti vzniká otvor řitním. Otvor ústní se u těchto živočichů
prolamuje později během ontogeneze v hlavové čáti (ostnokožci, postrunatci, strunatci).
Buňky v oblasti dorsálního rtu blastoporu jsou velmi aktivní. Dělí se, migruji a diferencují a
dávají vznik prvostřevu a mesodermálním buňkám, které vcestovávají mezi ekto- a
entoderm a vytváří chordu. V r. 1920 Spemann a spol. totiž prokázali na zárodcích
obojživelníků, že transplantace dorsálního rtu na břišní stranu zárodku tam vyvolá
gastrulaci a následné morfogenetické procesy, vedoucí ke vzniku orgánových základů,
především neurální trubice. Dorzální ret blastoporu se proto označuje jako tzv. primární
(Speemanův) organizátor (též primární induktor), neboť proces, který vyvolává se označuje
jako primární embryonální indukce.
U živočichů vyvíjejících se telolecitálních vajíček (viz níže), se inekválním rýhováním na
animálním pólu vytváří čepička blastomer, tzv. zárodečný terčík. Dorzálnímu rtu
blastoporu zde odpovídá tzv. Hensenův uzel, což je malé knoflíkovité ztluštění na konci
rýhy, která prochází podélně-předozadně, středem zárodečného terčíku, resp. primitivního
proužku. Imigrací buněk z tohoto místa se postupně vytváří endoderm a mezoderm.
Zárodečný terčík ptačího vajíčka je při pohledu shora tvořen střední tmavší oblastí (area
pellucida) a světlejší periferií (area opaca).Area pellucida je vlastní blastoderm, ze kterého
se vyvíjí tělo zárodku.
Za indukci hřbetní strany zárodku (notogeneze) odpovídají molekuly sekretované z buněk dorzálního rtu.
Jejich účinek spočívá v inaktivaci růstovového faktoru BMP-4 (kostní morfogenetický protein 4, Bone
Morphogenetic Protein 4), který určuje vývoj břišní strany zárodku.
Podobné indukční mechanizmy byly zjištěny i v jiných oblastech zárodku. Např. při pozdější tvorbě očních
plakod, induktivní molekuly vylučované z neurální oční výchlipky základu mozku, indukijí přeměnu přilehlých
povrchových ektodermálních buněk na buňky čočky. Jsou označovány jako sekundární indukce.
Proces gastrulace probíhá zárodků různých živočišných druhů několika různými způsoby.
Závisí na typu vajíčka a blastuly.
133
Hlavní způsoby gastrulace jsou:
(i) Invaginace- vchlipování do prvotní tělní dutiny archiblastuly (kopinatec),
(ii) Epibolie - ektoderm vzniká rychlým dělením mikromer telolecitálních vajíček, které
makromery postupně obrůstají a archenteron a blastoporus vznikají sekundárně
(obojživelníci, ryby),
(iii) Imigrace, unipolární a multipolární- vycestováním buněk z blastodermu směrem dovnitř
se vytváří postupně vnitřní zárodečný list (láčkovci),
(iv) delaminace-podélným rozdělením všech buněk blastodermu se vytvoří zevní a vnitřní
list (někteří láčkovci, ptáci, savci vč. člověka).
Mesodermální list , který je u tz. triblastik mezi ekto- a entodermem, se tvoří několika
způsoby. (1) Přeměnou buněk ektodermu (proces fylogeneticky starší a méně častý, např.
u primitivních žahavců) (2) Přeměnou buněk entodermu, a to vycestováním buněk ze
stropu prvostřeva nebo jeho váčkovým bilaterálním paraaxiálním vychlípením. Z entodermu
se mesoderm tvoří u většiny živočichů. Tento proces je nejlépe patrný u zárodků s velkým
blastocelem, např. u kopinatce. Tvorba mesodermu vycestováním jednotlivých buněk
začiná z oblasti horního rtu blastoporu, nebo jeho analogu, tzv. Hensenova uzlu
zárodečného terčíku (ptáci některé ryby, plazi nebo blastocysta savců). Dle aktuálního
mechanizmu je mesoderm označovaný jako endomesoderm nebo ektomesoderm. Materiál
vchlipovaný primárně v oblasti dorsálního rtu blastoporu strunatců je základem chordy
dosalis (chordomesoderm).
Na řízení tvorby mesodermu se podílí speciální molekuly-morfogeny (bílkoviny- typu
růstových fakorů, především FGF, TGF-beta – activin, viz kap. regulace dělení buněk,
kys.retinová aj.). Jednotlivé molekuly působí v časové kaskádě-posloupnosti, jejíž začátek
je ve skupině buněk na hřbetní straně vegetativního pólu zárodku (tzv. Nieuwkoop-ův
center). Více ve vývojové molekulové biologii.
Mesoderm lze členit dle lokalizace v zárodku na osový syn.axiální, (viz též shora
chordomesomderm), dále více laterálně lokalizovaný mesoderm paraaxiální, intermediární
a laterální.
Jak již uvedeno, z axiálního mesodermu se u strunatců tvoří chorda dorsalis, která v
přiléhajícím ektodermu indukuje tvorbu základu centrální nervové soustavy. Proces začíná
tvorbou neurální rýhy v ektodermu hřbetní části zárodečného terčíku. Pokračuje jejím
prohlubováním a posléze uzavřením v neurální trubici, která představuje embryonální
základ centrální nervové soustavy obratlovců.
Mesodermální buňky postupně migrují do stran a vytváří paraaxiální, intermediární a
laterální část mesodermálního listu. Paraxiální mesoderm je tvořen shluky buněk- zv.
somity, které představují primární předozadní segmentaci těla zárodku
U bezobratlých (členovci) se v článkovaném endomesodermu vytvářejí dutinky, coelomové
váčky. Jsou naplněné tekutinou, která podpírá kožněsvalový vak a má funkci vnitřní
kapalinové kostry - hydroskeletu. Ve ventrální zárodku mizí přepážky a vytváří se tzv.
laterální destička (jeho další vývoj viz níže).
U obratlovců lze somity rozčlenit na 3 části, resp. podskupiny buněk. Tzv. sklerotom,
dermatom a myotom, ze kterých vzniká kosterní, kožní a svalová část trupu (viz níže).
Tkáně těchto anatomických částí těla se tvoří z rozvolněného mesodermu, mesenchymu,
obsahujícího velké množství mezibuněčné hmoty. Laterální destička (laterální mesoderm,
splanchotom) je nesegmentovaná a posléze se rozestupuje ve 2 listy, somatopleuru a
134
splanchnopleuru, které uzavírají mezi sebou spojitou pravou tělní dutinu, coelom,
vystlanou epiteloidně uspořádanými buňkami.
Kromě shora zmíněné hydroskeletální funkce, coelom umožňuje nezávislý pohyb břišní
tělní stěny na vnitřních orgánech, především zažívacího traktu a srdce. Umožňuje též
složitější stavbu a prostorové uspořádání vnitřních orgánů v těle (břišní orgány např.
jejich závěsem na tzv. mesenteriu-okruží, pocházejícím ze spanchnopleury) Tekutá výplň
coelomu chrání srdce a gonády, umožňuje rozpínání plic pohybem hrudníku. U nižších
živočišných taxonů coelom napomáhá též výměně plynů, vylučování metabolických
zplodin a termoregulaci. Více ve speciálních předmětech zoologie.
Poznámka. Jednodušší formou tělní dutiny je tzv. nepravá tělní dutina, schizocoel, která nemá souvislou
epiteloidní výstelku, vyskytující se u prostomii. Je vyplněná parenchymem s drobnými skulinkami, kterými
prostupuje tělní míza (ploštěnci, mechovnatci, pásnice). Pseudocoel je rovněž forma nepravé tělní dutiny,
která se vyvinula ze schizocelu větším roztlačením tělního parenchymu. V osové části těla tak vzniká mízou
vyplněná dutina mízou a u endoparazitů navíc i zplodinami anaerobního metabolizmu. Podélně touto dutinou
probíhá trávicí trubice (hlísti, hlavatci).
6. 3. 4 TKÁŇOVÉ A ORGÁNOVÉ DERIVÁTY ZÁRODEČNÝCH LISTŮ
Z ektodermu se vyvíjí epidermis a její adnexy, nervový systém a oční čočka. Z entodermu
vznikají epiteliální výstelky vnitřních orgánů, např. zažívacího a močového traktu, játra a
plíce, slinné žlázy. Ze středního listu, mesodermu, se diferencují pojivové tkáně (vaziva,
kosti, chrupavky, krev, krevní a lymfatické cévy), dále hladká a kosterní kosterní
svalovina, myokard, gonády, ledviny, výstelky tělních dutin a obaly vnitřních orgánů aj..
Tvorba pojivových tkání vychází z přechodné nezralé formy pojiva, mesenchymu,
tvořeného rozvolněnými buňkami a velkého množství mezibuněčné hmoty. Vznik
uvedených tkání a orgánů z mesodermu je pevně vázán na jeho jednotlivé shora
zmíněné tělní segmenty – viz speciální embryologie
6. 4 GENETICKÉ ASPEKTY ROZMNOŽOVÁNÍ ŽIVOČICHŮ
Při rozmnožování živočichů jsou předávány vlastnosti rodičovských organizmů potomkům.
Dědičnost (syn. heredita) je proto jednou ze základních a klíčových vlastností, která
zajišťuje zachování jednotlivých druhů organizmů počas mnoha generací (vertikální
přenos genetické informace).
Potomstvo vznikající pohlavním rozmnožováním však vykazuje v rámci druhu i jistou
variabilitu danou především kombinací allel při oplození vajíčka, tj. vznikem zygoty z
geneticky 2 odlišných zárodečných buněk a specifickými procesy provázejícími
redistribuci genetického materiálu v průběhu gametogeneze (viz shora meioza). Některé
geneticky podmíněné vlastnosti organizmu mohou být ovlivněny faktory zevního prostředí.
Dědičnost lze proto definovat jako vědu o dědičnosti a proměnlivosti živých organizmů.
Molekulární nosiče genetické informace (DNA, chromozomy, geny-vlohy, allely-vlastnosti,
genom, genotyp) byly popsány v kap. 4.3. Vlastnosti přenášené geny lokalizovanými v
jádře nazýváme jadernou dědičností. Některé vlastnosti organizmu jsou však přenášeny
geny mitochondrií (mitochondriální dědičnost). Tyto geny se dědí pouze po mateřské linii,
neboť mitochondrie spermie do vajíčka při oplození nevstupují (maternální dědičnost,
matroklinita). Viz též níže.
Základní zákonitosti, kterými se řídí přenos dědičných znaků kódovaných jadernými geny
psal Johann Gregor Mendel na hrachu, jako rostlinném modelu v r. 1865 tj. v době kdy
nebyly známy chromozomy, DNA ani zákonitosti redukčního dělení. Došel přesto ke
135
správnému předpokladu, že každá vlastnost organizmu je přenášena 2 na sobě nezávislými
faktory, které jsou dnes označovány jako allely příslušného genu.
U každého diploidního potomka se allelární pár skládá z jedné allely otcovské a jedné allely
mateřské. Dominantní allely se označují velkými písmeny, tzv. recesivní (neprojevující se)
allely písmeny malými (viz níže Aa, Bb apod.). Nositele stejných alllel (AA, BB, aa, bb
apod.) apod. označujeme jako homozygoty, nositele nestejných allel (Ab, Bb, a pod) jako
heterozygoty.
Přenos allel na potomky podléhá základním pravidlům kombinatoriky. Tato pravidla shrnul
Mendel do 3 zákonů:
(1)
Zákon o stejnorodosti první filiální (F1) populace (syn. zákon o dominanci allel)
Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. Pokud jde o 2 různé
homozygoty jsou potomci vždy heterozygotními hybridy. Při křížení dvou homozygotů (dominantního - AA a
recesivního - aa) vzniká jednotná generace potomků - heterozygotů se stejným genotypem (Aa) i fenotypem.
(2)
Zákon o různorodosti F2 populace (syn. zákon o segregaci allel)
Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou allel (dominantní i recesivní) se stejnou
pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím pádem i fenotypovému štěpení = segregaci.
Pravděpodobnost pro potomka je tedy 25% (homozygotně dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25%
(homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1,
pokud je mezi allelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový štěpný poměr štěpnému poměru
genotypovému (tj. 1:2:1).
(3)
Zákon o volné kombinovatelnosti allel (syn. zákon o nezávislém dědění jedné allely
na allele druhé)
Při zkoumání 2 allel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb může každý
tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet vzniká 16 různých
zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých
genotypů (poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1). Nabízejí se nám pouze 4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou
znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1. recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní). Fenotypový
štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento zákon platí pouze v případě, že sledované geny se nachází na různých
chromozomech, nebo je jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti.
Uvedené kombinatorické zákonitosti lze zobrazit tzv. Mendelovými čtverci (syn. Punnettovy
čtverce, kombinatorické čtverce (viz předmět Genetika).
Přenos některých znaků se však od shora uvedených Mendelových pravidel odchyluje. Je
to důsledek mitochondriální dědičnosti, nestability některých repetitivních úseků DNA tzv.
genomického imprintingu ("vtisknutí", zpravidla se však nepřekládá). Více o této tzv. nonMendelianské dědičnosti v předmětu Genetika.
Mitochondriální Eva ??
YcA?
Téměř 150 žen nejrůznějších ras a národností se zúčastnilo pokusu porovnávajícího jejich mtDNA…. . Programem PAUP, Phylogetetic Analysis Using
Parsimony, byl sestaven pomocí výskytu a četnosti určitých mutací mtDNA pravděpodobný lidský vývojový strom. Největší rozdíly v mtDNA jsou mezi obami
afrického původu. Z toho vyplývá, že tato mtDNA je nejstarší, protože při konstantní rychlosti mutací dokázala nahromadit nejvíce odchylek. V této nejstarší
vývojové větvi stromu sahající do Afriky můžeme hledat ženu, po které jsme zdědili svoji mtDNA. Odvozovat, kde a kdy žila mitochondriální Eva je mnohem
obtížnější než dokázat myšlenku, že někdy existovala, což v současnosti (téměř) nikdo nepopírá. O mitochondriální Evě s jistotou víme pouze, že byla žena,
která měla nejméně dvě dcery, jejichž potomci přežili do dnešních dní. Rychlost mutací mtDNA je pro člověka asi 2 – 4% změn za 1 milion let. Protože
největší odchylky v lidské mtDNA byly necelých 0,6%, musela mitochondriální Eva žít před 140 000 – 280 000 lety. Ve své době nebyla jediná žijící žena, ale
přesto pouze její genetická linie z mnoha přežila.Tehdy pravděpodobně ve východní Africe vznikla vývojově úspěšná populace Homo sapiens, která začala
postupně vytlačovat dřívější příslušníky rodu Homo nejprve v Africe a pak i ostatních částech světa. Odhadem v této zárodečné populaci žilo před 200 000
lety cca. 10 000 lidí moderního typu. Svojí expanzí nahradila potomky první migrační vlny Homo erectus, kteří se rozšířili z Afriky již před několika sty tisíci let.
Homo sapiens byl ve svém tažení velmi úspěšný, neboť “vyhubil” všechny starší formy člověka a ovládnul Zemi.Základní chyba, které se autoři teorie
mitochondriální Evy dopustili, byl předpoklad, že všechny mitochondrie jednoho jedince jsou stejné. Jejich článek vyšel rok před objevením prvního
onemocnění způsobeného mutací mtDNA a formulování pojmů homoplazmie a heteroplazmie.Další námitka odpůrců teorie mitochondriální Evy se týká
spolehlivosti “molekulárních hodin”. Kdyby autoři teorie pramatky vycházeli z asi 4 – 5 krát nižší mutační frekvence, posunul by se čas existence Evy na
136
období před 1 milionem let. To by vyřešilo problém druhé migrace z Afriky: pramatka by byla příslušnicí Homo erectus, který tehdy opouštěl Afriku a začal
kolonizovat svět.Autoři teorie mitochondriální Evy použili pro srovnání mutační rychlosti mtDNA lidoopů, opic a jiných savců, které jistě více odpovídají
rychlostí mutace lidské mtDNA, než nízké mutační rychlosti některých druhů ryb, o které se opírali oponenti.Jiná skupina odpůrců poukázala na fakt, že
změny mitochondriálního genomu mohou být podstatně rychlejší. Správnost časových odhadů A. C. Wilsona a jeho teamu zpochybňuje heteroplazmií.
Heteroplazmie by změnila pohled na minulost. Podle nové kalkulace by mitochondriální Eva žila před neuvěřitelnými 6000 lety. Toto číslo odporuje všem
historickým poznatkům (kromě Bible). Také by se zkrátila doba osídlení Evropy i dalších kontinentů. Protože tyto propočty zjevně nejsou reálné, je možné, že
“mitochondriální hodiny” by v průběhu času změnily (zrychlily) svůj rytmus.Někteří paleoantropologové zpochybňují teorii mitochondriální Evy a rozšíření jejích
potomků, protože nebyly objeveny žádné nálezy dokazující migraci člověka moderního typu z Afriky a vyhubení starých populací v době asi před 200 000
lety.Tuto hypotézu vyvracejí sérií kosterních nálezů z určitých oblastí (jmenovitě např. Čína), dokazujících postupný vývoj místních populací směrem k
modernímu člověku. Představa, že by nově příchozí vyhubili své předchůdce bezezbytku, není snadno pochopitelná, natož proveditelná. Takový jev se
objevuje velmi zřídka. Spíše se populace alespoň částečně smísí nebo dokonce splynou. Zastánci teorie mitochondriální Evy tvrdí, že by v případě smísení
populací zvláště v okrajových oblastech, kam by noví emigranti z Afriky přišli zřejmě nejpozději (například východní Asie), musely přetrvat některé linie
mtDNA podstatně starší než 200 000 let. Speciální výzkum mtDNA obyvatel východní Asie nic takového nepotvrdil. Odpůrci teorie mitochondriální Evy také
zpochybnili funkci programu, pomocí kterého byla zpracovávána získaná data…….. Dosud tedy neznáme optimální vývojový strom mtDNA. Přesto o
starobylosti afrických mtDNA svědčí především největší procento odchylek mezi nimi. Je o polovinu větší než u asijských mtDNA a dvakrát větší než mezi
australskými nebo evropskými mtDNA.Je možné, že potomci jedné ženy žijící ve zmíněném období se rozptýlili a smísili se svými sousedy. Shodou
nejrůznějších okolností její dcery a dcery jejich dcer pronikaly do dalších populací a vytlačovaly potomstvo dalších žen – současnic své pramatky. Během 200
000 let se mohlo vystřídat kolem 12 000 generací, což je dostatečně dlouhá doba pro převládnutí na celém světě. Toto šíření mtDNA by nevyžadovalo
kompletní vyhubení starých populací nově příchozími.
Existence mitochondriální Evy není tedy pouze teorie, ale matematický fakt.
Y-chromosomový Adam
Protože pouze muži mohou přenést chromozom Y, je možno definovat také Adama ). Existuje mnohem méně variací chromozomu Y než mutací mitochondrií
(samozřejmě vezmou-li se v úvahu jejich různé mutační frekvence). To znamená, že poslední společný předchůdce mužů, Y-chromosomový Adam (značí se
“YcA”), žil mnohem později než mitochondriální Eva. Je datován do období před 27 000 lety (další zdroje uvádějí 37 000 – 49 000 let a dokonce až před 188
000 lety [V-25]). Rozmnožení pouze jedné linie bylo způsobeno pohlavní selekcí ovlivněnou ekonomickým postavením jedinců. Atd……převzato s mírným
krácením a bez obrázků z http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/15/15.htm
Historie vývoje poznání v genetice ve zkratce (http://old.mendelu.cz/~agro/af/genetika/vsg2/uvod1/history.htm)
1865 J.G. Mendel oznámil a publikoval svou teorii dědičnosti, dnes známou jako Mendelovy principy
1869 v buňkách byla zjištěna chemická látka DNA
1875 Ch. Darvin navrhl myšlenku „gemmulí“, které volně kolují v organizmu, jako mechanizmus dědičnosti. Dědičnost vykládal jako hypotézu
pangeneze ve své knize "O proměnlivosti zvířat a rostlin během domestikace"; Darwin spekulativně věřil i v dědičnost vlastností získaných během
ontogeneze
1882 německý biolog W. Fleming (1843 - 1905) použil barviva k zbarvení buněk; objevil struktury, které nazval “chromozomy”
1903 Walter Sutton a Theodor Boveri na sobě nezávisle dokázali, že spermie a vaječné buňky mají jeden z každého páru chromozomů. Sutton
předpokládal, že Mendelovy „faktory“ jsou lokalizovány na chromozomech; Objevil pohyb chromozomů během meiózy a jejich rekombinaci a spojil jej
s tříděním Mendelových párových faktorů. Dal Mendelovým „faktorům“ název geny
1907 americký biolog T.H. Morgan začal svou práci s ovocnými muškami, která prokázala, že chromozomy mají jednoznačnou funkci v dědičnosti,
založila teorii mutace a vedla k základnímu porozumění mechanizmů dědičnosti
1909 dánský botanik Wilhelm Ludvig Johannsen (1857 - 1927) navrhl, že každá část chromozomu, která kontroluje fenotyp se bude nazývat „gen“
(řecky: „dávat vznik”), „genotyp“ k popisu genetické konstituce a „fenotyp“ k popisu aktuálního organizmu, který je výsledkem působení genotypu a
prostředí - položil tak základy kvantitativní genetiky; bylo zjištěno chemické složení DNA
1911 T.H. Morgan vysvětlil oddělení určitých vlastností, které jsou obvykle děděny vázaně, jako příčina zlomení chromozomů během procesu
buněčného dělení (crossing-over); Morgan začal mapovat pozice genů na chromozomech ovocné mušky
1912 Lawrence Bragg objevil, že rentgenové záření se může použít ke studiu molekulární struktury jednoduché krystalické substance; tento objev vedl
k vývoji krystalografie, která umožňuje další vývoj tří dimenzionální struktury nukleových kyselin a proteinů
1920 zjistilo se, že v mechanizmu přenosu dědičných vlastností hrají úlohu chromozomy
1941 George W. Beadle (1903 - 1989) a Edward L. Tatum (1909 - 1975), oba z USA, zjistili, že geny kontrolují produkci enzymů - hypotéza „jeden
gen – jeden enzym“
1944 jako nositelka genetické informace byla určena DNA
1947 Barbara McClintock poprvé oznámila objev „transposibilních elementů“, známé jako skákající geny
1950 Erwin Chargaff zjistil, že množství adeninu a tyminu je stejné jako množství guaninu a cytozinu – později známa jako „Chargaffova pravidla“
1951 byl získán první jasný rentgenový snímek DNA
1953 Crick a Watson popsali strukturu dvojitého helixu DNA
1957 M. Meselson a F. Stahl dokázali replikační mechanizmus DNA. F. Crick a George Gamov vypracovali „centrální dogma“, vysvětlující jak DNA
funguje, aby vytvořila protein. Jejich „sekvenční hypotéza“ předpokládala, že DNA sekvence specifikuje sekvenci aminokyselin v proteinu; také
předpokládali, že genetická informace proudí pouze jedním směrem, z DNA do mRNA a do proteinu, ústřední koncept centrálního dogmatu
1958 A. Kornberg (1918- ) z USA vytvořil DNA ve zkumavce, poté co objevil a izoloval DNA polymerázu; Crick objevil existenci mRNA
1959 Francois Jacob a Jacques Monod objevili základní princip genetické regulace – operonový model. Zmapovali kontrolní funkce lokalizované na
chromozomech v DNA sekvenci, které nazvali represor a operon
1966 bylo zjištěno, že DNA se nachází také mimo jádro buňky (např. mitochondrie); byl rozluštěn genetický kód; M. Nirenberg, H. Mathaei a S. Ochoa
dokázali, že sekvence tří nukleotidových bazí (kódon) určuje každou z 20 aminokyselin; to vedlo k genetickému inženýrství, genetickému poradenství
atd.
1969 byl naizolován první gen
1970 byl vyroben první umělý gen
1972 Paul Berg z USA vyrobil první rekombinantní molekulu DNA; izolovanou restrikční endonukleázou rozstříhal DNA a použil ligázu ke spojení
dvou řetězců DNA společně do hybridní kruhovité molekuly
1973 začala rozvoj genetického inženýrství a experimentování s geny
1976 byla poprvé dekódována DNA viru
1977 do baktérie byl poprvé uměle vložen gen, který normálně fungoval
1978 geneticky modifikovaná baktérie produkuje inzulín
1981 vědci z Ohio University vyprodukovali první transgenní zvíře transferem genů z jiných druhů zvířat do myši
1983 vytvořen první umělý chromozom
1984 A. Jeffreys zavedl techniku DNA fingerprintingu k identifikování jedinců, která o rok později vstoupila do soudních síní
1988 mezinárodní tým vědců začal pracovat na projektu mapování lidského genomu (Human Genome Project)
1990 byla provedena první genová terapie u čtyřletého děvčátka s nemocí imunitního systému zvaného ADA deficiency
1993 genovou terapií byla vyléčená myš s cystickou fibrózou
1996 po šestiletém úsilí byl dekódován genom kvasinky
1998 byl poprvé sekvencován celý živočišný genom červa C. elegans
2000 ohlášeno ukončení první fáze mapování lidského genomu
137
7 PRINCIPY GENOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A BIOTECHNOLOGIÍ
Genové inženýrství (syn. DNA biotechnologie) se zabývá zaváděním cizorodých genů,
nebo sekvencí DNA, do genomu jiných organizmů, nebo cíleným ovlivňováním struktury
nebo exprese genu.
Nezbytným prvním krokem vnesení cizího genu je jeho isolace, a to buď celého nebo
specifického segmentu. To lze provést „vyštěpením“ příslušného úseku DNA tzv.
restrikčními enzymy (zdrojem jsou bakterie, viz též konec této kapitoly) nebo přepisem
příslušné zralé mRNA do DNA reversní transkripcí (viz kap 5.3). Reverzní transkripcí
vytvořený segment DNA se označuje jako cDNA (complementary DNA) a neobsahuje
introny příslušného genu.
Přenos genu do cizího genomu se provádí tak, že vyštěpený gen nebo segment cDNA se
vloží do tzv. vektoru, kterým může být bakteriální plasmid, bakteriofág nebo virus. Pro
velké segmenty DNA jako vektor může sloužit tzv. umělý kvasinkový chromozom (YAC –
Yeast Arteficial Chromosome) nebo umělý bakteriální chromosom (BAC). Výsledný komplex
obsahující původní geny plasmidu i požadovaný přenášený gen se označuje jako
rekombinantní DNA.
Plasmid s rekombinantní DNA se po vrácení do bakterie replikuje a transkribuje jejími
vlastními molekulárními mechanizmy. Výsledkem je vytvoření mnoha kopií přenášeného
cizího genu i kódovaných molekul peptidu. Speciálními postupy se pak z populace bakterií
vytřídí ty, které požadovaný gen nesou a přepisují. Tento proces se označuje jako
klonování (viz Molekulová biologie).
Přenos genetické informace plasmidovým vektorem je možný i do eukaryotní buňky po
jejím předchozím „otevření“ např. tzv. elektroporací, kdy se krátkými elektrickými pulzy
vytvoří v plazmatické membráně hostitelské buňky velmi malé a jen krátce existující
„otvory“ . Do rostlinných buněk je možné tyto vektory vpravit tak, že se připojí ke kovovým
mikrosférám, které se „vstřelují“ pomocí tzv. genové děla.
Soubory izolovaných genů, resp. jejich klonů, tvoří tzv. genomové knihovny (plasmidové a
fágové). Soubory DNA štěpů získaných reverzní transkripcí tvoří tzv. cDNA knihovny.
V případě, že isolovaná sekvence DNA je pomocí některého z vektorů (nejčastěji virového)
vnesena do vajíčka, objeví se po jeho oplození ve všech buňkách nově vzniklého jedince.
Takovéto organizmy nazýváme transgenní.
V případě, že cizí gen je vnesen pouze do somatických buněk, organizmus označujeme
jako geneticky manipulovaný, GMO, organizmus.
Buňky, nebo organizmus, ve kterých došlo vnesením definovaných sekvencí nukleotidů
k umlčení projevu genu cestou inhibice translace se označují jako knock-out (ované)
organizmy.
Pomocí DNA biotechnologií se dnes vyrábí řada tzv. genových sond (viz níže),
bílkovinných hormonů potřebných pro veterinární a humánní medicínu (inzulín, růstový
hormon, interferon, erytropoetin, interleukiny, antihemofilické faktory 8 a 9), virové antigeny
sloužící k výrobě vakcín i některá antibiotika, diagnostické přípravky a další.
Transgenní rostliny a zvířata se mohou v důsledku exprese vneseného genů měnit
morfologicky i funkčně (zvýšená odolnost rostlin proti plísním, vznik tzv.obřích mutantů
138
hlodavců apod.). Mohou však být též zdrojem bílkovin, např. lidského mléčného kaseinu,
který je produkován jako součást mléka, např. transgenních krav. Izolovaný kasein pak je
používán jako doplněk výživy kojenců.
Tzv. “genové sondy”, slouží k mapování genomu. Sonda se označí např. radioaktivním
isotopem nebo flurochromem. Sonda se známou sekvencí nukleotidů charakteristickou
např. pro normální nebo mutovaný gen se exponuje vyšetřovanému genomu po jeho
předchozím rozvláknění DNA, tzv. denaturaci DNA (zvýšením teploty), na kterou se naváže
komplementárním párováním (tzv. hybridizace nukleových kyselin). Navázání sondy
s informací pro normální gen se nenaváže na genom nesoucí gen mutovaný a obráceně
v případě aplikace sondy mutované. Tento postup slouží např. k prenatální diagnostice
vrozených metabolických poruch.
Hybridizace DNA sondy s vyšetřovanou DNA se může provést buď s DNA rozdělenou
gelovou elektroforesou (viz blottovací metody v kap…..) nebo v celých buňkách tzv.
hybridizací in situ (lat. – na původním místě), čímž lze zjistit i polohu klonovaného genu na
konkrétních chromozomech.
Genetické sondy se dnes multiplikují většinou v bezbuněčných systémech pomocí tzv.
polymerázové řetězové reakce (PCR: Polymerase Chain Reaction). Obr. 60.
PCR je založena na opakovaném kopírování počáteční sekvence DNA. V tomto procesu se na klonovaném
segmentu nukleotidů vytvoří nejprve druhé vlákno komplementárním párováním bazí. V dalším kroku se obě
vlákna oddělí (denaturace DNA zvýšenou teplotou). Na oddělené jednovláknové úseky se mohou připojit
komplementárně nové baze, které se opět v dalším cyklu zahřátí oddělí. Opakováním těchto cyklů, zpravidla
20-30, počet příslušné nukleotidové sekvence exponenciálně roste. Každý cyklus trvá přibližně 5 minut a celý
proces je plně automatizován a nevyžaduje přítomnost živých buněk. K syntéze nového vlákna DNA se
nejčastěji používá termostabilní DNA polymeráza izolovaná z bakterie Thermophilus aquaticus (Taq
polymeráza).
DNA biotechnologické metody mají aplikace diagnostické, badatelské, forenzní a
kriminalistické aplikace.
Soudní aplikace se týkají např. stanovení genetické příbuznosti osob, identifikace zbytků
těl, osob z biologických stop zanechaných na místě zločinu či neštěstí apod. To umožňuje
tzv. DNA polymorfizmus, který poskytuje individuálně specifické znaky, podobně jako
otisky prstů. Proto se tyto DNA znaky označují též jako DNA finger prints. Lze tak určovat
genetickou příbuznost při např. sporech o otcovství, identifikaci pachatelů trestných činů
v kriminalistice, identifikaci ostatků lidí při hromadných neštěstích apod.
Pravděpodobnost nálezu stejného obrazu u dvou jedinců je jedna ku mnoha desítkám
až stovkám miliónů.
Vysoká variabilita nukleotidové stavby nekódující DNA je důsledkem náhodných bodových
mutací, které se však funkčně neprojevují a proto se mohou hromadit.
DNA polymorfizmus je vázaný přednostně na tzv. nekódující jadernou DNA, tvořenou
z velké části jednou, nebo vícenásobně se opakujícími nukleotidovými sekvencemi. Pořadí
nukleotidových bazí, délka a počtem těchto tandemových repeticí se mezi jednotlivci
téhož druhu liší (viz též nekódující DNA kap. 4.3 ).
Zdrojem této interindividuální variability dané nestejnou délkou a počtem repeticí jsou tzv.
VNTR sekvence DNA (Variable Number of Tandem Repeats). Dalším zdrojem jsou tzv.
RFLT tandemy (Restricted Fragments Length Tandems), které se mezi jedinci liší „jen“
139
bodovými mutacemi. určitého pořadí nukleotidů. Tím však z této DNA vznikají při štěpení
restrikční i enzymy u různých jedinců fragmenty různé délky.
Různá délka fragmentů se po elektroforetické separací DNA projeví jejím nejednotným
rozložením v separačním gelu neboť jejich pozice závisí na migrační pohyblivostí
jednotlivých frakcí v elektrickém poli. Ta je úměrná jejich molekulární hmotnosti, která je
daná délkou fragmentů. Rozložení těchto fragmentů (proužků v gelu) je pro každého
jedince vysoce specifické a označuje jako tzv. DNA finger prints.
O dalších typech DNA fingerprints více v Molekulové biologii.
DNA fingerprinting vyžaduje namnožení vzorku DNA získaného z malého počtu buněk, zanechaných např.
pachatelem trestného činu (krevní stopy, vlasy, kožní otěry, sperma, buňky ve slinách apod.) nebo ze zbytku
těla nebo buněk zanechaných na používaných předmětech (hřebeny, kartáčky), pomocí PCR.
Diagnostika vrozených metabolických chorob je umožněna tím, že DNA mutovaného
genu je štěpena restrikčními endonukleázami na fragmenty jiné délky než obyvkle. To vede
k odlišné poloze příslušného proužku v elektroforetickém gelu.
Pro badatelské účely je často používáno tzv. „vyřazení“ či „umlčení“ genu (gene knock-out,
gene silencing). Toho lze dosáhnout vnesením tzv. anti-sense/protismyslové DNA, dsRNA,
siRNA a pod (viz též kap.4.3.4 a další zdroje). Funkci genu lze měnit též . cílenou
mutagenezí. Změny vlastností buněk, nebo celého organizmu, nesoucích mutovaný nebo
vyřazený gen ukazují pak na funkci obměněného genu, resp. funkci jim kódované
molekuly.
Genetické manipulace jsou i nadějným léčebným postupem, cestou vnášení nepoškozených genů do mutovaných buněk. Pomocí DNA
sond a jejich hybridizace se používá též diagnostice bakteriálních a virových onemocnění.
Poznámka. „Místa rozpoznávané restrikčními endonukleasami jsou většinou palindromatické sekvence
(palindromatické sekvence mají stejné pořadí nukleotidů čtené ve směru od 5' konce na obou dvou vláknech DNA).
Příklad palindromatické sekvence u enzymu Eco RI (mezi červeně označenými nukleotidy dochází ke štěpení):
5' GAATTC 3'
3' CTTAAG 5'
….u enzymu Eco RI (endonukleasa izolována z Escherichia coli) může docházet ke štěpení mezi nukleotidy, které neleží
naproti sobě; konce rozštěpené dvoušroubovice jsou pak nestejně dlouhé. Takovéto konce označujeme jako lepivé
(kohezní).
Pokud restrikční endonukleasa štěpí mezi protilehlými nukleotidy, potom jsou konce dvoušroubovice zarovnané tupé
konce.
Restrikční endonukleasy ….. umožňují specificky vyštěpovat různé DNA sekvence. ……izolovaných z různých bakterií,
tudíž ….. velké možnosti vyštěpování žádaných úseků DNA (existují tzv. restrikční mapy, kde jsou v genomových
sekvencích naznačena místa, kde lze sekvenci určitou endonukleasou štěpit).
http://genetika.wz.cz/rekombinantni_dna.htm
140
8 MIKROSKOPICKÁ ZAŘÍZENÍ A METODY POUŽÍVANÉ
PRO STUDIUM BUNĚK A TKÁNÍ (obr.61-65)
SPOLEČNÝM POŽADAVKEM NA VŠECHNA TATO ZAŘÍZENÍ A METODY JE UMOŽNIT ANALÝZU CO NEJMENŠÍCH
BIOLOGICKÝCH OBJEKTŮ, JEJICH STRUKTURY, FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ, CHEMICKÉHO SLOŽENÍ A FUNKČNÍCH
PROJEVŮ.
8.1 Světelná mikroskopie (SM)
8.1.1 SM v průchozím světle (trasmisní mikroskopie)
8.1.2 SM v emitovaném světle (fluorescenční mikroskopie)
8.1.3 Typy a vlastnosti objektivů pro SM
8.1.4 Konfokální mikroskopie
8. 1.5 Preparační a disekční mikroskopy
8.2. Elektronová mikroskopie (EM)
8.3 Doplňková zařízení k SM a EM:
8.4 Další speciální zařízení
8.5 Příprava mikroskopických preparátů a přehledné (nespecifické) barvení
8.6 Principy speciálních histochemických a cytochemických metod
8.6.1 Přímé barvení organických molekul
8.6.2 Katalytická histochemie enzymů
8.6.3 Autoradiografie
8.6.4 Imunocytochemie
8.6.5 Hybridizace nukleových kyselin. Microarrays. DNA čipy
8.6.6
8.6.7
SLOVO O KONSTRUKTÉRU (-ECH)
MIKROSKOPU
……... ANTONY THONISZON, muž, který první spatřil bakterie. Pocházel z holandského městečka Delft a byl majitelem obchodu
se smíšeným zbožím. ……. začal používat jména Anthony van Leeuwenhoek, podle nároží se sochou lva, kde stál jeho rodný dům.
Jednoho dne si na výročním trhu koupil jednoduchý zvětšovací přístroj, jemuž se tehdy říkalo „bleší sklo". Dvěma čočkami bylo
možno docela dobře pozorovat blechy, takže prý vypadaly jako mouchy. Leeuwenhoek byl touto hračkou nadšen. Využil každé volné
chvíle k zhotovování stále dokonalejších čoček, až se mu podařilo, ačkoli neměl žádné vědomosti z fyziky, sestrojit drobnohled tak
dokonalý, že jím bylo možno zvětšovat 270krát. Tímto podivuhodným přístrojem prohlížel všechno, co se mu dostalo do ruky. Včelí
žihadla, oko vši, nožky brouka - a to vše mu připadalo jako zjevení. Byl zkoumáním malých předmětů tak posedlý, že ho sousedé
začali považovat za blázna. Jednoho dne přišel na zvláštní myšlenku. Do sklenice vložil hrstku sena a zalil ji vodou z rybníka. Za 14
dní dal kapku nálevu pod mikroskop a zaměřil na ni skla zvětšovacího přístroje. Užasl. Spatřil nesmírné množství zvířátek, která
překypovala životem. Oznámil svůj objev příteli, lékaři a badateli dr.Graafovi, jehož zásluhou se později stal dopisujícím členem
londýnské Královské společnosti. Po několika týdnech dostal další nápad. Chtěl prozkoumat, proč má pepř ostrou chuť. Když anglická
Královská společnost dostala od Leeuwenhoeka tuto senzační zprávu, rozhodli se dva její členové, že údaje přezkoušejí. Stalo se to 15.
listopadu 1677. I tito učení mužové užasli. Oslněni tímto drobnohledným zážitkem neotáleli a zvolili nevzdělaného kramáře z Delft
členem anglické Královské společnosti. Tím však Leeuwenhoekovy pokusy nekončily. V roce 1683 provedl další pokus. Seškrábl bílý
povlak se svých zubů, rozředil jej dešťovou vodou a vložil pod mikroskop. A opět spatřil zázrak. Objevilo se množství čile se
pohybujících zvířátek, ale byla úplně jiná než která vídal dříve…. A tak putoval členům anglické Královské společnosti jeden dopis za
druhým. Všechny jsou uchovány v muzeích. Veliké pozornosti se těší kupříkladu list, v němž neúnavný Leeuwenhoek sděloval, že
objevil pod mikroskopem, jak kukly blech jsou napadeny malými tvorečky. … objevil, že bleší kukla je napadena parazity. To ..
inspirovalo satirika Jonathana Swifta k napsání epigramu:
Přírodovědci se domnívají,
že na bleše menší blesky sají.
Na těch bleškách ještě menší sedí,
kde to končí, to zatím nevědí.
Dnes víme, že Leeuwenhoek vlastně objevil (i !!!) bakterie, původce infekčních nemocí. To však tehdy on ani jeho současníci ještě
netušili. MUDr. Stanislav Trča, CSc.(Cesty k dlouhověkosti. www.bakterie1
http://www.avicenna.cz/item/muz-ktery-prvni-spatril-bakterie
141
Pozn. VM : Jako první konstruktér mikroskopu se uvádí Galileo Galelii a někteří brusiči brýlových čoček v
Amsterodamu již na konci 16. století. A. v . L. však pomocí své modifikace drobnohledu jako první pozoroval a
popsal biologické objekty, a to nejen bakterie ale i některé prvoky, vířníky, erytrocyty, spermie apod. Robert
Hook, člen Londýnské královské učené společnosti, použil později pojem cellula (=klášterní cela, komůrka,
sklípek, buňka) pro komůrky, které pozoroval v korku. Ty však neměly mnoho společného s objekty,
popisované A.v.L. Skutečné rostlinné a živočišné buňky popsali až o téměř 200 let později J. E. Purkyně, T.
Schwan, M. J. Schleiden, R. Virchow a další, kteří postulovali a rozvinuli buněčnou teori (vz kap. i,2).
8. 1 SVĚTELNÁ MIKROSKOPIE (SM)
8.1. 1 SM v průchozím světle (transmisní mikroskopie).
Visualizace (barvení) buněk pomocí:
(i) diachromů (hematoxylin, eosin, toluidinová modř, pararosanilin,
basický fuchsin, kresylová violeť, soli těžkých kovů a pod).
Pohlcují doplňkovou část světelného spektra
(ii) lomem světla (fázový kontrast). Při průchodu prostředím s různou
lomivostí se dochází k posunu fáze světelné vlny. Ve
speciálním optickém systému se objekty s větší lomivostí
jeví tmavší.
(iii) zástinem, pozorování v temném poli (světlo přichází ze strany,
(iv) objekt se jeví jako světlý na temném pozadí)
8.1. 2 V emitovaném světle (fluorescenční mikroskopie:
Visualizace buněk pomocí fluorochromů excitovaných světlem výbojky
dopadajícím na preparát (viz níže imunochemické techniky)
8 .1. 3 Typy a vlastnosti objektivů pro SM:
1. Suché 2. Imersní: (olejové, nebo vodní)
Optické vady objektivů a jejich korekce
Typy vad:
1. Vada chromatická: Části spektra s odlišnou λ mají různý fokus→ neostrý obraz
Objektivy s korekcí pro 2 barvy: achromáty; pro 3 barvy
: apochromáty
2. Vada sférická: Střed čočky láme světlo více než okraje →neostrý obraz
3. Nerovnoměrné zakřivení zorného pole. Objektivy s korekcí: plan-apochromáty
(dokonale ploché pole)
Způsob korekce: Kombinací vícero čoček z různých druhů skla (flintové, korunové,
borosilkátové apod., lišící se indexem lomu)
Rozlišovací schopnost objektivu (RS) = Nejmenší rozlišitelná vzdálenost mezi 2 body
(tj. kdy 2 body ještě „nesplývají v jeden“)
RS = 0. 61 x λ/n.sin alfa
n= refrakterní index skla, montovacího a imersního media
sin alpha = sinus 1/2 vstupního úhlu světla = numerická apertura objektivu !!! (NA), která
je nepřímo úměrná ohniskové vzdálenosti objektivu. λ=vlnová délka světla. 0.61=
konstanta pro tzv. inkoherentní světlo.
142
Cave: modré světlo 400- 470 nm; zelené: 565 nm; červené : >600nm;
Max. RS oka: 500-1000 um , SV: 0.2 um (200nm) ,
Informaci o vlastnostech objektivu získáme z nápisů uvedených na objektivu, kde bývá
uveden výrobce, zvětšující schopnost/NA (např. Zeiss 40/0.65). V dolní části je údaj o
vyžadované vzdálenosti od okuláru. Na starších objektivech to bývá 160 mm, na novějších
značka nekonečna. Černý nebo bílý kroužek na konci objektivu nás upozorňuje na imersní
objektiv (černý je zpravidla pro imerzi olejovou). Kroužky jiných barev mají usnadňovat
kontrolu jednotlivých používaných objektivů při práci. Na objektivu je někdy uveden i údaj o
doporučené maximální tloušťce krycího skla, kterou lze použit (obvykle 0.17 mm)
8. 1. 4 Konfokální mikroskopy pracují s laserovým (i) paprskem(y), které excitují
fluorochrom navázaný na molekuly buňky. Mikroskop provádí automaticky skenování
objektu v různých hloubkách (preparátu) ostrosti. Získané obrazy automaticky
zaznamenává a umožňuje tak posouzení prostorové-vertikální („3D“) lokalizace molekul
a organel v buňce.
8. 1. 5 Preparační a disekční mikropy
Mikroskopické lupy. Slouží nejčastěji k manuální preparaci objektů při menších zvětšeních.
Mikrodisekeční mikroskopy. Umožňují disekci tkáňových segmentů nebo i jednotlivých
definovaných buněk, či jejich segmentů z heterogenního vzorku, pomocí laserového
paprsku.Takto izolovaný materiál lze použít k mikrochemické analýze.
8. 2 ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE
1. Transmisní EM (TEM)
Místo světla (fotonů) objektem procházejí elektrony, které se uvolňují na vysokonapěťové
katodě mikroskopického tubusu. Místo skleněných čoček jsou použity elektromagnety.
Elektrony, které procházejí materiálem dopadají na obrazovku. Elektrony procházející
buněčnými strukturami o menší specifické hmotnosti jsou více pohlcovány a poskytují na
obrazovce tmavší obraz. Po fotografické konverzi jsou tyto struktury světlejší.
Cave: vlnová délka elektronů je 0.005 nm (při napětí 50 000 V na katodě)
Maximální RS EM je proto až 0.0002 um (0.2 nm, 2A (Angstromy))
2. Skenovací EM (SEM). Zobrazuje povrch buněk. Pracuje podobně jako TEM se svazkem
elektronů. Registruje se však jejich odraz od povrchu biologického vzorku.
8. 3. DOPLŇKOVÁ ZAŘÍZENÍ K SM A EM:
1. Kreslící zařízení pro SM (Abbeho zrcátko, ramenový tubus, grafické tablety aj. )
2. Fotografická zařízení pro SM a EM ( fotografické aparáty a digitalizační kamery)
3. Počítačová analýza mikroskopických obrazů
4. X-ray mikrodensitometrie pro stanovení chemických prvků
143
8. 4 DALŠÍ POMOCNÁ A SPECIÁLNÍ ZAŘÍZENÍ PRO STUDIUM BUNĚK
1. Průtokové (flow-) cytofluorometry
2. „Třídiče“ buněk (Cell sorters)
3. Separační centrifugy (pro isolaci buněk a organel)
4. Robotická zařízení pro tzv. microarrays (mikrořady) viz kap. 9.10
5. Atomové mikroskopy (Atom Force Microscopes, AMS)
6. Blottovací systémy (viz kap. 9.6.3 a 9.6.4)
Ad. 1 a 2. Suspense buněk označených flurochromem (přímo, např. DNA propidium
iodidem) nebo imunochemicky (viz níže kap. 9.9) se pod tlakem vstřikuje velmi tenkou
kapilárou pod objektiv. Fluorochrom je excitován laserem a fluorescence je měřena a
registrována počítačem. Tímto způsobem je možno změřit několik tisíc buněk za několik
desítek vteřin.
Ke shora popsanému zařízení může být přidáno zařízení, které vychyluje proud buněk v
závislosti na obsahu fluorochromu. Vychýlené buňky jsou automaticky sbírány do
oddělených zkumavek.
Ad 3. Hrubý homogenát buněk nebo tkáně se odstřeďuje při vysokých otáčkách v chlazené
ultracentrifuze v např. sacharozovém gradientu. Organely s vyšší specifickou hmotnosti
sedimentují při nižších otáčkách nebo dříve. Jednotlivé frakce je pak možno odděleně
sbírat a chemicky analyzovat. Viz obr. 61
Ad 4. Viz kap. 9.10
Ad 5 Atomové mikroskopy používají mikrohrotové sondy, které skanují povrchu objektů, vč.
individuálních molekul. Viz Katedra fyziky PřF UJEP
Ad 6 Viz kap. 9.6.3 a 9.64 níže
8. 5 PŘÍPRAVA TRVALÝCH MIKROSKOPICKÝCH PREPARÁTŮ
A JEJICH BARVENÍ
(OBR.66)
8. 5. 1 Typy preparátů: a. Nátěry b. Otisky c. Roztlače d. Řezy
8. 5. 2. Fixace biologického materiálu.
Při tzv. fixaci biologického materiálu nastává denaturace a inaktivace bílkovin, především
enzymů. Tím se zabrání samovolnému rozkladu tkáně lyszomálními enzymy (konservace
tkáně). Denaturace bílkovin vyvolá rovněž změny prostorové konfigurace bílkovin a tím se
změní, někdy i zlepší dostupnost reaktivní funkční skupiny molekul buňky („obnaží“ se). K
tomu přispívá extrakce některých molekul.
Fixace fyzikální (zmražení, mrazové vysoušení, krátkodobé zvýšení teploty,
mikrovlnné záření)
Fixace chemická (formaldehyd, ethanol, methanol, aceton, kyselina octová,
pikrová, osmičelá a j.)
144
Nejčastěji používané fixační směsi: Carnoyova tekutina (ethanol + octová kys.+ ev.
chloroform, 6:3:1, Bakerova tekutina: 10% formol-chlorid vápenatý, Buinova tekutina:
formalin 37% 25 ml, pikrová kyselina nasycená 75ml, octová kyselina ledová 5 ml).
8. 5. 3 Zalévání vzorku do zpevňujících medií
Prosycení biologického vzorku pevnou látkou (viz níže) umožní krájení tenkých řezů.
Tomu má předcházet vyprání fixativa, dehydratace tkáně a její prosycení rozpustidlem
příslušícím k použité zalévací hmotě.
Nejčastější zalévací hmoty: parafin, Paraplast-Plus (+ DMSO pro urychlení průniku parafinu
do vzorku ), Celoidin (nitrocelulóza v ethanolu), sacharóza (nevyžadující odvodnění tkáně),
polymerizující pryskyřice pro EM.
8. 5. 4 Krájení
Pro studium tkání pod mikroskopem je nezbytné, aby tloušťka prohlíženého objektu nebyla
větší než průměrná velikost buněk (7-20 um). V opačném případě se totiž obrazy buněk
překrývají.
Řezy tkání se pro SM připravují na speciálních zařízeních, tzv. mikrotomech s kovovým
nožem. Dle konstrukce se mikrotomy dělí na sáňkové (objekt je pevně zachycen a
pohybuje se nůž) a rotační (nůž je pevně uchycen a objekt se pohybuje). Krájení
zmražených tkání se provádí na tzv. zmrazovacím mikrotomu nebo kryostatu pracujícím při
minus 20-30oC.
Mikrotomy pro EM používají velmi tvrdý a ostrý skleněný nůž, který umožní krájet tvrzenou
pryskyřici o tloušťce řezu ve zlomcích mikrometru.
8. 5.5 BARVENÍ
Cílem barvení je zobrazit buňky pro pozorování ve SM nebo EM. Před vlastním barvením
je nutno ze vzorku odstranit zalévací medium (např. parafin xylenem , pryskyřice
methanolem a peroxidem vodíku. Preparáty pro EM se „barví“ ionty těžkých kovů (Osmiové
a uranové soli apod.) ještě před zalitím do pryskyřice.
Barvení ortochromatické: barva buněk a barviva je stejná.
Barvení metachromatické: Barvivo barví některou komponentu biologického vzorku
odlišně (např modře a červeno-fialově).
8. 5 .1 Přehledné (nespecifické) barvící metody:
Princip histologického barvení diachromy (chromogeny): Vytvoření kovalentní vazby mezi
ionizovanými skupinami organických molekul buněk a ionty barviva (barviva jsou látky s
aromatickým řetězcem a vysoce pohyblivými elektrony) .
Kationická (basická) barviva (pararosanilin, basický fuchsin, kresylvioleť, toluidinová modř,
hematoxylin) obsahují volné kationtové skupiny a váží se proto na aniontové skupiny
organických molekul buněk (karboxylové, hydroxylové, fosfátové, sulfátové a další). Barví
proto hlavně nukleové kyseliny a tzv. ”kyselé” proteiny, obsahující četnější dikarboxylové
aminokyseliny.
145
Anionická (kyselá) barviva (žlutá kyselina pikrová, červený eosin aj.) obsahují volné
aniontové skupiny se váží na kationtové skupiny organických molekul buněk
(aminoskupiny, iminoskupiny sulfhydrylové, β-indolylové a imidazolylové, aj.). Barví např.
“basické” tj. diamino aminokyseliny obsahující proteiny (histony).
8. 5. 2. Specifické barvící metody:
Slouží pro zobrazení chemicky definovaných strukturálních bílkovin a enzymù, nukleových
kyselin, mukopolysacharidů a dalších molekul) pomocí tzv. histo a cytochemických metod.
Pokud se takto detekovaná molekula vyskytuje pouze, nebo převážně, v jednom typu
organel, dojde tím současně i k jejich zobrazení.
Po obarvení se preparát tzv. montuje tj., prosytí mediem stejných refrakčních vlastností
jako tkáň a překryje tenkým krycím sklíčkem. Jako montovací medium může být použity
látky rozpustné ve vodě (pufr, glycerin, Holtův sirup: 0.88% sacharóza s 1% arabské gumy).
Při použití montovacího média nerozpustného ve vodě musí být řez nejprve odvodněn
(např. k etanolu) a prosycen rozpustidlem montovacího média. Nejběžnějším bezvodým
montovacím médiem ke kanadský balzám. Existuje však mnoho komerčních preparátů s
různými chemickými (pH) a fyzikálními vlastnostmi (např. trvalá polymerace).
8. 6 SPECIÁLNÍ HISTOCHEMICKÉ A CYTOCHEMICKÉ METODY
(příklady na konci obrazové přílohy – str. 71-74)
8. 6.1 Přímé barvení organických molekul (např. DNA Feulgenovou reakcí,
polysacharidů alciánovou modří, RNA galocyanimem apod.)
8. 6. 2 Katalytická histochemie enzymů (příloha str. 74)
Enzym + jeho substrát---> štěp substrátu, který se převede na barevný produkt.
Barevný produkt vzniká:
(i)
Srážením produktu enzymatické reakce s kationty těžkých kovù (Gomoriho reakce:
kationtem těžkého kovu se sráží štěpný produkt, vzniklý činností enzymu. Průkaz fosfatáz,
cholinesterázy, sulfatázy, glukuronidázy).
Příklad: glycerofosforečnan sodný jako substrát fosfatáz + enzym + Ca++ ----> fosforečnan vápenatý. Přidání
AgNO3 ---> fosforečnan stříbrný, který se redukuje na stříbro
(i)
tzv. azokopulací. Bezbarvá diazoniová sùl je zbytkem syntetického štěpného
substrátu přemění na azobarvivo. Vhodné pro fosfatázy, esterázy karboxylových kyselin,
aminopetidázy aj.
Příklad: fosforečný fosfát alfa naftolu + fosfatáza --> štěpný produkt na který se váže bezbarvá diazoniová sůl
(Fast Blue B, Fast Red TR Salt a j.), která se přemění na barevný pigment
(iii) Tzv. Indigogenní reakcí: Indoxyl, uvolněný enzymem z indoxyl-substrátu se oxiduje kyslíkem na indigo.
Vhodné pro nespecifické esterázy, glukozidázy, galaktosidázy, fosfatázy.
(iv) Tzv.tetrazoliovou reakcí: Tetrazoliová sůl je redukovaná vodíkem, který se uvolňuje ze syntetických
substrátů flavinovými enzymy (jejichž přítomnost chceme prokázat), a která se mění na barevný a
nerozpustný formazan. Vhodné pro dehydrogenázy, monoaminoxidázy, disacharidázy
146
8. 6. 3 Izotopové „značení“ molekul, organel a buněk- autoradiografie
(příloha str. 73)
Po podání radioaktivně značené a jednodušší prekurzorové molekuly dojde k jejímu
zabudování (inkorporaci) do molekuly, organely a buňky, které chceme studovat. Místo
inkorporace se zobrazí fotografickým principem pomocí speciální fotoemulse, která se
navrství na histologický řez nebo jiný preparát buněk (autoradiografie). Studovat lze takto i
rozložení např. iontů a anorganických molekul.
Příklad: 3H-thymidin se podá zvířeti nebo živým buňkám v tkáňové kultuře. Inkorporuje se do DNA buněk v Sfázi buněčného cyklu. Nad buňkami se objeví mikroskopická černá zrníčka stříbra (viz preparáty na
praktiku).
Podobným způsobem je možno zobrazit radioaktivně značené fragmenty nukleových
kyselin nebo bílkoviny rozdělené elektroforézou. Využití autoradiografie pro tento účel
(tzv. Southern blott, viz též 8.6.4 ) je dnes nejčastější. Neposkytuje však informaci o
lokalizaci inkorporovaného izotopu v buňce. Pro shora popsanou topografii molekul, organel
a buněk se dnes častěji využívá průkaz inkorporované prekurzorové molekuly
imunocytochemicky (viz níže).
Příklad. Místo 3H-thymidinu se podá zvířeti nebo živým buňkám v tkáňové kultuře atypický nukleotid (nejčastěji
bromodeoxyuridin), který buňka nerozpozná jako pozměněný a inkorporuje jej do DNA místo thymidinu. Způsob detekce
pomocí protilátky proti bromdeoxyuridinu je uveden v následující kapitoly.
Uvedené izotopové i imunocytochemické značení jaderné DNA se využívá k nepřímému studiu buněčného cyklu. Podíl
takto „značených“ buněk v celkové populaci určuje relativní délku S-fáze. V případě, že buňky již později nedělí (např.
neurony), inkorporovaná „značka“ ukazuje kde a kdy buňka procházela časnou proliferační fází (tzv. tracing buněk). Tato
místa jsou v některých orgánech značně vzdálená místům konečné lokalizace diferencovaných buněk. Příklady na
praktiku.
8. 6. 4 IMUNOCYTOCHEMIE (obr. 66 a příloha str. 71)
Proti molekule, kterou chceme studovat se na vhodném zvířecím modelu nebo pomocí
tzv. hybridomu v buněčné kultuře (viz níže) nejprve vyrobí (dnes již skoro vždy koupí)
specifická protilátka, se kterou se buňky inkubují.
Protilátka se tak specificky a pevně naváže pouze na molekuly, které chceme studovat.
Tato tzv. primární protilátka je však bezbarvá a proto se musí vizualizovat přímým, nebo
nepřímým navázáním-konjugací, s vhodným flurochromem (nejčastěji tzv. FITC, TRITC,
Texas Red-Cy3, Cy5 a další s emisními spektry různé vlnové délky, barva zelená, modrá
červena aj.). V součsnosti existují fluoreskující nanočástice s širokou volbou emisních
spekter , určovaných velikostí částic (Quantum dots, Qdots)
Tento postup se označuje tzv. přímá metoda. Při nepřímé metodě, která je ciltivější a proto
i častěji pužívaná, je fluorochrom nejprve konjugován s jinou protilátkou, namířenou proti
imunuglobulinu živočišného druhu, na kterém byla primární protilátka vyrobena. V případě
hybridomu vyrobeného z myších imunitních buněk bude sekundární protilátkou anti-myší
imunoglobulin konjugovaný s např. FITC.
Příklad: Průkaz vimentinu, bílkoviny středních filamet cytoskeletu. Buňky se inkubují s primární protilátkou
proti vimentinu, isolovanou ze séra např. králíka imunizovaného vimentinem. Následuje inkubace s
protilátkou proti králičímu imunoglobulinu (vyrobenou např. na praseti nebo ovci a pod.), konjugovanou s
některým fluorochromem (viz shora). Struktury obsahující vimentin zeleně fluoreskují po excitaci svìtlem
specifické vlnové délky). Viz praktikum
Poznámka: (a) Protilátky izolované z krve imunizovaného zvířete obsahují imunoglobuliny
proti mnoha epitopům (= úsekům polypeptidického rětězce) dané látky-antigenu, např.
147
vimentinu, který byl použit k imunizaci zvířete. Tyto protilátky jsou proto nazývány
polyklonálními, neboť jsou tvořeny vícero klony lymfocytů.
Protilátky monoklonální se připravují tak, že v prvním kroku se provede imunizace zvířete,
nejčastěji myš, známým antigenem (např. vimentinem). V dalším kroku se z imunizované
myši isolují lymfocyty, které se jednotlivě “spojí” (hybridizují) s nádorovými buňkami
myší sleziny (myelomové buňky). Takto vznikne řada buněčných hybridů- hybridomů,
z nichž každý tvoří protilátky proti pouze jednomu epitopu (= úseku polypeptidického
řetězce) použitého antigenu. Jednotlivé hybridomy se pak množí v kulturách in vitro a
protilátky izolované z kultivačního média se označují jako monoklonální.
(b) Sekundární protilátka může být též konjugovaná s enzymem, např. křenovou
peroxidázou (KPx), alkalickou fosfatázou a pod. Komplex je pak vizualizován inkubací
s bezbarvým substrátem, který specificky reaguje s konjugovaným enzymem. Vzniklý
produkt se v dalším kroku mění na pigment viditelný v denním světle (např. KP rozkládá
H2O2, který dále oxiduje přidaný bezbarvý diaminobenzidin na hnědý pigment.
Podobným postupem lze zobrazit i bílkoviny isolované elektroforézou. Z elektroforetogramu
se bílkoviny přenesou tzv. blotovaním (blott angl. Přenos na sací papír) nebo elektrickým
nábojem na speciální membránu, která se inkubuje s příslušnými protilátkami a dalšími
reagenciemi. Metoda se označuje jako tzv. Western blotting v případě, že jsou takto
studovány bílkoviny pomocí příslušných protilátek. Northern nebo Southern blotting se
používá pro studium nukleotidových sekvencí nukleových kyselin. Viz další kapitola. V
posledních 2 aplikacích se místo imunochemické koncovky může použít i autoradiografie
(viz shora).
Poznámka k terminologii. Blottovací metoda byla prvně navržena F.M. Southernem pro izotopové studium DNA.
Názvy jejích modifikací podle světových stran jsou slovní hříčky. Termín eastern blott se nepoužívá.
8. 6. 5 HYBRIDIZACE
NUKLEOVÝCH KYSELIN. DNA MICROARRAYS A DNA
ČIPY
Dvouvláknová DNA (double stranded DNA, dsDNA) se denaturací teplem rozvlákní a na
každé vlákno (single stranded DNA, ssDNA) se naváže komplemenárním párováním
předem připravená jednovláknová molekula RNA, nebo fragment DNA (tzv. DNA sonda),
které jsou „označena“ isotopem nebo fluorochromem. Tento proces spojení nukleových
kyselin se označuje jako hybridizace. Komplex se zviditelní autoradiograficky nebo ve
fluorescenčně. V případě, že objektem stdua jsou celé buňky, lze takto lokalizovat např.
geny v jádře i na jednotlivých chromozomech, studovat jejich expresi, vyhledávat
mutované geny atp. Jde o tzv. hybridizaci in situ. Zkratka často používané FISH metody
pak znamená „Fluorescence In Situ Hybridization“.
Hybridizační postup lze použít i pro molekuly obsažené v homogenátu buněk či tkáně, a to
po jejich předchozím rozdělení dle jejich hmotnosti pomocí elektroforézy. Hybridizace pak
proběhne v následně zhotoveném blottu (Hybridizace DNA-radioaktivní DNA = Southern
blott, DNA-radioaktivní RNA= Northern blott, viz „blotting“ na konci předchozí kapitoly).
Další aplikací hybridizační metody představují tz. DNA microarrays (arrays= řady, šiky,
nepřekládá se do češtiny). Na malou pevnou podložku (cca 2x2 cm) se roboticky nanese
formou mikroteček několik set i více známých molekulárních nukleotidových sond do
sloupců a řádků. Na takovýto „čip“ se nanese nukleová kyselina jednoho nebo vícero
studovaných vzorků. Molekuly vzorků jsou označeny odlišnými fluorochromy. V místě
komplementární vazby nukleotidových sekvencí sondy a vyšetřovaného vzorku
148
(hybridizace), se objeví odpovídající fluorescence (např. zelená nebo červená). V případě
vazby molekul 2 vzorků pak pak sumaci spektra obou fluorochromů (v daném případě
(žlutá až bílá). Vazba se vyhodnocuje se počítačově. Více v molekulární genetice.
Protein microarays. Pracují na podobném principu. Reagovat se však nechává protein s
protilátkou. Podrobněji, i další modifikace „microarrayových“ technik, v předmětu
molekulární biologie.
Poznámka. Elektroforéza je způsob separace látek v elektrickém poli, ve kterém se látky pohybují ve směru
opačného náboje. Klasickým nosičem je agarozový nebo polyakrylamidový gel, který funguje rovněž jako
síto přes které se molekuly pohybují rychlostí nepřímo úměrnou jejich molekulové hmotnosti. Metoda má
mnoho variant. Provádí se pomocí řady komerčních zařízení. V předkládaných skriptech je zmíněna ELFO
separace bílkovin např. pro Western blotty, nukleových kyselin pro DNA finger printing, hybridizaci nukleových
kyselin (Southern a Northern blotty, viz shora). Více v Základech chemie a fyziky a Molekulové biologii.
8. 6. 6 In vivo fluorescentní „tracing“ molekul a organel
Představuje prostorové studium molekul a organel v živých buňkách. Princip tohoto přístupu
spočívá ve ve vložení cizorodého genu kódujícího přirozeně fluoreskující protein (nejčastěji
tzv. Green Fluorescence Protein isolovaný z mořské medúzy Aequora victoria,
http://www.osel.cz/index.php?clanek=349&music=&x= eme ) do genu hostitele jehož
produkt chceme studovat.
V případě, že sledovaná molekula se vysktuje specificky pouze v organelách jistého typu,
tato metoda umožňuje i jejich zobrazení.
Buňky se dlouhodobě průběžně pozorují ve fluorescenčním mikroskopu a obraz se snímá
mikrokinematograficky. (tzv. time-lapse microcinematography)
Přéloha ke kap. 1.3
Diurnální cykly člověka
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Biological_clock_human.PNG
149
9 PROCVIČOVACÍ ÚLOHY
Pomohou vám ověřit efektivitu vašeho studia shora uvedeného materiálu. Prohlédnutím úkolů a
otázek před započetím studia získáte představu o tom, jak podrobně je třeba jednotlivé partie
znát. U otázek typu ANO-NE Doplňte A pro pravdivé a N pro tvrzení nepravdivé. Tyto odpovědi
se však nikdy neučte nazpaměť, neboť u zkoušky mohou významově změněny. V případě, že
otázka vyžaduje odpověď N, zkuste ji přeformulovat tak, aby vyzněla pravdivě. To vám dále
pomůže v upevnění naučeného v paměti. Na správnou odpověď se ptejte nejprve sebe, pak
učebnice a až nakonec spolužáků.
9.1 Otázky vyžadující víceslovnou opověď
9.2 Ano-Ne otázky
9.3 Úvahové úlohy
9.4 Grafická cvičení
Úkoly a otázky si však doporučuji "prohlédnout" již před započetím studia. Získáte tím
představu o tom, jak podrobně je třeba jednotlivé partie znát. Na správná řešení se ptejte
nejprve sebe, pak učebnice a až nakonec spolužáků.
9. 1 Otázky vyžadující víceslovnou odpověď
Ke kapitole 1
Které jsou hlavní znaky živočichů?
Co se rozumí pod pojmem hierarchie morfologické stavby těla živočichů?
Do které říše živé přírody se zařazují živočichové?
Co je základem molekulárně fylogenetické klasifikace živé přírody?
Vysvětlete přínos endosymbiotické teorie pro chápaní vývoje eukaryontní buňky
Co se rozumíme pod pojmem pragenot?
Jaká se měnila zemská atmosféra a jaký byl dopad jejich změn na vývoj živých organizmů
Jaký je rozdíl mezi kladogramem a fylogenogramem?
Co se rozumí vnitřním prostředím organizmů?
Které jsou hlavní tělesné osy a roviny těl živočichů?
Jaké jsou rozdíly mezi klasickou binomickou a kladiatickou taxonomií?
Kterou tzv. Hlavní biologickou teorii postuloval J.E.Purkyně, Cl. Bernard, L.Pasteur?
Která z Hlavních biologických teorií se vztahuje ke vzniku života?
Jsou viry živé organizmy? Uveďte důvody pro tu či onu alternativu
Ve kterých organických molekulách se vyskytuje funkční skupina –COOH?
Jaké terciární struktury bílkovin jsou nejčastější?
Co to je kvartérní struktura bílkovin?
Uveďte 10 bílkovin které se běžně vyskytují ve vaší stravě
Ve kterých organických molekulách se vyskytují atomy dusíku
Ve kterých anorganických a organických molekulách je funkční skupina –OH?
Co jsou chemicky steroidy?
Kterých prvků máte v těle nejvíce?
Co to je protoplasma? Jak tento pojem vznikl proč jsem jej v OZ nepoužil?
Ve kterých molekulách se vyskytuje funkční skupina –COOH?
Ve kterých organických molekulách se vyskytují atomy dusíku ?
Ve kterých organických molekulách se vyskytuje funkční skupina –OH?
Definujte pH, jeho význam a způsoby udržování v buňce:
Uveďte názvy 5 monosacharidů , 3 disacharidů a 3 polysacharidů
Uveďte funkční skupiny molekul cukrů, aminokyselin, nukleových kyselin
Jakým způsobem urychlují enzymy chemické reakce?
Uveďte 6 základních skupin enzymů dle mezinárodní klasifikace
Čím jsou charakterizovány tzv. polární molekuly?
150
Definujte chemický pufr (ústoj) a uveďte konkrétní příklady pufrů v živočišném organizmu:
Uveďte hlavní biogenní prvky
Uveďte názvem hlavní skupiny jednoduchých organických molekul
Uveďte názvem hlavní skupiny polymerů jednoduchých organických molekul
Uveďte hlavní skupiny monosacharidů
Uveďte názvem a chemickým vzorcem hlavní funkční skupiny jednoduchých organických molekul
Uveďte názvy 3 molekul disacharidů a jejich složení (názvem)
Uveďte jména všech pyrimidinových bazí nukleových kyselin
Definujte enzym chemicky a funkčně
Co to je osmóza?
Na čem závisí funkce enzymu?
Jaké jsou hlavní typy chemických vazeb? (uveďte jen slovně)
Uveďte názvy několika aminokyselin
Jaký je rozdíl mezi peptidem a bílkovinou?
Která vlastnost atomu kyslíku je rozhodující pro oxidativni fosforylaci (buněčné dýchání)?
Proč je voda dobré rozpouštědlo pro sloučeniny s iontovou vazbou (např. NaCl)?
Napište chemickou rovnici kondenzační reakce dvou aminokyselin.
Které z dosud probraných molekul se vyskytují pouze v určitých živočišných tkáních
(tj. vyskytuji se pouze v jednom nebo několika, ne však všech typech tkání)
Které skupiny fosfolipidů jsou v plasmatické membráně?
Které alkoholy jsou obsaženy ve fosfolipidech plasmatické membrány?
Definujte obecně chemicky lipidy.
Uveďte názvy pěti aminokyselin.
Definujte chromoproteiny a uveďte dva konkrétní příklady.
Jaký je rozdíl mezi koenzymem a apoenzymem?
Uveďte hlavní skupiny enzymů podle mezinárodní klasifikace.
Které molekuly organizmu slouží jako tzv. pufry (ústoje)?
Čím je v buňce určován osmotický tlak a v jakých se vyjadřuje jednotkách?
Ke kapitole 2
Uveďte názvy organel endomembránového systému.
Které organely nepatří k endomembránovému systému a proč?
Jaký je rozdíl v lokalizaci integrálních a periferních bílkovin plasmatické membrány?
Jak se nazývá dnes přijímaný model biomembrán?
Které faktory mění fluiditu plasmatické membrány a jak?
Které funkce plní lipidy v plasmatické membráně?
Které jsou hlavní typy mezibuněčných spojení?
Které jsou hlavní typy adhezních molekul?
Co jsou a k čemu slouží proteazomy?
Co to je endozom? K čemu slouží?
Které jsou hlavní společné znaky plasmatické membrány buněk?
Jaký je předpokládaný fylogenetický vztah mezi prokaryonty a eukaryonty?
Jak se liší strukturou molekula DNA prokaryontů a eukaryontů?
Na kterých membránových organelách v buňce jsou vázány ribozomy?
Z čeho se skládají ribozomy?
Kde se v buňce vyskytují molekuly zvané laminy?
Které organely v buňce vyžadují pro funkční aktivaci kyselé pH?
Který enzym je typický pro peroxizomy?
Kde v buňce probíhá syntéza biomembrán?
Jaké znáte molekulární pláště transportních váčků?
Jak se liší chromozom mitochondrií a buněčného jádra?
Které jsou hlavní vnitřní oddíly mitochondrií?
Kolik genů obsahují mitochondrie?
Pro které molekuly obsahuje mitochondrie geny?
Kde jsou lokalizovány ostatní geny pro mitochondrie?
Uveďte dva hlavní důvody, kvůli kterým se mitochondrie označují jako semiautonomní organely.
Které jsou hlavní struktury buněčného skeletu?
Které jsou hlavní bílkoviny buněčného skeletu?
Kde se v buňce vyskytuje gama tubulin?
Jak se liší svou strukturou a funkcí cilie a centrioly?
Uveďte názvy molekulových motorů a vysvětlete jejich funkci.
Které komponenty a molekuly cytoskeletu jsou spojeny s pohybovými funkcemi celé buňky a jejich organel?
Uveďte hlavní MTOC.
Jaký je rozdíl mezi karyotypem a genotypem?
151
Co označuje pojem telomery?
Popište stavbu a funkci jadérka.
Které jsou hlavní podmínky pro funkci enzymů?
Které jsou hlavní fáze buněčného cyklu?
Které molekuly obsahuje cytosol a jaká je jejich funkce?
Která skupina enzymů je přítomna v lysozomech a k čemu slouží?
Jak se do živočišné buňky dostává voda?
Uveďte konkrétní procesy vyžadující ATP?
Jaký je rozdíl mezi obsahem pojmů genetická informace a genetický kód?
Uveďte hlavní skupiny molekul, které řídí buněčné dělení (b. cyklus):
Které funkce plní bílkoviny v plasmatické membráně?
Vysvětlete vznik klidového membránového potenciálu.
Které organely v buňce mohou zneškodnit škodlivé chemické látky?
Kde v buňce probíhá glykosylace bílkovin?
Jaké jsou funkce endozomů?
K čemu slouží t- a v-snares?
Které procesy probíhají v jednotlivých oddílech mitochondrií?
Kde všude v buňce probíhá oxidace mastných kyselin?
Co je příčinou tzv. generačního stárnutí buněk?
K čemu slouží v buňce tzv. nekódující DNA?
Jaká je funkce NOR?
Definujte transpozon a uveďte jeho význam ve funkci buněk.
Ke kapitole 3 a 4
Které jsou základní typy transportu látek do buněk?
Jaký je vztah mezi tzv. primárním aktivním transportem (Na+K+pumpou) a tzv. sekundárním aktivním
transportem (Na+ kotransportem)?
Které typy přenašečů molekul obsahují tzv. hradla?
Proč přes plasmatickou membránu lépe pronikají molekuly hydrofobní než hydrofilní?
Popište průběh receptorově zprostředkované endocytozy.
Jak je do procesu receptorově zprostředkované endocytozy zapojen endozom?
Popište tzv. sekreční dráhu v buňce
Jaký je rozdíl mezi tzv. konstitutivní a regulovanou sekrecí?
Vysvětlete funkci NAD+ v buňce.
Vysvětlete podstatu tzv. centrálního dogmatu v biologii.
Jaký je rozdíl mezi pre-mRNA a mRNA?
Definujte genetický kód a uveďte jeho vlastnosti
Uveďte 3 hlavní vlastnosti genetického kódu.
Která jsou hlavní stadia translační fáze bílkovin?
Které skupiny molekul slouží v organizmu jako tzv. signální molekuly?
Co to jsou Okazakiho fragmenty, kde, proč a jak se tvoří?
Které fyzikální vlivy mají v organizmu signalizační funkci?
Definujte pojem receptoru a uveďte jejich výskyt v buňce.
Co to jsou tzv. primární a sekundární posli?
Které molekuly se v buňce uplatňují jako tzv.sekundární posli?
Jaký je obecně význam buněčného dělení?
Který proces v buňce řídí molekuly cyklinů?
Které molekuly brzdí buněčné dělení?
Co to jsou růstové faktory a jak působí?
Co to jsou v buňce protoonkogeny a jaký je rozdíl mezi tzv. c- a v-onkogeny?
Uveďte hlavní vlastnosti a význam kmenových buněk.
Jak je v buňce regulovaná transkripce genu?
Kde a jak se v buňce uplatňují tzv. transkripční faktory?
Jakým mechanismem může vysoká teplota poškodit funkci buňky?
Co rozumíme pod pojmem kyslíkových radikálů?
Které molekuly v potravě mají schopnost inaktivovat volné kyslíkové radikály?
Ve kterých organelách v buňce probíhá rozklad bílkovin?
Jak se v buňce uplatňují tzv. proteiny tepelného šoku (heat shock proteins)?
Ve kterých tkáních probíhá celoživotně buněčná obnova?
Vysvětlete rozdíl mezi zánikem buňky cestou nekrózy a apoptózy.
Které geny se označují jako geny života a smrti?
Které jsou hlavní znaky apoptózy?
152
Jaký je biologický význam apoptózy?
Jaké jsou nejčastější příčiny programované buněčné smrti (apoptozy)?
Čím se liší prokaryotní a eukaryotní buňka? Uveďte alespoň 10 rozdílů
Ke kapitole 5
Které jsou hlavní typy živočišných tkání?
Jaké jsou hlavní znaky epitelových tkání?
Jaká je morfologická klasifikace epitelových tkání?
Jaká je funkční klasifikace epitelových tkání?
Jaké druhy žláz tvoří epitelové tkáně?
Jaké jsou hlavní typy žláz se zevní sekrecí?
Uveďte základní členění pojivových tkání.
Které buňky se vyskytují v pojivových tkáních?
Které tkáně patří do tzv. speciálních pojiv?
Jaké jsou hlavní funkce pojivových tkání?
Které molekuly jsou obsaženy v tzv. mezibuněčné hmotě (extracelulární matrix)?
Které jsou základní typy svalové tkáně?
Čím se liší kosterní a srdeční svalovina?
Kde v těle živočichů je obsažena hladká svalová tkáň?
Kde v těle je obsažen víceřadý epitel s řasinkami?
Kde v těle je obsažen přechodný epitel?
Jak se tvoří kostní tkáň?
Které jsou hlavní skupiny krevních buněk?
Co obsahuje krevní plasma?
Které jsou hlavní skupiny buněk nervové tkáně?
Uveďte klasifikaci nervových buněk dle morfologických a funkčních kriterií?
Které buňky v mozku a míše tvoří myelin?
Ze kterých zárodečných listů mohou vznikat epitely?
Ze kterých zárodečných listů vznikají pojivové tkáně?
Ke kapitole 6
Jaké jsou výhody pohlavního rozmnožování pro živočichy?
Popište proces spermatogeneze a oogeneze u savců.
Které jsou primární pohlavní znaky?
Které organizmy označujeme jako gonochoristy?
Jakými způsoby může být determinováno pohlaví?
Jakou funkci má tzv. SRY gen?
Které jsou hlavní fáze gametogeneze?
Popište proces meiotického dělení zárodečných buněk
Popište hlavní morfologické části spermií a jejich funkci
Jak se liší vajíčka různých druhů živočichů?
Jaký je rozdíl mezi tzv. regulačními a mosaikovými vajíčky?
Jaký je vztah mezi vajíčky s různým obsahem a polohou žloutku a typem z nich se tvořících blastul?
Co určuje dorsální a ventrální stranu zárodku?
Které zárodečné listy se se podílejí na tvorbě kompletní stěny střeva člověka?
Popište proces oplození vajíčka a vysvětlete tzv. bloky polyspermie.
Vysvětlete pojem zygota.
Uveďte názvy obalů vajíčka a jejich význam
Co to tzv. šedý srpek?
Jaké jsou hlavní způsoby rýhování vajíček?
Jaké znáte typy blastul?
Co se podílí na tzv. neurální indukci v zárodku strunatců?
Jaké jsou hlavní mechanismy gastrulace?
Vysvětlete mechanismus tvorby mesodermálního listu a jeho význam.
Vysvětlete vznik a význam coelomu u bezobratlých a obratlovců.
Vysvětlete pojem zárodečný terčík, jeho výskyt a význam
Lze na gastrule vyšších obratlovců najít útvar odpovídající prvoústům?
Ke kapitole 7
K čemu se v biotechnologii používají tzv. DNA vektory
Které vektory znáte?
153
Uveďte základní morfologické členění epitelů:
Co znamená v biotechnologiích zkratka PCR?
K čemu se používá takto označovaný proces?
Co to jsou DNA finger prints?
Co rozumíme pod pojmem genetická sonda?
Vysvětlete co rozumíme pod pojmem GMO organizmy?
Co to jsou zvířata?
Jak slouží DNA biotechnologie člověku?
Jak a kde se metodicky v biotechnologiích využívá princip komplementárního párování bazí nukleových
kyselin?
Ke kapitole 8
Jak je definována rozlišovací schopnost objektivu a jaký je její význam?
Jako jsou hlavní typy a vlastnosti objektivů pro světelnou mikroskopii?
Jaké jsou hlavní konstrukční vady objektivů?
Proč je rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu vyšší než světleného mikroskopu?
K čemu slouží tzv. průtokové cytofluorometry?
Co to jsou monoklonální protilátky a k čemu se používají?
Co to jsou hybridomy a čemu se používají?
Co to jsou tzv. „blottovací“ metody a k čemu se používají?
Co to jsou DNA microarrays a k čemu se používají?
Jaký je význam fixace tkáně pro přípravu trvalých preparátů?
Co to jsou hybridizační metody a k čemu se používají?
9. 2 Ano-Ne odpovědi
Vepište P pro pravdivé tvrzení a N pro Nepravdivé tvrzení
Odpovědi se neučte nazpaměť, neboť u zkoušky mohou významově změněny. V případě, že otázka
vyžaduje odpověď N, zkuste ji přeformulovat tak, aby vyzněla pravdivě. To vám dále pomůže v upevnění
naučeného v paměti.
Ke kapitole 1
.... pH nižší než 7 označujeme jako zásadité
.... Řepný cukr (sacharóza) se skládá ze 2 molekul glukózy
... -COH je karboxylová funkční skupina
…..Sacharóza je tvořena 2 molekulami glukózy
….Fosfolipidy obsahují glycerol
….Triglyceridy jsou deriváty glycerolu
….Glycerol je alkohol
….Arginin je dusíkatá base nukleových kyselin
….Glukóza je pentóza
….Aminokyseliny mohou mít jednu nebo 2 karboxylové skupiny
….Glukóza obsahuje aldehydickou funkční skupinu
….NAD je zkratkou pro nitrogen-adenin-di-nukleotid
.... Galaktóza je monosacharid
….Tryptofán je glykosylaminoglykan
….Na 1 litr 5% roztoku kuchyňské soli je potřeba 50 gramů KCl
.... Při změně Fe++ na Fe+++ je atom Fe++ redukován
…Definujte slovy peptidickou vazbu a napište její chemický vzorec
….5ˇkonec vlákna DNA je tvořen funkční skupinou PO3…cholesterol je lipidická molekula
… pro chemické reakce kyslíku jsou rozhodující elektrony ve vnitřních orbitech
….tzv. uronové kyseliny jsou deriváty sacharidů
….bíkoviny mohou být součástí pufrů (ústojů, nárazníkových roztoků) živočichů
…. Glykogen je polymerem glukózy a fruktózy
…. Tělní roztoky živočichů mají zhruba 300 mOsm
…. Alfa helix poskytuje bílkovině větší mechanickou pevnost než skládaný beta-list
…. Hemoglobin je nukleoprotein
…. Holonenzym neobsahuje ionty kovu
… Přenos elektronů mohou zajišťovat dehydrogenázy
… Molekulová hmotnost atomu uhlíku je větší než atomu kyslíku
154
…. Kyselina arachidonová je mastná kyselina
…..Membránové sfingolipidy jsou odvozeny od glycerinu a sfingozinu
Ke kapitole 2-3
….. Eukaryontní buňky vznikly zhruba před 0. 5 miliardou let.
….V endosomu stoupá pH za účelem oddělení receptoru od transportované látky
….Integriny jsou součástí středních filament cytoskeletu
….Bodové desmosomy zabraňují volnému prostupu látek mezi buňkami
….Tzv. hemisdemosomy jsou připojují buňky k extracelulární matrix
….Desmin je bílkovina středních bílkovin
….Bílkovina vinkulin je součástí středních filament cytoskeletu
....Cholesterol snižuje „tekutost“ plazmatické membrány
… Kartáčový lem střevního epitelu je tvořen paralelními svazky středních filament
… V peroxisomech se významně uplatňuje enzym peroxidáza
….Protonový gradient se tvoří mezi matrix a vnitřní membránou mitochondrií
….Tzv. dýchací řetězec je uložen na zevní mitochondriální membráně
….Myosin je asociovaná bílkovina mikrofilamet
…..Dynein je molekulový motor středních filament cytoskeletu
… Tzv. cadheriny jsou bílkoviny tvořící iontové kanály buňky
….Vitronectin je bílkovina v extracelulární matrix
….Kolagen je součástí středních filament cytoskeletu
….ATP může v buňce plnit úlohu tzv. sekundárního posla
….Tzv. NOR struktury slouží v buňce k receptorovému příjmu a přenosu informací
…. Centromera je součástí basálního tělíska bičíku
….Kinesin je molekulový motor řasinek
….Keratansulfát extracelulární matrix pojiv je glykoprotein
….Cilie jsou tvořeny svazky aktinových filament
….Centriola je tzv. organizátorem mikrofilamet
….V heterochromatinu je transkripce RNA zpravidla vyšší než v euchromatinu
….Histony tvoří kinetochor chromozomů
….Kinetochory patří mezi tzv. NOR struktury
….Molekuly t-SNARES jsou přítomny v membráně transportních váčků
….GTP je molekula, která se účastní polymerace mikrofilament
….Nexus je označení pro těsnící mezibuněčné spoje
….Introny nesou genetický kód pro primární strukturu bílkovin
….Tzv. antikodón je součástí rRNA
…. V buňce je 64 typů t-RNA
….Jadérko je tvořeno tzv. fibrózní a kompaktní komponentou
….Ionty sodíku mohou z buňky unikat difusí po koncentračním spádu
….Tzv. beta-oxidace mastných probíhá v hladkém endoplazmatickém retikulu
….Glykosylace bílkovin začíná v hr-ER
….Laktóza je monosacharid
….Helikáza je bílkovina, která je součástí bičíku
….Tzv. operon je součástí MTOC
….MTOC je zkratka pro tzv. MiTochodriální Oxidační Compartment buňky
….V mitochondriích je přítomna mRNA
....Polysomy jsou ribosomy vázané na hr-E
….K syntéze histonů dochází v S-fázi buněčného cyklu
….Cyklin B kontroluje vstup buněk z Go do G1 fáze
…..Histony jsou součástí velké podjednotky ribosomů
….Ribosomy jsou v eukaryotních buňkách tvořeny 3 podjednotkami
….Při transkripci DNA dochází k tvorbě Okazakiho fragmentů
….Střední filamenta cytoskeletu se váží k pásovým desmozomům
….Translace je fáze syntézy bílkovin probíhající v jádře
….Při replikaci DNA se tvoří m-RNA
….Tzv. RNA primer se účastní replikace DNA
….Histony jsou "kyselé" bílkoviny jádra
….Telomera je součástí centrosomu
….Hl-ER je zásobárnou káliových iontů
….Tzv. asociované bílkoviny prostupují celou plazmatickou membránou
….Tzv. G-proteiny jsou tzv. integrální bílkoviny plazmatické membrány
….Zevní list plazmatické membrány obsahuje proteoglykany
155
….Rozpad jaderné blány začíná v anafázi mitozy
….Proces cytokineze zajišťuje vzájemný posun mikrotubulů
….Cykliny jsou bílkoviny syntetizované v jádře dělící se buňky
….Sodíko-draslíková pumpa čerpá ionty draslíku z buňky
….Tzv. sodíkový ko-transport vyžaduje energii uvolňovanou z ATP
….Usnadněná difuse je nespecifickým a na ATP nezávislým transportem látek do buněk
….Peptidická vazba vzniká v replikační fázi syntézy bílkovin
….Fibronektin je obsažen v lamině jaderné blány
….Telomery jsou koncové části mikrotubulů, opatřené tzv. GTP čepičkou
….V mitotickém vřeténku operují molekuly myosinu jako molekulové motory
….Transkripční faktory se účastní tvorby peptidických vazeb na ribosomech hr-ER
….Tzv. zinkové prsty se váží na ribosomy
….Centriola je nezbytnou organelou pro organizaci mikrofilament
….Ve středu centrioly je triplet (trojice) mikrotubulů
….Bičík je tvořen mikrofilamenty propojenými molekulami dyneinu
….Endosom se tvoří při receptorově zprostředkované endocytóze
….Lysosomy obsahují enzymy patřící do skupiny oxidoreduktáz
….Kyselý fibrilární protein je součástí mikrofilament astrocytů
….Molekuly proteoglykanů jsou součástí plazmatické membrány
….Lymfocytů je v periferní krvi více než granulárních leukocytů
….Lymfocyty patří do skupiny leukocytů
….Mikrotubuly tvoří rovnoměrně se opakující podjednotky alfa, beta a gama tubulinu
….Myosin má zpravidla GTPázovou aktivitu
….ATPáza je oxidoreduktáza
….Peroxid vodíku vzniká v lysozomech při rozkladu bílkovin
….Mléčný cukr je tvořen molekulou laktózy a fruktózy
….Rozpad jaderné blány je na začátku mitózy spouštěn fosforylací laminu C
….Na kinetochory chromozomů se napojují tzv. polární mitrotubuly mitotického vřeténka
….Energie uvolněná glykolytickým rozkladem glukózy je ekvivalentem 6 molekul ATP
….Při merokrinní sekreci se odděluje i apikální část buňky
… Albuminů je v krevní plasmě dospělého člověka více než globulinů
.…Princip komplementárního párování basí se uplatňuje při replikaci i transkripci DNA
…..Při úplném rozkladu 1 molekuly glukózy se uvolněná energie přemění na 42 molekul ATP
…..Při expresi genů se regulačně uplatňují transkripční faktory s motivem zinkových prstů
.…Správně fungující gen p53 zabraňuje apoptóze poškozených buněk
.…V tzv. cyklinových hodinách dochází k periodickému rozpadu cyklinů i jejich kináz
.…Cytochromy jsou součástí dýchacího řetězce v mitochondriích
.…V průběhu oxidativní fosforylace dochází k dekarboxylaci Acetyl-koenzymu A
.…Rozklad buňky při apoptóze zajišťují lysozomální enzymy
.… K tzv. posunu čtecího rámce genomu může dojít při bodové mutaci RNA
.…Monocyty jsou nejméně početnou skupinou granulocytů
.…Erytrocyty obsahují bílkovinu spektrin
.…Golgi byl německý badatel
.…Purkyně žil na konci 17. století
.…Ve správně prováděném biologickém pokuse mohou být nejvýše 2 proměnné
.…U některých živočišných druhů může docházet ke změně pohlaví v dospělosti
.…Vimentin je složkou diferencovaných epiteliálních buněk
.…Nestin je složkou diferencovaných pojivových buněk
.…Fibronektin je součástí cytoplasmatického cytoskeletu
.…Integriny jsou součástí tzv. buněčných hodin regulujících buněčný cyklus
.…Kolagen je bohatý na aminokyselinu prolin
.…Zkratka hsp se používá pro tzv. heterogenní skupinu proteoglykanů
.…Ubiqutin je molekula, která se podílí na translační fázi syntézy bílkovin
.… Proteasomy slouží k syntéze proteinů
.… Nernstova rovnice vyjadřuje 2. termodynamický zákon
..... Mitochondrie obsahují ribosomy
..... Plazmatická membrána obsahuje cukerné molekuly pouze na zevním povrchu
..... Centromera je místo tzv. primární konstrikce chromozomu
.... Hladké endoplasmatické retikulum je místem syntézy fosfolipidů
..... Bičík živočišné buňky je tvořen svazky aktinových filament (mikrofilament)
..... Cilie obsahují svazky středních (intermediárních) filament uspořádaných dubletů (dvojic)
......Lysozomy obsahují hydrolytické enzymy, které jsou aktivní při pH vyšším než 7.0
......Plazmatická membrána je lépe propustná pro látky hydrofilní než hydrofobní
..... Jadérko je místem syntézy ribosomální RNA pro obě podjednotky ribosomů
156
.....Cyklus citronové kyseliny (Krebsův cyklus) probíhá v cytosolu buňky
. ... Protozoa jsou eukaryota
.…Mesom je součástí endomembránového systému eukaryontní buňky
…. Glykolýza probíhá v cytosolu buňky
.....Na vzniku membránového potenciálu buňky se podílejí převážně ionty draslíku
.... K rozpadu jaderné blány dochází v anafázi mitózy
.... Ribosomy obsahují RNA, DNA a řadu bílkovin
.....V Golgiho aparátu probíhá syntéza lipidů
.....Vimentin je bílkovina středních filament epiteliálních buněk
..... Tzv. genetický kód tvoří triplety nukleotidů v molekule DNA
..... Laminin je bílkovina středních filament jaderného skeletu
.... Tzv. akrosom představuje koncovou část chromozomu
..... Desmin je molekula, která se vyskytuje ve středních filamentech některých buněk
.... Monocyty představují nejméně početnou skupinu granulocytů
.... Tzv. Okazakiho fragmenty se při replikaci DNA tvoří střídavě na tzv. vedoucím
a zpožďujícím se vláknu
.... Proces cytokineze uskutečňují hlavně aktinová vlákna (mikrofilameta)
.... Laminy jsou bílkoviny cytoskeletu jádra
.... Epiteliální buňky obsahují ve středních filamentech cytokeratin
.... Tzv. sestřih (splicing) hn-RNA probíhá v cytoplasmě buněk
.... Prokaryota obsahují mitochondrie
….. K pásovým desmozomům se upínají aktinová filamenta
Ke kapitole 5
….Astrocyty tvoří myelinové pochvy v míše a mozku
….Nisslova substance je tvořena shluky hladkého ER
….Osteocyty jsou mezi sebou propojeny nexy a bodovými desmozomy
….Fibroblasty jsou, podobně jako epiteliální buňky, strukturálně a funkčně polarizovány
….Víceřadý epitel se vyskytuje ve střevní sliznici
….Střevo je pokryto jednovrstevným epitelem s řasinkami
….Oligodendrocyty se podílí na tvorbě obalů kapilár v nervové tkání mozku a míchy
….Tukové buňky patří mezi stále (fixní) buňky areolárního (řídkého kolagenního) vaziva
….Buňky hnědé tukové tkáně obsahují více mitochondrií než buňky bílé tukové tkáně
...Víceřadý cylindrický epitel s řasinkami se vyskytuje v močovodech a močovém měchýři
....Tzv. přechodný epitel se vyskytuje v dýchacím traktu
...Tzv. Nisslova substance (tygroid) neuronů je tvořena shluky hladkého endoplasmatického retikula
….Dendrit je tzv. dostředivý (aferentní) výběžek nervové buňky
Ke kapitole 6
…Axiální skelet je derivátem somitů
…Oplozovací membrána je první bariérou polyspermie
…"DNA finger prints" jsou dány variabilitou exonů mezi jedinci téhož druhu
…Chalazy jsou součástí sekundárních obalů vajíčka ptáků
…Epitel střeva je derivátem entodermu
…Mezi deriváty entodermu patří i srdce a plíce
….Splanchnopleura kryje tělní stěnu zárodku
….Archiblastula je typem coeloblastuly
….Gastrulace lidského zárodku se uskutečňuje delaminací
…Šedý srpek vzniká v místě vniku spermie do vajíčka
…U mosaikových vajíček je vývoj každé blastomery determinován
…Mesoderm vzniká u některých živočichů vychlípením prvostřeva
…Hensenův uzel je struktura přítomná na zárodečném terčíku ptačích zárodků
…Akrosom označuje koncovou část chromozomu
…Při oplození do vajíčka vniká pouze jádro a krček spermie
…Myotom je součástí parietálního listu laterálního mesodermu
…Notogeneze probíhá v místě protilehlém k tzv. šedému srpku
…Leydigovy buňky jsou uvnitř semenotvorných kanálků varlete
... Tzv. synaptický uzlík se tvoří ve druhém meiotickém dělení
…První meiotické dělení se označuje též jako heterotypické
…Stadium zygotene meiosy předchází stádiu leptogene
…Podmínkou oplození vajíčka je vždy dokončení 2. meiotického dělení
…Ledviny jsou derivátem mesodermu
157
…Mozek a mícha jsou deriváty ektodermu
…Hladká svalovina střeva je derivátem mesodermu
…Zona pellucida se tvoří po oplození vajíčka a brání polyspermii
…Mléčná žláza patří mezi primární pohlavní znaky samic
…Vajíčka člověka jsou po narození všechna ve stádiu homotypického dělení
…Gamontogamie je jednou z forem nepřímého vývoje
…Blastocysta je název pro blastulu obojživelníků
…Každý dědičný znak je kódovaný dvěma allelami
…RNA polymeráza III je enzym operující v translační fázi syntézy bílkovin
…Telolecitální vajíčka se rýhují totálně a ekválně
….Barrovo tělísko představuje buněčnou inklusi v jádře
…Gonochoristé mohou mít obě pohlavní žlázy, pokud nejsou obě aktivní ve stejnou dobu
…Homogenita F1 generace kříženců je vyjádřením 2. Mendelova zákona
…Balbianiho prstence jsou přechodné struktury na mikrotubulech mitotického vřeténka
....Hřbetní strana zárodku se tvoří v místě protilehlém k místu vniku spermie do vajíčka
.... Desmin je molekula, která se vyskytuje ve středních filamentech některých buněk
.... Zona pelucida vajíčka zajišťuje tzv. primární blok polyspermie
. .. Coelom se označuje též jako primární (prvotní) tělní dutina
.... Haploidní počet chromozomů vzniká v oocytu již po prvním meiotickém dělení
.... Vyměšovací a sekundární pohlavní orgány jsou deriváty mesodermu
….Epibolie je jedním ze stádií meiosy
Ke kapitole 7
…..Tzv. cDNA označuje komplementární DNA
.…Tzv. restrikční enzymy jsou polymerázy nukleových kyselin
. .…Plasmidy jsou vhodným vektorem cDNA do eukaryotních buněk
….Mezi tzv. vektory cizorodé DNA patří viry
.... Tzv. cDNA vzniká reversní transkripcí
Další tvořte sami ……………………………………………
9. 3 Úvahové úlohy
Aplikujte tzv. „vědeckou metodu“ či „kritické myšlení“ na následující problém:
V jisté průmyslové oblasti dlouhodobě znečištěné černým smogem byl pozorován četnější výskyt černých
molů a úbytek jejich světlých variant Navrhněte způsob ověření této domněnky (hypotézy) a způsob jejího
experimentální ověření
Ryby v 2 nádržích mají různou hmotnost. Napište několik hypotéz, které by mohly tuto změnu vysvětlit. Pro
každou hypotézu navrhněte i její experimentální ověření
O tkáňovém vzorku, který jste získali při sekci ryby se domníváte, že je tvořen epiteliální tkání. Navrhněte
metodický postup, kterým byste tuto hypotézu ověřili
Prvotní zemská atmosféra byla bezkyslíková. Jak mohla probíhat oxidace energetických substrátů prvotním
organizmy?
Buňka byla ponořena do 1,5 % roztoku kuchyňské soli. Jak se změní její vzhled?
Fluidita plasmatické membrány granulárního neutrofilního leukocytu se snížila. Co mohlo být příčinou? Jaké
mohou být důsledky?
Na buňku epitelu střevní sliznice dopadla mikrokapka Jaru na mytí nádobí. Jaké mohu být molekulární a
funkční důsledky?
V buňce byla zablokovaná depolymerace tubulinu. Jaké to může mít důsledky?
V buňce došlo ke značnému zvětšení jadérka. Co se dá z toho usuzovat?
V epiteliální tkáni se porušila funkce bazální laminy. Jaké budou důsledky za fyziologických podmínek a při
hojení např. řezného poranění?
158
V měňavce došlo k poruše polymerace aktinu. Které funkce organizmu budou vyřazené?
Vyskytuje se v těle člověka améboidní pohyb? Pokud ano, kde, pokud ne, proč ne?
Je v těle člověka bičíkový nebo řasinkový pohyb? Pokud ano, kde, pokud ne, proč nemůže být?
V epiteliální buňce došlo v důsledku mutace k vyřazení funkce G-proteinu. Které receptory v buňce ztratí svou
funkci?
Buňka byla ponořena do 200 mmol roztoku KCl. Jaké budou důsledky pro klidový membránový potenciál?
Buňka byla ponořena do 5 mmol roztoku KCl. Jaké budou důsledky pro klidový membránový potenciál?
Po kousnutí jedovatým hmyzem došlo k zablokování sodíkodraslíkové pumpy na plasmatické membráně.
Jaké budou funkční důsledky?
Které specifické enzymy se aktivují při procesu apoptózy?
V epiteliální buňce došlo v důsledku mutace ke ztrátě funkce t-snares. Které funkce budou narušeny?
V epiteliální buňce se změnily autoagregační vlastnosti klathrinu. Které funkce budou narušeny?
O
Kolonie paramecií byla vystavena teplotě 40 C. Syntéza kterých bílkovin mohla být indukována jako obranná
reakce?
Proč se vařením stává vaječný bílek neprůhledným?
Může se člověk rozmnožovat nepohlavně (ano-kdy a jak ??)
Jsou všechny sacharidy sladké?
Mohou být v tepelně opracované potravě přítomny některé enzymy? Pokud ano či ne, uveďte proč.
Které procesy v buňce a organizmu vyžadují minoritní nebo stopové prvky? Uveďte konkrétně na molekulární
úrovni.
Jaké důsledky muže mít pro funkci buňky ztráta funkce lysozomů?
Které organely se podílejí na syntéze ptyalinu (bílkovina) v epiteliálních buňkách slinných žláz a jeho
vyloučení do vývodů těchto žláz?
Náměty na procvičení studované látky na druhou konsultaci kombinovaného studia.
Losem vybrani 3 posluchači při dopoledním a 3 při odpoledním bloku pohovoří v 5
minutách o jedné vybrané otázce. Doporučuji si procvičit i o doma, nejlépe před
nějakým posluchačem, nebo sám(a) před zrcadlem
1. Proč má plazmatická membrána všech živých buněk elektrický náboj?
2. Jaký je strukturální a funkční vztah mezi nukleozomální a chromatinovým vláknem?
3. Jaké funkce plní váčkový transport v buňce (odpověď endo a exocytózu je nedostačující)
4. Které molekuly zajišťují pohyb buněk a jejich organel?
5. Jak a kde probíhá v buňce rozklad poškozených bílkovin?
6. Které molekuly se účastní příjmu signálu, kterým je např. peptidický hormon?
7. Které molekuly se účastní příjmu signálu, kterým je např. steroidní hormon?
8. Lze opravit poškozenou bílkovinu? Jak?
9. Přes které organely musí projít bílkovina ptyalin dříve než se objeví ve slinách vašich úst?
10. K čemu v biologii slouží pokus a jaké jsou zásady jeho správného provedení?
11. Jaký je rozdíl v syntéze ATP v cytosolu a mitochondriích?
12. Jaký je rozdíl mezi tzv. Růstovými a transkripčními faktory?
13. Jakými mechanismy se přes plazmatickou membránu dostávají ionty?
14. Které organely buňky jsou nezbytné pro syntézu bílkovin?
15. Co řídí posun dělící se buňky z jedné fáze buněčného cyklu do fáze následující?
16. Co drží buňky v tkáních pohromadě?
159
17. Které molekuly tvoří mezibuněčnou hmotu a jaké jsou funkce jednotlivých molekul?
18. Uveďte alespoň 10 rozdílů mezi prokaroytí a eukarotní buňkou
19. Která vlákna cytoskeletu dominují v epitelu epidermis?
20. V čem se liší střední filamenta buněk epiteliálních a nervových?
21. V čem se morfologicky a funkčně liší kmenové buňky od buněk ostatních?
22. Jaký je význam kalciových iontů a co udžuje jejich homeostázu v bňce a jejich organelách?
23. Jaké jsou možné mechanismy transportu glukózy do buňky a z buňky?
24. Kde v buňce mohou zneškodňovány škodlivé chemické látky a jak?
25. Které funkce buňky budou narušeny při zástavě polymerizace tubulinu?
26. Funkce buňky budou narušeny při zástavě polymerizace aktinu?
27. Kde a za jakých okolností vznikají v buňce tzv. ROS?
28. Jaký je tozdíl mezi časným a pozdním endozomem?
29. Které molekuly se vyskytují v „pláštích“ buněčných váčků a jaká je jejich funkce?
30. Které jsou hlavní postranslační úpravy bílkovin a kde se uskutečňují?
31. Která buněčná signalizační cesta se přeruší vyřazením G-proteinů?
32. Mutace kterých skupin molekul může vést k nádorové transformaci buňky?
33. Definujte proces buněčné diferenciace na molekulární úrovni. Uveďte i konkrétní příklad.
34. Které všechny metabolické dráhy probíhají v mitochondriích?
35. Jaký je vztah Golgiho aparátu k endozomům?
36. Ve kterých metabolických procesech v buňce a živočišných tkáních se uplatňuje vitamin C?
37. Čím se může snížit fluidita plazmatické membrány a jaké jsou funkční důsledky?
38. Kde všude se v eukaroyntních buňkách vyskytují protonové pumpy a k čemu slouží?
39. Které jsou typické znaky apoptózy?
40. Navrněte pomyslné inhibitory (označte třeba látka A,B,C atd) a vysvětlete který krok-stádium apoptózy zablokují
(např. A- blokátor (antagonista) TRAIL receptorů na plazmatické membráně, atd
9. 4
Grafická cvičení
Nakreslete čárovou kresbou schéma následujících struktur a napište názvy jednotlivých jejich částí:
Endosymbiotického vzniku mitochondrií
Vznik endoplazmatickho retikula a jaderné blány vchlipováním plazmatické membrány
Molekulární stavby plazmatické membrány s vyznačením asymetrické distribuce lipidů
Golgiho aparátu a jeho vztahu k tvobě lysozomů
Tvorbu a jednotlivá stádia endozomu
Stavbu nukleosomu,
mitochondrie
ribosomu
Endozom-lysozomálního systému
Sodíkodraslíkovou pumpu na plazmatické membráně ve vztahu k sodíkovému ko-transportu
Nerstovu rovnici a její význam
Iontový kanál
Receptor spřažený s G-proteiny
Amplifikaci signálů přes sekundární posly
Váčky opláštěnýé klatrinem a coatomery s vyznačením v-SNARES
Receptorově zprostředkovanou endocytozu
Buněčného cyklu
Buňky hynoucí apoptózou
Spermatocytu a spermie
Hlavních skupin adhezních bílkovin mezi buňkami a buňkami a mezibuněčnou hmotou
Mikrotubulu v příčném řezu
Bičíku v příčném řezu
Centrioly v příčném řezu
Sarkomery kosterního svalu
Srdeční svaloviny
Areolárního vaziva
Víceřadého epitelu s řasinkami
Přechodného epitelu
Nervové buňky
Ptačího vejce v řezu
Průřez neurulou kopinatce a schéma neuronu
Schema imunochemického barvení
Objektiv mikroskopu s údaji o jeho vlastnostech
Vzorec rozlišovací schopnosti objektivu
Schema tvorby hybridomu
160
Ad Kapitola 1-8
Pravdivé vs. nepravdivé tvrzení ANO- NE
..... V mitochondriích probíhá syntéza bílkovin
...... V hladkém endoplazmatickém retikulu probíhá syntéza lipidů
...... V hrubém endoplazmatickém retikulu začíná glykosylace bílkovin
...... Lipidické složení obou listů plazmatické membrány se liší
..... Hydrofilní molekuly pronikají plazmatickou membránou buňky převážně difuzí
..... Ribosomy jsou tvořeny malou, střední a velkou podjednotkou
......Lysozomy obsahují enzymy, které jsou aktivní při pH vyšším než 7.0
...... Kolagen je součastí vláken cytoskeletu v buňce
..... Jadérko je místem syntézy i tzv. zrání ribosomální RNA
...... Histony se účastní přenosu elektronů v tzv. dýchacím řetězci buňky
. ... Glykolýza probíhá pouze v cytosolu buòky
...... Energii pro syntézu ATP cestou oxidativní fosforylace poskytuje tzv. protonový gradient
..... H1 histony jsou vázány na DNA mezi jednotlivými nukleozomy
.....Pro vznik membránového potenciálu buňky jsou rozhodující ionty draslíku
.... Anafáze je 2. stadium mitotického dělení
.... Peroxizomy rozkládají peroxid vodíku enzymem peroxidázou
.....Golgiho aparát je organela, ve které probíhá syntéza lipidů
.... -COH je karboxylová funkční skupina
..... Cytochromoxidáza je enzym operující v matrix mitochondrií
.....Množství ATP syntetizované v citrátovém cyklu je větší než při oxidativní fosforylaci v dýchacím
řetězci
.... Transport iontů sodíku do buňky se uskutečňuje převážně difuzí
.....Tzv. dýchací řetězec buňky je lokalizován na zevní membráně mitochondrií
..... V tzv. pentózovém cyklu probíhá oxidace glukózy
.... Transferová RNA se účastní translační fáze syntézy bílkovin
..... Genetický kód může obsahovat uridin
.... Dynein je bílkovina obsažena v bičících živočišných buněk
..... Cukerná zakončení se v plazmatické membráně vyskytují pouze na její zevní straně
.... Tzv. zralá messenegrová (informační) RNA (mRNA) obsahuje segmenty nukleotidů zvané introny
a exony
.... Histony jsou bílkovinou součástí ribozomů
.... Klathirn je jedna z bílkovin cytoskeletu
.... Střední filamenta cytoskeletu zajišťují ameboidní pohyb buněk
.... Cyklin B se podílí na regulaci vstupu buňky do G1 fáze buněčného cyklu
.... Počet nukleotidů v nukleozomech závisí na typu buněk a živočišném druhu
.....Cholesterol zvyšuje fluiditu plazmatické membrány
.....V buňce je více sodíkových iontů než iontů draslíku
.... Peroxizomy jsou místem oxidace některých aminokyselin
...... V hladkém endoplazmatickém retikulu probíhá syntéza lipidů a oxidace škodlivin
...... V hrubém endoplazmatickém retikulu začíná glykosylace bílkovin
...... Lipidické složení zevního a vnitřního listu biomembrán se liší v obsahu fosfatidylinositolu
..... Hydrofilní receptorové ligandy (agonisté) volně pronikají plazmatickou membránou do buňky
..... Ribosomy jsou tvořeny malou, střední a velkou podjednotkou
..... Nositelkou genetickou kódu je molekula jaderné nebo mitochondriální DNA
......Bílkovina tubulin je obsažena ve středních filamentech cytoskeletu některých eukaryotních buněk
..... Jadérko je místem syntézy i tzv. zrání ribosomální RNA
..... Histony jsou obsaženy v ribozomech, které syntetizují bílkoviny určené k sekreci cestou
exocytózy
... Glykolýza probíhá pouze v cytosolu buňky i v přítomnosti kyslíku
..... Ubichinon (CoQ) je součástí dýchacího řetězce mitochondrií
..... H1 histony jsou vázány na DNA mezi jednotlivými nukleozomy
.....Pro vznik membránového potenciálu buňky jsou rozhodující ionty draslíku
.... K mitotickému rozpadu jadérka dochází na začátku anafáze
.... Peroxizomy rozkládají peroxid vodíku enzymem peroxidázou
.....Golgiho aparát je organela, ve které probíhá syntéza fosfolipidů pro nově tvořené biomembrány
. .... Molekula sacharózy je disacharid tvořený 2 molekulami glukózy
.... Cytochromoxidáza je enzym operující v matrix mitochondrií
.....Množství ATP syntetizované v citrátovém cyklu je větší než v dýchací řetězci
.... Laminy jsou bílkoviny tvořící vlákna bazální laminy epitelů
161
.....Telolecitální vajíčka obojživelníků se rýhují totálně a inekválně
..... Zárodečná buňka se stává haploidní již po oddělení tetrád
.... Peptidická vazba se tvoří na P místě ribozomu za účasti ATP
..... Genetický kód může obsahovat uridin
.... Nestin je bílkovina středních filament cytoskeletu
.....Cukerná zakončení se v plazmatické membráně vyskytují pouze na její zevní straně
.... Tzv. hnRNA obsahuje introny a exony
.... Nukleozomální histony se syntetizují v jádře za účasti rRNA
.... Klathrin je bílkovina tvořící plášť pozdních endozomů
.... Střední filamenta cytoskeletu zajišťují ameboidní pohyb buněk
.... Cyklin B se podílí na regulaci vstupu buňky do G1 fáze buněčného cyklu
.... V průběhu diferenciace buněk se počet nukleotidů v nukleozomech zvyšuje nebo snižuje
.....Cholesterol zvyšuje fluiditu plazmatické membrány
.....V buňce je více vápníkových iontů než v jejím okolí
Doporučená literatura
(použitá i při přípravě těchto skript. Doporučované elektronické zdroje jsou pouze pro osobní
studijní potřeby. Jiné použití/šíření vyžaduje souhlas autorů použitých materálů).
Základní knižní a internetové zdroje
Obecná Biologie, O. Nečas, Grada 2001, kapitola II B
Obecná Zoologie („modrá“ kniha), Romanovský a kol., APN Praha, 1985, kapitola 3,
Rozmnožování živočichů
www.lf3.cuni.cz/histologie/materiály/doc/skripta/_02.pdf
http://www.sci.muni.cz/ptacek/zoologie.htm (viz též adresa níže v odstavci 2)
PTÁČEK, Vladimír - ŽALUDOVÁ, Renata
Další zdroje
Kubišta V., Buněčné základy životních dějů, Scientia, 1998, kapitola 2.2.1
Alberts, Základy buněčné biologie, kapitola 2, Espero 1998.
Nový přehled biologie, Rozsypal et al. 2003 (pouze toto vydání)
Papáček, M.: Zoologie. Praha, Scientia 1994.
Campbell, N. A.; Reece, J. B., Biologie 2000
Zrzavý J., Fylogeneze živočišné říše. Scientia 2006
Flégr J., Evoluční biologie, Academia, Praha, 2005
Růžičková K., Kotlík B., Chemie II. V kostce (pro střední školy), Fragment, 2004
R. A. Weinberg, Jediná odrodilá buňka. Jak vzniká rakovina. Edice mistři, vědy Academia 1998/2003
J. Petr, Klonování, hrozba nebo naděje? Paseka 2003
Pozor: Intenetové adresy nutno znovu vypsat ve vašem vyhledávači
Embryologie a reprodukce živočichů. 2005. WWW. více...poklep sem event.
http://www.sci.muni.cz/ptacek/REPRODUKCE2.htmEmbryologie a reprodukce živočichů
http://www.Ibp.cz/labs/PDG/Skriptum.pdf
http://www.cellsalive.com/cell_cycle.htm dynamické zobrazení buňky (v angličtině)
http://www.cellsalive.com/ živá buňka, dostupné též přes www.moje škola.cz, viz níže
http://www.mojeskola.cz/SkolaHrou/Linky/biologie.php?PHPSESSID=a9f0169dd3f85cf6c14
ecd05150af403
Vesmír z r. 1995-2005 http://www.vesmir.cz/
162
Další informace z Internetu (up-grade v přípravě. Novější informace vyhledat samostatně)
1. Širší a celo-oborové adresy
Buňky a tkáně
http://biology.ujep.cz/vyuka/mod/resource/view.php?id=272 (Studijní opory pro jednotlivé kurzy na KBI UJEP)
www.mujweb.cz/www/tyto/*
www.zdravcentra.cz (možno i přes Seznam--Postup:rozšířené vyhledávání--odborné články nebo Nobelovy
ceny nebo články časopisecké, event. klíčová slova)
www.zdravcentra.cz (Postup: rozšířené vyhledávání--knihy-- Patobiochemie buňky). Pro Obecnou zoologii
vždy jen uvodní odstavec každé kapitoly, kde je popis buněčných organel a funkcí. Autor knihy Masopust
mujweb.cz/Veda/biologie/slovnicek.htm
http://callisto.si.usherb.ca:8080/rblouin/histo/menu.htm
(callisto: atlas histologický. Možno též hledat dle klíčových slov animals tissue, histology, názvy
jednotlivých typů tkání v češtině, angličtině nebo jiném jazyku)
http://cs.wikipedia.org/wiki/Cytologie
http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/biobk/BioBookCELL2.html
2. Dílčí témata (viz Konečné heslo www. adresy)
Vznik živé hmoty, fylogeneza eukaryontní buňky, taxonomie
http://cs.wikipedia.org/wiki/Autotrofie
Stránky Faunistické komise ČR
http://bebecha.wz.cz/potkan.htm
Taxomie motýlů viz http://spider.webzdarma.cz/motyli_text.htm, atp.
http://wikipedia.infostar.cz/s/sc/scientific_classification_1.html
http://cs.wikipedia.org/wiki/Systematika_%28biologie%29
http://www.langara.bc.ca/biology/mario/Biol1215notes/biol1215chap26.html
http://wikipedia.infostar.cz/s/sc/scientific_classification_1.html
http://trishul.sci.gu.edu.au/courses/ss12bmi/microbe_structure.html (angl., vynikající srovnání pro- a
eukaryotní buňky)
Historie vynálezu mikroskopu
http://www.quido.cz/objevy/mikroskop.htm
Enzymy, biochemické reakce
http://biomikro.vscht.cz/documents/oek.pdf
http://www.espero.cz/pdf/kap3.pdf
fosfolipidy biomembrán
http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/lipid.htm
bílkoviny http://cs.wikipedia.org/wiki/B%C3%ADlkovina
Jadérko http://genetika.wz.cz/oddil1.htm
http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/6/6.htm)
Bílkoviny
http://www.ueb.cas.cz/laboratory_of_pollen_biology/pdf_subor/RNAsvet11.pdf obrazová presentace, česky
www.vscht.cz/eds/knihy/uid_es-002/hesla/bilkoviny.html
Prokaryonta genetika.wz.cz/prokaryota.htm
Plazmatická membrána cs.wikipedia.org/wiki/Cytoplazmatick%C3%A1_membr%C3%A1na
Organely, genová exprese kfrserver.natur.cuni.cz/cz/edu/FC_text/bb.htm (jádro, exprese genů, syntéza bílkovin)
Metabolické dráhy – obecně
http://www.espero.cz/pdf/kap3.pdf
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/11/11.htm (ixidat fosforylace)
Nukleové kyseliny, jádro, genomika www.biology.webz.cz/nuk.php
163
http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/info.shtml
http://www.genomeeducation.ca/GEcurious/index.asp?pg=health/
http://genetika.wz.cz/
http://cs.wikipedia.org/wiki/DNA
Proteomika česky http://www.czproteo.cz/proteomics.cs.php
Živočišné tkáně
http://www.lfhk.cuni.cz/VIP/
Krev http://oldwww.upol.cz/resources/zoologie/hemat2.htm
Další tkáně, vč. obrazové dokumentace dle klíčových slov
Biotechnologie a genové inženýrství
www.gjs.cz/vedy-o-zemi/genove-ing.htm
genetika.upol.cz/syl/kbc_cgi.htm
www.spotrebitele.cz/clanek.shtml?x=200160
www.osel.cz/tisk.php?clanek=112
www.strube-dieckmann.cz/Co%20jsou%20geneticke%20modifikace%20a%20 ...
http://futurologie.czweb.org/archiv2003/genomika.htm
http://genetika.wz.cz/rekombinantni_dna.htm
http://genetika.wz.cz/clanky/genove_manipulace.php
Apoptóza http://www.sanquis.cz/clanek.php?id_clanek=40
http://cs.wikipedia.org/wiki/Apopt%C3%B3za
http://cs.wikipedia.org/wiki/Apopt%C3%B3za#Apopt.C3.B3zu_podporuj.C3.AD_.28proapoptick.C3.A9_f
aktory.29
http://www.sanquis.cz/clanek.php?id_clanek=40
Syntéza bílkovin http://www.pawpaw.kysu.edu/biotech/
http://referaty.atlas.sk/prirodne_vedy/biologia_a_geologia/9940/?print=1
http://www.ueb.cas.cz/laboratory_of_pollen_biology/pdf_subor/RNAsvet11.pdf obrazová presentace, česky
http://www.med.uottawa.ca/patho/devel/
Obranné mechanizmy buňky. Heat shock proteins, chaperony:
http://www.antigenics.com/products/tech/hsp/
http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_shock_protein, http://www.answers.com/topic/heat-shock-protein-1
Jiné mechanizmy: http://www.vesmir.cz/clanek.php3?CID=1052
Jádro,chromozomy, geny, genom
http://iupui.edu / biomg817/content/11-1.pdf
http://genetika.wz.cz/chromosomy.htm
http://www.zdrava-rodina.cz/med/med0500/med0500_1.html
http://cs.wikipedia.org/wiki/Gen
http://cs.wikipedia.og/wiki/Alela
http://www.biologyreference.com/Mo-Nu/Nucleus.html
Genetika http://www.otevrena-veda.cz/ImgPageC1/Biolog/7paces.pdf
(vznik života)
http://genetika.wz.cz/dedicnost.htm
http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/15/15.htm (matroklinita)
http://voluta.unas.cz/2001_24/taxonomie.html i genetika, genetický drift
http://biol.lf1.cuni.cz/ucebnice/en/information.htm#pristupnost (genetika, anglicky)
Příjem informací buňkou http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/signals.htm (anglicky)
Proteazomy http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2004/public.html
Mitochondrie http://genetika.wz.cz/clanky/clanek2.php
http://www.ewa.cz/index.php?in=vypis&id=549&sekce=11&d=1>forum.living/
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/4/4.htm
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/10/10.htm
http://www.qub.ac.uk/bb-old/provan/powerpoint/110BBC335s.ppt#284,3,The mitochondrion
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/19/19.htm (Mtch Eva)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/6/6.htm (fylogeneza mtch)
164
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/7/7.htm (genom mtch)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/8/8.htm (mitoribosomy)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/9/9.htm (mtch membrány)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/11/11.htm (oxid fosforylace)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/12/12.htm (Krebsův cyklus)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/13/13.htm (oxid fosforylace II)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/14/14.htm Dělení mtch)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/15/15.htm (matroklinita)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/16/16.htm (rozpad mtch)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/17.htm (mtch a smrt buňky)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/18/18.htm (mtch a antropologie)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/20.htm (mtech a kriminalistika)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/21/21.htm (mtch a dědičné choroby)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/22/22.htm (mtch metody studia)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/23.htm (mtch závěr)
http://mujweb.atlas.cz/Veda/mitochondrie/24.htm (mtch literatura)
Buněčný cyklus, mitóza
http://mujweb.cz/Veda/mitochondrie/7/7.htm
http://www.barrettsinfo.com/content/5_how_does_cancer_develop_in_barretts.htm
http://www.wormatlas.org/index.htm C.elegans stavba i barevné orázky
http://www.cbs.umn.edu/CGC/ C.elegans hlavní vstup
http://referaty.atlas.sk/prirodne_vedy/biologia_a_geologia/9940/?print=1
Meiosa
http://en.wikipedia.org/wiki/Meiosis
Apoptóza http://cs.wikipedia.org/wiki/Apopt%C3%B3za
Nádorová tranformace buněk, onkogeny: http://www.vesmir.cz/clanek.php3?CID=1842
http://genetika.wz.cz/clanky/onkogenni_viry.php
Embryologie a rozmnožování živočichů
http://www.uoguelph.ca/zoology/devobio/splab2/sld003.htm rýhovaní vč. obr.
http://en.wikipedia.org/wiki/Embryogenesis
http://members.aol.com/BearFlag45/Biology1A/LectureNotes/lec27.html vc.oplození
http://www.porodnice.cz/default.asp?rubrika=1&podrubrika=58
http://www.vesmir.cz/clanek.php3?CID=7295 polyspermie u člověka?
http://www.volny.cz/fledermaus/ homeotické gény
http://www.osel.cz/index.php?clanek=258 homeotické gény
http://rocek.gli.cas.cz/Courses/Morfologie3def.pdf
165
Download

Obecná zoologie - KATEDRA BIOLOGIE