► Funkce buněčného dělení

► Struktura chromosomu

► Buněčný cyklus

► Mitoza

► Kontrola buněčného cyklu

► Programovaná buněčná smrt

Biologie I

Buněčný cyklus a buněčná smrt

Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se

Dělící se Amoeba (nepohlavní

rozmnožování prvoka) = dva

samostatné organismy

Embryo krátce po prvním

dělení oplozeného vajíčka.

Kmenová buňka kostní dřeně –

nové buňky dají vzniknout

diferencovaným krvinkám

Funkce:

Reprodukce Růst a vývoj Obnova tkání/pletiv

20 µm 100 µm 200 µm

► Výsledkem jsou geneticky identické dceřiné buňky

► Buňky zdvojí svůj genetický materiál

► Před rozdělením buňka (několikrát) kontroluje, zda dceřiné buňky

získají přesné kopie genomu

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n

Ed

uca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

Rozmonožování bakterií

jednoduchým dělením

uprostřed buňky

►(jeden cirkulární) bakteriální

chromosom se replikuje

► buňka roste a dosahuje přibližně dvojnásobku

původnívelikosti

► tvorba přepážky – nová cytoplasmatická

membrána + buněčná stěna separují genomy

(a tím dceřiné buňky)

Reprodukce prokaryot

Replikace začíná v jednom místě (počátek replikace).

Chromosomy jsou v jednom bodě připojeny k cytoplasmatické membráně

a s růstem buňky dochází k jejich separaci.

počátek

replikace

ch

rom

os

om

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Buněčné dělení eukaryot … je mnohem komplikovanější proces:

► počet chromosomů v somatických buňkách většiny

eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50.

► mají stejný vzhled (délka, umístnění centromery, barvení)

► Kontrolují stejné vlastnosti (obecně stejné pořadí genů)

► Mohou nést různé fromy jednoho genu (alely)

► Homologní chromosomy

► Nehomologní chromosomy

► Odlišný vzhled

► Kontrolují odlišné vlastnosti (nesou různé geny)

Pohlavní chromosomy

► Podle tvaru mitotického chromosomu

X a Y a určují pohlaví:

- typ Drosophila (i člověk): XX = samičí / ženské, XY = samčí / mužské

- typ Abraxas (např. ptáci): XY = samičí, XX = samčí

- typ Protenor (rovnořídlý hmyz): XX = samičí, X0 = samčí

homologní chromosomy

centromera

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

► Před rozdělením zdvojení chromosomů = vznik

sesterských chromatid spojených v oblasti centromery

► Následuje kondenzace chromosomů

(chromosomy se sbalí se do „zhuštěné“ podoby)

Eukaryotní chromosom před rozdělením buňky

dva chromosomy

centromera

sesterské chromatidy

zdvojení (replikace)

Nesesterské chromatidy

dva zdvojené chromosomy

sesterské chromatidy

Ad

ap

tová

no

z J

oh

nso

n R

.: Bio

log

y, 5

th ed

ition

19

99

;

© T

he

McG

raw

-Hill C

om

p., In

c.

Struktura chromosomu eukaryot - nukleosomy

► komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny =

Nukleosom – základní jednotka sbalování chromatinu

Proteinové jádro z histonů

(H2A, H2B, H3, H4)2

► DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra,

délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí

► vyšší úrovně sbalování DNA → kondenzace chromatinu

Ad

ap

tová

no

z J

oh

nso

n R

.: B

iolo

gy, 5

th

ed

itio

n 1

99

9; ©

Th

e M

cG

raw

-Hill

Com

p.,

In

c.

Struktura chromosomu eukaryot – vyšší úrovně sbalování

Nukleosom jako

„korálek“ (bead)

napojení histonu H1

mimo nukleosom

napomáhá dalšímu svinutí

kostra z nehistonových

proteinů jako lešení (scaffold)

nukleosomy

30-nm chromatinové vlákno

smyčkové domény

metafázní chromosom

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition

© Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin

Cummings

p = petite

(malý)

q = v abecedě

po „p“

Typy chromosomů

telomera

raménko

p

raménko

q

telomera sesterská

chromatida

centromera

Metacentrický

Submetacentrický

Akrocentrický

Telocentrický

Telomera

- ochrana konců chromosomů (proteiny)

- brání rekombinaci s jinými chromosomy

- zamezuje/omezuje zkracování

chromosomu při replikaci

mitotické interfázní

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

► Zúžení na kondenzovaném chromosomu

(oblast se specifikými repetitivními sekvencemi)

► Místo spojení sesterkých chromatid

► Na centromeře se uskupí proteinové disky kinetochory

► Kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů

(pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky)

Centromera

metafázní chromosom

kinetochora

kinetochorové microtubuly (svazek)

oblast centromery

sesterské

chromatidy Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition

1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

• Interfáze

Buňka roste, vytváří proteiny,

zmnožuje /zvětšuje organely

– G1 – (growth) buňka

roste

– S – navíc replikace

(Syntéza) chromosomů

– G2 – rychlejší růst,

– příprava na dělení

• M - mitoza

• C - cytokineze

Fáze buněčného cyklu

... u prokaryot mitoza chybí

Buněčný cyklus = buňky zdvojí „obsah“ a rozdělí se

mitoza

pro- meta-

telo- fáze

ana-

interfáze (G1, S, G2)

mitoza (M)

cytokineze (C)

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Konec fáze G2

• Zdvojení centrosomů (centrioly charakteristické pro živočišné buňky)

• Výrazné jádro se zdvojenými

chromosomy (zůstávají v

nekondenzovaném stavu)

• Zjevné jadérko (či dvě)

• Od centrosomů se paprsčitě

rozbíhají mikrotubuly (astrosféra)

Děje těsně před mitozou

G2 OF INTERPHASE

centrosomy

(s cetriolami) chromosomy

(zdvojené)

jadérko jaderný

obal cytoplasmatická

membrána

Živočišná buňka

barvy:

-chromosomy

-mikrotubuly

-mikrofiilamenta

G2 FÁZE INTERFÁZE

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson

Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Mitoza

► Každá buňka získává kopii každého chromosomu (jednu ze sesterských chromatid)

► Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou

• Zivočichové a rostliny

během mitozy dochází k „rozpadu“ buněčného obalu

• Houby a (někteří) prvoci

mitoza probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí

prometafáze

interfáze profáze metafáze anafáze telofáze

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

1. Profáze

• Kondenzace chromosomů,

chromosomy viditelné jako dvě

spojené sesterké chromatidy

• Mizí jadérka

• Prodlužováním mikrotubulů z obou

centrosomů se začíná vytvářet

mitotické vřeténko

• Centrosomy se pohybují k opačným

pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly)

• Maturace kinetochor

PROFÁZE

časné

mitotické

vřeténko

astrosféra

centromera

chromosom (vždy dvě

sesterské chromatidy)

Animalia & Plantae A

da

pto

vá

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

2. Prometafáze

• Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů)

• Napojování kinetochorových

mikrotubulů na zralé kinetochory

• Vzájemná interakce

nekinetochorových mikrotubulů

Animalia & Plantae

PROMETAFÁZE

fragmenty

jaderného

obalu

kinetochorové

mikrotubuly

nekinetochor.

mikrotubuly

kinetochora

pól

vřeténka

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of

The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

rozpad jadené laminy po fosforylaci laminů

3. Metafáze

• Centrosomy na opačných stranách buňky

• Kinetochory sesterských chromatid

napojeny na mikrotubuly (ve skutečnosti

svazek mikrotubulů) vycházející

opačných pólů mitotického vřeténka

• Chromosomy se shromažďují v

metafázové destičce

stejně vzdálené od pólů vřeténka

• Metafáze je nejdelší fází mitozy

Po kontrole připojení všech

chromatid na mikrotubuly je

aktivován tzv. APC

(anaphase promoting complex)

Pojmenování

mitotické (dělící) vřeténko

odkazuje na tvar aparátu

METAFÁZE

vřeténko

metafázová

destička

centrosom

na pólu

vřeténka

Animalia & Plantae A

da

pto

vá

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

• Kinetochorové mikrotubuly pohybují chromosomy a ustavují centromery všech chromosomů v jedné rovině (metafázová destička)

následně se budou zkracovat a oddělovat sesterské chromatidy

• Astrosféra krátké microtubuly směřující k cytoplasmatické membráně (živočichové - zpevňuje aparát při „smršťování vřeténka retrakci; rostliny mají

rigidní buněčnou stěnu)

• Nekinetochorové mikrotubuly se překrývají a následně se budou

prodlužovat a tím připívat k „transportu“ chromatid

mikrotubuly chromosomys

sesterské

chromatidy

astrosféra centrosom

metafázová

destička

kineto-

chory

kinetochorové

mikrotubuly 0.5 µm

nekinetochorové

mikrotubuly

1 µm centrosom

Mitotické vřeténko

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n

Ed

uca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

4. Anafáze

• Fyzické rozdělení sesterských

chromatid = vznik nezávislých

dceřiných chromosomů

• Uvolněné chromosomy se pohybují

k opačným pólům rychlostí ~ 0,5 až 1 µm/min

• Anafáze končí když je na opačných

kocích buňky kompletní sada chromosomů

• Anafáze je nejkratší fází mitozy

Při anafázi se

• kinetochorové mikrotubuly zkracují

• nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují,

živočišná buňka se protahuje

ANAFÁZE

dceřiné

chromosomy

Animalia & Plantae A

da

pto

vá

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

Kinetochorové mikrotubuly

Nekinetochorové mikrotubuly

tubulin

molekulový

motor

mikrotubulus

+ konec se

prodlužuje

- chromosom tažen motorem

podél mikrotubulu

- uvolňovaný + konec depolymeruje

- vzájemný posun zprostředkován

molekulovým motorem

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell,

Ree

ce

: B

iolo

gy 6

th e

ditio

n ©

Pe

ars

on

Ed

uca

tio

n, In

c, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

kinetochora

tubuliny

(volné)

chromosom

pohyb

chromosomu

molekulový

motor mikro-

tubulus

označení - laser

mechanismus

experiment

5. Telofáze

•Nekinetochorové mikrotub. se dále prodlužují

a připtavují buňku na cytokinezi

a téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi

• Zánik mitotického vřeténka

• Tvoří se jaderné obaly

• Chromosomy despiralizují

• Znovu se utváří jadérko

• Konec mitosy

Profáze – rozpad ER, Golgiho útvaru a

jaderné membrány na membránové váčky

Telofáze – i) znovuutváření ER,

ii) Golgiho útvaru

(z původních váčků a ER)

iii) a jaderného obaly

(z původních váčků a ER)

TELOPHASE AND CYTOKINESIS

tvorba

jadérka

dělící rýha

tvorba

jaderného

obalu

TELOFÁZE A CYTOKINEZE

Animalia & Plantae A

da

pto

vá

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

Telofáze znovuutváření jaderného obalu de novo

přejímání

membrány

fúze membrán

a utvoření póru

vnější

membrána

vnitřní

membrána

Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc. Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; ©

Garland Science

(i)

dceřiné buňky

dělící rýha

Nitrobuněčný sval dceřiné buňky

100 µm

1 µm váčky z Gogliho a.

pro stavbu nové

stěny (pektiny)

buněčná

stěna

fragmoplast

nová b. stěna

Rýhování živočišné buňky Tvorba buněčné stěny rostlin

Cytokineze jako první se vytváří

střední lamela

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

: Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n E

du

ca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as B

en

jam

in C

um

min

gs

obrněnky (Protista)

prokaryota

rozsivky (Protista)

většina eukaryot („klasická“ mitoza)

chromosomy

mikrotubuly

jaderný obal

celistvý

jaderný obal

celistvý

kinetochora+

mikrotubulus

Chromosom

kinetochora+

mikrotubulus

centrosom

fragmenty

jaderného obalu

Chromosomy připojeny k plasmatické membráně

Chromosomy připojeny k vniřní jaderné

membráně

Mikrotubuly prostupující tunely v jaderném obalu

udržují jádro ve správné pozici, protahují buňky

Uvnitř intaktního jádra se vytváří mitotické

vřeténko, protahuje jádro

Chromosomy připojeny k mikrotubulům

evo

luce (?

)

Pravděpodobný vývoj mitozy

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition ©

Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

► a může nastat další kolo cyklu

Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit:

Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace

(oblasti s geny, které nejsou exprimovány)

Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčmímu aparátu.

heterochromatin je viditelný jako

granule uvnitř jádra

jadérko

jádro

► a nebo taky ne

• G0 je stadium buňky mimo buněčný cyklus • Některé buňky přechází dočasně z G0 do

buněčného cyklu (např. hepatocytes)

• Jiné (neurony) stráví život v G0

život v G0 život v cyklu rakovinná buňka

Alb

erts

a k

ol.: Z

ákla

dy b

uněčné b

iolo

gie

, 1998

; © E

spero

Publis

hin

g, s

.r.o.

Řízení buněčného cyklu

► Cyklin-dependentní protein kinasy

(Cdk) řídí buněčný cyklus

► Cdk jsou bez cyklinů neaktivní

► Cycliny navigují Cdk na cíle

MPF mitosis-promoting factor

komplex Cdk:cyklin) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

Poškozená DNA → ukončení cyklu v G1 fázi

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

► Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu)

► M cyclin a Cdk vytváří MPF (zůstává v neaktivní formě – fosforylace v inaktivačním místě)

► Aktivní MPF: fosforylace v aktivačním místě (a defosforylace v inaktivačním místě)

Kontrolní bod v G2 detailněji

mitoza interfáze mitoza interfáze

aktivita MPF

koncentrace

M-cyklinu

mitotická Cdk

M-cylkin

aktivační kinasa

inhibující

kinasa

inaktivní

MPF

inaktivní

MPF

aktivující

fosfát

inhibující fosfát

aktivující

fosfatasa aktivní

MPF

Adapto

váno z

Alb

erts

a k

ol.: M

ole

cula

r

Bio

logy o

f The C

ell, 4

th e

d. 2

002

; ©

Garla

nd S

cie

nce

Ad

ap

tová

no

z C

am

pb

ell, R

ee

ce

:

Bio

log

y 6

th ed

ition

© P

ea

rso

n

Ed

uca

tion

, Inc, p

ub

lish

ing

as

Be

nja

min

Cum

min

gs

(i)

► Hladina aktivovaného MPF během G2 roste do prahové hodnoty →

→ spuštění mitozy

► Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta, and

proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka

► nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu → snižování konc. MPF

→ procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy

• označení M-cyklinu (kovalentně) ubiquitinem

(zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC])

→ proteolyza v proteasomu

Kontrolní bod v G2 detailněji

Cdk

M-cyklin

aktivní MPF

ubikviti-

nylace

ubikvitiny

(Ubi)

destrukce

M-cyklinu

inaktivace

Cdk

inaktivní

Cdk

Beck et al. 2012. doi:10.1073/pnas.1213333109

Proteasom komplex proteinů (26S)

-cytoplasmatický

-jaderný

Funkce

Ubi-protein → rozbalení →

hydrolýza v póru z b podjednotek

(mitoza, stres, apoptosa)

6x a- 6x a- 12x b- podjednotky

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

(i)

Apoptoza - programovaná buněčná smrt

• Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky)

• Ontogeneze – tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk

interdigitální mezenchym apoptoza (role lysozomů) vývoj prstů

porucha fce lysozomů

Tay-Sachsova nemoc

Maturace nervového systému

tělo

neuronu

axon

terčové buňky

neurony

sjednocení počtu

neuronů a terčových

buněk

smrt

„přebytečných“

neuronů

„survival“ faktor

uvolněný buňkami

apoptoza neuronů

Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

Apoptoza není NEKROZA -pasivní proces s rychlým nástupem doprovázený zánětem -patologický proces způsobený fyzikálně-chemický traumatem, infekcí -postihuje mnoho buněk tkáně / pletiva

b. spoje

trauma

mitochondrie

jádro

voda

buňky a organely botnají

chromatin kondenzuje

memnrána poškozena

NEKROZA

rozpad buněčných

struktur

lyze buněk, nástup

fagocytů, zánět

Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier

APOPTOZA:

b. spoje

mitochondrie

jádro

APOPTOZA

přeruší se b. spoje

začíná kondenzovat

chromatin

buňka se smrští,

chromatin kondenzuje

okolo okraje jádra

buňka prudce „imploduje“,

chromatin dále kondenzuje

buněčné fragmenty uzavřeny

ve apoptických váčcích

apoptické váčky jsou

fagocytovány okolními

buňkami a makrofágy

b. spoj

Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; © Elsevier

-aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem -vyžaduje energii -nepůsobí zánět

Kaspasy: specializované proteasy aktivované v apoptoze

• Kaspasy jsou přítomny jako neaktivní monomery – prokaspasy

• Prokaspasy se aktivují po přiblížení (agregaci) na organizujících proteinech

• Naštěpení proteinu vede ke změně

konformace → aktivní kaspasa →

aktivace dalších kaspas – proteolyza

Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

aktivace prokaspas

štěpením řetězce

aktivní

kaspasa

velká

podjednotka malá

podj.

inaktivní

prokaspasa

aktivní

kaspasa

štěpení

domény

‘pro’

místa

štěpení

kaspasová kaskáda

jedna aktivní

iniciační kaspasa

velké množství exekučních kaspas

štěpení proteinů

cytoplasmy

štěpení jaderných

laminů

Vnitřní (mitochondriální) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasa 9)

Adapto

váno z

Alb

erts

a k

ol.: M

ole

cula

r Bio

logy o

f The

Cell, 4

th e

d. 2

002

; © G

arla

nd S

cie

nce

(i)

Vnější (receptorová) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasy 8 nebo 10)

Adapto

váno z

Alb

erts

a k

ol.: M

ole

cula

r Bio

logy o

f

The C

ell, 4

th e

d. 2

002

; © G

arla

nd S

cie

nce

(i)

Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; © Garland Science

(i)

Centromera