Stavba buňky MUDr. Richard BECKE Buněčný cyklus Fyziologické principy Buňka • Buňka je základní strukturální, morfologická a funkční jednotka živého organismu, schopná všech základních životních funkcí. • Buňky prokaryotické – nemají obal, není oddělena DNA od cytoplasmy, nemají proteiny – histony • Buňky eukaryotické – mají jaderný obal, mají histony • Buňky tvoří tkáně : / 4 typy tkání / • A/ epitelová tkáň • B/ pojivová tkáň • C/ svalová tkáň • D/ nervová tkáň • Buňky v lidské těle mají různý tvar a různou velikost • ( zhruba od 4 µm do 150 µm ), různou délku života. Buněčná membrána •Buněčná ( plasmatická ) membrána ( silná asi 7,5 nm ) •/ plasmalemma /, oddělující vnitřní prostředí buňky / intracelulární prostředí / od vnějšího okolí buňky / extracelulární prostředí /. •Složení membrány : •Fosfolipidová dvojvrstva / fosfolipidy /. • Hydrofóbní konec a hydrofilní konec dvojvrstvy .doplňují molekuly • cholesterolu •Proteiny v membráně :/ zhruba 50 % hmotnosti membrány / •A) periferní proteiny / vnitřní , vnější /, B ) integrální proteiny /penetrující x nepenetrující / Schéma buněčné membrány EXTRACELULÁRNÍ PROSTOR INTRACELULÁRNÍ PROSTOR Ross and Pawlina, Histology, 2006 Hydrofilní konce dvojvrstvy : fosfatidylcholin, sfingomyelin, fosfatidyletanolamin, fosfatidylinositol, fosfatidylserin, Mastné kyseliny Hydrofóbní konec : Buněčná membrána • Glycocalyx : polysacharidové řetězce , vazba na lipidy :glycolipidy nebo na proteiny : glycoproteiny, na zevním povrchu buněčné membrány. • Biologická membrána / součásti některých organel v buňce / liší se tloušťkou od bun. membrány, jinak struktura je stejná • Funkce proteinů v buněčné membráně : • A/ transport přes buněčnou membránu : Endocytosa : příjem látek přes buněčnou membránu do buňky • Exocytosa : výdej látek ven z buňky • B/ slouží jako membránové receptory • C/ do proteinů se upínají filamenta cytoskeletu buňky • D/ podílejí se na buněčném spojení Transport látek přes membránu • 1) Prostá difuze – látky rozpustné v tucích a plyny • 02 a CO2. • 2) Prostup iontovými kanály – v proteinu• ionty a voda • 3) Primární aktivní transport – probíhá proti elektrochemickému gradientu – nutný přísun energie v podobě ATP. • Na+ mimo buňku a K+ do buňky. • Velmi aktivní buňky – proximální tubuly ledvin a buňky žíhaných vývodů / slinné žlázy/ Primární aktivní transport • Tzv. basální labyrint v těchto buňkách a zde : • „ Sodíková pumpa „ • ATPáza přenese v jednom cyklu 3 Na+ ionty z buňky a současně 2 K+ ionty dovnitř a • 1 molekula ATP je rozštěpena na ADP a fosfát. • ATPáza v membráně je tetramer ,skládá se z 2 velkých a 2 malých podjednotek • Klidový membránový potenciál – normálně je zhruba : -30mV do – 90 mV. Přestup vody přes bun.membránu • Voda může difundovat velmi omezeně. • Také závislé na teplotě. • Nicméně – je to možné přes membránové proteiny, • které se nazývají poriny nebo akvaporiny. • Jsou selektivní pouze pro prostup vody , díky • průměru kanálku : 0, 2 nm. • Tetramer akvaporinu z 4 monomerů. Buněčné organely • A/ Membránové buněčné organely – mají ve své struktuře, nebo jsou obklopeny biologickou membránou : • Endoplasmatické retikulum, Golgiho komplex, lysosomy, mitochondrie, peroxisomy. • B/ Nemembránové buněčné organely – nejsou tvořeny ani obklopeny biologickou membránou : ribosomy • C/ Cytoskelet buňky ( centrioly ) • Jádro buňky : je obklopeno jaderným obalem , tento obal se skládá z 2 biologických membrán. Jádro buňky / nucleus / • Jádro buňky obsahuje : • 1/ jaderný obal ( dvě biologické membrány,mezi nimi perinukleární prostor), • velké množství pórů v jaderném obalu, transport látek z jádra / podjednotky ribosómů / a do jádra přes póry. • Průměr póru : 70 nm. • 2/ chromatin ( komplex molekul DNA a proteinů – histonů, euchromatin a heterochromatin ) • 3/ jadérko / nucleolus / místo syntézy • r – RNA,vytvoří se 2 podjednotky ribosomu. Transkripce / tvorba 3 druhů RNA / Replikace DNA / v S fázi interfáze bun. cyklu / rER M Jádro buňky - elektronogram euchromatin Jaderný obal marginální heterochromatin Hetero- chromatin Póry v jaderném obalu Jaderný obal , šipky – póry v obalu Ross and Pawlina, Hitsology, 2006 Chromatin • Je kondensován do chromosómů. • 23 párů chromosómů / diploidní počet / tj. 46 chromosómů • 22 párů je homologních chromosómů • 1 pár tvoří sex chromosómy • / XX nebo XY / • Barrovo tělísko / tzv. sex – chromatin , • angl. drum – stick / je • neaktivní X chromosóm • v buňkách u ženy Zralé gamety : spermie a oocyt ( po oplození ) Pouze 23 chromosómů / haploidní počet / Scheme: Ross and Pawlina, Histology, 2006 Schéma základní stavby chromatinu Dvojšroubovice DNA , která obtáčí proteiny - histony Strukturální jednotkou chromatinu je NUCLEOSOM / šipka / DNA se 2 x obtočí kolem molekuly histonu Spojené nucleosomy tvoří asi 30 nm silnou chromatinovou fibrilu. Chromatinové vlákno / fibrila ukotvená k proteinu / Euchromatin / rozvolněná vlákna/ , Heterochromatin Chromosom v metafázi H1 Karyotyp člověka Buněčné organely • Ribosómy : 20 – 30 nm , kromě proteinů • skládají se z malé a velké podjednotky – obě podjednotky tvořené r- RNA / transkripce : r – RNA : jadérko / nucleolus / , podjednotky opouštějí jádro přes jaderné póry v jaderném obalu. • Volné ribosomy a navázání na m – RNA : polyribosomy • Jestli se polyribosómy navážou na biologickou membránu – potom tvoří organelu : • Granulární endoplasmatické retikulum • Funkce : translace : synzéza polypeptidových řetězců z 20 aminokyselin , kodón v mRNA a antikodón v tRNA • syntéza polypeptidového řetězce podle basí. Ribosom (nemembránová organela) 20 x 30 nm Malá podjednotka Schéma proteosyntézy na polyribosomech ribosomy mRNA Volné proteiny V cytoplasmě Electron micrograph: Histology, Ross, Pawlina 2010 Šipky : shluky volných ribosómů, RER – granulární endoplasmatické retikulum rER rER rER Buněčné organely • Mitochondrie – syntéza energie v buňce, energie uložená v molekulách ATP, obsahují enzymy pro oxidaci mastných kyselin a enzymy Krebsova cyklu., oxidativní fosforylace. • Mají vlastní DNA a ribosomy. • Mitochondrie kristálního typu a tubulárního typu. • Golgiho komplex – systém cisteren a vesikul a váčků – probíhá posttranslační úprava proteinů vyrobených v GER. • Lysosomy – organely ohraničené membránou – obsahují mnoho hydrolytických enzymů k štěpení látek./ až 40 enzymů /,potřeba nízké pH. • Buňky – makrofágy – obsahují velmi mnoho lysosomů / hlavní funkce – fagocytóza /. Mitochondrie kristálního typu Mitochondrie tubulárního typu tvoří ploché cisterny a sférické váčky (drobné vesikuly a větší vakuoly) strana cis strana trans Golgiho komplex Postranslační úpravy proteinů Cis konec G.kom. Trans konec G.kom. Glykosylace Sulfatace Fosforylace Fagocytóza • Je to nástroj nespecifické imunity. • Zahrnuje likvidaci choroboplodných mikroorganismů ale také odstranění a destrukci • vlastních přestárlých, odumřelých nebo pozměněných buněk včetně poškozených organel ve vlastní buňce. • Buňky s vysokou fagocytární schopností : • Makrofágy v různých orgánech a neutrofilní granulocyty. • / monocytomakrofágový systém / • Důležité organely pro tuto činnost : Lysosomy • Membránové bunečné organely. Zruba : • 40 hydrolytických enzymů – hlavní marker : • Kyselá fosfatáza. • 3 základní stadia vyzrávání lysosomů : • 1) Lysosomální transportní vesikula • / oddělí se od Golg. komplexu – enzymy jsou neaktivní – důvod : vysoků pH./ • 2) Lysosomy –zde probíhá degradace molekul. • Nutno snížit pH na kyselé hodnoty – endosomální kompartment – protonové pumpy. Lysosomy • Lysosomální transport. vesikula musí splynout s endosomem – na pH kyselé – stanou se aktivní enzymy. • Heterofagosom , autofagosom. • 3) Terminální lysosom / reziduální tělísko / • pH se zvyšuje – enzymy opět neaktivní. • Hromadí se v dlouho žijících buňkách – kumulace reziduálních tělísek / pigment lipofuscin / • Dobře vidět u neuronů a kardiomyocytů. Fagocytóza • Přesun buněk do místa fagocytózy : chemokiny • Opsoniny – látky, které označí a zvýrazní buňku nebo baktérii k pohlcení. • Makrofágy – mají specializované receptory. • Nastane přeskupení cytoskeletu v makrofágu a vznikají výběžky, které obklopí baktérii / pseudopodie /. • Vzniká heterofagosom , nebo jestli je to vlastní poškozená organela – autofagosom. • Dále nastupují lysosomální transportní vesikuly… Jednoduché schéma fagocytózy pseudopodie hetero Jednoduché schéma fagocytózy 3 – lysosomální transportní vesikuly 4 - heterofagolysosom Buněčný cyklus se skládá : • Ze 2 základních stádií : • A) buněčného dělení – mitosa • B) interfáze • Mitosa : Profáze, Metafáze,Anafáze, • Telofáze • Interfáze : má 3 fáze : G1 , S , G2 fázi. • / G – ze slova Gap ( mezera ) , S – synthesis / Buněčný cyklus a body vnitřní kontroly G 0 fáze znamená terminální diferenciaci buňky , tato buňka se již nebude dělit. Irreparable damage of DNA - tumor-supressing protein p53 – programmed cell death (apoptosis) Cell self-evaluates its own replicative potential befor deciding to enter the S phase terminal differentiation prevents progression of cell into M phase prevents premature entry into anaphase monitors quality of replicating DNA prevents the cytokinesis until all the chromosomes have been correctly separated Scheme: Ross, Pawlina, Histology, 2003 Non-proliferating population of cells Interfáze • G1 fáze : fáze po mitose, syntéza RNA a proteinů v buňce, buňka doroste do velikosti jako před mitosou. • S fáze : replikace DNA a centriolů – každý centriol se zdvojí. • G2 fáze : akumulace energie pro mitosu, syntéza tubulinu pro výstavbu dělícího vřeténka / mikrotubuly z centriolů / Profáze • 1/ kondenzace jaderného chromatinu – chromosómy jsou tyčinkovité, sesterské chromatidy jsou spojené v oblasti centromery. • 2/ jaderný obal : začíná se rozpadat • 3/ centrioly – rozdělí se a každý pár putuje k opačnému pólu buňky – jsou organizačními centry dělícího vřeténka • 4/ dorůstají mikrotubuly dělícího vřeténka • 5/ zmizí jadérko Metafáze • 1/ Mizí jaderný obal • 2/ Každý chromosóm se skládá ze 2 chromatid , přesun chromosómů do ekvatoriální roviny • v buňce. • 3/ Napojení chromosómů na mikrotubuly dělícího vřeténka v oblasti kinetochory. / kentron – střed, meros – část / • Jsou to tzv. kinetochoriální mikrotubuly • dělícího vřeténka. Dělící vřeténko v metafázi mitosy. triplet centrioles centrioles Junqueira, Carneiro and Kelly, Basic Histology, 1995 ch –chromosomy v ekvatoriální rovině MT MT ch ch CENTRIOLY Jsou cylindrické struktury , každý centriol se skládá z 9 trojic / tripletů / mikrotubulů Anafáze • 1/Z každého chromosómu se oddělí od sebe sesterské chromatidy a jsou taženy k opačným pólům buňky. • 2/ začíná proces cytokineze – buňka se prodlužuje a objeví se dělící • / konstrikční / rýha uprostřed mateřské buňky. Telofáze • 1/ V dceřiných buňkách se objevují jádra • 2/ Formuje se jaderný obal , objevuje se • jadérko • 3/ Dokončení cytokineze : rozdělí se cytoplasma buněk a organely zhruba ve 2 stejné poloviny. Meiosa -redukční dělení • Účel : redukce počtu chromosómů z diploidního počtu / 46 / tj. 2n na poloviční počet – haploidní / 23 / tj. 1n. • Výměna genetické informace mezi mateřskými a otcovskými chromosómy v průběhu 1. meiotického dělení. • Meiosa zahrnuje za sebou 2 dělení: • 1 . meiotické dělení a • 2. meiotické dělení ( = mitóza ) • Rozdíl mezi vývojem spermie ( spermatogeneze ) a vývojem vajíčka ( oogeneze ).