Biologie člověka

Povinná literatura

Otová B., Mihalová, R.: Základy biologie a genetiky člověka;

Karolinum 2015

http://old.vscht.cz/kot/cz/studijni-materialy.html

Rosypal S. a kolektiv autorů:

Nový přehled biologie. Scientia 2003

Doporučená literatura

• Otová, B. a kol.: Lékařská biologie a genetika I. díl; kapitola 2.8 Odchylky od Mendelových pravidel, strana 18-21; Karolinum 2014

• Kohoutová, M. a kol.: Lékařská biologie a genetika II. díl; kapitola 8. Genetika onkogeneze, strana 133-160 a kapitola 10. Vrozené vývojové vady, teratogeneze, strana 182-190; Karolinum 2012

• Panczak, A. a kol.: Lékařská biologie a genetika III. díl; Karolinum 2013

Kočárek, E.: Genetika; Scientia 2012

Hořejší, V.; Bartůňková, J.: Základy imunologie; TRITON 2013

Konzultace

Po předchozí dohodě

boto@lf1.cuni.cz

klara.bobkova@lf1.cuni.cz

michaela.krupkova@lf1.cuni.cz

Kde nás najdete

Ústav biologie a lékeřské genetiky

Albertov 4

Praha 2

Přízemí vpravo

PROKARYOTA – např. baktérie

• Jednobuněčné organismy prokaryotického typu• Většina – buněčná stěna• Nukleoid – „ buněčné jádro“ bez membrány• Plasmidy malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na

bakteriálním chromosomu• Neobsahují mitochondrie, plastidy• Nepohlavní rozmnožování – binární dělení, pučení• Všudypřítomné, některé patogenní (toxiny)• Výživa

dusík: např. pro syntézu aminokyselin, nukleotidů síra a fosfor: aminokyseliny, ATPuhlík: aminokyseliny, nukleotidy, cukry, lipidy atp. → tvorba skeletu proteinů a nukleových kyselin

růstové faktory (auxotrofní baktérie - mutované): vitaminy, purinové a pyrimidinové báze, aminokyseliny

PROKARYOTA – např. baktérie

• Nukleoid → genom dvoušroubovice DNA uložená s

proteiny v kruhovitém chromosomu

• Chromosom nemá centromeru

• Většina genů v jedné kopii

• Geny pro rRNA – více kopií struktura ribosomů odlišná od ribosomů eukaryot

• Plasmidy malé kruhové molekuly DNA; replikace nezávisle na bakteriálním chromosomu

Plasmidy: a) přenos rezistence

b) konjugace (parasexuální děj)

c) využití v genetickém inženýrství

PROKARYOTA

Typická prokaryotní buňka

Plasmid kruhová molekula DNA Dvoušroubovice DNA + proteiny

v kruhovitém chromosomu

PROKARYOTA

Buněčné dělení a)

Replikace dvoušroubovice DNA

Následuje cytokineze (rozdělení cytoplasmy) vzniknou dvě dceřinné buňky

Dělení bakteriální buňky

PROKARYOTA – např. baktérie

Buněčné dělení

b) Konjugace

Konjugace buněk

Baktérie s F- plasmidem konjuguje s baktérií s F+ plasmidem

Obě buňky syntetizují komplementární vlákno DNA

Obě dceřiné buňky obsahují F+ fertilizační plasmid

Viry

• Genom virových partikulí – jedna molekula DNA nebo RNA• Replikace pouze v hostitelské buňce

• Retroviry (genom – RNA) - informace z RNA do DNA (enzym reverzní transkriptasa); dvouvláknová DNA se včleňuje náhodně do genomu hostitelské buňky.

•

• Extracelulární forma virové partikule - genom viru obklopuje proteinový obal (kapsida) - kodováno virovým genomem. Některé viry - kapsidy obklopeny fosfolipidovou membránou (buněčný původ).

• Podle genomu dělíme viry na DNA viry a RNA viry. Genom virů může obsahovat:• a) jednovláknovou DNA (parvoviry)• b) dvouvláknovou DNA (adenoviry, herpesviry, poxoviry)• c) jednovláknovou RNA (togaviry, myxoviry; retroviry)• d) dvouvláknovou RNA (reoviry).

Lidská DNA obsahuje sekvence virové DNA - pozůstatek virové infekce u dávných předků

EUKARYOTA

Jednobuněčné i mnohobuněčné organismy

• Většina genetické informace v jádře

• Genetický program řídí proliferaci, diferenciaci, reguluje funkce eukaryotních buněk

• Realizace prostřednictvím nukleových kyselin a proteinů

• Jaderná DNA + histony a další proteiny chromatin

• Část genetické informace extranukleární – mitochondrie(cytoplasmatické organely)

• Epigenetické děje → regulace na úrovni transkripce - má vliv na utlumení transkripční aktivity

a) CpG ostrůvky –methylace cytosinů na methylcytosin;

b) modifikace histonů, vede k vytváření transkripčně neaktivního heterochromatinu

EUKARYOTAstavba buňky - schéma

EUKARYOTA – anatomie buňky

EUKARYOTA – BUNĚČNÉ ORGANELY

• Jádro• Jaderná membrána fosfolipidová dvojvrstva, póry• Jaderná DNA + proteiny histonového a nehistonového typu chromatin

• V komplexu s dalšími proteiny spiralizace chromosomy (G2 fáze buněčného cyklu)

• V somatických buňkách dvě sady (chromosomů)

• Nukleolus (jadérko) syntéza prekursorů ribosomů (3 typy rRNA (5.8 S; 5 S; 28 S) + ribosomální proteiny vznik velké ribosomální partikule) uvolnění do cytoplasmypřipojení čtvrté molekuly rRNA (18 S) vázané na specifické proteiny funkční ribosom

• Ribosomy se podílejí na průběhu proteosyntézy

• Jadérko - místo transkripce ribosomálních genů

• Fibrilárních centra; uvnitř řetězec DNA → z něho přepis do vlákna pre-rRNA

• Fibrilární centrum - hustá síť vláken + malé molekuly RNA →úprava molekul rRNA z rRNA prekursoru

• Prekursor rRNA vyzrává, štěpení na jednotlivé molekuly rRNA → shluk rRNA molekul (organizační centrum) → vytváření malých a velkých ribosomálních podjednotek (rRNA + ribosomálními proteiny)

• Vyzrálé malé i velké podjednotky → jadernými póry do cytoplazmy

•

• V cytoplazmě vznikají funkční ribosomy

• Ribosomy - nezbytná součást průběhu proteosyntézy

Ribosomy eukaryotní buňky

RIBOSOMY – syntéza v jadérku

18 S RNA5.8 S; 5 S; 28 S RNA

S – Svedbergova jednotka;

stupeň sedimentace v rozpouštědle

5.8 S; 18 S; 28 S RNA - geny

lokalizovány na chromosomech s

nukleolárními organizátory

5 S – geny se vyskytují ve větším

počtu na různých místech

genomu

EUKARYOTA – další buněčné organely

• Endoplasmatické retikulum – síť membrán • (hrubé) proteosyntéza• (hladké) syntéza lipidů, glykogenu (polymer glukózy)

• Golgiho aparát – soustava membrán vazba cukrů s lipidy, proteiny, tvorba škrobu

• Lysosomy obsahují trávicí enzymy

• Vesikuly dočasné zásobárny transportovaných látek

EUKARYOTA – buněčné organely

MITOCHONDRIE• Mitochondrie – dvě membrány, uvnitř

kristy• Sta až desetitisíce mitochondrií v buňce • Genom podobný genomu bakterií,

původ symbióza s archebakteriemi

• Mitochondriální dědičnost matroklinní• Distribuce do gamet nahodilá

MITOCHONDRIE

• DNA cirkulární, dvouvláknová

• 2 – 10 molekul DNA v jedné mitochondrii

• Kooprace s jaderným genomem

• Geny kódují např. enzymy Krebsova cyklu; enzymy katalyzující buněčné dýchání

Specifikace buněk

• Kmenové buňky - dělí se nesymetricky:

a) kmenová buňka (nediferencovaná); b) progenitorová buňka (postupně se terminálně diferencuje, proliferační aktivita)

• Typy kmenových buněk:

a) pluripotentní buňky z časných embryí (fetální kmenové buňky); diferencují ve všechny typy buněk kromě buňky totipotentní

b) totipotentní → pouze zygota a buňky vzniklé prvním dělením (mohou se přeměnit v jakýkoliv typ buněk)

c) multipotentní kmenové buňky – produkce příbuzných buněk danému typu (např. kmenové buňky krvetvorby → všechny typy krvinek)

e) unipotentní kmenové buňky – diferencují v jediný typ buněk (např. střevní epitel)

Terapeutické využití kmenových buněk

Kmenové buňky – naděje pro terapii

• Kmenové buňky z pupečníkové krve• umožňují nahradit odběry kostní dřeně; jsou méně citlivé na reakci

imunitního systému; menší nebezpečí GvHR, menší riziko nákazy (nesetkaly se většinou s patogeny)

• Hematopoietické kmenové buňky• léčba lymfoproliferativních onemocnění, vrozených imunodeficitů

• Ve stádiu výzkumu:a) léčba cukrovky I. typu - znovuvytvoření B-buněk Langerhansových

ostrůvků v pankreatub) léčba ochrnutí po úrazuc) léčba následků infarktud) léčba Parkinsonovy choroby a dalších neurodegenerativních chorob

Diferencované buňky

• Specializovaná struktura, funkce, doba životnosti

a) krátká životnost - např. erytrocyty, krevní destičky, buňky sliznic → zanikají apoptózou

b) dlouhá životnost - neurony, endokrinní buňky

Specifikace buněk

Specifikace buněk – housekeeping geny

Aktivní ve všech buňkách

• Zajišťují základní funkce buněčného metabolismu – syntéza nukleových kyselin a proteosyntéza, transport živin a jejich zpracování, biosyntéza cytoskeletu a organel

Specifikace buněk – specializované geny

Určují jedinečné rysy různých typů buněk

• Epigenetická regulace diferenciace (imprinting)

a) Změny chromatinu

b) Modifikace v DNA sekvenci (methylace)

V dceřiných buňkách je udržována stabilní sekvence a transkripce shodných genů

BUNĚČNÁ SIGNALIZACE → mezibuněčná komunikace

• Koordinace pochodů v organismu• Buňky geneticky naprogramovány → mohou na signální

látky reagovat selektivně podle vývojového stadia organismu a typu buněk

• Přenos signálu od signální molekuly do jádra je zprostředkován mnohastupňovým signalizačním systémem:

Vazba receptoru a signální molekuly zahajuje signalizační kaskádu

Buněčné dělení

BUNĚČNÝ CYKLUS

chromatin,

euchromatin, heterochromatin

kondenzace, dekondenzace

centromera, telomera, chromatida

Struktura chromosomu

Mitóza zajišťuje genetickou identitu dceřiných buněk

Mitóza

Mitóza - Profáze

• kondenzace chromosomů – stále patrné jako dlouhé tenké struktury

• tvorba mitotického vřeténka –mikrotubuly + proteiny

• iniciace rozpadu jadérka a jaderného obalu

• kinetochor - část chromosomálníchcentromer se uchytí k mikrotubulům mitotického vřeténka

• centrioly se pohybují směrem k pólům buňky

Kinetochor

://www.youtube.com/watch?v=y-uuk4Pr2i8http

Motorové proteiny:Cytosolický dynein, kineziny

Mitóza - Metafáze• maximální kondenzace

chromosomů – jsou seřazené v ekvatoriální rovině

• v této fázi se chromosomy nejčastěji vyšetřují

Mitóza - Anafáze• chromatidy každého

chromosomu se rozcházejí k opačným pólům buňky -chromosomy dceřinných buněk

• k opačným pólům buňky táhne chromatidy achromatické vřeténko

Mitóza - Telofáze a cytokinezeTelofáze

• opětná dekondenzace chromosomů

• začíná se tvořit jaderný obal ohraničující chromosomy

Cytokineze

• začíná ve chvíli, kdy chromosomy doputují k pólu

• tímto procesem se oddělí cytoplazmy dceřiných buněk

• sesterské chromatidy se dosyntetizují až v S-fázi

Meióza

MeiosaRedukce počtu chromosomů

z 2n (diploidní) n (haploidní)vznik gamet

Meióza

dvě fáze: meióza I a meióza II

Meióza• Dvě fáze: meióza I a meióza II• Období mezi meiózou I a meiózou II se nazývá interkineze

• Meióza I – heterotypické dělení (odlišné od klasické mitózy):Profáze

LeptotenZygotenPachyten (crossing-over)DiplotenDiakineze

MetafázeAnafáze – k pólům buňky se rozcházejí chromosomy jednotlivých

párůTelofáze

• Meióza II – homeotypické dělení (analogie mitózy)

Meióza I – profáze I

Začíná se tvořit dělící vřeténko, postupně se začíná rozpadat jaderná membrána a nucleolus, jednotlivé fáze průběhu profáze I:

• leptoten – chromosomy začínají kondenzovat

• zygoten – začínají se párovat homologní chromosomy, vytváří se synaptonemální komplex důležitý pro crossing-over

• pachyten – chromosomy jsou již značně kondenzované a v mikroskopupatrné jako tetrády (4 chromatidy v bivalentu), odehrává se crossing-over – důležitý krok pro genetickou variabilitu populace

• diploten – zaniká synaptonemální komplex, bivalenty se začínají rozcházet, chiasmata (místa překřížení) drží chromatidy u sebe

• diakineze – maximální kondenzace

Meióza – Profáze I

Pachyten – chromosomy jsou již značně kondenzované a v mikroskopu

patrné jako tetrády (4 chromatidy v bivalentu), odehrává se crossing-over –důležitý krok pro genetickou variabilitu

populace

Meiosa I

metafáze I anafáze I telofáze I a cytokineze

Meióza I – anafáze I• probíhá disjunkce – chromosomy se rozcházejí k opačným

pólům buňky

– vždy jeden z páru → redukce počtu chromosomů

– rozchod chromosomů k opačným pólům je náhodný, náhodná kombinace chromosomů maternálního a paternálního původu

• nondisjunkce – proces, kdy dochází k chybám v rozchodu chromosomů nebo chromatid

meióza I – nesprávný rozchod homologních chomosomů

meióza II –nesprávný rozchod chromatid

může mít za následek například trisomii 21 chromozomu -podstata Downova syndromu (47,XX,+21 nebo 47,XY.+21)

• další syndromy: Turnerův sy 45, X0

Klinefelterův sy 47, XXY

Patauův sy 47, XX/Y, +13

Edwardsův sy 47, XX/Y, +18

a další…

Meióza II – homeotypické dělení

Stejné fáze jako v mitóze, ale dělí se haploidní buňka

Důsledky meiózy

• Jedinec může tvořit až 2n geneticky rozdílných gamet, n je počet chromosomů v haploidní sadě (u člověka 223)

• Počet geneticky odlišných gamet se dále zvyšuje v důsledku crossing-overu

Spermatogeneze• v semenných kanálcích testes od

počátku pohlavní dospělosti

• spermatogonie 2n primární spermatocyt 2n sekundární spermatocyt 1n spermatida 1n spermie 1n

• přibližně 64 dní

• v jednom ejakulátu přibližně 200 milionů spermií

Spermatogeneze

Oogeneze• Na rozdíl od spermatogeneze probíhá

převážně již v prenatální době

• Oogonie 2n primární oocyt 2n sekundární oocyt 1n + 1 polární tělísko vajíčko + 1 polární tělísko

• Při narození jsou primární oocyty ve stádiu profáze I (dictyoten) a tak setrvávají až do pohlavní dospělosti Primární oocyty pak pokračují v meióze I a rozdělí se na sekundární oocyt (1n) s většinou cytoplazmy a organelami a na polární tělísko

• Meioza II je dokončena pouze v případě oplodnění

Oogeneze