biol_kom25o4(3).doc

25. IV. 07 r. - CYKL KOMÓRKOWY

- szereg zmian biofizycznych i biochemicznych komórki, zachodzący końcem jednego z początkiem nastepnego podziału.

Faza G1

- trwa 6-12 h, przerwa pomiędzy zakończeniem podziału i początkiem fazy S

- przygotowanie komórki do podwojemia materiału genetycznego

- synteza RNA, enzymów, białek, węglowodanów i tłuszczów charakterystycznych dla danego typu komórki

Faza S

- trwa 6-8 h

- replikacja DNA z 2n do 4n

- zwiększenie rozmiarów jądra, chromatyna pozostaje zbitą masą

Faza G2

- synteza białek związanych z regulacją procesu podziałowego

- sprawdzenie, czy DNA zostało prawidłowo podwojone

- komórka nadal rośnie wraz z ważniejszymi organellami

- pod koniec tej fazy zachodzi kondensacja chromatyna

- duplikacja centrioli i centrosomów

Faza M

- trwa 1 h

- 2 etapy - podział jądra (kariokineza) i podział cytoplazmy (cytokineza)

- 2 typy fazy M - mitoza w komórkach somatycznych i mejoza w kom. rozrodczych

Faza G0 (GR)

Komórki, które się nie dzielą, wycofują się z fazy G1 albo G2 do G0. Decyzja o wejściu do G0 najczęściej nie jest nieodwracalna, komórka może wyjść z tej fazy i dokończyć podział.

Regulacja cyklu komórkowego:

- jest inicjowany i regulowany przez wiele białek (kinazy, cykliny) i ich kompleksy

- geny cyklu, których produkty białkowe pobudzają cykl to protoonkogeny, a te których białka hamują cykl to geny supresorowe

- białka protoonkogenowe są enzymami, białkowymi kinazami zależnymi od cyklin CDK, fosfatazami lub białkami regulatorowymi

- regulacja cyklu odbywa się przez uruchomienie kaskadowych reakcji fosforylacji cyklinami i defosforylacji białek

Punkt kontrolny G1/S

- gen kodujący białko p53 chroni komórką przed przemianą w komórkę nowotworową

- uszkodzenie DNA prowadzi do pobudzenia kilku kinaz, które potrafią przyłączać grupy fosforanowe do p53, który jako czynnik transkrypcyjny uruchamia odczytywanie innych genów regulujących cykl, np. p21

- p21 odpowiada za zatrzymanie cyklu komórkowego na granicy G1/S

Punkt kontrolny replikacji DNA

- występuje w fazie S

- rozpoznaje uszkodzenia DNA i powoduje zatrzymanie cyklu na tym etapie

Punkt kontrolny G2/M

- czynnik MPA, czynnik indukujący mitozę - heterodimer CDK1/cyklina B

- defosforylacja pre-MPF w aktywny MPF - powoduje przejście cyklu komórkowego z fazy G2 do M

Punkty kontrolne w mitozie

- między profazą i metafazą

- wrzeciona mitotycznego

- między anafazą i telofazą

Cykliny

1. Mitotyczne (cyklina A i B)

2. G1: aktywne w fazie G1 i G1/S, należą do nich: cykliny C, D i E ; przy końcu C terminalnym zaw. rejon PEST rozpoznawany przez enzymy, odp. za ubikwitynację

3. Cykliny związane z jednostką MPF

Kinazy cyklu komórkowego

- CDK - kinazy zależne od cyklin

- znanych jest kilkanaście kinaz, bliżej poznano 7 - CDK1 - CDK7

- przenoszą grupy fosforanowe na różne białka

- są podstawowym składnikiem MPF

Kinaza                            Wiązane cykliny              Akt. w fazie cyklu

CD1                            Cyklina A,B                            S; G2/M

CD2                            A, E, D3, D1                            S; G1/S; G1

CD3                            ?                                          G1?

CD4                            D1                                          G1

CD5                            D                                          G1

CD6                            D1                                          G1

CD7                            H                                          ?

Cykl komórkowy w powiązaniu z apoptozą:

- apoptoza - degradacja białek i genomu

- cykl kom. - genom podwaja się i powstają 2 nowe komórki

- oba procesu są ściśle związane z rakiem (zaburzenia w cyklu, nadmierna proliferacja prowadzi do nowotworu; apoptoza eliminuje komórki rakowe)

9.V.07 r. - APOPTOZA

Horvitz, Sulston, Brenner - badali apoptozę i dostali Nobla (2002)

Caenorhabditis elegans - dorosły odobnik jest hermafrodytą i składa się z 959 komórek somatycznych. Liczba komórek powstających - 1090. W wyniku apoptozy ginie 131 (113 umiera w czasie embriogenezy, 18 podczas dorosłego życia).

Geny proapoptotyczne: ced-3 (u człowieka ICE), ced-4 (u czł. - Apaf-1)

Geny antyapoptotyczne - ced-9 (bcl-2)

Zdrowa komórka -> obkurcza się i oddziela od komórek sąsiednich -> powstawanie pęcherzyków (uwypuklenia apoptotyczne), kondensacja chromatyny i cytoplazmy -> marginacja skondensowanej chromatyny na brzegach jądra - fragmentacja jądra i komórki -> fagocytoza

Czynniki wywołujące apoptozę:

- hormony i cytokiny

- deficyt czynników wzrostu i troficznych

- czynniki cytotoksyczne

- czynniki fizyczne

Szlak zewnętrzny:

- pobudzenie receptorów śmierci należących do nadrodziny receptorów TNF, np. CD95, TRAIL-R1 i R2

- receptory śmierci posiadają wewnątrzkomórkową domenę śmierci DD

- po związaniu się liganda dochodzi do oligomeryzacji receptora, następnie powstaje kompleks DISC (death inducing signaling complex)

- kompleks ten powstaje poprzez połączenie domen śmierci z białkiem adaptorowym FADD oraz z prokaspazą 8

- następuje aktywacja prokaspazy 8, która jest bezpośrednim aktywatorem kaspazy 3

Szlak wewnętrzny:

- istotnym etapem jest uwolnienie cytochromu c z przestrzeni między błonami poprzez specjalne kanały

- kanały te tworzone są przez białka z rodziny Bcl-2 samodzielnie lub po połączeniu się z białkami megakanału

- wypływ cytochromu c jest sygnałem do tworzenia kompleksu zwanego apoptosomem

- apoptosom składa się z cytochromu c, prokaspazy 9, ATP i białka Apaf-1, następnie aktywuje kaspazę 3

- podczas apoptozy z mitochondrium uwalniane są także białka Smac/Diablo i Omi, są one antagonistami inhibitorów apoptozy (IAP)

Apoptoza indukowana przez cytotoksyczne limfocyty T:

- limfocyt w kontakcie z komórką docelową uwalnia perforyny

- cząsteczki perforyny tworzą w błonie komórki docelowej kanały

- przez kanały wnikają granzymy B, aktywują szlak kaspaz

- wraz z granzymami uwalniają się jony wapnia wpływające stymulująco na apoptozę

Właściwości kaspaz:

- proteazy cysteinowe zawierają kw. asparaginowy w pozycji P1 (proteoliza w miejscu reszty Asp)

- syntetyzowane są jako nieaktywne zymogeny

Dotychczas zidentyfikowano 14 kaspaz:

- kaspazy inicjatorowe - 8, 9, również 2 i 10 - posiadają "domeny śmierci" CARD i DED

- kaspazy wykonawcze 3, 6, 7 - aktywne enzymy prowadzące do destrukcji komórki

Białka trawione przez kaspazy:

- większość tych białek uczestniczy w procesach molekularnych związanych z cyklem komórkowym i apoptozą

- do proteolizy białek dochodzi tylko przy udziałe kaspaz 3, 6, 7

Trawione są  m. in. białka:

- PARP (bierze udział w rozpoznawaniu i naprawianiu DNA)

- ICAD - uczestniczy w apoptozie

- Rb - bierze udział w cyklu komórkowym

- MDM 2 - wiąże sięz p53 i je stabilizuje

- niektóre białka szkieletu komórkowego, np. laminy, aktyna, fodryna

- inne cząsteczki kaspaz

Śmierć komóki niezależna od kaspaz:

- proteaza aktywowana wapniem, kalpaina, pełni autonomiczną rolę w apoptozie

- ostatnie doniesienia wskazują na jej rolę w procesie aktywacji i unieczynniania kaspaz 3, 7, 9 i 12; kaspazy mogą regulować jej działanie poprzez aktywację

- proteazy serynowe: AP24 jest zaangażowne we fragmentację DNA

- katepsyna D, proteaza lizosomalna, zaangażowana w zewnątrzpochodną dorgę aktywacji apoptozy

- także inne katepsyny mogą uczestniczyć w regulacji apoptozy

Rodzina białek Bcl-2:

- białka proapoptotyczne np. Bax, Bad, Bak, Bik, Bid, Bel-xs zmuszają komórkę do apoptozy

- białka antyapoptotyczne  np. Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1 zwiększają prawkopodobieństwo przeżycia komórki

- pełnią funkję regulatorową apoptozy przez oddziaływanie na wiele procesów komórkowych

- kontrola komórkowego poziomu jonów (wapniowych, wodorowych, potasowych i chlorowych)

- nadzór nad stanem redoks

- regulacja wypływu z mitochondrium cytochromu c i AIF

- aktywacja enzymów: kaspaz i DN-az

- białka te tworzą homo- i heterodimery

- stosunek białek antyapoptotycznych do proapoptotycznych o śmierci lub przeżyciu komórki

- połączenie się białek w heterodimery o przeciwstawnym charakterze powoduje inhibicję ich biologicznej aktywności

Fizjologiczne znaczenie apoptozy:

- ma ogromne znaczenie w embriogenezie, wzroście i rozwoju narządów

- jest procesem przeciwstawnym do mitozy i wspólnie z nią decyduje o liczbie komórek w populacji

W rozwoju kręgowców:

- śmierć komórek ogona kijanki w procesie metamorfozy

- śmierć prawie połowy neuronów powstających w trakcie embriogenezy w rozwoju ukł. nerwowego

- śmierć komórek soczewki oka w czasie jej kształtowania

- zanik błony pławnej między palcami u zarodka ludzkiego

- w życiu postnatalnym: apoptoza keratynocytów skóry, krypt jelitowych, komórek endometrium macicy itd.

Apoptoza w stanach patologicznych:

Ograniczenie apoptozy prowadzi do nowotworów i autoagresji komórek ukł. odpornościowego.

Wzrost apoptozy jest charakterystyczny dla chorób zwyrodnieniowych: choroby Alzheimera, Parkinsona, AIDS, zawału serca czy udaru mózgu

16.V.07 r. - WZROST I RÓŻNICOWANIE KOMÓREK

Wzrost zespołu komórek zachodzi na drodze zwiększania:

- liczby komórek (proliferacja, rozrost, hiperplazja)

- objętości i masy pojedynczych komórek (przerost, hipertrofia)

- objętości i masy międzykomórkowej (akrecja)

Przerost - zachodzi w fazie G1 cyklu komórkowego i w czasie różnicowania się komórek w życiu płodowym, objętość i masa poszczególnych komórek znacznie wzrasta

Akrecja - zachodzi w wielu tkankach, głownie w tkance łącznej w życiu płodowym i pozapłodowym do okresu pokwitania, przyczynia się do zwiększania masy i objętości narządów. Wzrost organizmu w okresie rozwoju zarodkowego oraz w późniejszych etapach rozwoju odbywa się głównie przez proliferację. Jest ona sposobem odnowy komórek i zachodzi w cyklu komórkowym

Populacje komórek:

- rozrastająca się - komórki tej populacji znajdują się w cyklu komórkowym (proliferują), np. stadia rozwoju zarodkowego oraz wzrost nowotworów

- wzrastająca - część komórek jest w cyklu komórkowym, a pozostałe w stanie G0 - populacje takie znajdują się w narządach organizmu rosnącego w życiu pozapłodowym

- odnawiająca się - liczba komórek tej populacji nie zmienia się, chociaż pewna liczba komórek ją opuszcza (migracja, obumieranie, złuszczanie), na jej miejsce powstaje taka sama liczba nowych komórek przez proliferację, np. nabłonek

- statyczna - stałą liczba komórek, np. nerwowe, mięśniowe. Wskutek starzenia się organizmu liczba komórek tych populacji zmniejsza się.

Kom. nerwowe, mięśniowe - nieproliferujące ; stacjonarne

Kom. wątroby, nerek, wyspy trzustkowe, gruczoły ślinowe - słabo proliferujące, wolno odnawiające się

Kom. szpiku, ukł. limfatycznego, naskórka, nabłonka i rogówki - intensywnie proliferujące, szybko odnawiające się

Różnicowanie charakteryzuje nieodwracalność, obniżenie potencji rozwoju oraz ograniczenie liczby funkcji specjalistycznych do kilku lub nawet jednej.

Różnic. komórek (cytodyferencjacja) - proces powstawania różnych wyspecjalizowanych komórek. Jeżeli zmiany prowadzące do różnicowania są odwracalne, mówimy o modulacji.

Wyróżnia się różnicowanie:

- pierwotne - w najwcześniejszych fazach rozwoju

- pośrednie - w późniejszych fazach rozwoju embrionalnego

- terminalne - w życiu postembrionalnym

Etapy różnicowania:

Różnicowanie biochemiczne - wskutek przestrojenia potencji genomu ujawnia się kilka cech fenotypowych lub jedna z nich (synteza odpowiednuch enzymów i katalizowanie przez nie kilku produktów komórki, które są wyrazem jej specjalizacji)

Różnicowanie komórkowe - wskutek zmian biochemicznych zmienia się budowa komórki, zwiększa się odpowiednio liczba struktur komórkowych, np. mitochondriów, pojawiają się wyspecjalizowane truktury, np. miofibryle, tono-neuro itp.

Różnicowanie tkankowe - zespół komórek zróżnicowanych biochemicznie i komórkowo zestraja swoje właściwości i zaczyna działać jako tkanka.

Czynniki wzrotu i różnicowania - cytokiny:

- polipeptydy (ponad 40 rodzajów): pochodne kw. arachidonowego - leukotrieny, są wspólnie nazywane czynnikami wzrostu i różnicowania. Wysyłane są przez jedne komórki po to, aby swoiście zmienić zachowanie się innych komórek.

Sygnał do podziałów jest przekazywany przez błonę komórkową po związaniu czynnika wzrostu z receptorem błonowym.

Do najbardziej znanych czynników wzrostu i różnicowania należą:

- czynnik wzrostu naskórka (EGF)

- transformujący czynnik wzrostu (TGF)

- czynnik wzrostu nerwów (NGF)

- czynnik wzrostu fibroblastów (FGF)

- leukotrieny B4, C4, D4 i E4

Obecnie dzięki wprowadzeniu inżynierii genetycznej wytwarza się cytokiny na skalę przemysłową i wykorzystuje jako leki.

Zastosowanie cytokin w medycynie:

- profilaktycznie, np.  wykorzyst. erytropoetyny, aby zwiększyć liczbę erytrocytów

- interwencyjne lub lecznicze: w celu leczenia konkretnego zaburzenia, np. neutropenii

Sztuczne regulowanie różnicowania:

- indukcja protoonkogenami

- indukcja hormonami steroidowymi

- czynnik wzrotu - dodawany do hodowli

Odróżnicowanie  - determinacja, redyferencjacja, powrót wyspecjalizowanych morfologicznie i funkcjonalnie komórek do stanu niezróżnicowanego, zach. w czasie transformacji nowotworowej.