11) patologie buňky

Fyziologické podmínky= rozmezí hodnot fyzikálních a chemických faktorů,které je kompatibilní pro život biologické soustavy (buňka, organismus...)

Buněčný stres= situace, kdy je buňka vystavena nekompatibilnímu okolí

• stresové faktory (fyzikální, chemické, biologické)

• buněčná patologie

• molekulární patologie

REAKCE BUNĚK NA STRESOVÉ PODMÍNKY

• Stresové faktory:

  • Nespecifické:

    • výrazné zvýšení teploty, těžké kovy, aldehydy → denaturace proteinů

  • Specifické:

    • záření o určité vlnové délce → absorpce cílovými molekulami nebo specifická reakce na buněčné úrovni

    • specifické inhibitory (antibiotika, cytoskeletální toxiny) → inhibice konkrétního děje v buňce

• Stresová reakce buňky:

  • naprogramovaný proces, který buňku chrání před nepříznivými důsledky působení stresového faktoru

  • změna genové exprese → syntéza stresových proteinů a dalších proteinů, které buňce pomáhají kompenzovat stres

FYZIKÁLNÍ STRES

• Vysoká teplota:

  • ireverzibilní poškození buněk při teplotním šoku v rozmezí 40-50oC

  • změna terciární konformace proteinů → narušení funkce proteinů

  • poruchy koordinace metabolických drah (teplotní optimum pro jednotlivé enzymy)

  • dezorganizace struktury biomembrán

  • depolymerace cytoskeletálních struktur (mikrotubuly)

• Termofilní bakterie (archebakterie):

  • tolerance k extrémně vysokým teplotám (~90oC)

• Nízká teplota:

  • ireverzibilní poškození při teplotách kolem 0oC

  • mechanické poškození biomembrán krystaly vody (ledu)

  • poruchy struktury a funkce cytoplazmatických mikrotubulů

  • přežití buněk závisí na obsahu vody v buňce:

    • nejodolnější: semena, spory, psychrofilní bakterie

    • nejméně odolné: živočišné buňky

• Vliv rychlosti zamražení na poškození buňky:

• Viditelné světlo:

  • jako stres působí velmi silná intenzita osvětlení nebo laserový paprsek

  • relativně malá absorpce cytoplazmou

  • zvýšení efektu v případě pigmentů v buňce

  • Fotodynamická barviva: sloučeniny zvyšující citlivost buněk na světlo

    • aktivace fotodynamického barviva → oxidační stres (eosin, fluorescein, akridin, chlorofyl, porfyriny...)

• Ultrafialové záření (UV):

  • závislost účinku na vlnové délce:

    • UVC (200-290 nm)

    • UVB (290-320 nm)

    • UVA (320-400 nm)

  • Přímý efekt:

    • UVC: tvorba pyrimidinových a cyklobutanových dimerů v DNA

  • Nepřímý efekt:

    • tvorba kyslíkových radikálů (ROS) → oxidativní poškození cílových molekul (DNA, proteiny, lipidy) a buněčných struktur

• Ionizující záření:

  • účinek závisí na dávce a druhu záření, na době ozařování a na senzitivitě buňky, resp. tkáně

  • větší rychlost částice → menší ionizační hustota → menší poškození buňky

  • přímý účinek: poškození cílové molekuly (DNA)

  • nepřímý účinek: tvorba ROS

  • Radiosenzitivita buněk:

    • buňky vyšších organismů

    • buňky s vyšším obsahem DNA a gamety

    • proliferující buňky (kostní dřeň, lymfatické uzliny, zárodečné buňky - spermatogeneze, epitely, embryonální buňky)

• Mechanický stres (mikromanipulace):

  • vysoká odolnost buněk s buněčnou stěnou

  • základní ochrana živočišné buňky: intermediární filamenta (odolnost vůči mechanickým vlivům)

  • kritické je poškození biomembrány

  • Kompenzace lokálních mechanických vlivů (mikromanipulace, mikroaspirace):

    • aktinová filamenta

PŮSOBENÍ XENOBIOTIK (CHEMICKÝ STRES)

• Xenobiotika (jedy):

  • sloučeniny, které v buňce vyvolávají toxický šok

  • principem interakce s cílovou molekulou

    • nespecifický a specifický účinek

  • Třídění xenobiotik:

    • chemické složení (těžké kovy, kyseliny, alkaloidy...)

    • původ (chemické toxiny, biologické toxiny...)

    • mechanismus působení (poškození DNA, cytoskeletu, inhibice proteosyntézy, respiračního řetězce...)

• Specifické inhibitory: syntéza biopolymerů:

  • příčné vazby v DNA: mitomycin C

  • inhibice syntézy nukleotidů: azaserin, C-merkaptopurin

  • blokování pohybu RNA-polymerázy: aktinomycin D

  • vazba na RNA-polymerázu: α-amanitin, ethionin, lomofungin

  • inhibice peptidyltransferázy: cykloheximid

  • blokování vazby AA-tRNA: tetracyklin

  • blokování posunu m-RNA: chloramfenikol

  • uvolnění polypeptidu z ribosomů: puromycin

  • odpojení ribosomů od ER: aflatoxiny

• Specifické inhibitory: funkce biomembrán:

  • změna fosfolipidů → tvorba micel: fosfolipázy

  • reakce s cholesterolem → rozpad membrán: saponiny (digitonin), nystatin, amfotericin

  • zvýšení permeability pro ionty: valinomycin, gramicidin A

  • blokování funkce Na+/K+ ATPázy: ouabain

• Specifické inhibitory: energetický metabolismus:

  • odpojení syntézy ATP od fosforylace: benzimidazol, 2,4-dinitrofenol

  • blokování cytochromů respiračního řetězce: kyanidy, 2,3-dimerkaptoetanol (Lewisit)

  • inhibice dehydrogenáz: uretan, barbituráty

• Specifické inhibitory: dynamika cytoskeletu:

  • inhibice polymerace mikrotubulů: kolchicin, vinca-alkaloidy (vinkristin, vinblastin)

  • inhibice depolymerace mikrotubulů: taxol

  • inhibice polymerace aktinových filament: cytochalasiny, latrunculin

  • inhibice depolymerace aktinových filament: phalloidin, jasplakinolid

• Lidské kožní fibroblasty - phalloidin:

  • F-aktin / DNA

• Lidské kožní fibroblasty – cytochalasin B:

  • F-aktin

BIOLOGICKÝ STRES

• Intracelulární parazitismus:

  • virusy (lýze buňky nebo integrace do genomu)

  • bakterie (mykoplazmata, rickettsie, chlamydia, Listeria monocytogenes)

  • prvoci (Plasmodium malariae, Toxoplasma gondii)

  • Změny napadených buněk:

    • změny metabolismu (využití proteosyntetického aparátu)

    • změny buněčné morfologie (cytoskeletální struktury, cytoplazmatická membrána)

    • změny chování napadené buňky, resp. organismu

• Listeria monocytogenes:

  • F-aktin / Listeria / DNA

BUNĚČNÁ SMRT

• Původní dělení způsobů buněčné smrti:

  • smrt v důsledku působení škodlivého vnějšího faktoru:

    • náhodná / katastrofická (accidental) buněčná smrt = nekróza

  • smrt jako indukovaná sebevražda:

    • programovaná / fyziologická (programmed) buněčná smrt = apoptóza

• Hlavní typy buněčné smrti:

  • Nekróza = katastrofická smrt buňky indukovaná nespecifickým zásahem

  • Nekroptóza = nekróza indukovaná specifickým faktorem

  • Apoptóza = programovaná smrt buňky za účasti proteolytických enzymů (kaspázy, příp. další…)

  • Autofagie = degradace buněčných komponent / organel pomocí lysozomů

  • Anoikis = smrt v důsledku poruch buněčných interakcí

BUNĚČNÁ SMRT: Nekróza

• Indukce nekrózy:

  • rozsáhlé poškození, při němž už nemohou být aktivovány mechanismy apoptózy

  • působení nespecifických stresových faktorů:

    • změny koncentrace iontů, pH...

    • vyčerpání zdrojů energie

    • změny teploty

    • poškození buňky nebo jejích organel

• Příznaky a průběh nekrózy:

  • poškození mitochondriální membrány

  • pronikání iontů Ca2+ do mitochondrií

  • zakulacení a prasknutí mitochondrií

  • ztráta regulace transportu iontů

  • zakulacení buňky (swelling)

  • lýze buňky

  • Na úrovni tkáně:

    • vznik nekrotického ložiska → invaze makrofágů → zánětlivá reakce

BUNĚČNÁ SMRT: Autofagie

• Průběh autofagie (živočišné buňky):

  1. indukce

  2. vytvoření autofagosomu (nejasný původ = ER?)

  3. dokování autofagosomu, fúze s lysosomem

  4. rozpad autofagosomálního veziklu

• Typy autofagie:

  • makroautofagie (vznik autofagosomu)

  • mikroautofagie (transfer do lysosomu přímou invaginací)

  • chaperon-mediated autofagie (CMA) – selektivní

• 2016 - Nobelova cena za fyziologii a lékařství:

  • Yoshinori Ohsumi za výzkum mechanismů autofagie

BUNĚČNÁ SMRT: Apoptóza

• Kerr JFR, Wyllie AH, Currie AR:

  • Apoptosis: A basic biological phenomenon with wide ranging implications in tissue kinetics.

  • British Journal of Cancer (1972) 26, 239.

• 2002 - Nobelova cena za fyziologii a lékařství:

  • Sydney Brenner

  • H. Robert Horvitz

  • John E. Sulston

  • za výzkum genetické regulace vývoje orgánů a programované buněčné smrti

• Hlístice Caenorhabditis elegans:

  • 959 somatických buněk = dospělý hermafrodit,

  • z toho 131 (113 + 18) podléhá apoptóze

  • regulace apoptózy - 14 genů Ced:

    • Ced-3, Ced-4 - indukce

    • Ced-9 - represe

• Příčiny apoptózy:

  1. Apoptóza je nezbytná pro řádný vývoj organismu:

     • resorpce ocásku během metamorfózy pulce v žábu

     • odstranění tkáně mezi prsty během embryogeneze

     • odstranění nadbytečných neuronů při vytváření synapsí v mozku

     • uvolňování endometria na počátku menstruace

  2. Apoptóza je nezbytná pro likvidaci buněk, které představují ohrožení integrity organismu

     • buňky infikované viry

     • efectorové buňky imunitního systému po odeznění imunitní odpovědi

     • buňky s poškozením DNA = zvýšená produkce proteinu p53 (induktor apoptózy)

     • nádorově transformované buňky

• Indukce a průběh apoptózy:

  • Odstranění pozitivního signálu

    • růstové faktory - neurony

    • interleukin 2 (IL-2) - lymfocyty

  • Přijetí negativního signálu

    • zvýšení hladiny oxidačních látek v buňce

    • poškození DNA (volné radikály, UVR, gama záření, chemoterapeutika)

    • molekuly (death activators), které se napojují na specifické receptory (death receptors)

  • Fáze iniciační:

    • poruchy mitochondrií a uvolnění cytochromu C, resp. napojení ligandu na death receptors

    • aktivace kaspáz

  • Fáze exekutivní:

    • zmenšení (smrštění) buňky

    • blebbing plazmatické membrány

    • změny ve složení plazmatické membrány

    • kolaps jádra (degradace chromatinu)

    • proteolytické štěpení intracelulárních proteinů

    • rozpad buňky na apoptotická tělíska

    • fagocytóza apoptotických tělísek

• Aktivace proteolytického štěpení:

  • Kaspázy:

    • cysteinové proteázy, štěpící na karboxyskupině kyseliny asparagové

    • caspases = cysteinyl-aspartic-acid-proteases

    • 14 druhů kaspáz (u člověka):

      • iniciační (8, 9, 10 a 12)

      • efektorové (3, 6 a 7)

    • Další typy proteáz:

      • katepsiny, kalpainy, granzymy

• Struktura a mechanismus aktivace kaspáz

• Apoptóza vyvolaná vnitřními signály:

  • zdravá buňka exprimuje na vnější membráně mitochondrií protein Bcl-2, vázaný k Apaf-1

  • při vnitřním poškození buňky protein Bcl-2:

    • uvolní Apaf-1

    • přestane zadržovat cytochrom C v mitochondriích

  • vzniká apoptosom:

    • Apaf-1

    • Cytochrom C (Apaf-2)

    • prokaspáza 9 (dATP)

  • vzniká aktivní kaspáza 9 (iniciační), která štěpením aktivuje další kaspázy (efektorové)

• Apoptóza vyvolaná vnějšími signály:

  • aktivační molekuly (death activators) se napojují na specifické receptory v plazmatické membráně (death receptors):

    • Tumor necrosis factor α (TNF-α) - TNF receptor

    • Lymphotoxin (TNF-β) - TNF receptor

    • Fas-ligand (FasL) - Fas receptor (CD95)

  • přenos signálu do cytoplazmy aktivuje prokaspázu 8

  • aktivovaná kaspáza 8 štěpením dalších prokaspáz spouští proteolytickou kaskádu

• Porovnání vnější a vnitřní dráhy aktivace apoptózy:

• Blebbing:

  • plazmatické membrány

  • poruchy kortikálního skeletu

• Změny v plazmatické membráně:

  • externalizace fosfatidylserinu

• Kolaps jádra (degradace chromatinu):

  • kondenzace chromatinu na periferních oblastech jádra

  • internukleosomální štěpení DNA - žebříček (ladder)

  • fragmentace jádra

• Rozpad buňky na apoptotická tělíska:

  • účast nově formované aktinové 3D struktury a nesvalového myosinu

  • apoptotická tělíska obsahují zbytky jádra, organely a části cytoplazmy

• Fagocytóza apoptotických tělísek:

  • pohlcení apoptotických tělísek okolními buňkami (makrofágy, dendritické buňky)

  • fagocytující buňky vylučují cytokiny, které zabraňují zánětu ve tkáni

• Časový průběh apoptózy

• Apoptóza u kvasinek