Přednáška z patologické fyziologie 4. 10. 2004 Buňka a buněčné interakce v patogeneze tkáňového poškození. Regulace proliferace a zániku buněk. Přednáška z patologické fyziologie 4. 10. 2004

Buňka Buňka Tkáň Organismus Diferenciace Kooperace + regulace - základní funkční jednotka - funkce: závisí na diferenciaci (proliferace, produkce látek) Buňka Diferenciace specializovaná produkce látek konkrétní metabolické funkce Diferencovaná proliferační aktivita Tkáň Kooperace + regulace Organismus - udržení integrity a funkce, reprodukce

Patofyziologie nemocí analyzovaná na buněčné úrovni a) Buňka reaguje na patologický stav v rámci svých funkčních a adaptačních mechanizmů (např. změna exprese receptorů, produkce cytokinů…) b) Buňka je patologickým procesem poškozena (rozvoj reakcí, které poškození buď opraví nebo kompenzují či vedou k zániku buňky) c) Primární poškození buňky (změna genomu nebo exprese – důsledek dědičných nebo získaných mutací – samotná buňka je příčinou patologického stavu)

Komunikace buněk s okolím Buňka komunikuje: se sousedními buňkami s mezibuněčnou hmotou se vzdálenými buňkami (se zbytkem organizmu)  prostřednictvím specializovaných memránových a nitrobuněčných struktur Nečas et al. 2000

Mechanizmy komunikace buněk s okolím prostřednictvím: membránových spojení (tight junctions) adhezivních proteinů receptorů (membránových a nitrobuněčných) iontových kanálů a transportérů látek Nečas et al. 2000

Transport iontů a nízkomolekulárních látek přes membránu Pasívní: Difúze Facilitovaná (usnadněná) difúze sekundárně aktivní transport formou symportu nebo antiportu Iontové kanály Aktivní: Pumpy (energie z ATP)

Prostá difúze nevyžaduje energii rozhodující je koncentrační gradient nízkomolekulární látky bez náboje vyjímečně O2, CO2, NO voda (osmotické síly) močovina etanol nevyžaduje energii rozhodující je koncentrační gradient

Facilitovaná (usnadněná) difúze podle koncentračního gradientu nevyžaduje energii  specifické nosiče (transportéry)  saturovatelnost glukóza aminokyseliny (AK) Vácha J, 1994

Symport, antiport přenos látek přes membránu proti jejich chemickému gradientu energii dodává gradient Na+ (přesun Na+ iontů po směru jejich elektrochemického gradientu) přenášejí vždy současně Na+ iont dovnitř buňky a jinou molekulu buď – také dovnitř = symport (např. transport glukózy a AK ze střevního lumen do enterocytu) nebo ven = antiport (vylučování Ca2+ iontů buňkami srdečního svalu)

Příklad antiportu Cl-/HCO3- Antiport Cl-/HCO3- erytrocytů – tzv. „bílkovina proužku 3“ funkce v transportu CO2 z tkání do plic Vácha J, 1994

Iontové kanály buněčná mebrána je prakticky neprostupná pro ionty (hydrofobní fosfolipidy) jde o speciální póry tvořené transmembránovými glykoproteiny s centrální dutinou vyplněnou vodou tok podle elektrochemického gradientu mohou měnit konformaci (tím i propustnost) –vrátkování („gating“) na principu: - elektrického potenciálu – u tzv. napětově řízených kanálů - navázání specifického ligandu - mechanických sil - změn intracelulárních koncentrací Ca2+ a H+ iontu – u „gap junctions“ přítomnost podmiňuje existenci normálního membránového potenciálu

Příklad „vrátkování“ kanálů Vácha J, 1994

Membránový potenciál je způsoben rozdílem elektrických nábojů na obou stranách buněčné membrány (v cytosolu negativní, na povrchu buňky pozitivní) Určen zejména 4 ionty: K+, Na+, Cl- a organických aniontech Buněčné membrány většiny buněk obsahují K+ kanál – trvale otevřen  únik iontů K+ ve směru chemického gradientu (ven z buňky). Proti tomu působí elektrický potenciál – když se vyrovnají, únik K+ se přeruší a elektrochemický gradient je nulový.  rovnovážný potenciál Akční potenciál – podstata vzrušivosti tkání: klidový membránový potenciál prahový potenciál akční napětí repolarizace Vácha J, 1994

Poruchy funkce iontových kanálů Ovlivnění – léky (farmakologie) - vrozené poruchy (mutace) např. cystická fibróza – mutace genu pro protein CFTR (Cl- kanál)  nedostatečná sekrece Cl- epitel. bb. do sekretů, které jsou viskózní ( vs. sekrece Cl- potními žlázami) Poruchy kanálů nervových a svalových buněk  záchvatovitě (ztuhnutí svalů x dočasná slabost, křeče apod.) - získané poruchy (autoprotilátky) např. myastenia gravis – Pt proti acetylcholinovému receptoru

Aktivní transport - pumpy Vyžadují energii získanou hydrolýzou ATP - Na+/K+ –ATPasa (3 ionty Na+ ven a 2 ionty K+ dovnitř) - Ca2+ - ATPasa (pumpuje Ca2+ ionty ze sval. buněk ven nebo do sarkoplazmatického retikula) - H+/K+ - ATPasa (secernuje protony do žaludečního sekretu) Nutný k udržení membránového napětí a buněčného objemu Vácha J, 1994

Aktivní přenos specifickými transportéry Např. MDR (z Multi Drug Resistance) membránový protein = MDR-ATPasa (glykoprotein P) - plní funkci relat. neselektivní pumpy, kterou se buňka může zbavovat některých hydrofobních cizorodých nízkomolekul. látek - normálně přítomna v buněčných membránách jaterních, střevních, ledvinných buněk a bb. kostní dřeně - opakovaným podáním cizorodé látky – zvýší se exprese či začnou exprimovat i bb., které ji primárně nemají  zvýší se odolnost k dané látce (např. rezistence na cytostatika)

Komunikace buněk navzájem a s extracelulární matrix prostřednictvím tzv. adhezívních molekul: integriny proteiny podobné imunoglobulinům (CD4, CD8, TCR, ICAM, VCAM, PECAM, NCAM) kadheriny selektiny (L-, E-, P- selektin) Součástí reakce tkání na poškození je - změna exprese, typu, množství adhezivní molekuly Nečas et al. 2000

Patologické stavy, u nichž se uplatňují adhezívní proteiny Významnou úlohu mají adhezívní proteiny v: imunitních dějích a zánětu při sepsi při hojení ran vaskularizaci tkáně progresi nádorového růstu a tvorbě metastáz - též při ateroskleróze, trombóze, ischemickém poškození tkáně…

Degradace mezibuněčné hmoty Plazminem - některé buňky (např. hepatocyty nebo neutr. granulocyty skladují v cytoplazmě uPAR) Metaloproteinázami - proteolytické enzymy (endopeptidázy dependent. na Zn2+) Nečas et al. 2000

Receptorové struktury buňky a nitrobuněčné mechanizmy přenosu signálu MEMBRÁNOVÉ Bílkoviny Aminokyseliny TYP ODPOVĚDI: otevření iontového kanálu aktivace G proteinu enzymatická aktivita  akutní účinky NITROBUNĚČNÉ steroidy hormony štítné žlázy retinoidy TYP ODPOVĚDI: transkripce genu  pozdní účinky

Poškození buňky a smrt buňky Příčiny poškození: fyzikální chemické biologické nadměrná či nedostatečná stimulace nedostatek energie Buňky mohou být poškozeny: reverzibilně – řada reparačních mechanizmů ireverzibilně

Buněčná smrt v tkáňových reakcích na poškození: nekróza vs. apoptóza Krejsek et al. 2003

Krejsek et al. 2003

Apoptóza = „programovaná buněčná smrt“ (apoptosis – z řečt. opadávání) konkrétní forma geneticky řízené buněčné smrti přísně střežený mechanizmus principem je proteolytická degradace buněčných struktur průběh je závislý na energii a udržení kontinuity cytoplazmatické membrány Nečas et al. 2000

Proces apoptózy a jeho charakteristika Klíčové momenty: Apoptóza ANO x NE ? Signalizační fáze – vytvoření adaperových proteinů Efektorová fáze – aktivace proteolytických enzymů (kaspáz) a štěpením substrátů Příčiny: aktivace buněčných receptorů nedostatečná aktivace R pro růstové faktory poškození DNA a jiných struktur Proniknutí  Ca2+ do buňky Nečas et al. 2000

Mechanizmy apoptózy – vnější cesta Krejsek et al. 2003

Mechanizmy apoptózy – vnitřní cesta Krejsek et al. 2003

Schematické znázornění nejdůležitějších mechanizmů apoptózy Nečas et al. 2000

Vzájemné působení pro- a anti- apoptotických buněčných mechanizmů Nečas et al. 2000

Náhrada zaniklých buněk Hypertrofie – stav, kdy se zvětší objem buněk, tedy i objem tkáně, aniž by se zvýšil počet buněk Hyperplazie – stav, kdy se zvýší počet buněk v dané tkáni a tím i její objem Regenerace – stav, kdy se doplní chybějící nebo poškozené části tkáně, přičemž se tkáň obnoví strukturně i funkčně Reparace – doplnění chybějící nebo poškozené tkáně, kdy se její struktura i funkce změní oproti stavu před poškozením

Schopnost buněk „dělit se“ Při náhradě buněk má základní roli schopnost buněk k proliferaci (tj. k buněčnému dělení)  stimulačními signály – růstové faktory: EGF, TGF, PDGF, VEGF, NGF….. „buněčné stárnutí“

Regenerace (obnova) tkání se stálou proliferační aktivitou Epidermis, slizniční epitely Krvetvorná tkáň příklad cyklicky Spermatogonie probíhající stále obnovy díky přítomnosti „kmenových buněk“ - mají schopnost buněčné proliferace - i schopnost několikasměrné (pluri- nebo multipotentní buňky) nebo jednosměrné (unipotentní buňky) diferenciace

Regenerace (obnova) tkání s nízkou proliferační aktivitou Omezená (chybějící) schopnost regenerace Neurony Příčně pruhovaný sval Játra – nízká klidová proliferační aktivita, ale vysoká schopnost regenerace  diferencovaný hepatocyt se během jaterní regenerace stává „kmenovou buňkou“

Základní patofyziologické otázky Jak? Proč??? Přednášky můžete najít na adrese: http://www.med.muni.cz/patfyz/patfyzc.html Výuka Prof. MUDr. Anna Vašků Doc. MUDr. Lydie Izakovičová Hollá