Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D. Ústav biologie a chorob volně ţijících zvířat, FVHE, VFU Brno

Transkript

1 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D. Ústav biologie a chorob volně ţijících zvířat, FVHE, VFU Brno Kontakt: tel: bartovae@vfu.cz www: - přednášky - odkazy na internet 2013 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

2 DOPORUČENÁ LITERATURA Rosypal: Nový přehled biologie, Scientia, 2003 Závodská: Biologie buněk, Scientia Kočárek: Genetika, Scientia, Praha, 2004 Jelínek, Zicháček: Biologie pro střední školy gymnazijního typu, Fin publishing, Olomouc, Kincl, Chalupová a Bičík: Biologie (1850 testových otázek a odpovědí), Rubico, 2002 Chalupová: Obecná biologie, Olomouc, s.r.o, 2002

3 Ţivé soustavy

4 ŢIVÁ SOUSTAVA je jednotka schopná samostatného života, je to hierarchický živý systém s cílovým chováním směřující k zachování existence a reprodukce ŢIVÍ JEDINCI (ORGANISMY) jsou velmi složité otevřené soustavy s vysokým stupněm hierarchické uspořádanosti, se schopností udržovat samy sebe a se schopností autoreprodukce a vývoje.

5 OBECNÉ CHARAKTERISTIKY ŢIVÝCH SOUSTAV 1. prostorová a časová ohraničenost 2. podobné chemické sloţení (přítomnost NK a bílkovin) 3. reakce na impulsy ze svého okolí 4. reprodukce (autoreprodukce) 5. ontogenetický vývoj 6. fylogenetický vývoj (evoluce) 7. otevřenost z termodynamického hlediska (tok látek, energie a informace) 8. autoregulace (systém zpětných vazeb) 9. metabolismus (souhrn metabolických reakcí zajišťujících přeměnu v toku látek a energie)

6 Základní typy ţivých soustav NEBUNĚČNÉ ŢIVÉ SOUSTAVY - viry, viroidy, virusoidy, priony BUNĚČNÉ ŢIVÉ SOUSTAVY (organismy) - jednobuněčné - mnohobuněčné Vyznačují se všemi základními životními funkcemi, jsou schopny realizace toku genetické informace (replikace, transkripce, translace) 1. Prokaryotický typ buněk (Prokaryota) 2. Eukaryotický typ buněk (Eukaryota)

7 Nebuněčné formy ţivota VIRUS (virus = toxin nebo jed) velikost ( nm), hmotnost v fg obsahují NK (DNA nebo RNA), proteinový obal (kapsid) = nukleokapsid, případně další obal mohou se replikovat pouze v hostitelské buňce lytický nebo lyzogenní cyklus Bakteriofág (fág) - virus infikující specifické bakterie DNA virus RNA virus různé způsoby replikace v závislosti na polaritě RNA a počtu řetězců Retrovirus reverzní transkripce (reverzní transkriptáza) Můžeme pozorovat viry ve světelném mikroskopu?

8 Reprodukční (lytický) cyklus: 1. vazba (adsorbce) virionu na povrch buňky specificky (receptory), nespecificky (mechanický průnik) 2. proniknutí viru (penetrace) (NK, nebo celý virus) do buňky 3. uvolnění NK z kapsidu 4. replikace NK viru v hostitelské buňce 5. syntéza virových proteinů 6. zrání (maturace) virionů 7. uvolnění virionů do prostředí (lýza buňky / nebo exocytóza)

9 bakteriofág bakterie Lytický cyklus Lyzogenní cyklus profág Animace replikace bakteriofága:

10 Retrovirus = ssrna (virus HIV) - reverzní transkriptáza - provirus Nukleotidové inhibitory reverzní transkripce hostitelská buňka reverzní transkriptáza Inhibitory fúze jádro ne -nukleotidové inhibitory reverzní transkripce Inhibitory proteázy Co to znamená reverzní transkripce? Animace HIV virus:

11 Nebuněčné formy ţivota VIROID - menší než virus, obsahuje krátkou jednořetězcovou cirkulární RNA bez proteinového obalu - některé mají funkci ribozymu s katalytickou funkcí - předpokládá se, že to jsou původně "introny" - patogenní pro rostliny, přenos semeny, pylovými zrny VIRUSOID - složený z jednořetězcové cirkulární RNA bez proteinů - označují se jako satelity (vir virů), infikují rostliny za pomoci helper virů Co to znamená intron?

12 Nebuněčné formy ţivota PRION - infekční agens složený jen z proteinů - nervová tkáň - dědičná degenerativní spongiformní encefalopatie - BSE u skotu, FSE u koček, scrapie (skrejpí) u ovcí a koz, CJD u člověka PrPC (c= ''cellular or common'') normální protein s konformací α-helix, na membráně buněk u zdravých lidí a zvířat PrPSc (Sc= ''scrapie'') infekční isoforma PrPC se změněnou konformací na β-skládaný list, rezistentní k proteázám

13 zdravé zvíře nemcné zvíře

14 Buněčná teorie - historie Robert Hooke (1663) pozoroval mrtvé buňky korku, použil termín buňka (cellula = malá místnost) Anton van Leeuwenhoek pozoroval buňku pod mikroskopem Jean Baptiste Lamarck živé věci jsou tvořeny buňkami Theodor Schwann, Matthias Jakob Schleiden (1839) buňka je základní jednotka života Jan Evangelista Purkyně zakladatel cytologie Rudolph Virchow - "Omnis cellula e cellula = buňky vznikají z dříve existujících buněk

15 Jan Evangelista Purkyně ( ) škola v Libochovicích na Litoměřicku piaristické gymnázium studium lékařské fakulty na Pražské univerzitě asistent na ústavu anatomie v Praze ( ) Vratislav (Wroclaw) katedra fyziologie ( ) Praha, přednášel fyziologii do svých 80 let prosadil vydávání přírodovědeckého časopisu Ţiva v češtině položil základ vědecké akademie: Královská česká společnost nauk Objevy oftalmoskopie pozorování očního pozadí daktyloskopie popis typů kreseb kožních lišt kinematografie princip refrakterní fáze oka fyziologická farmakologie pokusy na vlastním těle (psychofarmaka) Buněčná teorie podobnost rostlinných a živočišných buněk napravování řečových vad, lokalizace čidla pro vznik závrati v hlavě, význam HCl pro trávení, dynamika řasinkového pohybu, průběh svalových vláken v srdci, sání krve v srdci Purkyňovy buňky Purkyňova vlákna

16 Moderní buněčná teorie 1. všechny živé věci jsou tvořeny z buněk 2. buňka je základní strukturní & funkční jednotka 3. buňky vznikají z jiných buněk dělením 4. všechny buňky obsahují genetickou informaci 5. všechny buňky mají stejné základní chemické sloţení 6. v buňkách dochází k toku energie (metabolismus) Teorie zahrnuje dvě výjimky: - virus je pokládán za živý i když není tvořen z buněk - první buňka nevznikla z buňky Buněčná teorie je pro Biologii něco jako Atomová teorie pro fyziky

17 Cell Theory Rap Listen close to the story I tell. It's the rapping story of the living cell. It's a happy tune that's sort of cheery. About a real tough topic called the cell theory. All animals, plants, and protists too, Are made of cells with different jobs to do. They're the basic units of all organisms, And I hope by now you got the rhythm. It all started with one dude named Hooke. Who at some cork cells took a look. He used a scope and took his time. 'Cause a cell is small and thinner than a dime. Say 1, 2, 3, 4, Are you ready to learn some more? The animal cell has many parts, And you must know each one by heart. Like the farmer man in the dell. The nucleus controls the cell. its gives the orders -- kind of like a brain. And it's protected by a nuclear membrane. Around the cell, you'll find another "skin," The cellular membrane holds the whole cell in But its job isn't simple there's no doubt, It lets some particles go in and out. Now please don't lose your science enthusiasm, Listen to the story of the cytoplasm. All around the cell this thick fluid does go, But in the nucleus it will not flow. And don't forget those ribosomes - This is where proteins come from. These protein factories are so small, you'll agree, You need an electron microscope to see. Just when you thought you weren't having any fun, Along comes the endoplasmic reticulum. These tubelike structures serve as a track, To carry stuff to the membrane and back. Now have you ever seen any doughnuts without holes? In a cell, they're called vacuoles. They're filled with stuff like H 2 O And they carry food so the cell can grow. Last of all, but not the very least, Mitochondria - mighty cellular beasts, Since they turn sugars into energy so well, We call them the powerhouse of the cell. Now my friend, you know it well, The unforgettable story of the living cell.

18 EVOLUCE BUNĚK Mutace v DNA a výběr (selekce) jsou základem EVOLUCE!! PROKARYONTNÍ ORGANISMY - před 3,5 aţ 3,8 miliardami let - nejjednodušší buňky - Bakterie a Archea - anaerobní, aerobní ( mitochondrie) - fotosyntetické bakterie ( chloroplasty) EUKARYONTNÍ ORGANISMY (Eukaryota, Eukarya) - před 1,5 miliardou let - rostliny, houby, živočichové, protista - nové členění: Opisthokonta (houby, živočichové), Rostliny, Amoebozoa (měňavkovci), Excavata (prvoci), Rhizaria (mřížovci, dírkonošci), Chromalveolata (výtrosovci, obrněnky..), Co je to mutace?

19 ROZDÍLY MEZI PROKARYOTICKÝM A EUKARYOTICKÝM TYPEM BUŇKY buňka prokaryotická velikost buněk 1-10 m m buňka eukaryotická organely ojedinělé jádro, mitochondrie, ER, chloroplasty.. DNA cirkulární, 1 chromozom (jen dsdna) lineární, chromozomy (dsdna + bílkoviny histony) jádro NE - nukleoid ANO ribozomy 70S cytoplazmatické 80S (chloroplasty 70S, mitochondrie 70-80S) RNA a proteiny syntéza ve stejném kompartmentu syntéza RNA v jádře, proteiny v cytoplazmě metabolismus anaerobní a aerobní aerobní cytoplazma cytoskelet ojediněle cytoskelet, exocytóza, endocytóza buněčné dělení binární mitóza/meióza

20 TAXONOMIE Taxonomické jednotky Homo sapiens Druh sapiens Rod Homo (člověk) Čeleď Hominidae (lidoopi a opice) Řád Primates (primáti) Třída Mammalia (savci) Kmen Chordata (obratlovci) Říše Animalia (ţivočichové) Doména Eukarya

21 Klasifikace života Linnaeus Haeckel Chatton Copeland Whittaker Woese et al. Woese et al. (1735) (1866) (1937) (1953) (1959) (1977) (1990) 2 kingdoms 3 kingd. 2 empires 4 kingd. 5 kingd. 6 kingd. 3 domény Eubacterie Bacterie Prokaryota Monera Monera Protista Archaebacterie Archea Vegetabilia Protista Protista Protista Houby Houby Rostliny Rostliny Rostliny Eukarya Živočichové Živočichové Živočichové Živočichové Živočichové Fylogeneze Namaluj příklad fylogenetického stromu

22 Fylogenetický strom (Woese et al., 1990) Animation: Evolution of three domains:

23 PROKARYOTNÍ BUŇKA BACTERIA - murein (kys.muramová) v buněčné stěně - formylmethionin aminokyselina zahajující translaci ARCHEA - pseudomurein v buněčné stěně - methionin aminokyselina zahajující translaci Co víš o plasmidech a konjugaci?

24 Jádro EUKARYOTA - ROSTLINNÁ BUŇKA Vakuola GA Jadérko Chloroplasty Cytoplazmat. membrána Lysozomy Mitochondrie ER a ribosomy Buněčná stěna Animace:

25 Mitochondrie Centrioly EUKARYOTA - ŢIVOČIŠNÁ BUŇKA Mikrotubuly Chromatin Jaderný obal Jaderné póry Jadérko GA Jádro Vesikuly Lysozomy Cytosol Bičík Drsné ER Ribosomy Cytoplazmatická membrána Hladké ER Animace:

26 Hierarchický systém buňky: molekuly makromolekuly (biopolymery) nadmolekulární komplexy (ribosomy, biomembrány, mikrotubuly) buněčné organely buňka Funkční organizace: uspořádání molekul v buňce na základě principů: paměťový NK a bílkoviny, univerzální pro všechny buňky membránový biomembrány tvořené bílkovinami a lipidy, podílí se na toku látek, energie a informace, univerzální. cytoskeletální bílkoviny, podílí se na toku látek, energie a informace. Univerzální pro eukaryontní (prokaryota?).

27 MEMBRÁNOVÝ PRINCIP Biomembrány = strukturální a funkční organizace buňky Funkce: ohraničení buňky od okolí plazmatická membrána kompartmentace (ohraničení subsystémů v buňce) - membránové organely (mitochondrie, ER, Golgiho komplex, jaderný kompartment, lyzosomy, peroxisomy), vymezení činnosti enzymů do určitých prostorů. regulovaný přenos látek - z okolí a opačně, mezi kompartmenty rozsáhlé vnitřní meziprostory pro metabolické funkce biotransformace energie na membránách - fotosyntéza a oxidační fosforylace tok informace v biomembránách jsou receptory pro signály

28 MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA BIOMEMBRÁN LIPIDY fosfolipidy - fosfatidylcholin (lecitin) - fosfatidylethanolamin (kefalin) - fosfatidylinozitol - sfingofosfatidylcholin (sfingomyelin) steroly - cholesterol (Živočišné buňky mají nejvíce cholesterolu, u bakterií není) PROTEINY globulární proteiny a glykoproteiny Funkce: přenašeče (Na/K-ATPáza), spojníky (integriny), receptory, enzymy (adenylátcykláza) lipidy a bílkoviny v poměru 1:1

29 USPOŘÁDÁNÍ MOLEKUL V BIOMEMBRÁNĚ fosfolipidy - dvojitá vrstva proteiny: periferní - na povrchu dvojité vrstvy fosfolipidů integrální: penetrující - noří se do membrány transmembránové - prochází membránou model tekuté mozaiky Animace: Stupeň tekutosti ovlivňuje: teplota cholesterol fosfolipidy (délka a stupeň nasycení) Význam tekutosti: redistribuce proteinů na různá místa membrány (protilátky) inzerce nových proteinů splývání biomembrán Tekutost proteinů je omezena jejich vazbou na exoskelet.

30 PLAZMATICKÁ (cytoplazmatická) MEMBRÁNA Funkce: ohraničení cytoplazmy buňky od okolí regulovaný transport látek - mezi buňkou a okolím zpracování signálních informací - receptory v membráně Zesílení plazmatické membrány: Animace: Glykokalyx - na vnější straně membrány (glykoproteiny a glykolipidy) - ochrana před mechanickým a chemickým poškozením - vzájemné rozpoznání buněk (vajíčko a spermie), adheze buněk Buněčný kortex - síť proteinu (spektriny) pod plazmatickou membránou (erytrocyty)

31 EXOSKELET EXTRACELULÁRNÍ MATRIX (živočichové) - kolagen, elastin, glykoproteiny fibronektin a laminin, proteoglykany - vazbu komponent matrix na plazmat.membránu zajišťují integriny - funkční odlišení apikální a bazální části epiteliální buňky BUNĚČNÁ STĚNA (rostliny, houby a bakterie) - bílkoviny a glykany (polysacharidy) rostliny - celulóza a další glykanové polymery houby - chitin, glukany, manany bakterie peptidoglykany: murein (eubakterie) pseudomurein (archea) Nakresli jádro.

32 JÁDRO jaderný obal (karyotéka) dvojitá membrána perinukleární prostor mezi vnější a vnitřní membránou jaderné póry sto až milióny, rovnoměrné rozložení, obsahují 100 proteinů - transport látek do cytoplazmy (RNA) a do jádra (proteiny pro transkripci a replikaci DNA, histony..)

33 Fibrózní vrstva - vrstva skeletálních proteinů (intermediární filamenta - laminy) připojených na vnitřní membránu - zpevňuje a určuje tvar jaderného obalu, rozmístění chromosomů Jaderná matrix síť proteinových vláken

34 Genetická informace v jádře: jádro kontroluje buněčnou aktivitu prostřednictvím regulace genové exprese interfáze - chromatin (komplex DNA s histony) euchromatin - světle barvitelný, aktivní transkripce heterochromatin - tmavě barvitelný, inaktivní DNA mitóza - chromosom Jadérko: - suborganela v jádře bez membrány syntéza rrna a tvorba ribosomů syntéza trna

35 ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM (ER) - součást všech eukaryontních buněk (s výjimkou spermií) - soustava propojených membránových cisteren a trubiček - souvisí s vnější membránou jaderného kompartmentu Drsné ER - soustava sploštělých cisteren, na povrchu jsou ribosomy, syntéza bílkovin (rozsáhle v pankreatických buňkách) Hladké ER - síť trubiček, bez ribosomů, syntéza lipidů, metabolismus cukrů (rozsáhlé v jaterních buňkách) Funkce: syntéza molekul biomembrán - lipidy, proteiny syntéza proteinů pro extracelulární funkce - hormony, enzymy, krevní bílkoviny regulace koncentrace kalciových iontů v cytoplazmě Nakresli ER. Co je to sarkoplasmatické retikulum?

36 Drsné ER Hladké ER

37 Nakresli Golgiho aparát.

38 GOLGIHO APARÁT - složitá membránová struktura (pojmenované po Italu Camillo Golgi) - součást všech eukaryontních buněk (u rostlin = DICTYOSOM) oploštělých cisteren, množství transportních měchýřků Funkce: chemická modifikace látek (glykozylace, sulfatace, specifická proteolýza atd.) syntetizovaných v ER distribuce látek v buňce Animace - GA: wire/content/chp04/ html

39 Sekreční dráha (cesta proteinu z ER k cyt. membr min.) drsné ER protein GA protein plazmatická membrána konstitutivní sekrece nepřetržité vydávání některých proteinů regulovaná sekrece sekret se hromadí v měchýřcích, exocytóza je spouštěna signály z okolí buňky. proteiny a lipidy Konstitutivní sekrece Golgiho aparát Animace sekrece proteinů: transdukce signálu sekreční váček signál Regulovaná sekrece

40 LYZOSOMY (LYSOSOMY, LYSOZOMY) - jednoduché membránové kompartmenty eukar. buněk - funkčním ekvivalentem u rostlin a hub jsou vakuoly - obsahují asi 40 různých hydrolytických enzymů (proteázy, nukleázy, lipázy, fosfolipázy, fosfatázy, sulfatázy..) primární lysozomy - měchýřky odštěpené z cisteren GA sekundární lysozomy - splynutím primárních lysozomů s membránovými kompartmenty (autofagické vakuoly, sekundární endosomy, fagosomy) Funkce: katabolické biochemické procesy (rozklad přijatých nebo nepotřebných makromolekul Animace tvorby lysosomu:

41 VAKUOLA - jedna centrální nebo více - membrána (tonoplast) - obsahuje vodu, enzymy, ionty (K+,Cl-), soli, toxiny, pigmenty Funkce: udržuje turgor (tlak na buněčnou stěnu) udržuje tvar buňky udržuje acidobazickou rovnováhu (vnitřní ph) odstraňuje nepotřebné látky izoluje nebezpečný materiál tlačí obsah cytoplazmy proti buněčné stěně - chloroplasty jsou blíţe ke světlu Potravní vakuoly Kontraktilní vakuoly

42 PEROXISOMY - mají autonomii, množí se rozdělením - enzymy jsou syntetizovány na cytoplazmatických ribosomech - důležitá organela u evolučně primitivnějších preeukaryotických buněk, kdy se v atmosféře hromadil kyslík Funkce: katabolický metabolismus detoxikace jedovatých sloučenin pomoci oxidačních enzymů (H 2 O 2 je štěpen katalázou za vzniku kyslíku, který je využit k oxidaci řady látek - fenolů, formaldehydů, alkoholů.) 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2

43 MITOCHONDRIE a CHLOROPLASTY Společné charakteristiky: organely s 2 membránami (vnější a vnitřní) vnější kompartment - intermembránový prostor vnitřní kompartment (lumen) - matrix (mitochondrie) - stroma (chloroplasty) vlastní DNA (mitoch. a chloroplastový chromosom prokaryontního typu tj. cirkulární a bez histonů, ve více kopiích) vlastní proteosyntetický aparát, ale některé bílkoviny jsou kódovány jadernými geny autoreprodukce - rozdělením již existujících organel maternální nemendelovská dědičnost endosymbiotická teorie vzniku - z prokaryotických organismů, které se staly endosymbionty primitivních eukaryontních buněk

44 Tři domény života na Zemi archea bakterie eukarya

45 Původ mitochondrie endosymbiotická teorie Animace -původ mitochondrií a chloroplastů: Nakresli mitochondrii a chloroplast.

46 MITOCHONDRIE - organela se 2 membránami - velikost (1 aţ 10 μm), počet (1 aţ několik milionu v buňce) - vnější a vnitřní membrána (vnitřní je zvrásněná, vytváří kristy) - matrix (obsahuje DNA, ribosomy, trna, proteosyntetické a jiné enzymy) Funkce: tvorba ATP oxidační fosforylací

47 CHLOROPLAST (chloros = green, plast = form or entity) - membranová organela, u rostlin, řas a některých protists - ploché disky (průměr 2 aţ 10 μm, tloušťka 1 μm), počet (asi 50) - první kompartment (mezimembr. prostor), druhý kompartment (stroma), třetí kompartment (tylakoidní prostor) Tylakoidy = oploštělé membránové váčky, v membráně jsou molekuly absorbující světlo, ATP syntáza a enzymy transportující elektrony Funkce: tvorba ATP, NADPH - fotosyntetická fosforylace fixace CO 2 do uhlíkatého řetězce cukrů (i za tmy)

48

49 CYTOSOL (CYTOPLASMA) - koncentrovaný vodný gel malých a velkých molekul - uvnitř buňky, mimo organely - řada chemických reakcí - syntéza proteinů na RIBOSOMECH

50 DIFERENCIACE BUNĚK Diferenciace = proces rozrůzňování buněk Diferenciované buňky = buňky specializované Mnohobuněčný organismus - buňky lišící se strukturálně a funkčně, dochází ke specializaci podle funkce diferenciace buněk (př. u člověka 200 různých buněk) Tkáň = soubor buněk se stejnou funkcí, morfologickým a biochemickým složením (př. tkáň svalová, kostní) Orgány = soubor tkání, plní určitou funkci (př. končetiny, dýchací orgány) Genový základ diferenciace: všechny diferenciované buňky mají stejný genetický základ, genetická informace je obsažena již v zygotě, regulace diferenciace je na úrovni diferenciované exprese genů, jde o postupné zapínání a vypínání genů

51 ÚROVNĚ DIFERENCIACE molekulární diferenciace: př. plazmatická membrána stejná funkce, odlišné zastoupení lipidů, proteinů a receptorů - odlišná odpověď na stejný signál enzymová diferenciace př. základní enzymy pro proteosyntézu, energetický metabolismus jsou stejné, ostatní se liší morfologická diferenciace př. velikost a tvar buněk, zastoupení organel a struktur (bičíky, buněčná stěna) terminální diferenciace eliminace důležitých struktur, př. bezjaderné erytrocyty