Buňka I Biologie I
BUŇKA I Základní morfologické charakteristiky buňky Evoluce eukaryotní buňky Vlastní struktury buňky (biologické membrány, cytoskelet, cytoplasma) Mezibuněčná hmota živočišných buněk Buněčná stěna rostlin
CYTOLOGIE (z řec. kytos buňka) zabývá se strukturou a funkcí buněk Jednobuněčné organizmy prokaryota eukaryota Mnohobuněčné organismy eukaryota se specializovanými buňkami např. člověk okolo 80 bilionu buněk
Základní morfologické charakteristiky buňky velikost prokaryota (bakterie a sinice): desetiny až jednotky mm eukaryota nejčastěji 10 100 mm zvláštní případy: až desítky cm - sklerenchymatické b. - nervové b. - Caulerpa (jednobuněčná řasa) - ptačí vejce... tvar tvar membránového váčku je kulovitý tvar buňky často není kulovitý (kulovité jen některé volně existující buňky) je ovlivněn - buněčnou stěnou - vnitřními strukturami cytoskelet, spektrin - okolními buňkami v tkáních a pletivech - S funkční adaptací
Základní morfologické charakteristiky buňky: velikost a tvar Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Základní morfologické charakteristiky buňky: velikost a tvar neuron (Purkyňova b.) prvok Paramecium řez stonkem rostliny bakterie Bdelovibrio bacteriovorus neutrofil a erythrocyt Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Evoluce Země, buňky a organismů vznik měsíce těžké bombardování pozdní těžké ochlazování plynů meteority bombardování -4500 mil. let -3800 až 4000 mil. let moře http://ircamera.as.arizona.edu/ NatSci102/lectures/lifeform.htm
Velký strom života (16/18S rrna) univerzální zakořeněný kladogram ( rooted Big Tree ) Organismy lze rozdělit do 3 domén Kořen leží mezi doménou Bacteria a doménami Eukarya / Archaea Eukarya a Archaea tvoří monofyletickou skupinu Podle: Brock Biology of Microorganisms, Prentice Hall, 2006 Rozsypal a kol., Nový přehled biologie, Scientia, 2003 Campbell a Reece, Biologie, Computer Press, 2006
řada genů energetického metabolismu v říši Eukarya má bakteriální původ Hypotézy chiméry Horizontální přenos genů vládl evoluci a Velký strom života byl spíše propletenou sítí
Velký strom života potvrdil podezření na Endosymbiotický původ mitochondrií a chloroplastů:
Vznik eukaryotní buňky řada hypotéz 2 z řady modelů (základ jaderné DNA z archebakterie) Podle: Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006
Eukarya a Archaea mají společné základní rysy replikace a exprese genetické informace odlišné od domény Bacteria Např. chromosom Bacteria Eukarya / Archaea Life: the Science of Biology, Sinauer Assoc., Inc. 5th ed., 1997 nukleoid komplex s histony iniciace transkripce sigma faktor TATA vazebný protein
Vznik eukaryotní buňky jedna z hypotéz Syntrofická hypotéza nejprve primitivní eukaryot i) v konzorciu došlo k pohlcení archebakteriální buňky buňkou (buňkami) bakteriální(mi) ii) archebakterie nebyla strávena, ale její DNA byla využity pro vznik jádra vysvětluje dvojvrstevnou jadernou membránu do jisté míry významnou podobnost archeí a eukaryot na molekulární úrovni
Syntrofická hypotéza nejprve primitivní eukaryot Akumulace O 2 v prostředí si žádala u patrně anaerobní dávné eukaryoty syntrofii s aerobem, a jeho pohlcením vzniká mitochondrie Podle: Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006 Syntrofická hypotéza
Syntrofická hypotéza nejprve primitivní eukaryot Složité životní cykly a sociální chování d-proteobaktérií mohlo být předpokladem vzniku mnohobuněčných eukaryot. (i) Myxococcus xanthus Zusman a kol., Nat. Rev. Microbiol. 5:862-872, 2007
Vodíková hypotéza archaea s předchůdcem mitochondrie Mezi současné a-proteobakterie patří např. buněční parazité rodu Rickettsia, nebo rostlinní symbioté rodu Rhizobium. Podle: Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006 Vodíková hypotéza
degenerace? Vznik eukaryotní buňky jedna z hypotéz Vodíková hypotéza archaea s předchůdcem mitochondrie i) v konzorciu došlo k pohlcení bakteriální buňky (a-proteobakterie produkující H 2 ) buňkou archebakterie (H 2 utilizující) ii) bakterie nebyla strávena, ale stala se předchůdcem: mitochondrií (respirace, +36 ATP / glukosa) hydrogenosomů (?, + 2ATP / glukosa) mitosomů (?, +2ATP / glukosa, -2NADPH) vlastní DNA některé vlastní DNA bez DNA dnes (i) hydrogenosom endosymbiotický methanogen (archaea) Nyctotherus ovalis (Ciliophora) Boxma a kol., Nature, 434:74-79, 2005
Vodíková hypotéza archaea s předchůdcem mitochondrie iii) jádro a současně (?) i endoplasmatické retikulum vznikalo invaginací cytoplasmatické membrány vysvětluje dvojvrstevnou jadernou membránu vysvětluje propojení ER a jádra, podobnost eukaryot a archebakterií na molekulární úrovni. konflikt (?): Giardia nemá ER (má však mitosomy) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Vznik komplexní Eukaryotické buňky mitochondrie nástroj pro energeticky výhodný metabolismus a aerobní život + Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. Chloroplast, původem sinice cesta k autotrofnímu životnímu stylu = evoluční úspěch eukaryot, i když prokaryot je na Zemi víc (cca 5 10 30 )
Buňka organely a vlastní struktury dnes Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Plazmatická membrána a buněčné membrány jsou obecně asymetrické Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Proteiny v membránách funkční polarita Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Buňky mohou omezit pohyb membránových proteinů představa membrány jako volného dvojrozměrného roztoku proteinů není správná membránové proteiny: Mohou být připojeny k buněčnému kortexu uvnitř buněk Mohou interagovat s membr. proteiny sousední buňky Mohou být připojeny k proteinům extracelulární matrix Specialní proteiny vytváří přepážky (těsné spoje) a udržují membránové proteiny v určité membr. doméně Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. Detaily později
Příklad omezení pohybu membránových proteinů a funkční polarizace buňky střevní epitel - protein A: import živin z lumen protein B: export látek do tkání a krve Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Detail těsného spoje (i) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Cytoskelet Pouze eukaryota napomáhá podpírat velký objem cytoplasmy zodpovědný za pohyb (pohyb buněk, změny tvaru buněk) organizuje pohyb objektů uvnitř buněk Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.
Cytoskelet - přehled Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Střední filamenta nejpevnější z cytoskeletárních vláken důležitá mechanická opora buněk (bodové namáhání rozkládají do prostoru) Cytoplazmatická tvoří cytoplazmatickou síť obklopující jádro a zasahující až k periferiím buňky, kde jsou často zakotvena na membránových proteinech (spojnících) Jaderná vytváří dvojrozměrnou síť zpevňující jadernou membránu Stavba základní monomerní podjednotky: centrální část fibrilární velmi podobná u všech typů (dvě tvoří helix helixů) globulární hlavičky a konce - liší se velikostí -aminokyselinovým složením jsou specifické pro určitou tkáň (4 typy, specifické pro epitely, pojiva a svaly, neurony, jádra)
Výstavba středního filamenta monomer helix helixů (dimer) dimery se k sobě přikládají tetramery tvoří oktamery a vytváří se vlákno středního filamenta Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mikrotubuly mají zásadní organizující funkci - určují pozice membránových buněčných organel - řídí transport uvnitř buňky v mitóze vytváří dělící vřeténko mohou vytvářet struktury umožňující pohyb buňky - řasinky - bičíky jsou polarizovanou strukturou vyrůstají z organizačního centra - centrosomu lokalizovaného poblíž jádra směrem k periferii buňky Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Stavba mikrotubulu mikrotubuly jsou duté trubice sestavené z molekul tubulinu tubulin = heterodimer 2 globulárních proteinů, a-tubulinu a b-tubulinu u mikrotubulu rozlišujeme dva konce minus konec zakotvený na centrosomu plus konec na kterém dochází k růstu nebo zkracování mikrotubulu ( stabilita mikrotubulu je ovlivněna řadou přídatných proteinů vážících se především na plus konec) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Role centrosomu jako organizačního centra růst mikrotubulu začíná v nukleačním místě obsahujícím g-tubulin Centrosom (asi 100 různých proteinů) centrioly krátké mikrotubuly mikrotubuly jsou vysoce dynamické rychlý růst i zkracování (regulovaný děj) Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Růst a zkracování mikrotubulů (i) schopnost prodlužovat mikrotubulus má pouze tubulin s navázaným GTP po hydrolýze GTP na GDP má tubulin tendenci z konce mikrotubulu odpadat + konec + konec rostoucí mikrotubulus polymerace GTP-tubulinu rychlejší než hydrolýza GTP zkracující se mikrotubulus hydrolýza GTP rychlejší než přísun nových GTP-tubulinů Obrázek adaptován z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Selektivní řízená stabilizace mikrotubulu (i) pomocí přídatných (čapkovacích) proteinů vážících se na + konec umožňuje buňku polarizovat význam: např. intracelulárni transport neuron Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Molekulové motory transportují objekty podél mikrotubulů Dynein směrem k minus konci (k centriole poblíž jádra) Kinesin směrem k plus konci (k periferii buňky) Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace motoru a tím k jeho posunu po vláknu mikrotubulu Motory mají - vazebné místo pro mikrotubulus - specifické vazebné místo pro protein značkující transportovaný objekt (transmembránový protein membr. váčku) Obrázek z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mikrotubuly a molekulové motory zprostředkovávají pohyb Membránových váčků Celých organel Např.: specifické receptory v membr. ER interagují s kinesiny rozprostření ER od povrchu jádra až k periferii receptory v membráně Golgiho útvaru interagují s dyneinem lokalizace organely směrem k centromeře Celých buněk - bičíky spermie, prvoci - řasinky výstelka vejcovodu pohyb vajíčka Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Bičíky a řasinky obsahují stabilní mikrotubuly jimiž pohybuje dynein mikrotubuly jsou pevně spojeny spojníkovými proteiny pohyb dyneinu indukuje pnutí a následný ohyb bičíku uvolnění vrací bičík zpět Silový záběr Příčný řez bičíkem (i) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mikrofilamenta aktinová vlákna Nesvalová: zásadně důležitá pro buněčný pohyb - pohyb po podkladu - pohlcování částic fagocytozou - dělení živočišné buňky Nitrobuněčné svaly mohou vytvářet stabilní struktury - microvilli v mikroklcích = stabilizace tvaru } Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o. Svalová: sarkomery myofibryly kosterní svalová buňka
Stavba mikrofilamenta aktinová vlákna jsou tvořena monomery globulárního aktinu podobně jako u mikrotubulů můžeme rozlišit dva konce minus konec plus konec podobně jako mikrotubuly, interagují s celou řadou aktin-vazebných proteinů, které regulují stabilitu a vzájemné uspořádání mikrofilament mikrofilamenta jsou zakoncentrována poblíž cytoplazmatické membrány ve vrstvě tzv. buněčného kortexu (výstuha plazmatické membrány - jakoby 2D síť ) odtud mohou zasahovat do cytoplasmy a tvoří 3D síť (vždy propojeny aktin-vazebnými proteiny) aktin monomer aktinové mikrofilamentum
Buněčný kortex tvořený spektrinem zakotveným prostřednictvím spojníků na transmembránové proteiny je dále zesílen mikrofilamenty (i) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Růst a zkracování mikrofilament podobně jako u mikrotubulů můžeme rozlišit dva konce minus konec plus konec vlákno se může prodlužovat jak na plus tak na minus konci (na plus konci je rychlost polymerace vyšší) schopnost prodlužovat mikrofilamentum má pouze aktin s navázaným ATP po hydrolýze ATP na ADP má aktin tendenci z konce vlákna odpadat Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mikrofilamenta v (pohybující se) živočišné buňce (i) lamelipodia a filopodia se tvoří orientovanou polymerací aktinu průzkum a pohyb buňky po podložce směr prodlužování mikrofilamenta Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Polarita aktinového mikrofilamenta a orientované prodlužování jsou určeny organizačním centrem, kterým jsou aktin-vázebné proteiny interagující s plus koncem filamenta (i) minus konce jsou zakotveny na kortex Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Pohyb živočišné buňky po podložce (i) Extracelulární matrix Povrch jiné buňky transmembr. proteiny integriny zprostředkují pevné spojení s nosičem Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Kontrakce (nitrobuněčných) svalů vyžaduje molekulové motory aktin-vazebné proteiny myosiny Energii poskytuje hydrolýza ATP vedoucí ke změně konformace myosinu a tím k jeho posunu po vláknu mikrofilamenta (viz dále) Myosiny I - globulární aktin-vazebná doména (také váže a hydrolyzuje ATP) - fibrilární část vážící se ke specifickým proteinům plazmatické membrány nebo membr. váčků Myosiny II - vytváří dimery z monomerů podobných myosinům I (dimerizace prostřednictvím helixu helixů fibrilární části) - nejhojněji zastoupeny ve svalových buňkách Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Pohyb objektů zprostředkovaný aktin-myosinovým komplexem princip: (i) navázání ATP uvolnění ATP-myosinu z vazby na mikrofilamentum hydrolýza ATP změna konformace myosinu = změna polohy oproti vláknu navázání ADP-myosinu na následující aktinovou molekulu uvolnění ADP návrat do původní konformace vyvolává tah = pohyb Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Pohyb objektů zprostředkovaný aktin-myosinovým komplexem příklady: Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mezibuněčná hmota u živočišných buněk základem mezibuněčné hmoty (extracelulární matrix) jsou kolageny a glykosaminoglykany (GAG, volné nebo jako proteoglykany) Pojiva masivní matrix nese hlavní mechanickou zátěž Epithely hlavní mech. zátěž nese cytoskelet a mezibuněčné spoje, matrix v menší míře - tvoří podložku epitelu, tzv. bazální laminu Kolagenové fibrily: pevnost v tahu GAG: gelovitá výplň odolnost vůči tlaku (i) kolagen GAG Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Buňka se může vázat na mezibuněčnou hmotu prostřednictvím fibronektinu jež se váže na transmebránový protein integrin, který propojuje extracelulární matrix s vnitřními strukturami buňky primárně s cytoskeletem (i) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Mezibuněčné spoje u živočišných buněk Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Detail těsného spoje Detail mezerového spoje např. omezení pohyblivosti proteinů v membráně = polarizace buňky Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Detail bodového spoje (desmosomu) Detail adhézního spoje střední filamenta aktinová mikrofilamenta Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Buněčná stěna rostlin vrstvy celulosových fibril (ve vrstvě paralelně, vrstvy oproti sobě posunuty o určitý úhel) vrstvy jsou spojeny hemicelulosami a prostoupeny pektiny pektiny tvoří střední lamelu mezi 2 sousedními buňkami stěna buněk na povrchu těla rostliny prostoupena kutinem (vosk, brání odparu vody) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.
Plasmodesmata spojují dvě sousední rostlinné buňky buněčná stěna se netvoří v celé ploše, ale v určitých místech zůstávají kanálky plasmodesmata, která umožňují komunikaci mezi buňkami (průchod iontu a malých molekul) často je součástí plasmodesmat i tubulární útvar desmotubulus, který vzniká z hladkého ER
Růst buněčné stěny rostlin apozice = přikládání nových vrstev celulosových fibril ke stávajícím dostředivě - většina buněk v pletivu odstředivě - buňky volné [pyl, výtrusy ] nebo - částečně volné [pokožkové, trychomy] intususcepce = integrace nových bloků vrstvených celulosových fibril do stávající stěny při zvětšování plochy stěny (rostoucí buňky) impregnace stěny: druhotné ukládání dalších organických látek (hemicelulosy, pektiny, kutin, suberin, lignin, chitin, pigmenty, třísloviny) jež mají ochranou a zpevňující roli inkrustace stěny: ukládání anorganických látek (např. hydratovaný SiO 2 )
Růst buněčné stěny rostlin Celulosa synthasa -hexamer (syntéza 6 celulos) tvořící větší komplexy (rozety) -membránový protein a interakce s mikrotubuly určuje orientaci celulosových ve vrstvě celulosa synthasa (hexamer) 6x polysacharid rozeta ze 6 hexamerů 36x polysacharid (i)
a ještě cytoplazma Za další složku cytoskeletu byly dříve považovány tzv. mikrotrabekuly, pozorované elektronovým mikroskopem jako vlákna u nichž se předpokládalo, že zakotvují všechny koloidní složky cytoplazmy (veškeré enzymy, RNA, ribosomy). Šlo však o artefakty vzniklé při přípravě elektronmikroskopických preparátů.
Buňka organely a vlastní struktury
(i) Addendum jen na dokreslení Eukarya a Archaea molekulární úrovni vykazují řadu společných znaků