1 Obecná biologie Slavomír Rakouský JU ZSF Tyto texty jsou určeny pouze pro studijní účely (semináře z kurzu Obecné biologie) studentů JU ZSF. Jejich další šíření, publikování atd. by bylo v rozporu s autorskými právy nakladatelů a autorů publikací, z nichž bylo čerpáno.
2 Buňka základ živých organizmů Všechny živé organizmy se skládají z buněk (malé, membránou o hraničené jednotky naplněné vodným roztokem chemických sloučenin, se schopností vytvářet kopie sama sebe růstem a dělením) Nejjednodušší formy života izolované buňky Vyšší formy společenství buněk odvozené růstem a dělením od jediné buňky X Viry (mohou obsah stejné látky jako buňky, nemají schopnost reprodukovat se vlastním úsilím, musí využít reprodukční aparát buňky) Buňka základ života Objev buněk umožněn vynálezem světelného mikroskopu 1665 Robert Hook termín buňka (cell) Vznik buněčné biologie postupným procesem základem práce M. Schleidena (1838) a T. Schwanna (1839) Buňky jsou univerzálními stavebními jednotkami všech živých tkání rostlin i živočichů Postupně formulována buněčná teorie (živé organizmy nevznikají samovolně, ale jsou vytvářeny již existujícími organizmy - důkaz L. Pasteur)
3 Ch. Darwin (1859) teorie evoluce (náhodné změny a přírodní výběr mohou dát vznik novému organizmu s novými vlastnostmi) Kombinace evoluční teorie s buněčnou teorií umožňuje pohled na celý život od jeho počátku po současnost jako na jeden velký vývojový strom jednotlivých buněk. Rozměr eukaryontních buněk (obvykle 5-20 µm) Světelná mikroskopie (pozorování v jasném poli, fázový kontrast, interferenční mikroskopie) - objekty > 200 nm Fluorescenční mikroskopie (fluorescenční barviva a sondy) Rastrovací elektronová mikroskopie (odražené elektronové paprsky zachycovány a měřeny detektorem) Transmisní elektronová mikroskopie (elektrony procházející velmi tenkým vzorkem a zachycovány na stínítku či fotogr. materiálu) - 0,2 nm (2 Å) Konfokální mikroskopie umožňuje získat optické řezy objektem (počítačové z pracování obrazu umožňuje rekonstrukci až z několika tisíc optických řezů) Přítomnost/nepřítomnost jádra základem třídění všech živých organizmů Eukaryota obsahují jádro Prokaryota ( bakterie ) většina jako jednobuněčné organizmy, některé tvoří řetězce, shluky či organizované vícebuněčné struktury Mnohobuněčné rostliny, živočichové, houby složeny z eukaryontních buněk, ale také mnoho jednobuněčných organizmů (kvasinky, měňavky) je eukaryontních
4 Eukaryontní buňka Jádro - obvykle nejdůležitější organelou informačním centrem buňky - uzavřeno dvojitou membránou (jaderným obalem blánou) - obsahuje dlouhé polymery molekul DNA ( chromozomy ) - obsahuje jadérko(a) DNA sklad genetické informace buňky (organizmu) Nosiči genetické informace jsou chromozomy Vajíčko a spermie přispívají polovinou chromozomů do nového organizmu (stejný podíl otce a matky na vlastnostech)
5 Mitochondrie nápadné organely (1-5 µm dlouhé) uzavřené dvěma oddělenými membránami Vnitřní membrána zprohýbaná (tvoří záhyby cristy ) - obsahují vlastní DNA - rozmnožují se dělením - předpoklad: vyvinuly se z bakterií, které byly pohlceny předkem dnešních eukaryontních buněk - sídlem energetického metabolizmu (získávají energii oxidací molekul potravy, produkují ATP) proces ozn. jako buněčná respirace (dýchání)
6 Chloroplasty (plastidy) jen v buňkách rostlin, řas a některých prvoků (nikdy v buňkách živočichů a hub) - mnohem složitější strukturu než mitochondrie - dvě obalové membrány - stohy membrány uvnitř organely (obsahují chlorofyl)
7 Rostliny mohou získávat svou energii přímo ze slunečního světla X živočichové umí využívat jen chemickou energii (pojídáním produktů ostatních živých organizmů) Chloroplasty provádějí fotosyntézu (zachycují energii světla v molekulách chlorofylu a využívají ji k výrobě energeticky bohatých molekul sacharidů). Při tom uvolňují kyslík (O 2 ) jako vedlejší produkt Buňky rostlin mohou v případě potřeby uloženou chemickou energii uvolnit oxidací sacharidů v mitochondriích Chloroplasty - obsahují vlastní DNA - rozmnožují se dělením - pravděpodobně se vyvinuly z bakterií (sinic)
8 Vnitřní membrány cytoplazma obsahuje vedle jádra, mitochondrií a chloroplastů celou řadu dalších organel většina z nich uzavřena v jediné membráně plní řadu různých funkcí (mnoho z nich souvisí s potřebou importovat suroviny a exportovat vyrobené látky a vedlejší produkty) Endoplazmatické retikulum nepravidelný labyrint buněčných prostorů místem vzniku většiny složek buněčné membrány a materiálů určených na export z buňky, skládání fosfoproteinů
9 Golgiho aparát přijímá a často mění molekuly vyrobené v ER směřuje je do okolí buňky nebo do jejich částí Lyzosomy malé nepravidelné organely, ve kterých probíhá nitrobuněčné trávení uvolňují živiny z částic potravy odbourávají nežádoucí molekuly pro recyklaci nebo vyloučení Peroxisomy malé ohraničené váčky, které poskytují svůj obsah reakcím, při nichž se odbourává nebezpečný H 2 O 2 Membrány tvoří také mnoho váčků zapojených do transportu látek od jedné membránou ohraničené organely ke druhé. Mezi ER, Golgiho aparátem, lyzosomy a vnějškem buňky probíhá neustálá výměna materiálu zprostředkována malými váčky (odškrcují se od membrány jedné organely a fúzují s membránou jiné)
10 Z povrchu buňky se vchlipují části plazmatické membrány dovnitř odškrcují se za tvorby váčků (splývají obvykle s lyzosomy). Takto živočišné buňky mohou pohltit značně velké cizí částice nebo dokonce cizí buňky. Běžnou aktivitou také opačný proces uvolňování obsahu váčků do vnějšího prostředí Cytosol Obsah buňky pod plazmatickou membránou (bez všech membránou ohraničených organel) Ve většině buněk tvoří největší část (u bakterií jedinou) Obsahuje velké množství malých i velkých molekul natěsnaných blízko sebe (proto se spíše chová jako vodný gel než roztok) Místem mnoha chemických reakcí, které jsou základem existence buňky (první kroky odbourávání molekul potravy, syntéza proteinů) Cytoskelet Eukaryontní buňky protkány dlouhými jemnými vlákny proteinů tato soustava ozn. jako cytoskelet. Vlákna často ukotvena jedním koncem k plazmatické membráně nebo se rozbíhají z ústředního místa v blízkosti jádra
11 Tři typy vláken: aktinová mikrofilamenta (nejjemnější vlákna, přítomna ve všech eukaryontních buňkách, ve zvláště velkém počtu uvnitř svalových buněk, kde slouží jako součást soustrojí účastnícího se svalového stahu) mikrotubuly (nejtlustší vlákna duté trubičky, v dělících se buňkách vytváří dělící figury pomáhající táhnout zdvojené chromozomy do opačných směrů a rozdělit je do dceřinných buněk intermediární (střední) filamenta (přechod mezi tloušťkou aktinových mikrofilament a mikrotubuly) slouží k mechanickému posílení buňky všechny tři typy spolu s ostatními proteiny, které se k nim pojí, tvoří podpůrný systém buňky, který jí dodává mechanickou pevnost, ovlivňuje její tvar a pohání a řídí její pohyb
12 Jednotnost a rozdílnost buněk Buňky nejsou všechny stejné, ve skutečnosti se značně liší velikostí, tvarem, pohybem a funkcí. - Některé buňky vytvářejí vnější plášť slizu, jiné tuhé buněčné stěny nebo se obklopují mineralizovanou extracelulární matrix (buňky kostí) - Liší se i ve svých chemických požadavcích a aktivitách (některé vyžadují k životu kyslík, pro jiné je jedem apod.). - Některým stačí jako potrava jen o málo víc než světlo, vzduch a voda, jiné potřebují určitou směs molekul vytvářenou jinými buňkami, atd. - Jiné specializované na výroby zvláštních látek (hormony, škrob, tuky, barviva, latex apod.) - Některé jsou motory (svalové buňky), přeměňují palivo na mechanickou práci, nebo elektrickými generátory (buňky speciálního orgánu elektrického úhoře)
13 - U jiných specializace pozmění buňku natolik, že ztratí možnost se množit (u mnohobuněčných organizmů) Živočišná buňka podobna fibroblastu, který dokáže prolézat pojivovou tkáň a ukládat tam extracelulární vápník Např. neutrofil nebo makrofág se plazí tkáněni jako améba, pohlcuje zbytky buněk, cizí mikroorganizmy a mrtvé či umírající buňky Obvykle navenek ohraničena jen plazmatickou membránou (nemá buněčnou stěnu jako rostlinná buňka, ani chloroplasty a vakuoly). Rostlinná buňka typická přítomnost buněčné stěny vně plazmatické membrány, četné vakuoly, někdy splývají v centrální vakuolu, obsahuje plastidy (chloroplasty a další typy), buňky vyšších rostlin a hub postrádají centrozom
14 Alberts et al. 1998
15 Všechny živé buňky mají podobný chemický základ ve všech je genetická informace (geny) uložena v molekulách deoxyribonukleové kyseliny (DNA), zapsána stejným genetickým (chemickým) kódem, ze stejných stavebních bloků, překládána stejným chemickým aparátem, duplikována stejnou cestou DNA řídí produkci obrovského množství proteinů, které určují chování buňky, slouží jako konstrukční materiál, chemické katalyzátory, přenašeče informací, molekulární motory atd. v každém organizmu se spojuje (v různém pořadí) stejných 20 aminokyselin (AK) za vzniku proteinů (bílkovin). Pořadí AK a vyšší struktury určují různé chemické vlastnosti proteinových molekul. Tj. stejný základní biochemický aparát umožnil existenci a různorodost životních forem na Zemi. Dnešní buňky mají stejný původ buňka se množí zdvojením své DNA a následným dělením (do dceřinné buňky se dostane jedna z kopií DNA děti vypadají jako rodiče ) kopírování není vždy dokonalé (změny DNA mutace) vznik potomstva s např. lepší či menší schopností přežití, rozmnožování atd. Změny mohou být i neutrální povahy (umožňuje další mutace molekulární evoluci) principy změny a výběru (používané opakovaně po miliardy generací buněk) jsou základem evoluce
16 zřejmě se vyvinuly ze stejného prapředka (původní buňka existovala asi před 3,5-3,8 mld. let) Prokaryotická buňka (bakterie, sinice a archaebakterie) - bakterie jsou nejmenší a nejjednodušší buňky (nejmenší buňky 0,2 µm chlamydie, jiné až po 0,6 mm) - nemají diferencované jádro a další typické větší organely eukaryot (mitochondrie, chloroplasty) - DNA tvoří nukleoid ( bakteriální chromozom ), který není obklopen memebránou. DNA tvořena jednou cirkulární dvoušroubovicí DNA a vytváří komplex s ribonukleovou kyselinou (RNA) a proteiny - Rostoucí buňka je haploidní (replikace DNA předbíhá buněčnému dělení, takže buňka může obsahovat i několik dvoušroubovic DNA) - na povrchu buňky je (cyto)plazmatická membrána - vně membrány je poměrně pevná buněčná stěna (stavební materiál lineární polysacharid peptidopglykan) - často přítomno ještě vnější pouzdro - pohyblivé bakterie mají bičík (rotační pohyb bičíku) - někdy přítomna i krátká dutá vlákna fimbrie (neslouží k pohybu, ale adhezi na površích) - plazmatická membrána některých prokaryot se zanořuje v podobě mezozomů (často tvar měchýřku) - z plazmatické membrány se někdy oddělují chromatofory (podobný tvar, obsahují barviva, která absorbují světelné záření bakteriochlorofyl, karotenoidy), vyskytují se u některých fototrofních bakterií
- v cytoplazmě někdy i inkluze (granule, obvykle obsahují zásobní látky (glykogen, volutin, krystaly, proteiny, síra) 17
18
19