Biologie - přípravný kurz 2011/2012
Mgr. Hříbková Hana Biologický ústav LF MU Kamenice 5, Brno 625 00
[email protected]
Tématické okruhy z biologie k přijímacím zkouškám na LF MU Doporučeno – brožura Testových otázek pro LF Přijímací test - z nabídnutých odpovědí je správná jediná nebo žádná (jako výběrová varianta e). Biologie – početnost otázek v tématických okruzích je dána významem okruhů pro studium medicíny. Podzimní semestr: Obecná charakteristika živých soustav Biologie buňky Genetika Evoluční biologie Ekologie Historie biologických objevů Systematický přehled živých organismů Životní funkce vyšších rostlin a živočichů Jarní semestr: Biologie člověka – doc. MUDr. P. Matonoha, CSc. - Anatomický ústav LF MU
Doporučená literatura „Nový přehled biologie“ - Rosypal a kolektiv, Scientia, Praha 2003 „Přehled biologie“ - Rosypal, Scientia, Praha 1994
Elektronická podoba přednášek – bude známo příště…
Obecná charakteristika živých soustav Buňka a její struktura
Základní charakteristiky živých soustav Základní stavební jednotkou všech živých soustav je buňka. Pro všechny živé systémy je typické chemické složení z organických biopolymerů – NK, bílkoviny, polysacharidy. Pro živé systémy je charakteristický celý komplex vlastností.
• • • • • • •
Buněčná podstata Chemické složení Metabolismus Růst Reprodukce Dědičnost Variabilita
• • • • • •
Pohyb Vývoj Dráždivost Diferenciace Regenerace Adaptace
Stavební hierarchie mnohobuněčného organismu
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Atomy (makrobiogenní prvky H, O, C, N, P, S) Molekuly Nadmolekulární komplexy Organely Buňky Tkáně Orgány Orgánové soustavy Organismus
Stavební hierarchie živých systémů
1. Organismy nebuněčné (podbuněčné - viry) 2. Jednobuněčné organismy 3. Buněčné kolonie 4. Mnohobuněčné organismy 5. Obligátní společenstva
Buněčná teorie
Buňka je základní stavební a funkční jednotka živých systémů. Polovina 19. století – M.J. Schleiden, T. Schwann, J.E. Purkyně - centrální pozice buňky v biologii.
Všechny formy života, kromě virů, mají buněčnou podstatu.
Všechny buňky mají jednotný princip stavby.
Velikost většiny buněk spadá do mikroskopické oblasti (0.3 µm - 3 mm).
Buňky se vyskytují ve velké rozmanitosti diferencovaných forem, jejichž tvar je dán jejich funkcí. Obecná platnost buněčné teorie byla potvrzena objevem univerzálního genetického kódu (60. léta 20. století).
Buňka prokaryontní a eukaryontní Základní rozdíly jsou: přítomnost či nepřítomnost jaderného obalu typ chromosomu výskyt membránových organel typ ribosomů způsob proteosyntézy výskyt cytoskeletu způsob reprodukce buňky velikost buněk: 1-10 (250) µm versus 10-100 µm
Buňka prokaryontní a eukaryontní Fylogeneticky starší a stavebně jednodušší buňky prokaryontní se odlišují od eukaryontních: Buněčné struktury
Buňka prokaryontní bakterie, Archaea
Buňka eukaryontní prvoci, houby, rostliny, živočichové
Jaderný obal
není
přítomen
Chromosomy
jeden kruhový
více lineárních
Membránové organely
nejsou či minimálně
početné a rozmanité
Transkripce (syntéza RNA)
v cytoplazmě
v jádře
Ribosomy
70 S (50S+30S)
80 S (60S+40S)
Cytoskelet
není
přítomen
Reprodukce
binární dělení
pučení; mitosa, u specifických buněk - meiosa
Buněčná stěna
přítomna vždy
jen u rostlin a hub
Organizace prokaryontní buňky • • •
jednobuněčné organizmy tvar – tyčinky, koky, vibria, spirily nemají vnitrobuněčné membránové organely
•
základní buněčné struktury: • nukleoid - kružnicová molekula DNA • cytoplazma • ribosomy • plazmatická membrána • buněčná stěna
•
mohou mít: • bičíky (tvořeny proteinem flagelinem) nebo fimbrie • povrchový obal (pouzdro, sliz) • plazmidy (kruhové molekuly DNA - rezistence vůči antibiotikům, virulence) • mezozomy – vchlípeniny plazmatické membrány • buněčné inkluze
Prokaryontní (bakteriální) buňka • • • • • •
1 kruhový chromosom s 1 replikačním počátkem nemá intronové oblasti DNA plazmidy – malé kruhové molekuly DNA nepohlavní rozmnožování - replikace stávajícího genomu, a binární dělení při dělení jsou chromosomy dislokovány pomocí PM neprobíhá genetická rekombinace
Bakteriální stěna: Gramovo barvení - Gram +, Gram –
G +
G -
Výživa a metabolismus bakterií – zapojeny do koloběhů dusíku, uhlíku , fosforu a síry v přírodě
Bakteriální onemocnění člověka • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
anthrax bakteriální úplavice záškrt tetanus zápal plic tyfus paratyfus mor cholera Streptococcus pneumoniae tuberkulóza angína černý kašel spála salmonelóza stafylokoková enterotoxikóza syfilis kapavka lymská borelióza lepra meningitida botulismus Mycobacterium tuberculosis
Salmonella enteritidis
Borrelia burgdorferi
Bakteriální onemocnění • • •
Léčba: antibiotika (produkty některých plísní a bakterií) Cíle působení antibiotik: buněčná stěna, plazmatická membrána, DNA, RNA, ribosomy Penicilin se řadí mezi beta-laktamová antibiotika - název je odvozen od plísně Penicillium (štětičkovec) - inhibuje syntézu bakteriálních buněčných stěn, váže se na určité enzymy (transpeptidázy a karboxypeptidázy) účastnící se syntézy peptidoglykanu.
Eukaryontní buňky - živočišná a rostlinná buňka
Některé typické odchylky rostlinné buňky oproti buňce živočišné: - přítomnost vakuol, buněčná stěny, chloroplastů - fotosyntéza probíhá na membránách thylakoidů chloroplastů, odlišné zastoupení cytoskeletálních proteinů, odlišný mechanismus cytokineze
Základní tři strukturální a funkční principy organizace eukaryontní buňky Princip buněčné paměti (nukleové kyseliny, chromosomy, nukleosomy, ….)
Membránový princip (biomembrány, plazmatická membrána, jaderný obal, endoplasmatické retikulum, vakuoly, Golgiho aparát, lyzosomy, mitochondrie, chloroplasty, …)
Cytoskeletální princip (mikrofilamenta, intermediární filamenta, mikrotubuly)
Každá buňka je komplexní hierarchický systém.
Princip buněčné paměti Paměť je schopnost zaznamenávat a ukládat informaci. Biologická paměť je založena na ukládání informace v živých systémech a tato informace se označuje jako genetická. Genetická informace je kompletní systém dat zajišťující všechny morfologické a funkční vlastnosti živého systému včetně jeho reprodukce. Základní požadavky na vlastnosti buněčné paměti jsou dostatečná velikost, stabilita v čase, expresibilita ve znaky, schopnost duplikace a vývoje. Universálním nositelem genetické informace je DNA, s výjimkou RNA virů.
Membránový princip
Membránový princip
Membránové organely eukaryontní buňky plazmatická membrána jaderný obal semiautonomní organely: mitochondrie, chloroplasty organely sekreční dráhy: endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát, sekreční váčky organely endocytózové dráhy: endosomy, lyzosomy peroxisomy vakuoly rostlinných buněk
Membránový systém všechny biomembrány - bimolekulární lipidový film (=dvojitá vrstva fosfolipidů), 7nm hydrofilní hlavička, hydrofobní (lipofilní) zbytky mastných kyselin fluidní charakter membrán, omezený proteiny, cholesterolem
Membránové proteiny integrální, periferní
Funkce membránových proteinů:
Plasmatická membrána - fluidní model, specificita, semipermeabilní bariéra i brána, nosič receptorů, signálních molekul, extracelulární matrix
Transport látek přes (plasmatickou) membránu volná difuse (např.H2O, plyny – N2, CO2) - rychlost difuse molekul závisí na koncentračním spádu usnadněná difuse - přenašečový transport pasivní transport – bez dodání energie aktivní transport – vyžadující dodání energie (ATP, ADP, fosforylace apod.)
endocytóza – pinocytóza, fagocytóza exocytóza
Transport látek přes PM pinocytózou mechanismus pinocytózy – vchlipování plasmatické membrány receptorově zprostředkovaná pinocytóza – membránové receptory, obalové proteiny (klathrin) – př. viry, LDL lipidy
Fagocytóza
na rozdíl od pinocytózy - realizována za pomocí aktinových mikrofilament pohlcená částice je uzavřena v membránovém fagosomu, fúzuje s lyzosomem z GA nesoucím degradační enzymy lyzát se uvolní do cytoplasmy, nebo je vyvržen exocytosou
Exocytóza
Biomembrány obecně – semipermeabilní, osmotická bariéra (osmotické jevy) Polopropustnost biomembrán pouze pro molekuly rozpouštědla. Molekuly rozpouštědla přecházejí z kompartmentu o nižší koncentraci rozpuštěné látky do oblasti s vyšší koncentrací rozpuštěné látky, čímž se vyrovnává koncentrační gradient. Izotonický roztok – koncentrace osmoticky aktivních látek je stejná jako v buňce. Hypotonický roztok – koncentrace osmoticky aktivních látek je nižší než v buňce. Hypertonický roztok – koncentrace osmoticky aktivních látek je vyšší než v buňce.
Biomembrány obecně – semipermeabilní, osmotická bariéra (osmotické jevy)
Smrštění=plasmorhiza
plasmolýza
plasmoptýza hemolýza
Buněčné jádro eukaryontní buňky
Jaderný obal
Jadérko
Chromatin
Buněčné jádro eukaryontní buňky jaderný obal – 2 biomembrány (vnější a vnitřní), mezimembránový prostor jaderná lamina (intermediární filamenta cytoskeletu) jaderné póry jaderná matrix Jádro lidské buňky: 10% objemu buňky, 2 x 23 chromosomů lidský genom 3x109 pb (2n buňka 6x109 pb) Hlavní procesy v jádře: replikace DNA transkripce u eukaryont syntéza ribosomální RNA v oblasti jadérka tvorba a transport ribosom. podjednotek transport mRNA do cytoplazmy spiralizace a despiralizace (kondenzace a dekondenzace) chromosomů během buněčného cyklu
Buněčné jádro eukaryontní buňky
Endoplazmatické retikulum
Struktura a funkce: ploché membránové měchýřky (cisterny) drsné -rER - povrch cisteren obsahuje ribosomy, syntéza proteinů pro export hladké - sER - povrch cisteren bez ribosomů, syntéza lipidů a steroidů
Golgiho aparát
u všech eukaryontních buněk, funkčně navazuje na rER diktyozom (Golgiho tělísko) – skupina několika plochých, paralelně uložených cisteren, po stranách se odškrcují váčky (nejčastěji shluk 4-8 plochých cisteren s periferně uloženými měchýřky) v živočišných buňkách většinou jeden diktyozom, u rostlin více diktyozomů tvořící GA polarizace GA – cis strana směrem k drsnému ER, trans strana k PM funkce – chemická modifikace látek - především glykozylace proteinů syntetizovaných na rER
Vezikulární transport: sekreční váčky a endosomy
Vezikulární transport: konstitutivní a řízená dráha exocytózy
Lyzosomy organely obalené jednou biomembránou, obsahují hydrolytické enzymy (pH=5) obsahující cca 40 různých hydrolytických enzymů (proteázy, nukleázy, lipázy, fosfatázy…) podílí se na vnitrobuněčném trávení odbourání extracelulárních materiálů, opotřebovaných organel, NK, proteinů, oligosacharidů, fosfolipidů trávicí proteiny jsou syntetizovány na rER, transportovány do GA, poté do lyzosomu fagolyzosom, autofagolyzosom funkční ekvivalentem u buněk rostlin jsou vakuoly
Peroxisomy organely obalené jednou biomembránou, podílí se na detoxikaci přijatých látek oxidací a na štěpení lipidů při oxidacích vzniká H2O2, který je rozkládán katalázou enzymy peroxisomů jsou vytvářeny na volných ribosomech a jsou transportovány do peroxisomů
Mitochondrie původ – endosymbiotická teorie semiautonomní organely válcovitých struktur – 0,5-1µm vnější membrána – poriny (nespecifické proteinové kanály) vnitřní membrána - mitochondriální kristy – transmembránové enzymy respiračního řetězce a enzymový komplex ATPsyntetáz (ATPáz) – oxidační fosforylace matrix – kruhová mitochondriální DNA, ribosomy, tRNa, proteosyntetické enzymy, enzymy aerobních metabolických drah oxidace MK, cyklus kyseliny pyrohroznové
Mitochondrie
- souhrn energetického metabolismu
funkce – tvorba energie v podobě ATP, zdrojem pro syntézu ATP z ADP je protonmotivní síla, podmíněna rozdílem koncentrace protonů na obou stranách vnitřní membrány – elektrochemický protonový gradient
Chloroplasty
původ – endosymbiotická teorie
semiautonomní organely, pouze u rostlin či u fotoautotrofních bakterií
Chloroplasty • •
vnější membrána, vnitřní membrána, mezimembránový prostor stroma: –
tylakoidy – oploštělé membránové měchýřky, které se kumulují do větších celků (grana), tylakoidní membrána obsahuje molekuly absorbující světlo, enzymy transportující elektrony a ATP syntetázu - fotosyntetická fosforylace – kruhová chloroplastová DNA ve více kopiích, proteosyntetický aparát
•
funkce – fotosyntetická fosforylace vytvářející ATP (světelná reakce) a fixace CO2 do uhlíkatého řetězce cukrů (reakce za tmy)
Semiautonomní organely eukaryontních buněk
Cytoskeletální systém buňky Cytoskeletální proteinová vlákna: mikrofilamenta -MF - 7 nm intermediární filamenta -IF– 10nm mikrotubuly – MT- 25nm Funkce cytoskeletu: strukturní pohybová Informační Výskyt: bakterie: nemají cytoskelet živočišné b. – všechny typy rostlinné b. - jen MF a MT
Mikrofilamenta monomer - globulární G-aktin, vazebné místo pro ATP → polymerizuje ve vláknitý F-aktin, který tvoří dvouspirálu – vlastní mikrofilamentum, šířky 7 nm, délka až desítky µm FUNKCE: vytváření tvaru a změny tvaru buňky amébovitý pohyb fagocytóza cílený transport (targeting) (např.mikroklky střevní) cytokinese živočišných buněk je realizována aktinovým kontraktilním prstencem mají asociované proteiny – povahy molekulových motorů (myosiny) či nemotorové komplex aktin-myosin – zajišťuje svalový pohyb
Molekulové motory spojené s aktinem myosin → molekulový motor MF (ATPáza)
Mikrofilamenta aktinomyosinový komplex - svalový pohyb - teleskopické zasouvání silných vláken myosinu mezi tenká vlákna aktinu
Intermediární filamenta několik typů IF není univerzální monomer stavební jednotka – tetramer, tvořící protofilalmentum, až konečné IF složené z 8 protofilament - 10nm
Třídy intermediárních filament a jejich funkce
neurofilamenta
Funkce IF: vlastní "(cyto)skelet" živočišných b. IF se vyznačují mechanickou pevností podílí se na mezibuněčných interakcích vztah k úloze různých specializovaných (diferencovaných) buněk mají asociované proteiny
Mikrotubuly složení MT: dimery α + β tubulinové podjednotky, obě vážou GTP, sestavují se do protofilament MT obsahuje cca 13protofilament polymerizace: záporný a kladný konec MT mají asociované proteiny – nemotorové či molekulové motory (dynein, kinesin – transport váčků sekreční dráhy, axonový transport)
Dynamická instabilita mikrotubulů a polarizace MT
Lokalizace mikrotubulů v buňce MTOC (mikrotubuly organizující centra, konce MT) → centra, ze kterých MTs vyrůstají: centrosomy, basální tělíska bičíků a řasinek,... struktura bičíku: 9 dublet + 2, protofilament: 13+10, dynein, nexin Pozor! v bičíku bakterií → protein flagelin mitotický aparát u rostlin úloha v cytokinezi
Mitóza a role mikrotubulárního aparátu
25
Molekulové motory MT- Kinesiny a dyneiny jsou to enzymy ATPázy, umožňující pohyb po vláknech cytoskeletu.
Topologie (rozložení) buněčných organel v buňce je dána uspořádáním cytoskeletu: hlavní roli hraje molekulární interakce organel s mikrotubuly nebo aktinem.
Cytoskelet ve fluorescenčním mikroskopu: submembránový aktin červeně, mikrotubuly zeleně, chromosomy modře.
POZN: některé cytoskeletální komponenty části buněk se označují zvlášť - př.: jaderný skelet (hlavní složka laminy - podílejí se na kotvení chromosomů, reverzi jaderného obalu v telofázi ap.), membránový cytoskelet - signální funkce PM, exoskelet (glykokalyx, b.stěna, atp.)
