BUŇKA I. Základní morfologické charakteristiky buňky. Vlastní struktury buňky (biologické membrány, cytoskelet, cytoplasma)

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 prvok Paramecium

neuron (Purkyňova b.)

bakterie Bdelovibrio bacteriovorus

řez stonkem rostliny

neutrofil a erythrocyt Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

Evoluce Země, buňky a organismů vznik měsíce

-4500 mil. let

→

těžké bombardování meteority

→

pozdní těžké bombardování

-3800 až 4000 mil. let

→

ochlazování plynů

→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.

Bacteria

Eukarya / Archaea

chromosom

Life: the Science of Biology, Sinauer Assoc., Inc. 5th ed., 1997

nukleoid

komplex s histony

sigma faktor

TATA vazebný protein

iniciace transkripce

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 O2 v prostředí si žádala u patrně anaerobní dávné eukaryoty syntrofii s aerobem, a jeho pohlcením vzniká mitochondrie


Syntrofická hypotéza

Syntrofická hypotéza – nejprve „primitivní eukaryot“

►Složité životní cykly a „sociální“ chování d-proteobaktérií mohlo být předpokladem vzniku mnohobuněčných eukaryot.

Myxococcus xanthus

Zusman a kol., Nat. Rev. Microbiol. 5:862-872, 2007

(i)

Vodíková hypotéza – archaea s předchůdcem mitochondrie

Mezi současné a-proteobakterie patří např. buněční parazité rodu Rickettsia, nebo rostlinní symbioté rodu Rhizobium.


Vodíková hypotéza

Vznik eukaryotní buňky – jedna z hypotéz

Vodíková hypotéza – archaea s předchůdcem mitochondrie i) v konzorciu došlo k pohlcení bakteriální buňky (a-proteobakterie produkující H2) buňkou archebakterie (H2 utilizující)

●mitochondrií (respirace, +36 ATP / glukosa)

… vlastní DNA

●hydrogenosomů (?, + 2ATP / glukosa)

… některé vlastní DNA

●mitosomů (?, +2ATP / glukosa, -2NADPH)

… bez DNA

degenerace?

ii) bakterie nebyla strávena, ale stala se předchůdcem:

(i)

dnes

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 × 1030)

Buňka – organely

a

vlastní struktury dnes


Plazmatická membrána a buněčné membrány

jsou obecně asymetrické


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


Detail těsného spoje


(i)

Cytoskelet Pouze eukaryota ►napomáhá podpírat velký objem cytoplasmy ►zodpovědný za pohyb (pohyb buněk, změny tvaru buněk) ►organizuje pohyb objektů uvnitř buněk

Johnson R.: Biology, 5th 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)


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.

(i)

Růst a zkracování mikrotubulů

►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)

Mikrofilamenta – aktinová vlákna

}

Nitrobuněčné svaly

Nesvalová:  zásadně důležitá pro buněčný pohyb - pohyb po podkladu - pohlcování částic fagocytozou - dělení živočišné buňky

 mohou vytvářet stabilní struktury - microvilli v mikroklcích = stabilizace tvaru


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

(i)

Buněčný kortex tvořený spektrinem zakotveným prostřednictvím spojníků na transmembránové proteiny je dále zesílen mikrofilamenty


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


Mikrofilamenta v (pohybující se) živočišné buňce

(i) ●lamelipodia a filopodia se tvoří orientovanou polymerací aktinu „průzkum“ a pohyb buňky po podložce

směr prodlužování mikrofilamenta


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


Pohyb živočišné buňky po podložce

(i) Extracelulární matrix Povrch jiné buňky

transmembr. proteiny integriny zprostředkují pevné spojení s nosičem


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


Pohyb objektů zprostředkovaný aktin-myosinovým komplexem

(i)

princip: ●navázání ATP ●uvolnění ATP-myosinu z vazby na mikrofilamentum

= změna polohy oproti vláknu

●navázání ADP-myosinu na následující aktinovou molekulu

●uvolnění ADP ●návrat do původní konformace vyvolává tah = pohyb


●hydrolýza ATP ●změna konformace myosinu

Pohyb objektů zprostředkovaný aktin-myosinovým komplexem

příklady:


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

kolagen

(i)

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)

Mezibuněčné spoje u živočišných buněk

► ► ► ►


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)


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 SiO2)

(i)

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

…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

BUŇKA I. Základní morfologické charakteristiky buňky. Vlastní struktury buňky (biologické membrány, cytoskelet, cytoplasma)

Recommend Documents