Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D. Ústav biologie a chorob volně ţijících zvířat, FVHE, VFU Brno
Kontakt: tel: 541562633 e-mail:
[email protected] www: http://biology.hostuju.cz/pripravny_kurz_20122013_Pk3zatZt00/ - přednášky - odkazy na internet
© 2013 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.
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, 1996 --------------------------------------------------------------------------------Kincl, Chalupová a Bičík: Biologie (1850 testových otázek a odpovědí), Rubico, 2002
Chalupová: Obecná biologie, Olomouc, s.r.o, 2002
Ţivé soustavy
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.
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)
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)
Nebuněčné formy ţivota VIRUS (virus = toxin nebo jed) velikost (20-300 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?
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)
bakteriofág
bakterie
Lytický cyklus
Lyzogenní cyklus
profág
Animace – replikace bakteriofága: http://leavingbio.net/viruses%20webpage.htm http://www.youtube.com/watch?v=rzdwfwuVWUU
Retrovirus = ssRNA (virus HIV) - reverzní transkriptáza - provirus Nukleotidové inhibitory reverzní transkripce
hostitelská buňka reverzní transkriptáza
jádro
Inhibitory fúze
ne -nukleotidové inhibitory reverzní transkripce
Co to znamená reverzní transkripce?
Inhibitory proteázy
Animace HIV virus: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter26/animations.html#
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?
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
zdravé zvíře
nemcné zvíře
http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter26/animations.html#
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
Jan Evangelista Purkyně (1787-1869) škola v Libochovicích na Litoměřicku piaristické gymnázium studium lékařské fakulty na Pražské univerzitě asistent na ústavu anatomie v Praze (1823-1850) Vratislav (Wroclaw) katedra fyziologie (1850-1869) Praha, přednášel fyziologii do svých 80 let 1853 - 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
Moderní buněčná teorie 1. 2. 3. 4. 5. 6.
všechny živé věci jsou tvořeny z buněk buňka je základní strukturní & funkční jednotka buňky vznikají z jiných buněk dělením všechny buňky obsahují genetickou informaci všechny buňky mají stejné základní chemické sloţení 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“
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Now have you ever seen any doughnuts without holes? In a cell, they're called vacuoles. They're filled with stuff like H2O And they carry food so the cell can grow.
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.
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.
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 my friend, you know it well, The unforgettable story of the living cell.
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?
ROZDÍLY MEZI PROKARYOTICKÝM A EUKARYOTICKÝM TYPEM BUŇKY buňka prokaryotická
buňka eukaryotická
velikost buněk
1-10 m
10 -100 m
organely
ojedinělé
DNA
cirkulární, 1 chromozom (jen dsDNA)
jádro, mitochondrie, ER, chloroplasty.. lineární, chromozomy (dsDNA + bílkoviny histony)
jádro
NE - nukleoid
ANO
ribozomy
70S
RNA a proteiny
syntéza ve stejném kompartmentu
cytoplazmatické 80S (chloroplasty 70S, mitochondrie 70-80S) syntéza RNA v jádře, proteiny v cytoplazmě
metabolismus
anaerobní a aerobní
aerobní
cytoplazma buněčné dělení
cytoskelet ojediněle binární
cytoskelet, exocytóza, endocytóza mitóza/meióza
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
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
Prokaryota
Monera
Monera
Eubacterie
Bacterie
Archaebacterie
Archea
Protista
Protista Vegetabilia
Rostliny Rostliny
Živočichové
Živočichové
Protista
Protista
Houby
Houby
Rostliny Živočichové
Fylogeneze
Namaluj příklad fylogenetického stromu
Eukarya Živočichové
Živočichové
Fylogenetický strom (Woese et al., 1990)
Animation: Evolution of three domains: http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp27/27020.html
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?
EUKARYOTA - ROSTLINNÁ BUŇKA Vakuola Jádro
GA
Jadérko
Chloroplasty
Lysozomy Cytoplazmat. membrána
Mitochondrie
ER a ribosomy Buněčná stěna
Animace: http://www.cellsalive.com/cells/cell_model.htm
EUKARYOTA - ŢIVOČIŠNÁ BUŇKA Mikrotubuly Mitochondrie Centrioly
Chromatin Jaderný obal Jádro Jaderné póry Jadérko
GA Lysozomy
Vesikuly Cytosol
Bičík
Cytoplazmatická membrána Hladké ER
Drsné ER Ribosomy
Animace: http://www.cellsalive.com/cells/cell_model.htm
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 ?).
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
MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA BIOMEMBRÁN fosfolipidy - fosfatidylcholin (lecitin) - fosfatidylethanolamin (kefalin) - fosfatidylinozitol - sfingofosfatidylcholin (sfingomyelin) steroly - cholesterol (Živočišné buňky mají nejvíce cholesterolu, u bakterií není)
LIPIDY
PROTEINY
globulární proteiny a glykoproteiny
Funkce: přenašeče (Na/K-ATPáza), spojníky (integriny), receptory, enzymy (adenylátcykláza) lipidy a bílkoviny v poměru 1:1
USPOŘÁDÁNÍ MOLEKUL V BIOMEMBRÁNĚ Animace: http://home.earthlink.net/~shalpine/anim/Life/memb.htm http://www.stolaf.edu/people/giannini/biological%20anamations.html
fosfolipidy - dvojitá vrstva proteiny: periferní - na povrchu dvojité vrstvy fosfolipidů integrální: penetrující - noří se do membrány transmembránové - prochází membránou model tekuté mozaiky
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.
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: http://www.johnkyrk.com/cellmembrane.html
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)
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.
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..)
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
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
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?
Drsné ER Hladké ER
Nakresli Golgiho aparát.
GOLGIHO APARÁT - složitá membránová struktura (pojmenované po Italu Camillo Golgi) - součást všech eukaryontních buněk (u rostlin = DICTYOSOM) - 4-8 oploštělých cisteren, množství transportních měchýřků
Funkce: chemická modifikace látek (glykozylace, sulfatace, specifická proteolýza atd.) syntetizovaných v ER Animace - GA: distribuce látek v buňce http://bcs.whfreeman.com/thelife wire/content/chp04/0402002.html
Sekreční dráha (cesta proteinu z ER k cyt. membr. - 30-60 min.) drsné ER
protein
protein
GA
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 signál transdukce signálu sekreční váček Animace sekrece proteinů: http://www.sumanasinc.com/webcontent/anisamples/molecularbiology/proteinsecretion_fla.html
Regulovaná sekrece
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: http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120067/bio01.swf
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
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 (H2O2 je štěpen katalázou za vzniku kyslíku, který je využit k oxidaci řady látek - fenolů, formaldehydů, alkoholů….) 2H2O2 2H2O + O2
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
Tři domény života na Zemi
archea
bakterie
eukarya
Původ mitochondrie – endosymbiotická teorie
Animace -původ mitochondrií a chloroplastů: http://www.sumanasinc.com/webcontent/anisamples/nonmajorsbiology/organelles.html
Nakresli mitochondrii a chloroplast.
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
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 CO2 do uhlíkatého řetězce cukrů (i za tmy)
CYTOSOL (CYTOPLASMA) - koncentrovaný vodný gel malých a velkých molekul - uvnitř buňky, mimo organely - řada chemických reakcí - syntéza proteinů na RIBOSOMECH
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
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
