BIOLOGIE BUŇKY
Význam a metodologie buněčné biologie. Význam a souvislosti Buněčná biologie (biologie buňky) - biologická disciplina s orientací na problematiku strukturních, funkčních, biochemických, fyzikálně – chemických a dalších aspektů funkce a organizace biologického prostoru (kompartmentu), který je strukturálně vymezen (separován) a univerzálně nazván termínem „buňka“ (cell, Hooke-1674). Společný základ faktografie této discipliny tvoří , mimo jiné: ►Buněčná teorie (Schleiden a Schwann-1838) první poznatkové shrnutí, které konstatuje: buněčný základ makroorganismu, odlišnost buněčného typu, buněčnou diferenciaci, rozlišení jádra a cytosolu a buněčnou reprodukci (buňky nevznikají de novo), a vytváří základ dalších obecných charakteristik buňky jako stavební jednotky i jednobuněčného organismu. ►Společné rysy buněčné organizace, základních buněčných procesů, „molekulární ekonomie“ i fylogenetického a ontogenetického (buněčného) vývoje. ►Universální chápání buňky jako otevřeného systému, který ve všech svých částech (v daném čase) udržuje stejnou teplotu a tlak. ►Obecná ilustrace buňky – jednobuněčného organismu – jako organizmální formy schopné: autoregulace / adaptace, autoreprodukce, autopravy a funkční a tvarové diferenciace. ►Charakteristiky, které vymezují buněčný typ prokaryotní a eukaryotní. ►Společné rysy rámcové buněčné kompozice. ►Společná molekulová biologie. Metodologie a experimentální přístupy Buněčná biologie - experimentální vědní disciplina s hlavní orientací na buněčnou strukturu, funkci, komposici, hlavní buněčné procesy, dílčí biochemické procesy a fyzikálně – chemické procesy. Hlavní směry interpretace poznatků: vztah buněčné struktury a funkce; regulace a integrace buněčných procesů; mechanismu a koordinace buněčných procesů; buněčný transport; buněčný metabolizmus; mezibuněčné vztahy a interaktivní chování buňky (jednobuněčných organismů); buněčný cyklus a buněčná smrt. Buněčný typ jako experimentální model buněčné cytologie. Studium individuální buňky a buněčné populace. Nástroje buněčné biologie: ►Mikroskopie; ►Pod-buněčná frakcionace; ►Cyto-analytické přístupy. Experimentální význam buněčné reprodukce a (buněčných) klidových stavů. Buněčná biologie vs molekulová biologie. Molekulová biologie – experimentální vědní disciplina s hlavní orientací na strukturu a interakce bio-makromolekul a jejich vztah (primárně) k buněčným funkcím a vlastnostem. Molekulová biologie vs molekulová genetika
Buněčná evoluce Vznik společného předka současných buněčných typů Charakteristika pravděpodobných podmínek vzniku organických molekul; (prebiotická atmosféra Země; prebiotická syntéza HCN, aldehydů, aminokyselin, aminokyselin, organických bazí, ribonukleotidů a fosfolipidů) Experimentální verifikace: 1920 a dále - organická molekula může vzniknout a polymerizovat za podmínek simulujících předpokládané podmínky prebiotické. 1950 a dále – experimentální zpřesnění simulovaných podmínek pro širší škálu organických molekul. Spontánní syntéza organických molekul a vznik makromolekul. Informační makromolekuly a jejich úloha v evoluci reprodukčního procesu. Prebiotická úloha anorganických polymerů. Kovalentně vázané komplexy poly-kationtových a poly-aniontových polymerů Evoluční úloha fosfolipidů – primární biologická membrána. Evoluční úloha biologické membrány - vznik primárního buněčného kompartmentu „první“ buňky Evoluční význam uzavření a prostorové separace auto-replikativní formy RNA. Vznik jednotky schopné autoreprodukce a dalších evolučních kroků. Metabolizmus Evoluce buněčného metabolizmu vs metabolizmu energetického. Evoluce energeticky závislých procesů. Význam odbourání organických molekul v nepřítomnosti kyslíku. Evoluce glykolýzy a její význam v buněčné evoluci. Fotosyntéza – následný (hlavní ) evoluční krok. Význam a časová poloha oxidativního metabolizmu. DNA Důvody vzniku a evoluční význam DNA; genetická informace; toky genetické informace; evolučně nejstarší enzymy. Vznik progenotů – začátek biologické evoluce. Význam vzniku buněčných sub-kompartmentů Evoluční význam buněčné kompartmentace. Základní představa teorie endosymbiosy – vznik eukaryotního buněčného typu. Buněčná diverzita Společné znaky různých buněčných typů. Význam procesní a strukturální univerzality všech buněčných typů. Komplementarita buněčných typů. Buňka vs virová částice Znaky vnitrobuněčného parazitizmu. Evoluce vnitrobuněčného parazitizmu
Buněčný typ Buněčné funkční a organizační principy nezávislé na buněčném typu Buňka – systém s cílovým chováním. Integrita buněčného systému vs dynamika buněčných procesů. Autonomie buněčného sytému vs rozsah vlastní genetické informace. Autoregulace buněčných procesů. Autonomie katabolického a anabolického metabolismu. Vztah k mimobuněčnému prostředí – látkový, energetický a informační tok. Reakce na krátkodobé a dlouhodobé změny prostředí. Funkční organizace – principy strukturní organizace a koordinace klíčových buněčných procesů. Funkce základních buněčných komponentů. Existence buňky v čase Závislost na zdroji uhlíku, dusíku a fosforu. Aparát absorpce a transformace energie. Využití volné energie v procesech endergonických. Informační závislost a nezávislost buňky. Informace určující účelné chování. Autonomie celkové genetické informace. Vnější informace nutné k zachování integrity makroorganismu. Strukturní a prostorová organizace – komplexy membránové, fibrilární, koloidní. Rozlišení buněčného typu z hlediska strukturální organizace a buněčného (fylogenetického) vývoje. Buněčný typ prokaryotní – popis na základě: Strukturní jednoduchosti. Stavby a diferenciace buněčné stěny. Vnitřní a vnější fibrilární struktury stěny. Membránového systému a jeho derivátů Charakteru uložení jaderné a mimojaderné DNA. Prokaryotního genoforu. Rychlosti fyziologické adaptace vs stavby prokaryotního genoforu. Buněčný typ eukaryotní – popis na základě strukturní složitosti (vs buněčný typ prokaryotní): Vnitrobuněčného prostorového členění; soustavy buněčných kompartmentů. Charakteru uložení jaderné a mimojaderné DNA. Stavby genofor eukaryotní buňky. Základní charakteristiky stavby a funkce cytoskeletu. Ilustrativní (komparativní) charakteristiky buňky kvasinkové, rostlinné a živočišné. Základní charakteristiky a funkce struktury glykokalyxu buňky živočišné. Mezibuněčná spojení Význam mezibuněčné komunikace pletiv a tkání. Diferenciace buněčných povrchů. Nadbuněčné celky jednobuněčných organismů. Buněčný protoplast Příprava a experimentální použitelnost buněčných forem s odstraněnou buněčnou stěnou. Stupeň odstranění buněčné stěny. Struktura sféroplastu. Podmínky a proces re-syntézy buněčné stěny.
Molekulová kompozice buňky Chemické složení buňky Chemické komponenty anorganické a organické. Funkce vody a minerálních iontů. Funkce a chemický typ organických molekul. Prvkové složení vs buněčný typ, funkční stav a vliv prostředí. Základní charakteristika a funkce cytosolu. Voda jako dispersní medium koloidního systému cytosolu (protoplasmy). Volná a vázaná voda. Molekula vody jako dipól. Voda jako sorbent tepla. Buněčný deposit minerálů. Universální přítomnost monosacharidů, mastných kyselin, aminokyselin, lipidů a dusíkatých bazí a odvozených makromolekul a nadmolekulárních struktur. Typy mezimolekulárních (nekovalentních ) interakcí. Komparativní ilustrace chemického složení buněk různých typů. Variabilita molekulové komposice buňky ve vztahu k jejímu ontogenetickému vývoji a buněčné adaptaci. Asymetrie a abnormalita v molekulové komposici buňky. Vnitrobuněčný deposit nutričně významných molekul. Chemické složení buněčné stěny. „Síťování“ makromolekul vnější vrstvy buněčné stěny. Subjednotková stavba nadmolekulárních útvarů. Proteinový aparát buňky Proteiny: katalytické, strukturální, transportní, genetické, regulační, kontraktilní, imunoproteiny. Klasifikace podle tvaru molekuly. Proteiny jednoduché, konjugované a odvozené. Typy a funkce konjugovaných proteinů: nukleoproteinů, mukoproteinů, chromoproteinů, fosfoproteidů, lipoproteidů a mataloproteinů. Multiproteinové komplexy. Autoorganizace proteinových subjednotek. Nukleoproteinové komplexy. Vazba protein – ligand. Vnitrobuněčná imobilizace proteinů. Proteinová složka buněčné stěny. Mimobuněčně vázané proteiny Receptorové proteiny. Indukované změny molekulové kompozice Buněčná odpověď na vliv stresových podmínek. Kompoziční změny indukované procesem buněčné smrti. Stav a analýza buněčného proteomu.
Struktura buněčného genomu Buněčné jádro prokaryot Model bakteriální buňky. Prokaryotický ekvivalent jádra – nukleoid. Jediný chromozom (genofor ) – molekula dvDNA. Uzavřenost molekuly DNA. Jaderný genom: „nepostradatelná“ genetická informace, životní funkce, tRNA, rRNA Proteinová složka nukleotidu. HLP – proteiny. Proteiny nepistonového typu. Isolace nukleoidu. Kontakt nukleoidu s cytoplasmatickou membránou. Uložení jaderné DNA v konformaci nadšroubovice. Alternativní stavy uložení. Základní rysy replikace prokaryotického chromozomu. Termín replikon. Vizualizace nukleoidu. Prokaryotický mimojaderný genom Bakteriální plazmidy. Uzavřenost plazmidové dvDNA. Plazmidový replikon. Zaměření mimojaderné genetické informace. Membránový kontakt plazmidového replikonu. Stabilita plazmidové DNA. Význam počtu kopií plazmidové DNA. Mezibuněčný přenos bakteriálních plazmidů a jeho význam. Rizika horizontálního přenosu. Buněčné jádro eukaryot. Komposice kompartmentu buněčného jádra. Morfologie jaderného kompartmentu Jaderná membrána. Perinukleární prostor. Porozita jaderného kompartmentu. Nukleoplasma. Nízkomolekulové organické komponenty jaderného kompartmentu. Strukturní a kompoziční znaky chromatinu. Upoutání chromatinu. Základní stavy chromatinu. Vizualizace chromatinu. Genetická aktivita chromatinu. Bílkovinná složka chromatinu. Morfologie eukaryotického chromozomu. Karyotyp. Lineární molekula dvDNA eukaryotického chromozomu. Genové a další repetice DNA. Funkční složky eukaryotického chromozomu. Topologie uložení jaderné DNA. Struktura funkce jadérka. Cyklické změny jaderného kompartmentu. Izolace, biochemická a cytologická analýza jaderného kompartmentu. Eukaryotický mimojaderný genom Společné znaky a individualita mitochondriového genoforu modelových buněčných typů. Individualita a strukturní variabilita (ds) mt DNA. Charakteristika chloroplastového genoforu – (dv) ctDNA.
Buněčné membrány Lokalizace vs funkce Prokaryotní a eukaryotní membránový systém. Universalita a diferenciace funkce biologické membrány. Obecná funkce a diferenciace cytoplasmatické membrány. Elektronoptický obraz cytoplasmatické membrány. Izolace membránového systému prokaryotní a eukaryotní buňky různého buněčného typu. „Red cell ghost“. Základní analytické přístupy. Kompozice biologické membrány Poměr obsahu membránových proteinů / lipidů. Typový a funkční význam tohoto poměru. Zastoupení dalších komponentů. Fyziologická variabilita komponentů biologické membrány. Funkce membránových komponentů Proteiny transportní, katalytické, strukturální a receptorové. Individualita jejich vlastností. Solubilizace membránových proteinů. Periferní a integrální proteiny. Asymetrie uložení membránových proteinů. Membránové polypeptidy Základní vlastnosti periferních a integrálních proteinů. Funkce a typy glykoproteidů. Sialoglykopeptidy. Membránová enzymová aktivita. Funkce fosfolipidů. Přítomnost glykolipidů. Funkce a typy sterolů vs buněčný typ. Modely membránové architektury. Membránová vlastnost a charakteristika jako faktor určující primární představy o stavbě biologické membrány. Univerzalita membránové stavby. Historický přehled vývoje individuálních modelů (Danielli-Davson, Robertson, Green) Model tekuté mozaiky. Interakce mezi proteiny a lipidy. Význam hydrofilních a hydrofobních molekulových zón. Teplota vs uspořádaný a neuspořádaný stav.Význam membránové fluidity. Membránová reaktivita v závislosti na interakci lipid/lipid, protein/protein, lipid/protein. Pohyb integrálních proteinů. Membránová spojení – desmozom. Funkce biologické membrány. Úloha membrány v základních buněčných procesech. Aditivní membránové struktury prokaryotní buňky (mesozom, thylakoid). Uložení respiračního aparátu prokaryotní buňky. Funkce semipermeabilní bariéry. Premeabilizace. Úloha v mezibuněčných interakcích eukaryotních buněk makroorganismu. Funkce v buněčné adherenci. Úloha v mezibuněčném rozpoznání podobného a diferencovaného buněčného typu. Uložení a funkce aparátu příjmu a přenosu informace (chemického signálu). Úloha v morfogenezi vnitřního membránového systému – buněčné kompartmentaci. Úloha v regulaci a vlastním procesu buněčných transportů. Nosič a prostředí biochemických procesů. Základní úloha v procesu endocytózy a exocytózy. Úloha v přenosu nervového vzruchu. Funkce mechanické, izolační, v buněčném pohybu, v upoutání ribozomů.
Buněčná autoreprodukce Základní aspekty buněčné reprodukce Individualita buněčné (auto)reprodukce prokaryotního a eukaryotního buněčného typu. Biologické požadavky buněčné reprodukce. „Identita“ dceřinných buněk. Reprodukce buněčných populací pletiv a tkání. Populace monokolniového izolátu. Buněčný klon a buněčná linie. Proces buněčné reprodukce Dělení buněčné vs dělení jaderné. Obecné požadavky distribuce jaderné a mimojaderné genetické informace. Koordinace obou procesů. Časové vztahy obou procesů. Poruchy vertikální distribuce genetické informace. Dělení fyzické a fyziologické. Buněčné dělení jako vyvrcholení buněčného cyklu. Proces cytokineze – vývoj a základní charakteristiky vzniku transverzálního septa. Morfologie buněčné reprodukce prokaryotní a eukaryotní buńky. Buněčná symetrie a asymetrie cytokineze. Abnormalita a poruchy cytokineze. Úloha buněčné stěny v procesu cytokineze. (Rozdíly v případě grampozitivních a gramnegativních bakterií). Dělení buněčných protoplastů. Sledování a experimentální podmínky. Specifické a nespecifické procesy buněčného dělení. Experimentální význam inhibitorů buněčného dělení. Důsledky inhibice replikace DNA, a specifické inhibice jaderného dělení. Řízení buněčné reprodukce Regulační úloha malých a velkých molekul. Regulační úloha buněčné velkosti. Kontaktní inhibice buněčné reprodukce. Regulační úloha syntézy buněčné stěny – stěnového materiálu. Regulační úloha cytoplazmatické membrány. Změna membránové konfigurace. Gentická determinace Genom buněčného dělení. Experimentální význam specifických mutantů. Význam termosenzitivních mutantů. Mitóza Model procesu mitózy savčí buňky. Funkce a základní charakteristika kinetochoru. Experimentální přístupy studia procesu mitózy.
Buněčný pohyb Modely buněčného pohybu. Modely vnitrobuněčného pohybu. Význam buněčného pohybu diferencovaných buněk makroorganismu. Význam pohybu jednobuněčného organismu. Lokomoční orgány prokaryotické a eukaryotické buňky. Vlastní pohyb vs buněčný pohyb. Regenerace a auto-organizace orgánů buněčného pohybu. Amoeboidní pohyb Změna pohybu – taxe (model chemotaxe) Základní význam, princip a komponenty chemosensorického systému (model jednobuněčného prokaryotního organismu. Excitace – adaptace systému. Strategie změny směru a rychlosti rotace orgánu pohybu – dráhy pohybu. Spřažení mechanického pohybu se zdrojem energie. Buněčné vnímání atraktantu a repelentu . Prostorový mechanismus kontroly směru bakteriálního pohybu. Časový (paměťový) mechanismus. Magnetotaktické chování Model magnetotaktického chování bakteriální buňky. Schopnost buněčné geomagnetické orientace. Vnitrobuněčný magnetický dipól. Ilustrace problematiky buněčné biologie v kontextu mikrobiologie, nanobiotechnolgie, biogeochemie a magnetosensoriky makroorganismů. Morfologická variabilita magnetotaktických buněk. Multibuněčné typy. Variabilita orgánů pohybu magnetotaktických bakterií. Magnetotaxe vs buněčné chování v magnetickém poli. Struktura magnetozomu, kompartment magnetozomu, uložení Fe3O4 , Fe3S4. Chování a uspořádání krystalového komponentu magnetozomu. Membránové proteiny magnetozomu. Pohyb cytosolu Vnitrobuněčný pohyb cytosolu (protoplasmy) prokaryotní a eukaryotní buňky. Statické vrstvy cytosolu. Cyklóza cytosolu rostlinné buňky. Pohyb cytosolu a buněčných kompartmentů. Mechanická funkce vnitrobuněčných struktur. Buněčné kontraktilní komponenty Mikrofibrilární aparát. Základní charakteristika myosinu. Asociované bílkoviny. Prostorová interakce filament. Energetický zdroj kontrakce.. Úloha Ca2+; Buněčná excitace Model neuronu. Axoplasma. Membrána neuronu. Excitační potenciál. Klidová stadia. Iontový gradient. (Na+-K+, ATPasa). Membránová polarita. Přenos nervového vzruchu. Charakteristika synapse. Pre-synaptické oblasti. Excitační a inhibiční synapse.
Buněčný povrch Buněčný povrch – komplex povrchových struktur buněčného kompartmentu. Buněčný povrch jako struktura vymezující:prostor vnitrobuněčný, mimobuněčný a mezibuněčný. Základní makrostruktury komplexu povrchový struktur. Prostor periplazmatický. Význam interakce buněčného povrchu s povrchy biotickými a abiotickými. Aditivní vrstvy buněčného povrchu vs buněčný typ. Buněčná stěna prokaryot a rostlinné buňky vs glykokalyx buňky živočišné. Obecný význam a individualita stavby obou struktur. Povrchově vázaný a uvolňovaný mimobuněčný materiál. Vztah jeho složení a funkce. Vnější „mikro-prostředí“ buňky. Mikroprostředí suspenzní a upoutané buňky. Kompoziční variabilita. Fyziologické působení tohoto hypotetického prostoru. Obecný vztah struktury a funkce buněčné stěny. Obecný model buněčné stěny. Individualita rigidní části buněčné stěny. Kontakt buněčné stěny a cytoplazmatické membrány vs buněčný typ. Hypotetické funkce periplazmatického prostoru. Experimetální dostupnost periplazmatického prostoru. Obecné principy morfogeneze buněčné stěny. Metodologie studia růstu buněčné stěny. Enzymový aparát buněčné stěny. Cílená degradace buněčné stěny. Cílená aplikace hydrolyticých enzymů vs další metodické přístupy. Osmotická fragilita a skladování protoplastů. Funkce a vlastnosti buněčného povrchu Obecné funkce buněčné stěny: determinace buněčného tvaru fyzikálně – chemická a mechanická protekce molekulové interakce mezibuněčné interakce úloha v procesu buněčného růstu, pohybu a reprodukci specifická a nespecifická účast v buněčném transportu specifické vazebné interakce (virová částice, protilátka atd.) vazebné interakce v procesu upoutání celé buňky. Elektrokinetiké vlastnosti buněčného povrchu. Povrchový náboj a potenciál. Úloha a funkce bakteriálních fimbrií. Typy fimbrií. Úloha buněčného povrchu ve specifické buněčné rezistenci. Stárnutí buněčného povrchu. Poruchy stavby a morfogeneze buněčného povrchu. Experimentální přístupnost buněčného povrchu. Význam poměru buněčného povrchu k buněčnému objemu Specifický povrch vs kontakt buňky a prostředí.
Funkce podbuněčných struktur Prokaryotní buňka Vznik struktury mesozomu. Experimentální dostupnost mesozomu. Pravděpodobný funkční význam mesozomu jako prokarytního „pseudo“ kompartmentu. Význam četnosti a varaibility mesozomálních struktur. Stavy umožňující isolaci. Význam zvýšení objemu buěčné membrány. Eukaryotní buňka Strukturně – organizační úroveň ve srovnání s buńkou prokaryotní. Význam vnitrobuněčného členění. “Viditelné a neviditelné” kompartmenty. Struktury vnitrobuněčného depozitu. Aparát organel Mitochondrie: Základní koncepce stavby a strukturní variabilta, podopbnost s prokaryotní buňkou, četnost, základní (obecné) biochemické funkce, proteoszntetický aparát, mt DNA. REprodukce mitochondrií. Semi-autonomie mitochondrií. Golgiho aparát: Základní koncepce stavby. Diktyozom vs Golgiho complex. Funkce biochemické afunkce v aparátu buněčných procesů. Komunikace a sekreční funkce Golgiho aparátu. Funkční polarita diktyozomu. Endoplazmatické reticulum: Základní koncepce stavby. Granulované a hladké ER. Sarkoplamatické reticulum svalové buňky. Funkce v proteosyntéze a post-syntetické modifikaci proteinů. Funkce transportní. Zdroj buněčné membrány. Lysozom: Stavba a obecné vymezení biodegrdační funkce. Enzymový aparát. Stadia ontogenetického vývoje (primární – terciální lysozom). Aparát multivezikulárních těles. Vakuola rostlinné buňky: Základní funkce v lytických procesech buňky. Variabilita velikosti. Komposice vakuolární matrix. Vakuolární inkluze. Plastidy rostlinné buňky: Chloroplasty - vztah organizace a funkce. Struktura tylakoidů Stručné vymezení nomenklatury dalších plastidů. Polyfunkční platidy. Izolace a experimentální použitelnost individálních buněčných organel. Cytologický obraz organel jako diagnostický znak. Recyklace membrán buněčných organel.
Buněčný transport Evoluční vývoj transportních mechanizmů v kontaktu buňka – vnější prostředí z hlediska: vstupu použitelných i potenciálních živin, selektivního uvolňování metabolitů / biopolymerů a stabilizace (udržování) iontové rovnováhy. Nespecifický transmembránový pohyb organických molekul
Jednoduchá difúze. Nespecifický , energeticky nezávislý pohyb malých a velkých molekul, vody. Preference látek rozpustných v membránových lipidech. Vstup xenobiotik. Ilustrace transportu prostřednictvím rozpuštění v membránových lipidech, zachycením roztoků v rychle migrujících řetězcích hydrofilních mastných kyselin a pohybu hydrofilními póry v blízkosti pohyblivých membránových bílkovin. Omezený význam. . Specifické transportní systémy Interakce molekuly solutu se specifickou membránovou bílkovinou. Univerzální model: vazba – translokace – uvolnění (analogie interakce enzym – substrát) Usnadněná (zprostředkovaná) difúze. Interakce se specifickou membránovou bílkovinou, nevyžadující dodání energie. Neexistuje transportní rovnováha, tedy transport proti koncentračnímu gradientu. Vztah k buněčnému typu: četnost u buňky živočišné vs transport monosacharidů kvasinkovou buňkou. Iontový symport – aktivní sekundární transport. Energeticky závislý transport proti koncentračnímu gradientu. Úloha rozdílu elektrochemického potenciálu, který je formován pro H+ nebo Na+ funkcí membránové pumpy. Transport s účastí vazebné bílkoviny. Modelově transport mikroorganismů. Nezávislost na elektrochemickém gradientu, ale na štěpení ATP. Periferní a integrální membránová lokalizace vazebné bílkoviny. Systém skupinové translokace. Chemická modifikace transportovaného substrátu. Přenašeč vybaven enzymovou funkcí (přenos + fosforylace). Transport iontů Složitost a specifita systémů přenášejících kationty. Energetická závislost. Spojení s oxidačními a fotochemickými reakcemi. Úloha specifických ATPas. Vazebné bílkoviny pro anionty. Regulace transportní activity. Regulace syntézy a aktivity transportních bílkovin. Význam degradace těchto bílkovin. Rámcová podobnost s principem induce syntézy enzymu. Kostitutivní transportní mechanizmy. Individualita poločasu transportních bílkovin. Buněčná lokalizace aparátu degradujícího eukaryotní transportní bílkoviny. Faktory ovlivňující aktuální aktivitu transportních mechanizmů. Vliv pH, specifických a nespecifických inhibitorů, indukovaných změn v membránovém složení, vnitrobuněčné koncentrace transportovaného substrátu.
Buněčná diferenciace Buněčný genotyp a fenotyp Vztah buněčného fenotypu a buněčného genotypu v kontextu jejich individuální proměnlivosti. Schopnost buňky reagovat na změnu mimobuněčného i vnitrobuněčného prostředí. Rychlost buněčné odpovědi vs buněčný typ. Faktory, které ovlivňují rychlost genového vyjádření. Variabilita strategie genového vyjádření téhož genotypu.
Buněčná diferenciace Proměnlivost buněčného fenotypu na pozadí stávajícího (nezměněného) stavu genotypu. Fyziologický význam diferenciace jednobuněčných organismů. Fyziologická adaptace jednobuněčného organismu jako aktuální buněčná diferenciace. Buněčná diferenciace v populaci buněk makroorganismu. Buněčná diferenciace vs regulace syntézy a aktivity genového produktu. „Dědičný“ charakter diferenciace - kontinuita fenotypu v potomstvu diferencované buňky, v podmínkách, které již vyžadují jinou strategii genového vyjádření. Buněčná diferenciace v ontogenezi populace jednobuněčného organismu. Diferenciace jako diagnostický znak. Diferenciace „biochemická“ a „morfologická“ Diferenciace jako součást „genetického programu“ buňky. Diferenciace cytologického obrazu buňky prokaryotní a eukaryotní.. Vnitrobuněčná a mimobuněčná indukce diferenciace. Diferenciace buněk makroorganismu Stav zygoty a „finální“ stavy následné populace somatických buněk. Identita genotypu somatických (diferencovaných) buněk. Ne-diferencované kmenové buňky. buněčná totipotence. Dráhy diferenciace somatických buněk a jejich vnitrobuněčná a mimobuněčná stimulace. Ilustrace modelu diferenciační proliferace kmenové buňky do stavu erytrocytu. Podstata a smysl „terapeutického“ klonování Úrovně buněčné diferenciace. Buněčná úroveň. Progresivní morfologické a biochemické změny v čase difernciačního procesu. Charakter finálního fenotypu diferencované-specializované-somatické buňky. Individualita proteomu diferencované somatické buňky. Úloha „paměťových“ buněk v diferenciačním procesu. Úroveň buněčné sub-populace. Vliv mimobuněčných faktorů v individuálním stádiu diferenciačního procesu buněčné populace. Nevratnost diferencovaného stavu somatické buňky.
Patobiologie buňky Problematika buněčného stavu a buněčných funkcí za kvalitativně / kvantitativně odlišných vnitrobuněčných i mimbuněčných podmínek, nebo makro-organizmálních chorobných stavů. Disciplina spojující buněčnou biologii s „fyziologickou chemií“, specificky integrující buněčnou a molekulární biologii s biochemií abnormálních buněčných stavů a procesů. Patologická buněčná změna Konfrontace poznané buněčné anomálie se symptomy chorobného stavu makroorganismu je cestou k poznání jeho podstaty. Ilustrace: Změna / analýza struktury organel živočišné buňky.
Kompartment buněčného jádra. Změna hustoty a agregace karyoplazmy. Destrukce karyoplazmy vznik pseudo- vakuolárního aparátu. Denaturace a enzymové odbourání DNA a jaderných bílkovin. V znik specifických jaderných inkluzí. Formy jaderného rozpadu (karyoexie). Hypertrofie jadérka. Anomální zvýšení syntézy RNA a ribonukleoproteinů. Změna porozity jaderné membrány. Destrukce jaderné membrány. Granulované endoplazmatické retikulum. Změna v aparátu polyzomů. Uvolňování vázaných ribozomů. Dilatace tubulů retikula. Celková morfologická změna granulovaného retikula. Porozita povrchové membrány. Vznik amorfních a krystalických inkluzí. Vznik vnitřních tubulárních struktur. Hladké endoplazmatické retikulum. Hypertrofie (tři fáze: indukce, rovnovážný stav, dekompenzace). Změna enzymového aparátu. Změna schopnosti odbourávat některá xenobiotika a sekundární metabolity. Individuální vztah mezi zvýšením objemu této organely a její buněčnou funkcí. Golgiho aparát. Anomální změny mohou být výrazně spojeny s funkční diferenciací buňky (např. buňky s regulovanou a neregulovanou sekrecí). Poruchy ve vývoji a uvolňování transportních membránových struktur (vesikulárního aparátu). Mitochondrie. Výrazné změny v počtu a velikosti individuálních mitochondrií. Změny velikosti prostoru mezi vnější a vnitřní membránou. Tvarové změny mitochondriálních krist. Změny enzymového aparátu a biochemických funkcí. Vznik intra-mitochodriálních inkluzí. Nadměrný depozit vápníku. Lysozomy. Indukovaná destrukce povrchové membrány s následným uvolněním hydrolytického aparátu kompartmentu lysozomu. Širší škála induktorů této membránové destrukce (např. vliv stresorů, steroidních hormonů atd.). Zvýšení účasti lysozomů v autodestrukci buněčných struktur (stavy buněčné intoxikace). Fúze se sekrečními vezikuly spojená s pohlcením a destrukcí vlastního cytosolu. Porucha ve vývoji fagolysozomů potlačující vitálně důležitou funkci fagocytosy (resitence k vntrobuněčnému bakteriálnímu parasitizmu). Hypertrofie objemu kompartmentu lysozomu. Změny buněčné pigmentace. Akumulace pigmentové složky. Změny v uložení a barevné změny. Chemická modifikace pigmentu. Akumulace železa. Agregované formy feritinu a apoferitinu (bílkovinný konjugát). Akumulace v podobě hemosiderinových granul.
Buněčné stárnutí / buněčná smrt Proces buněčného stárnutí - podstata ontogenetického vývoje buňky, vývojová vlastnost metabolizmu. Obecné znaky změn základních buněčných funkcí: snižování metabolické aktivity, snižování výkonu energetického metabolizmu, redukce mitochondriálního aparátu, postupné snižovní aktivity buněčného genomu (postupné omezování vyjádření genetické informace), akumulace mutací buněčného genomu, postupné snižování schopnosti fyziologické adaptace, snižování schopnosti buněčné recepce (redukce celkové hladiny receptorových bílkovin). Problematika času zahájení procesu stárnutí somatických buněk. Ilustrativní dílčí znaky stárnutí: Změny v molekule DNA. Změny morfologie jaderného kompartmentu. Chromozomální aberace. Snížení aktivity membránových ATPas s následnou změnou závislých membranových funkcí. Vnitrobuněčná akumulace některých pigmentů. Tvarové a funkční změny buněčných orgnel. Redukce celkového počtu ribozomů. Degenerace a snižování celkového počtu mitochondrií. Vlastnost semi-permeability membány se mění v neselektivní propustnost.
Typ buněčné smrti
Smrt fyziologická. Výsledek postupného procesu buněčného stárnutí. Závislost intervalu individuálního života buňky na buněčném typu a dalších fyziologicky působících faktorech. Smrt náhlá (patologická). Výsledek aktuální buněčné odpovědi na interferující faktory fyzikální, chemické nebo biologické, včetně jejich kombinace. Smrt degenerativní. Výsledek dlouhodobého působení interfrujícího faktoru(ů). Znaky buněčné smrti (příklady): Zástava enrgeticko-metabolické funkce mitochondrií / inhibice produkce ATP. Ztráta základních membránových funkcí. Potlačení anabolického metabolizmu. Zahájení autolytických procesů. Destrukce buněčných struktur. Diagnostika předletálních stavů. Buněčná adaptace / programovaná smrt Dvě buněčné odpovědi na vliv stresového faktoru, fyzikálně chemické inaktivace a vliv buněčné interferencie s biologickým agens. Adaptace. V daném kontextu buněčná schopnost opravy nebo stabilizace terčové struktury, popř. schopnost cílené destrukce (eliminace) poškozené (terčové) struktury. Cytodiferenciace buňky jako forma buněčné adaptace. Programovaná smrt (apoptóza). Indukce programu buněčné smrti jako nástroje geneticky determinované (řízené), seletivní eliminace některých (poškozených) buněk nebo tkání, jejichž další přítomnost je pro makroorganismus přímo či nepřímo ohrožující. Aktivace proteolytické kaskády – nevratný krok procesu programované buněčné smrti. Sporulace bakteriální buňky Model buněčné (cyto)diferenciace ilustrující buněčný zánik spojený se vznikem nové formy (konverze vegetativní buňky ve spóru). Asymetrické fyziolgické rozdělení buňky, sekvenční indukce jednotlivých kroků sporogeneze. Morfologie a cytologie finální spóry. Uvolnění spóry autolytickým procesem buňky. Konverze spóry ve vegetativní buňku. Jednobuněčný organismus jako systém Organizace buněčné funkce Základní ilustrace buňky jako živé soustavy. Relativní stabilita a dynamický charakterbuněčné soustavy. Buněčná autonomie a její genetická determinace. Integrita buněčné soustavy a úloha regulačního principu zpětné vazby. Základní charakteristika buněčné komunikace. Změna buněčné struktury a buněčných vlastností z hlediska vlivu krátkodobých a dlouhodobých změn v mimobuněčnému prostředí. Strukturní organizace buňky – principy určující buněčnou stavbu. Funkční organizace buňky – principy určující žádanou funkci a časoprostorovou lokalizaci buněčných procesů. Existence buňky v čase. Organizace buněčné funkce jednobuněčných organismů.
Hiearchizovaný systém strukturní buněčné organizace Jednobuněčný organismus – biologický objekt – experimentálním přístupem poznatelný pouze ve své části. Individuální časti této reality jsou jejími prvky. Množina těchto prvků s odhaleným vztahem interakce tvoří určitý systém. Takto je v biologickém systému experimentálními přístupy obecně definována řada systémů (subsystémů) a poznáván jejich hierarchizovaný vztah a uspořádání. Jednobuněčný organismu – hierarchicky uspořádaný sytém, jehož prvky jsou subsystémy nižších řádů. Nadřazenost a podřízení subsystémů. Klasifikace (sub)systémů pomocí představy o buněčné morfogenezi. Systémy prvého řádu – polymery malých molekul, které mohou vytvářet nadmolekulové útvary (konstrukty) – systémy druhého řádu. Tyto mohou na stejném principu dále tvořit sytém vyššího řádu. Rozlišení z hlediska zavislosti vlastností systému: Systém kolektivní (meristický) - vlastnosti systému nejsou závislé na počtu prvků, který systém tvoří. (Např. vlastnosti lineárního polysacharidu) Systém distributivní (holistický - vlastnosti systému jsou závislé na počtu prvků a jejich uspořádání (Např. polypeptidický řetězec) Ilustrace modelů (sub)systémů kolektivních,druhého řádu a (sub)systémů distributivních, druhého – vyššího řádu. Význam vazebných , intermolekulárních interakcí. Genetická determinace buněčné morfogeneze. Genetická determinace biosyntézy nebílkovinného a bílkovinného stavebního materiálu. Zdánlivá nedostatečnost takto determinované (celkové) morfogeneze .buňky – jednobuněčného organismu. Závislost přesnosti morfogeneze systémů kolektivních, distributivních, nižších a vyšších řádů. Závislost správných vazebných (kontaktních) interakcí na počtu prvků. Epigenetická informace V dané souvislosti „sekundární“ informace určující obecně správné prostorové uspořádání distributivních systémů prostřednictvím úlohy „matricové“ molekuly. Regulace vyjádření genu determinujícího „matricový“ protein. Epigenetická paměť. Regulace buněčného cyklu Koncepce buněčného cyklu Požadavek časové (časoprostorové) lokalizace buněčných procesů. Vymezení intervalu individuálního života buňky. Kategorizace buněčných procesů, jejich integrace a význam pro průběh buněčného cyklu. Procesy bez pevné a s pevnou časovou vazbou. Podmínky uzavření (vyvrcholení) buněčného cyklu. Mapa základních událostí buněčného cyklu. Časová lokalizace fází b.c. (G1, S, G2, M,C). Diagnostické znaky buněčného cyklu.Charakteristika programu jednotlivých fází vs „program cyklické reprodukce“. Stav G0. Buněčný cyklus buňky prokaryotní a eukaryotní. (Ilustrace typů). Vliv rozdílnéhomechanizmu karyokineze. Překryvné cykly. Disociace karyokinese a cytokinese – cykly typu Gn. Růst buněčného povrchu v průběhu buněčného cyklu. Buněčný růst a hlavní syntézy. Regulace buněčného cyklu. Genetická determinace „ideálního intervalu“ buněčného cyklu. Regulace vnitřním a vnějšími faktory. Automatický průběh. Hierarchie regulačních mechanismů. Vztah buněčné velikosti,
délky intervalu buněčného cyklu a buněčné syntetické kapacity. Význam přesnosti časoprostorové lokalizace buněčných procesů. Význam schopnosti fyziologické adaptace. Obecný a specifický význam regulace syntéz a aktivity. Rozdíly u jednobuněčných organismů prokaryotických a eukaryotických. Význam proteolytické inaktivace. Koordinace buněčných procesů. První a druhá „uzlová“ kontrola vs časová variabilita G1 a G2 fáze. Význam a mechanismus iniciace replikace jaderné DNA. Model úlohy cyklin-dependentní (kvasinkové) kinasy. Charakteristika cyklinů G1 a G2 fáze (mitotické cykliny). Úloha komponentu Ap3A a Ap4A. Regulační funkce nukleotidu s předpokládanou funkcí „alarmonu“ . Regulace buněčného cyklu v situaci buněčného stresu. Hypotetický, regulující vliv celkové koncentrace bílkovin, ribozomů; a buněčného objemu. Regulace biogeneze organel v průběhu buněčného cyklu (model kvasinkového mitochondriálního aparátu) Metodologie studia buněčného cyklu Metody synchronizační. Populace asynchronní a synchronizované. Experimentální význam křivky synchronizované reprodukce. Metody selekční. Metody indukční. (inhibice syntézy DNA, deficience esenciální živiny atd). Stabilita stavu synchronizované reprodukce. Použitelnost inhibičních pulsů. Genetické metody. Problematika analýzy genomu buněčného cyklu. Funkční analýza. Experimentální použitelnost mutantů s podmíněným vyjádřením fenotypu – mutanty termosenzitivní. Mezibuněčné interakce mikroorganismů Mikrobní společenstva Problematika homogenity a heterogenity mezibuněčných vztahů v tzv. čistých a smíšených populacích. Vývoj fenotypové a genotypově odlišných sub-populací. Stabilita monoklonálních (mikrobních ) společenstev. Přirozená mikrobní společenstva z hlediska buněčné individuality, prostorové distribuce, specifických fyziologických vlivů osídleného prostředí. Situace prostorových, mnohobuněčných konstrukt, vznikajících lokálně koncentrovanou buněčnou reprodukcí. Bariery mezibuněčného přenosu chemického signálu. Selekční tlak určující prostorovou funkci buněčné (sub)populace. Význam gradientu ubývajících živin a akumulovaných (toxických )metabolitů. Biomechanická buněčná diferenciace v kontextu morfogeneze buněčné kolonie (buněčného konsorcia). Obecná kategorizace mezibuněčných interakcí Aparát teoretických mezibuněčných interakcí (vztahů), který možné situace pouze rámcově třídí. Problém metodologie, a dále variability a nereprodukovatelnosti velkého množství faktorů, přímo či nepřímo určujících finální obraz vzájemného, mezibuněčného působení a jeho stabilitu. Význam informace o způsobu získání a ontogenezi sledovaného společenstva, v těchto souvislostech: a) smíšené buněčné populace: cíleně připravené kombinací dvou a více taxonů známého fenotypu. b) smíšené buněčné populace: získané izolací z přirozeného prostředí s následnou stimulací preferované reprodukce taxonu(ů) určitého fenotypu.
c) Smíšené buněčné populace: s taxonomickým profilem, který byl dlouhodobě selektován v podmínkách in situ a existencí takto stabilizované funkce. Obecné kategorie negativních a pozitivních mezibuněčných vztahů: a) Konkurence: Obecná představa „konkurence“ převedena do vztahu dvou a více (sub)populací usilujících o totéž; b) Amenzalizmus – antibióza: (sub)populace jednoho taxonu potlačuje specifickým prostředkem vývoj (sub)populace druhého; c) Predace: asymetrický negativní vztah pro jednu ze (sub)populací nezbytný, pro druhou nežádoucí; d) Neutralita: nepředpokládaný (hypotetický) vztah s teoretickým významem; e) Mutualizmus: pozitivní vztah, doložený jako vzájemně prospěšný pro přítomné (sub)populace; f) Komenzalizmus - metabiózas: pozitivní vztah, doložený jako jednosměrně prospěšný pro jednu ze (sub)populací; Uvedená kategorizace chápe mezibuněčné vztahy nejen jako vzájemné působení chemických signálů, ale také jako působení funkcí individuálních (sub)populací, které stabilizují / destabilizují mikrobní společenstvo.
