základy buněčné biologie
DESCRIPTION
Základy buněčné biologie. Ivo Šauman [email protected] Julius Lukeš [email protected] Roman Sobotka sobotka @alga.cz Michal Žurovec [email protected]. http://moodle.prf.jcu.cz. Z ákladní učební texty. Co vás čeká (a nemine) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Základy buněčné biologie
• Ivo Šauman [email protected]
• Julius Lukeš [email protected]• Roman Sobotka [email protected]• Michal Žurovec
http://moodle.prf.jcu.cz
Základní učební texty
Co vás čeká (a nemine)
• Buněčná biologie - co to je a návaznost na ostatní
biologii
• Buněčná teorie
• Atributy života - co musí buňka mít a dělat
• Reprodukce/dědičnost, informace, struktura, energie
• Stavba buňky - kompartmenty, organely,
makromolekuly
• Prokaryota a eukaryota
• Typy buněk: rostliny, houby, živočichové
• Metazoa: diferenciace, vývoj, rakovina, smrt
Motto č. 1: Znalosti o buňce jsou nezbytné ve všech oborech
biologie
Buněčnábiologie
Fyziologie
Lékařství
Vývojová biologie
Evoluční biologie
Genetika
Motto č. 2: Řečí biologie je angličtina Bez dobré angličtiny v biologii nelze uspět
Co musí buňka dělat?
Asimiluje/konvertuje energiiUdržuje svoje složení a
pořádekReprodukuje kopie sebe
samaPřes dlouhou historii (ca 3.5 miliardy let) evoluce používají všechny buňky tentýž kód a mechanismus přenosu informace:
DNA >>> RNA >>> PROTEIN
Buněčná teorieSchleiden a Schwann (1838-
39)
Buňka je fundamentální stavební jednotkou všech živých organismů.
Všechny organismy sestávají z jedné nebo více buněk.
Všechny buňky vznikají z existujících buněk.
VIRY
The lytic replication cycle of E. coli bacteriophage T4
4 Aspekty buňky
1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí3. Aktivita, odpověď,
pohyb4. Energie (pro 1., 2., a 3.)
• Genetický systém - fenotyp odpovídá genotypu• Vlastnosti se dědí na další
generaci • DNA je prováděcí plán
• Zápis v DNA je stabilní a přenosný• Může být kopírován a šířen
• Genetický zápis má schopnost změny • Mutace• Rekombinace• Pohlavní rozmnožování (výhoda výměny genetického
materiálu)
• Možnost mutací umožňuje evoluci• Výběr vlastností• Adaptace• Vznik druhů
InformaceCentrální dogma
Genetický kód může být čten ve třech různých (čtecích) rámcích
Figure 4-21
ORF1
ORF2
ORF3 (not shown)
Překlad: 3-písmenné kodony říkají, jaká aminokyselina bude přidána k proteinu.Kód je redundantní (degenerovaný), více kodonů určuje jednu aminokyselinu.
Genotypurčuje
fenotyp
Mutace mohou mít různé následky
• nic se nestane; změna nukleotidu nebo aminokyseliny nebude mít vliv na fungování buňky/organismu• poškození a eliminace; změna nukleotidu/aminokyseliny bude letální nebo bude mít negativní dopad na fitness buňky/organismu
• zlepšení; změna nukleotidu/aminokyseliny pozitivně ovlivní fitness buňky/organismu a bude v evoluci preferována
Přírodní výběr a vznik nových druhů
Přehled transkripce a translace v eukaryotické buňce
Jaká je minimální velikost genomu nutná pro život a reprodukci buňky ?
Mykoplasma mágenom pouze580,070 nukleotidů,477 genů
Asi 200 genů je všem buňkám/organismům společných
RNA genes, tRNAs8%
Replication,Transcription,
Proteosynthesis32%%
Cell cycle regulation2%
Membrane, surface6%
Transport ofnutrients)
7%
Metabolism, energyconversion
15%
Unknown30%
Genom mycoplasmat
Genom E. coli je jedna kruhová molekula DNA (chromosom)
Asi 4000 genů
Lidský genom:~35,000 genů ve 3 x 109 bp
Nature, 409 Feb 15, 2001 IHGSC
Science, 291 Feb 16, 2001 Celera
4 Aspekty buňky
1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí3. Aktivita, odpověď, pohyb4. Energie (pro 1., 2., a 3.)
„Biomolekuly“
• Voda, anorganické ionty a malé organické molekuly tvoří 75-80% živé váhy buňky
• Makromolekuly (proteiny, polysacharidy, lipidy, DNA) tvoří zbytek
Plasmatická membrána separuje buňku od jejího protředí
Figure 1-6
• Lipidická dvojvrstva je fundamentální strukturou všech buněčných membrán všech buněk
• Přítomnost různých membránových proteinů dodává různým membránám specifické funkce
Amfipatické lipidy
Lipidová dvojvrstva je semi-permeabilní
Funkce plasmatické membrány
• Reguluje transport živin do buňky• Reguluje transport odpadu ven z buňky• Udržuje “patřičné” chemické podmínky v
buňce• Poskytuje prostředí pro chemické reakce, které
by ve vodném prostředí těžko probíhaly• Zachycuje signály z mimobuněčného prostředí • Interaguje s jinými buňkami nebo s
extracelulární matrix (u mnohobuněčných organismů)
Typy membránových proteinů
Membránový transport zprostředkovaný proteiny často
vyžaduje energii
Figure 15-3
TEM of RBC thin section Model of membrane structure
Každý kompartment má dva různé
povrchy - vnitřní a vnější
Tyto dva povrchy membrán jsou asymetrické co do složenílipidů a proteinů
4 Aspekty buňky
1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí3. Aktivita, odpověď, pohyb4. Energie (pro 1., 2., a 3.)
• Příjem• Skladování• Využití
Pamatujte si tuto rovnici:
6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo
(tato reakce vyžaduje světelnou energiije endergonická)
Redukce oxidu uhličitého – přidávání elektronů
Světelná energie - fotosyntéza
Bioenergetika: jak buňky získávají a přeměňují energii
Anabolické/fotosyntéza Katabolické/respirace
Oxidace: odnímání nebo ztráta elektronů –stav nižší energie.
Redukce: přidávání elektronů - stav vyšší energie
AH A + e- + H+
A + e- + H+ AH
C6H12O6 + 6O2 --> 6CO 2 + 6H2O
6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo
2. Tricarboxylic acid cycle (TCA) nebo Krebsův cyklus – mitochondrie
6 O2 + 2 C3H3O3 6 CO2 + 6 H2O + spousta volné energie reduced oxidized
Respirace: 2 procesy
1. Glykolýza – cytoplasma
C6H12O6 2 C3H3O3
reduced oxidized
Poskytuje trochu ATP a NADH
Vynález aerobní respirace -- převrat v evoluci
ATP ADP + Pi
3 domény života: Bacteria, Archaea, and Eukaryota
Strom života na Zemi
První živé buňky se na Zemi objevily asi před 3 a půl miliardami let
Prokaryota vs. Eukaryota
• Jádro• Organizace transkripce a translace• Organely• Cytoskeletální sítě• Endo and exocytosa• Velikost 1-10 um vs. 5-100 um• Mnohobuněčnost, diferenciace
Prokaryotická buňka
• Jednobuněčné organismy• 2 typy: bacteria and archaea• Relativně jednoduchá struktura
Eukaryotická buňka
• Jedna buňka nebo multicelulární organismus• Rostliny, houby, živočichové• Strukturně složitější: organely, cytoskelet
Každý chromosom je jedinou lineární molekulou DNA spojenou s proteiny
Veškerá DNA v chromosomech organismu je jeho genom
Eukaryotická DNA je sbalená do chromosomů
Figure 1-8
Jaderné póry zajišťují výměnu proteinů a RNA s cytoplasmou
Interphase chromatin Mitotic chromosome
Stadia mitosy a cytokinese v živočišné buňce
Figure 19-34
Mitotický aparát je stroj na oddělení chromosomů
Prokaryota vs. Eukaryota
• Jádro• Organizace transkripce a translace• Organely• Cytoskeletální sítě• Endo and exocytosa• Velikost 1-10 um vs. 5-100 um• Mnohobuněčnost, diferenciace
Polycistronní transkripce/translace
Monocistronní transkripce/translace
Transcription start site Transcription
stop site
Struktura ribosomů u prokaryot vs. eukaryot
Prokaryota vs. Eukaryota
• Jádro• Organizace transkripce a translace• Organely• Cytoskeletální sítě• Endo and exocytosa• Velikost 1-10 um vs. 5-100 um• Mnohobuněčnost, diferenciace
Organely eukaryotické buňky
• Jádro• Lysosomy• Peroxisomy• Mitochondrie• Chloroplasty• Endoplasmické retikulum (ER) • Golgiho komplex• Filamentární sítě, cytoskelet
Mitochondrie a chloroplasty jsou semi-autonomní, energii (ATP) produkující organely.
Obě mají svoje vlastní genomy (DNA) Ale pro většinu proteinů závisejí na jádře buňky
• Místo tvorby ATP pomocí aerobního metabolismu
• Pravděpodobně pochází z pohlcených bakterií
• Hlavní rysy• vnější membrána• mezimembránový
prostor• vnitřní mebrána• matrix
Lidský mitochondriální genom
Chloroplasty
• Místo kde probíhá fotosyntéza u rostlin a zelených řas
• Zřejmě pochází z pohlcených cyanobakterií (sinic)
• Hlavní rysy• vnější membrána• mezimembránový
prostor• vnitřní membrána• stroma• thylakoidní membrána• thylakoidní lumen
Peroxisomy
• Degradace/metabolismus • mastných kyselin• toxických látek
• Hlavní rysy• jednoduchá membrána • obsahují enzymy (oxidázy a katalázu)
Endoplasmatické retikulum (ER)
• Odpovídá za• syntézu lipidů• syntézu
membránových proteinů
• Skladování Ca++ iontů• detoxifikaci
• Hlavní rysy• síť propojených a
uzavřených membránových trubiček a váčků
• obsahuje hladké a drsné oblasti
Golgiho komplex
• Modifikuje a třídí většinu produktů z ER
• Hlavní rysy• sada zploštělých
kompartmentů a váčků• skládá se ze 3 částí: cis (vstup), střední, trans
(exit)• každý úsek obsahuje
enzymy s jinou funkcí
Vesikulární transport je směrovaný a specifický.Všechny váčky nesou povrchové markery, rozpoznávací molekuly, které označují váčky podle jejich původu a obsahu, který nesou.
3 základní typy transportu v buňce
Lysosomy
• Odpovídají za degradaci • určitých komponent
buňky • materiálu vstřebaného
z okolí buňky• Hlavní rysy
• jednoduchá membrána
• pH v lumen 5 • kyselé hydrolázy
provádějí degradační procesy
Lysosome
Prokaryota vs. Eukaryota
• Jádro• Organizace transkripce a translace• Organely• Cytoskeletální sítě• Endo and exocytosa• Velikost 1-10 um vs. 5-100 um• Mnohobuněčnost, diferenciace
Cytoskeletální sítě se liší strukturou a funkcí
The end