Biologie I
Buňka 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
neuron (Purkyňova b.)
prvok
Paramecium
řez stonkem
rostliny
bakterie
Bdelovibrio
bacteriovorus
neutrofil a
erythrocyt
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;
© Espero Publishing, s.r.o.
Evoluce Země, buňky a organismů
-4500 mil. let -3800 až 4000 mil. let
vznik měsíce → těžké bombardování → pozdní těžké → ochlazování plynů
meteority bombardování
→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
iniciace
transkripce
nukleoid komplex s histony
sigma faktor TATA
vazebný protein
Life: the Science
of Biology,
Sinauer Assoc., Inc.
5th ed., 1997
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
Vznik eukaryotní buňky – jedna z hypotéz
Syntrofická hypotéza – nejprve „primitivní eukaryot“
Podle: Embley a Martin, Nature, 440:623-630, 2006
Syntrofická hypotéza
Akumulace O2 v prostředí
si žádala u patrně anaerobní
dávné eukaryoty
syntrofii s aerobem, a jeho
pohlcením vzniká mitochondrie
Syntrofická hypotéza – nejprve „primitivní eukaryot“
►Složité životní cykly a „sociální“ chování d-proteobaktérií mohlo být
předpokladem vzniku mnohobuněčných eukaryot.
Syntrofická hypotéza – nejprve „primitivní eukaryot“
Zusman a kol., Nat. Rev. Microbiol. 5:862-872, 2007 Myxococcus xanthus
(i)
Podle: Embley a Martin,
Nature, 440:623-630, 2006
Vodíková hypotéza
Mezi současné
a-proteobakterie
patří např. buněční parazité
rodu Rickettsia, nebo
rostlinní symbioté
rodu Rhizobium.
Vodíková hypotéza – archaea s předchůdcem mitochondrie
i) v konzorciu došlo k pohlcení bakteriální buňky
(a-proteobakterie produkující H2) buňkou archebakterie (H2 utilizující)
ii) bakterie nebyla strávena, ale stala se předchůdcem:
●mitochondrií (respirace, +36 ATP / glukosa) … vlastní DNA
●hydrogenosomů (?, + 2ATP / glukosa) … některé vlastní DNA
●mitosomů (?, +2ATP / glukosa, -2NADPH) … bez DNA
Vznik eukaryotní buňky – jedna z hypotéz
Vodíková hypotéza – archaea s předchůdcem mitochondrie
Boxma a kol., Nature, 434:74-79, 2005
Nyctotherus ovalis (Ciliophora)
dnes
deg
en
era
ce?
hydrogenosom
endosymbiotický
methanogen (archaea)
(i)
■ 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.
iii) jádro a současně (?) i endoplasmatické retikulum vznikalo
invaginací cytoplasmatické membrány
Vodíková hypotéza – archaea s předchůdcem mitochondrie
►Vznik komplexní Eukaryotické buňky
mitochondrie – nástroj pro energeticky výhodný
metabolismus a aerobní život
Chloroplast, původem sinice – cesta k autotrofnímu životnímu stylu
evoluční úspěch eukaryot, i když prokaryot je na Zemi víc (cca 5 × 1030)
+
=
Alberts a kol.: Základy
buněčné biologie, 1998;
© Espero Publishing, s.r.o.
Buňka – organely a vlastní struktury
dnes
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Plazmatická membrána a buněčné membrány
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
jsou obecně asymetrické
Proteiny v membránách
fun
kč
ní p
ola
rita
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 pro-
teiny vytváří
přepážky
(těsné spoje)
a udržují
membránové
proteiny
v určité membr.
doméně
Detaily později
Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
►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
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Detail těsného spoje (i)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;
© Espero Publishing, s.r.o.
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.
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)
Střední filamenta
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.
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.
Mikrotubuly
► 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)
Stavba mikrotubulu
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;
© Espero Publishing, s.r.o.
Role centrosomu jako organizačního centra
růst mikrotubulu
začíná v nukleačním místě
obsahujícím g-tubulin
centrioly
krátké mikrotubuly
Centrosom (asi 100
různých
proteinů)
mikrotubuly jsou
vysoce dynamické
rychlý růst i zkracování
(regulovaný děj)
Adaptováno z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
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
+ k
on
ec
+ k
on
ec
rostoucí mikrotubulus zkracující se mikrotubulus
polymerace GTP-tubulinu hydrolýza GTP rychlejší než
rychlejší než hydrolýza GTP přísun nových GTP-tubulinů
Obrázek adaptován z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
(i)
pomocí přídatných (čapkovacích) proteinů vážících se
na + konec umožňuje buňku polarizovat
význam:
např. intra-
celulárni
transport
neuron
Selektivní řízená stabilizace mikrotubulu
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
(i)
►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)
Molekulové motory transportují objekty podél mikrotubulů
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)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
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
Nitro
bu
něčn
é
svaly
}
Mikrofilamenta – aktinová vlákna
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
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)
aktinové mikrofilamentum
aktin
monomer
Buněčný kortex tvořený spektrinem zakotveným prostřednictvím
spojníků na transmembránové proteiny je dále zesílen mikrofilamenty
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
(i)
► 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
Růst a zkracování mikrofilament
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Mikrofilamenta v (pohybující se) živočišné buňce
směr
prodlužování
mikrofilamenta
●lamelipodia a
filopodia se tvoří
orientovanou
polymerací aktinu
„průzkum“ a
pohyb buňky
po podložce
(i)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Polarita aktinového mikrofilamenta a orientované prodlužování
jsou určeny organizačním centrem, kterým jsou aktin-vázebné
proteiny interagující s plus koncem filamenta
minus konce
jsou zakotveny
na kortex
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
(i)
Pohyb živočišné buňky po podložce
Extracelulární matrix
Povrch jiné buňky
transmembr.
proteiny
integriny
zprostředkují pevné
spojení s nosičem
(i)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
►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 prostřed-
nictvím helixu helixů
fibrilární části)
- nejhojněji zastoupeny
ve svalových buňkách
Kontrakce (nitrobuněčných) svalů vyžaduje molekulové motory
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Pohyb objektů zprostředkovaný
aktin-myosinovým komplexem
princip:
●navázání ATP
●uvolnění ATP-myosinu
z vazby na mikrofilamentum
●hydrolýza ATP
●změna konformace myosinu
= změna polohy oproti vláknu
●navázání ADP-myosinu na
následující aktinovou molekulu
●uvolnění ADP
●návrat do původní konformace
vyvolává tah = pohyb
Alb
erts
a k
ol.: Z
ákla
dy b
un
ěčn
é b
iolo
gie
, 1998
; © E
sp
ero
Pu
blis
hin
g, s
.r.o.
(i)
Pohyb objektů zprostředkovaný
aktin-myosinovým komplexem
příklady:
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
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
(i)
Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
kolagen GAG
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)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Mezibuněčné spoje u živočišných buněk
►
►
►
►
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
Detail těsného spoje
►např. omezení pohyblivosti proteinů
v membráně = polarizace buňky
Detail mezerového spoje
►
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)
Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.
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)
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
(i) 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
► Eukarya a Archaea
molekulární úrovni
vykazují řadu společných
znaků
(i) Addendum jen na dokreslení