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