Chemické složení živé hmoty

Chemické složení živé hmoty• Voda = základ všech organismů

– až 90% hmotnosti těla• Minerální látky – osmotická hladina

– obvykle disociované– vazba kationtů na bílkoviny

• Organické látky – mnoho různých– sacharidy (cukry)– lipidy (tuky)– aminokyseliny – cca 200– bílkoviny – složeny z dvaceti druhů aminokyselin

Sacharidy• hydroxyaldehydy a hydroxyketony• monosacharidy – základní stavební

jednotky – 3-4 atomy uhlíku– glukóza, fruktóza, galaktóza……

• disacharidy – 2 jednotky– sacharóza, maltóza, laktóza…

• oligosacharidy – několik jednotek• polysacharidy – mnoho jednotek (tisíce)

– celulóza, škrob, chitin…

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

• Látky obsahující kyselou karboxylovou skupinu a zásaditou aminoskupinu

• postranní řetězce různé• popsány stovky biologických aminokyselin• jen 20 tvoří základní strukturu bílkovin –

kódované aminokyseliny (jejich pořadí je zakódováno v DNA)

Aminokyseliny

H2N CH C

CH3

OH

O

Bílkoviny• Biopolymery složené z aminokyselin a

nebílkovinných součástí• Rozmanité struktury a funkce

– stavební, katalytická, obranná…• Primární struktura většiny bílkovin je

zakódována v DNA• Aminokyseliny jsou spojené peptidovou

vazbou – peptidy– peptidy jsou základem bílkovin

• Primární struktura – pořadí aminokyselin

• Sekundární struktura – uspořádání části peptidu do pravidelného motivu

• Terciární struktura – prostorové uspořádání peptidu

• Kvartérní struktura – spojení více peptidů do jednoho funkčního celku

Bílkoviny

Lipidy• Látky obvykle málo rozpustné ve vodě• Mnoho různých chemických struktur

– acylglyceroly, vosky, sfingomyeliny…• Acylglyceroly = glycerol + mastné kyseliny

H2C

HC

H2C

O

O

O

C

C

C

O

O

O

Mikrobiální buňky• Buňka = základní jednotka živé hmoty

– nezávislá životaschopnost = jedna buňka může tvořit celý organismus

– organizovanost = buňka vykazuje a udržuje uspořádaný stav

– dědičnost = nese informaci o své struktuře a může ji předat potomkům

– rozmnožování = zachování života– metabolismus = biochemické reakce k

udržení životních funkcí– otevřený systém = buňka si s okolím

vyměňuje látky a energii

Obecná charakteristika buněk• Všechny živé buňky vykazují společné

vlastnosti– od okolí ohraničené cytoplazmatickou

membránou– většina buněk je navíc chráněná pevnou

buněčnou stěnou– genetická informace je uložena v DNA– biochemické reakce jsou katalyzované

enzymy (bílkovinné katalyzátory)– buňka si udržuje přibližně stálé vnitřní

prostředí

Rozdělení buněk• Dosud všechny známé živé buňky lze

zařadit do dvou základních skupin– prokaryotické– eukaryotické

BuňkyProkaryotické

• Nerozdělený vnitřní prostor buňky

• Bez organel• Neoddělené jádro• Menší (jednotky m)• Obvykle jeden

chromozóm (molekula DNA)

• Menší genetická informace (~106-107 bp)

• Časté plasmidy

Eukaryotické• Vnitřní prostor buňky

rozdělený membránami• Různé organely• Jádro oddělené

membránou• Větší (desítky m až mm)• Obvykle několik

chromozómů (až desítky)• Větší genetická informace

(~108-1010 bp)• Obvykle bez plasmidů



































































Cytoplazmatická membrána

• Zajišťuje oddělení vnitřního prostoru od vnějšího

• Často zprohýbaná• Polopropustná• Fosfolipidová dvojvrstva• Fluidně mozaikový model• Součástí bílkoviny (až 70%)

Fosfolipidy

R1, R2 – zbytky mastných kyselinX – hydrofilní skupina

CH2

CH

H2C O

CR1

O

CR2

O P

O

O

O

X

Fosfolipidy

• Lipidy, mající jednu mastnou kyselinu nahrazenou fosfátem

• Na fosfátu bývá navázána hydrofilní skupina (cholin, serin…)

• Fosfolipidy jsou povrchově aktivní látky (tenzidy)– část molekuly je hydrofilní (fosfát)– část je lipofilní (zbytky mastných kyselin)– ve vodném prostředí mají tendenci sdružovat

se lipofilními konci a tvořit dvojvrstvu

Propustnost membrán

• Propustnost závisí na hustotě• Hustotu zvyšují

– nasycené mastné kyseliny (těsnější uspořádání)– steroly (cholesterol, ergosterol…) – jen u některých

skupin organismů – výplň mezer• Přes membránu mohou projít jen malé molekuly

bez náboje, lipofilní a ploché molekuly snadněji• Pro ostatní látky má buňka specializované

bílkovinné přenašeče

Buněčná stěna

• Z pevného materiálu, obvykle sacharidu– Bakterie, Archea – peptidoglykan– Rostliny – celulóza– Houby – chitin– Živočichové – bez stěny

• Dává buňce tvar• Ochrana před osmotickým šokem, ale jen

do určité míry• Buňka s odstraněnou stěnou = protoplast

Osmóza

• Zapříčiněná polopropustností biologických membrán

• Přes membránu projde voda a malé molekuly bez náboje

• Ostatní látky neprojdou• Snaha dosáhnout rovnováhy = stejné

koncentrace látek uvnitř a vně buňky• Odlišná koncentrace látek se vyrovnává

přesunem vody

Hypotonické prostředí


H2O

H2 OH

2 O

H2 O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O


Hypertonické prostředí


H2O

H2 OH

2 O

H2 O

H2O

H2O

H2O

H2O




H2O

H2 OH

2 O

H2 O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O




H2O

H2 OH

2 O

H2 O

H2O

H2O

H2O

H2O


Cytoplasma

• Polotekutá výplň buňky• Bílkoviny, lipidy, sacharidy, minerály,

voda, meziprodukty metabolismu…• Lokálně uspořádaná

Genetická informace• Genetická informace buněk je uložena v

DNA• 1 molekula DNA = chromozóm• V buňce může být více chromozómů

– bakterie a archea = obvykle jeden chromozóm– eukarya = obvykle více chromozómů (i

desítky)

Genetická informace• Ploidie = počet kopií všech chromozómů

– haploidní buňka = 1 sada chromozómů– diploidní buňka = 2 sady chromozómů

(eukarya)• Homologní chromozómy – tvoří pár

– geny pro stejnou věc na stejných místech– různá konkrétní forma genu (alela)– např. funkční a nefunkční gen, různá barva

apod.

Další obecné součásti buněk• Bílkoviny

– enzymy (katalýza biochemických reakcí)– stavební funkce (cytoskelet = vnitřní podpora

buňky)– informační funkce (přenos signálů)– obranná funkce (toxiny, protilátky…)

Další obecné součásti buněk• Ribozómy – kuličky složené z bílkovin a RNA

– průměr cca 20 nm– zajišťují syntézu polypeptidových řetězců– množství kolísá podle potřeby buňky tvořit

bílkoviny– u prokaryot 102-104

Další obecné součásti buněk• Inkluze – váčky obalené membránou• Zásobní látky – polysacharidy, lipidy,

polykyseliny…• Nízkomolekulární látky

– meziprodukty metabolismu– signální látky– odpadní látky– …

Strom života

Společný předek

BacteriaArchea

Eukarya

RostlinyHouby

Živočichové

!!! 3 základní domény života, ale jen 2 základní typy buněk !!!

Složení mikrobiálních buněk

Doména Typ buňky

Bacteria Prokaryotická

Archea Prokaryotická

Eukarya Eukaryotická

Bakteriální buňkyBakteriální buňky

Chemické složení bakteriálních buněkLátka Obsah

Voda 70-90%Bílkoviny 40-80% sušinyRNA 10-30% sušinyDNA 2-3% sušinySacharidy 5-20% sušinyLipidy 5-10% sušinyPopel (fosfáty, sírany, Mg, K, Na, Ca…)

5-10% sušiny

Velikost a tvar bakteriálních buněk• Tvarová variabilita není velká

– tyčinky– koky (kulovité bakterie)– vibria (zahnuté tyčinky)– spirální– pleomorfní (proměnlivé tvary)

• Časté je neúplné oddělení více bakteriálních buněk– shluky– vlákna (pseudomycelia)– tvar shluků závisí na způsobu dělení

Kruhové bakterie - kokyKok Diplokok Tetráda Sarcina

Stafylokok Streptokok

Staphylococcus epidermidisStaphylococcus epidermidis

Streptococcus sp.

Oválné bakterieOválné Tyčinkovité

Diplobakterie Palisády

Streptobacily

Velikost bakteriálních buněk• Značná variabilita ve velikosti

– nejmenší bakterie 100-200 nm v průměru (Mycoplasma)

– průměr v řádu m (0,5-2 x 1-10 m)– největší bakterie délka až 0,5 mm

Bičíky• Orgány pohybu bakterií

– spirálovité, otáčí se jako lodní šroub• Bičík = flagelum (mn.č. flagela)• Různý počet bičíků (0-1-desítky)• Různá délka, až 20 m (tj. cca 10x delší než

buňka)• Bílkovina flagelin – samouspořádání• Ukotvené v cytoplazmatické membráně• Nejsou viditelné ve světelném mikroskopu,

jen v elektronovém

BičíkyAtricha = bez bičíků

BičíkyMonotricha = jeden bičík

BičíkyLofotricha = více bičíků na pólech

BičíkyPeritricha = mnoho bičíků po celé buňce

Slizovitý obal• Jen u některých bakterií• Obvykle z polysacharidů nebo polypeptidů• Dodatečná ochrana buňky

– proti vysušení– proti chemickým látkám– pojivo s prostředím popř. ostatními buňkami

• Pomáhá přijímat živiny

Fimbrie• Též pili (j.č. pilus, mn.č. pili)• Jen u některých bakterií• Dlouhá dutá úzká vlákenka složená z

bílkoviny pilinu– průměr 3-10 nm– délka až několik m

• Různá funkce– „sexuální“ – výměna genetické informace

(konjugace) – jen u některých G- bakterií– přilnavá (přichycení k povrchu)

Nukleoid• Nepravé bakteriální „jádro“• Obvykle kruhová DNA

– malé množství bílkovin– obal z polyaminů sperminu a spermidinu

• Vazba na cytoplasmatickou membránu• Bakteriální DNA bývá cca 1000x delší než

délka buňky – nutné efektivní smotání

Plazmidy• Malé kruhové DNA• Obvykle nezávislé na hlavním chromozómu• Nejsou pro bakterii nezbytné• Nesou geny pro doplňkové metabolické

dráhy, rezistenci k antibiotikům apod.

Buněčné inkluze• Malé kapénky látek obvykle viditelné ve

viditelném mikroskopu po různém obarvení• Některé volně v cytoplazmě, jiné obalené

membránou• Zásobní

– poly--hydroxymáselná kyselina (PHB)– granulóza (polysacharid)– glykogen– zrníčka síry

• Barviva

Mesozómy• Vchlípeniny cytoplasmatické membrány• Neznámá funkce

– někdy blízko septa, místa dělení bakterie– někdy blízko nukleoidu– možná transportní procesy– možná jen vedlejší produkt barvení při

mikroskopování

Gramovo barvení• 1884 Christian Gram• Barvení mrtvých bakteriálních buněk

krystalovou violetí a odbarvení ethanolem– Grampozitivní (G+) – violeť se neodbarví

(fialové)– Gramnegativní (G-) – violeť se odbarví –

dobarvení např. safraninem (červené)• Rozdíly způsobeny stavbou buněčné stěny• Mnohé bakterie nezařaditelné nebo tzv.

gram-labilní

Escherichia coli (G-)Escherichia coli (G-)1000x zvětšeno1000x zvětšeno

Staphylococcus aureus (G+)Staphylococcus aureus (G+)1000x zvětšeno1000x zvětšeno

Buněčná stěna bakterií

• Základem tzv. peptidoglykan = murein• Dvě základní součásti

– Polysacharid (N-acetylglukosamin,N-acetylmuramová kyselina)

– Peptidy – tri- až pentapeptidy - prokřižují sacharidy – pevnější struktura

Grampozitivní bakterie

• Silný peptidoglykan (20-80 nm)• Vyztužen teichoovou kyselinou

– polyglycerolfosfát, polyribitolfosfát– navázané aminokyseliny a sacharidy– až 50% sušiny buněčné stěny

• Na povrchu další polysacharidy– složené hlavně z glukózy, manózy, galaktózy– specifické pro taxonomické skupiny– antigeny (vyvolávají imunitní reakce)


Cytoplasma




Peptidoglykan


Polysacharidy

Gramnegativní bakterie

• Slabší peptidoglykan 1-3 nm• Tzv. vnější membrána

– fosfolipidy– proteiny– lipopolysacharidy– póry

• Periplazmatický prostor mezi stěnou a vnější membránou


Cytoplasma




Peptidoglykan

Gramnegativní bakterieVnější membrána


Periplazmatický prostor

Shrnutí G+ a G-Vlastnost G+ G-

Peptidoglykan 20-80 nm 1-3 nm

Vnější membrána ne ano

Periplasmatický prostor ne ano

Teichoová kyselina ano ne

Odolnost k tenzidům nižší vyšší

Imunitní reakce na… polysa-charidy

lipopoly-sacharidy

Organely eukaryotické buňky

• Jádro – nese genetickou informaci• Mitochondrie – buněčná energetika• Endoplazmatické retikulum – syntéza

polymerů• Golgiho aparát (komplex) – kompletace a

transport bílkovin• Chloroplasty – fotosyntéza• Vakuoly – zásobní a odpadní látky

Jádro

• Nucleus• Ochrana genetické informace• Obalené dvěma membránami s póry pro

průchod RNA• chromatin = komplex sbalené DNA se

specializovanými bílkovinami (histony)– v klidovém stavu je chromatin rozptýlený– při mitóze kondenzuje do viditelných

spiralizovaných chromozómů

Spiralizované chromozómy

chromatidy

centromera

Lidské chromozómy (páry)

Mitochondrie• „Buněčná elektrárna“

– buněčné dýchání, citrátový cyklus, oxidace mastných kyselin, produkce ATP

• V buňce až několik tisíc mitochondrií• Vlastní DNA s neúplnou genetickou informací• Rozmnožování dělením• Obalená dvěma membránami

– vnější dost propustná– vnitřní velmi nepropustná a hodně zprohýbaná

(kristy)• Matrix = vnitřní část mitochondrie

– velmi hustá, mnoho bílkovin (enzymů)

Endoplasmatické retikulum• Soustava membrán a bílkovin• Často propojuje jádro a cytoplazmatickou

membránu• Produkce látek• Drsné ER

– nese vázané ribozómy– syntéza membránových bílkovin

• Hladké ER– nenese ribozómy– syntéza lipidů a glykogenu

Golgiho komplex• = Golgiho aparát• Soustava membrán a membránových váčků• Kompletace bílkovin• Transport bílkovin na místo určení• Výměna látek s ER pomocí membránových

váčků

Vakuoly• Velké membránové vaky• Zásobní funkce• U prvoků i trávení, vylučování atd.

Cytoskelet• Bílkovinná kostra buňky• Soustava vláken (filament) a trubiček (tubulů)• Různé funkce

– opěrná– transportní– dělení jádra

Další organely• Chloroplasty – rostlinná fotosyntéza

– mají také vlastní DNA a syntézu bílkovin– rozmnožují se dělením

• Lysozómy – rozklad bílkovin a fagocytovaných částic

Vznik eukaryotických buněk• Eukaryotické buňky jsou nejpokročilejší

známé buňky• Jen u domény Eukarya• Základní znaky stejné jako u

prokaryotických buněk společný původ• Společné i odlišné znaky s archeálními

buňkami společný vývoj, později oddělení

• Endosymbiotická teorie vzniku mitochondrií a chloroplastů

Endosymbiotická teorie• Argumenty pro

– 2 membrány– Vlastní DNA podobná prokaryotické– Podobná proteosyntéza– Porovnání sekvencí rRNA

• Argumenty proti– Součástí organel jsou i bílkoviny kódované v

jádře

Endosymbiotická teorie• Mitochondrie a chloroplasty se vyvinuly

pravděpodobně z bakterií po jejich pohlcení větší buňkou

• Možná několikrát nezávisle• sinice chloroplast• proteobakterie mitochondrie• Druhotný přenos „hotových“ organel v

pozdější fázi evoluce mezi eukaryotickými buňkami

Strom života

Společný předek

BacteriaArchea

Eukarya

RostlinyHouby

Živočichové

Strom života

Společný předek

BacteriaArchea

Eukarya

RostlinyHouby

Živočichové

Chloroplast

Mitochondrie

Těla mikroskopických hub

• Většina hub mnohobuněčných– výjimka – kvasinky

• Houbové tělo = stélka (thalus)• Základem stélky jsou vlákna = hyfy• Spleť hyf = mycelium (podhoubí)• Někdy se hyfy nahustí těsně k sobě =

sklerocium• Plodnice = útvary vzniklé z mycelia

specializované na pohlavní rozmnožování

Mycelium• Dva typy mycelia

– přehrádkované (septované) – jednotlivé buňky jsou výrazně odděleny

– nepřehrádkované – jednotlivé buňky nejsou odděleny – mycelium je prakticky jedna mnohojaderná buňka

• I v přihrádkovaných myceliích jsou buňky spojeny pomocí pórů– výměna látek mezi buňkami – možné čerpání

živin na dlouhé vzdálenosti– výměna buněčných organel– výměna jader

Kvasinky a plísně• Technologické skupiny MO vymezené

tradičně• Kvasinky – převážně jednobuněčné houby

obvykle s kvasnými schopnostmi– někdy tvorba pseudomycelia (falešného

mycelia), kdy se buňky po pučení neoddělí, chybí ale propojení buněk

– některé houby tvoří za určitých podmínek jednobuněčná kvasinková stádia

• Plísně – mikroskopické vláknité houby, obvykle s negativním technologickým dopadem

Documents

Chemické složení živé hmoty