Základy buněčné biologie

Základy buněčné biologie

• Ivo Šauman [email protected]

• Julius Lukeš [email protected]• Roman Sobotka [email protected]• Michal Žurovec

[email protected]

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



Polycistronní transkripce/translace

Monocistronní transkripce/translace

Transcription start site Transcription

stop site

Struktura ribosomů u prokaryot vs. eukaryot



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



Cytoskeletální sítě se liší strukturou a funkcí

The end

Documents

Základy buněčné biologie