Biologie II Notes

Úvod do biologie buňky, modelové organismy

• Veškerý obrazový materiál použitý v této prezentaci pochází z veřejně dostupných zdrojů nebo je předmětem licenčního využití výhradně k výukovým účelům.

• Grafický materiál byl použit se záměrem lépe přiblížit přednášenou problematiku v předmětu Biologie II, ale mohou se na něj vztahovat autorská práva třetích osob. Jakékoliv kopírování a šíření obrázků či celých prezentací je zakázáno!

Autorem pojmu Buňka: Robert Hooke 1665

• ve skutečnosti pozoroval buněčné stěny odumřelých buněk korku

• prvním, kdo pozoroval živé buňky byl v roce 1674 Anton van Leeuwenhoek

  • „…a vše se zdálo být tak živé s …roztodivnými malými zvířátky. Pro mne to bylo mezi všemi zázraky, které jsem objevil v přírodě, to nejbáječnější a musím říci, že co se mne týče, nikdy jsem neviděl příjemnější pohled než toto; tolik tisíc živých bytostí v jediné malé kapce vody a všechny se pohybovaly a tiskly k sobě a přitom každý měl svůj vlastní pohyb……“ Anton van Leeuwenhoek (1676)

Buňka

• základní stavební jednotka všech živých soustav, tj. všechny živé organismy jsou složeny ze stejných strukturních jednotek, kterými jsou buňky

• strukturní jednotka nebo samostatně fungující izolovaná entita schopná samostatné reprodukce

První buněčná teorie:

• 1838-9 německý botanik Matthias Jakob Schleiden a fyziolog Theodor Schwann :

  • Buňka je strukturní, funkční a organizační jednotkou všech živých věcí

  • Buňka může existovat ve 2 formách, jako samostatná entita a stavební blok organismu

  • Buňky vznikají samovolně z bezbuněčného prostředí, podobně jako krystaly

• 1855 Rudolph Virchow formuloval nové dogma:

  • Omnis cellula e cellula - všechny buňky pocházejí z buněk

Soudobá buněčná teorie:

• Všechny známé živé organismy jsou tvořeny buňkami

• Buňka je základní strukturní a funkční jednotkou všech živých organismů

• Všechny buňky vznikají z již existujících buněk dělením.

• Buňky obsahují dědičnou informaci, která je předávána z buňky na buňku během dělení

• Všechny buňky mají v podstatě stejné chemické složení

• Činnost organismu je výsledkem činností buněk a jejich interakcí

Buněčná diversita

různé úrovně buněčné diversity

• organismální - odlišnosti organismů na základě odlišného genomu

• Evoluce – postupný vývoj, dlouhodobý

• procesní – dosažená procesem buněčné diferenciace, adaptace…

• ontogenetický vývoj organismu, buněčná odpověď na aktuální změnu vnějších podmínek, stárnutí, smrt

Vývoj života na zemi

• ~ 4.5 miliard vznik Země

• 4.0 miliard – Země zchladla

• 3.7 miliard – první prokaryota

• 1.5 miliard – první eukaryota

• 0.6 miliard mnohobuněčné organismy

• 0.005 miliard rod Homo

• 0.0001 miliard Homo sapiens

Podobnost na úrovni genů

• Sekvenování DNA odhalilo, jak blízko jsou lidé ve skutečnosti jiným organismům

• šimpanzi vs člověk - sekvence DNA je z 99 % identická – rozdíl pouze 1 %

• myši a člověk mají téměř stejný počet genů, zatímco 99 % myších genů má homology u lidí a naopak

• vysoká konzervace mezi geny u všech živočichů

• Na molekulární úrovni jsou si všechny organismy velmi blízké – umožňuje vycházet při studiu vyšších organismů z poznatků získaných z jiných forem života

Homologní geny

• geny z různých organismů s podobnou nukleotidovou sekvencí pocházející ze společného předka

• Genetická informace – množství DNA vs množství genů

• Velká variabilita ve velikosti genomu (řády) vs. Množství genů kódujících proteiny (člověk jen 5 x více než E. coli)

• DNA člověka, myši i háďátka - kódují podobná množství proteinů

• pouze 10 % lidského genomu kóduje proteiny

Modelové organismy

• Všechny buňky jsou potomky společných předků jejichž základní vlastnosti byly konzervovány v průběhu evoluce – znalosti získané z jednoho organismu přispívají k pochopení fungování organismů dalších včetně člověka.

• Modelové organismy – nejprostudovanější zástupci jednotlivých taxonů, jejichž výzkum významně přispěl k dnešním znalostem o fungování buněk a organismů

• Rozdílná obtížnost studia vybraných zástupců v laboratorních podmínkách

  • schopnost a rychlost reprodukce,

  • požadavky na kultivační/růstové podmínky

  • obtížnost genetických manipulací,

  • podobnost s lidskou fyziologií

Escherichia coli (E. coli)

• Nejprostudovanější organismus vůbec

• Studium přispělo mj. k poznání replikace DNA a dekódování genetické informace pro produkci proteinů

• G- tyčinkovitá bakterie, přítomná běžně v trávicím traktu člověka a obratlovců

• Snadno a rychle se množí v laboratorních podmínkách

• generační doba cca 20 min

• nízké požadavky na kultivační média

• schopná syntézy všech potřebných AK, lipidů, vitamínů…

• malý genom 4,2-4,6 Mbp

• využívána i ke studiu bakteriofágů – virů infikujících bakterie

• Bacillus subtilis

  • model gram pozitivní sporulující bakterie

  • tvorba vysoce rezistentních endospor – současné poznatky o sporulaci bakteriálních buněk jsou postaveny na výzkumu B. subtilis

  • morfologie – krátké tyčinky

  • aerobní (fakultativně anaerobní)

  • nepatogenní, netoxinogennní

  • hojně využíván v biotechnologiích

Saccharomyces cerevisiae

• Základní model eukaryotní buňky

• Kvasinka známá z vinařské a pivovarské technologie, droždí

• Malý (cca 10 m) jednobuněčný organismus, nepohyblivý, obsahuje mitochondrie, neobsahuje chloroplasty

• generační doba podobná bakteriím - kolem 90 minut

• nenáročná na kultivační podmínky

• cca 12 Mbp, ≈ 6600 genů - 16 chromosomů

• sekvenována v roce 1996 – první kompletně analyzovaný eukaryotický genom

• pohlavní i nepohlavní rozmnožování

• haploidní i diploidní forma

• (párovací typy a a alfa)

• Homologní geny k 6600 proteinům exprimovaným v Sc je možné najít ve většině eukaryot

• Studium kvasinek bylo klíčové k poznání např. buněčného cyklu (sled událostí duplikace buněčných komponent a rozdělení do dvou dceřiných buněk)

• studium přenosu signálu fosforylační kaskádou

• DNA replikace a transkripce

• proteiny v ER, GA a jejich sekrece

• Role mutantů v objevování fungování živých organismů

  • mutanty lze získat různými cestami, např. použití mutagenů (fyzikální, chemické…)

  • izolace a charakterizace mutantů běžně ve velkém měřítku

  • úloha proteinů je demonstrována díky mutacím, které omezují jejich syntézu či funkci

  • mutace esenciálních genů - neslučitelné se životem

  • teplotně senzitivní mutace

  • permisivní teplota – mutanti mohou růst

Schizosaccharomyces pombe

• alternativa k S. cerevisiae

• oddělil se od Sc před 300-600 miliony let

• široce používaný ve výzkumu

• tvar tyčinky, roste prodlužováním a dělí se ve středu buňky příčným dělením

• většina genů obsahuje introny (na rozdíl od Sc)

• Arabidopsis thaliana – Huseníček rolní

  • Modelem kvetoucích rostlin/rostlin obecně

  • Jednoletá 5-30 cm vysoká rostlina, plevel

  • 1 rostlina může produkovat až tisíce potomků, samoopylení

  • minimální generační doba kolem 6 týdnů

  • Možnost pěstování ve velkém množství v laboratorních podmínkách

  • První rostlina s kompletně sekvenovaným genomem (r. 2000)

  • Malý genom (jeden z nejmenších mezi rostlinami): 5 chromozómů, cca 135 Mbp (27 tis. genů)

  • Snadné genetické transformace s využitím bakterie Agrobacterium tumefaciens nesoucí žádaný plasmid

Caenorhabditis elegans (C. elegans) – Háďátko obecné

• nepatrazitující háďátko, patří mezi hlístice (Nematoda) a běžně žije v půdě, v kompostu

• Živí se bakteriemi a jinými mikroorganismy napěstovanými na agarových půdách

• Životní cyklus za optimálních podmínek 3 dny

• Stejný počet somatických buněk v každém dospělém jedinci (959) – determinační vývoj – osud každé buňky je přesně určen již při jejím vzniku

• Buňky diferencují do všech známých soustav vyšších organismů: trávicí, vylučovací, svalové, nervové a rozmnožovací

• Hermafrodit

• Genom 100 Mbp

• Přispěla k detailnímu popisu apoptózy

Drosophila melanogaster – Octomilka obecná

• Živočišný model – studován od 1910 – 6 Nobelových cen

• studium tohoto hmyzu stálo u základů genetiky

• Genetická analýza octomilky vedla k potvrzení, že chromozómy jsou nositeli genů (dědičné informace) - 1933 Thomas Hunt Morgan – Nobelova cena za fyziologii nebo lékařství - objasnění role chromozómů v dědičnosti

• Příspěvek k pochopení, jak genetická instrukce kódovaná v DNA řídí vývoj oplodněného vajíčka až do dospělého multicelulárního organismu složeného z různých typů buněk

• genové mapy - vzájemná poloha genů na základě frekvence rekombinací

  • Snadno kultivovatelná, nenáročná na podmínky, levné

  • Snadno rozlišitelné pohlaví (samec/samička)

  • Krátká generační doba – okolo 10 dní za pokojové teploty

  • Dostupné metody genetické manipulace

  • velikost cca 2 mm, genom cca 140 Mbp, 4 chromosomy

Zebřička - Zebrafish (Danio rerio) - Dánio pruhované

• Modelový organismus – zejména pro studium vývojové biologie obratlovců

• První dva týdny života je průhledná

• Generační doba kolem 3 měsíců

• Embryo má rychlý vývoj a po 36 hodinách jsou již patrné prekurzory všech orgánů

• Téměř ihned po oplodnění zprůhlední – usnadnění výzkumu

• Využíván k testování toxicity v klinických studiích

• Studium cirkadiálnního cyklu – podobný diurnální cyklus lidskému modelu

• genom $1,6 x 10^9 bp$, 23 tis. genů

Mus musculus- myš domácí Mus musculus var. alba – albinotická forma myši domácí

• Slouží jako savčí model

• nejvyšší podobnost s lidským jedincem z běžných modelových organismů – podobný nervový i imunitní systém, může onemocnět stejnými nemocemi jako člověk

• Rychlá reprodukce, nenáročný chov,

• Pohlavní dospělost 8-10 týdnů,

• Snadná manipulace

• genom cca $2,9 x 10^9 bp$, 25 tis. genů

• Díky pokrokům molekulárně biologických metod

• Existence nepřeberného množství možných genetických modifikací – změny stávajících genů či inzerce genů umělých

• Slouží pro studium široké škály disciplín: genetika, vývojová biologie, imunologie, buněčná biologie

• Editace genomu slouží jako nástroj pro vytváření myších modelů lidských geneticky podmíněných nemocí

• Studium obezity, metabolický syndrom, …

• Studium chování – Etologie

Rattus norvegicus- Potkan

• Častý toxikologický model

• Výhoda oproti myšímu modelu -
  Větší velikost orgánů a sub orgánových struktur

Studium buněčné biologie „in vitro“

• Nejblíže lidské fyziologie je člověk osobně

• Studium přímo na lidských jedincích!?

• Ve vhodných podmínkách lze pěstovat lidské i jiné živočišné a rostlinné buňky uměle – tkáňové kultury

• Mnoho buněk vykazuje i za podmínek umělého pěstování vlastnosti plně diferenciovaných buněk

• Pěstování za přesně definovaných podmínek umožňuje studium procesů, které jsou jen obtížně realizovatelné nebo vůbec „in vivo“

• Organoidy – trojrozměrné struktury s fyziologií intaktních orgánů vypěstované „in vitro“ – velká očekávání vs. etické otázky (personalizovaný původ)

Eukaryotní buňka – endomembránový systém - membrána

• Systém vnitřních membrán = endomembránový systém

• zvětšení vnitřního povrchu

• kompartmentalizace buněčného prostředí – separace různých dějů

• až ½ intracelulárního obsahu buňky

• cytoplasmatická membrána

• membrány organel

• membrány mitochondrií

• jaderná membrána/membrány

Eukaryotní buňka - Buňka živočišná - ER

• Endoplasmatické retikulum:

• Přímo napojené na jadernou membránou

• Nejrozsáhlejší membránový systém v buňce

• Systém propojených vaků a cisteren

• Uvnitř cisternální prostor (lumen)

• Syntéza proteinů určených k transportu: organely, plasmatická membrána

• Syntéza proteinů endoplasmatického retikula

• Syntéza většiny lipidů

• Syntéza většiny nových membrán

• Glykosylace proteinů (nikoliv v cytosolu) – připojení oligosacharidu k cílovému peptidu enzymem přítomným v lumen ER

• Drsné ER (s ribosomy):

• Ribosomy nejsou součástí drsného ER – existují ve stejné volné formě v cytosolu – na ER nasedají až s konkrétním syntetizovaným proteinem díky jeho signální sekvenci pro ER

• Hladké ER – nižší zastoupení než drsné ER

• specializované funkce: např: syntéza steroidních hormonů v nadledvinkách, detoxifikace alkoholu v játrech, separace Ca2+ iontů od cytosolu

Transport proteinů v rámci buňky

• Transport proteinu do endomembránového systému buňky:

  • Kotranslační transport

  • Přes jaderný pór

  • Proteinový přenašeč (transport rozbalených proteinů)

  • Pomocí váčků

  • Signální sekvence: AK sekvence – naviguje protein do místa určení

Transport nově syntetizovaného polypeptidového řetězce do ER

• SRP – signál rozeznávající částice

• složena z: 6 polypeptidových podjednotek a 1 malá SRP RNA

• volně v cytosolu – rozezná signál nově syntetizovaného proteinového řetězce pro navigaci do ER

• naváže se na ribosom a signální sekvenci

• dojde k zastavení syntézy proteinu až do navázání na SRP receptor v ER

• po vazbě na SRP-receptor –hydrolýza GTP vázaného na SRP a uvolnění SRP

• navázání ribosomu na protein translokační komplex („translocon“) a vložení signální sekvence do membránového kanálu

• navázáním sekvence dojde k uvolnění translokačního kanálu

• obnovení syntézy proteinu a jeho syntéza do ER

• signální sekvence navádějící protein do ER je odštěpena peptidasou na vnitřní straně ER

• uvolnění proteinu do lumen ER – degradace signální sekvence

Příklad zabudování membránového proteinu do ER membrány

• translokace je zastavena pokud je přítomna sekvence hydrofobních AK

• přítomnost hydrofobní sekvence umožní změnu konformace translokonu

• laterální přenosu do membrány skrz translokon

• Interní sekvence: „start-transfer“

  • není odštěpena (chybí informace pro signální peptidasu)

  • spolu se stop-sekvencí může působit v tandemu

Kontrola správného sbalení proteinů

• nesprávně sbalené proteiny jsou zadržovány v ER vazbou na chaperony

• Chaperony – specializované proteiny které napomáhají správnému skládání proteinů

• Nedojde-li v ER ke správnému sbalení proteinů jsou vyloučeny do cytoplasmy a degradovány v proteasomech

Ubikvitin-proteasomový systém

• Proteasom

  • bílkovinný komplex zajišťující degradaci nepotřebných proteinů

  • degradace proteinů označených ubiquitinem (ubikvitin)

  • velký proteinový komplex přítomný v jádře i cytosolu (ve více kopiích)

  • degradace nepotřebných a poškozených a nesprávně sbalených proteinů

  • aktivní místo: středový „válec“ tvořený proteasami – hydrolytické štěpení proteinů

• Vezikulární transport

  • transport pomocí váčků v intracelulárním prostoru buňky mezi různými kompartmenty endomembránového systému

  • Vysoce organizovaný proces

  • Každý váček musí obsahovat pouze proteiny určené do cílové destinace a musí být zároveň do této cílové destinace dopraveny

  • Každá organela si musí udržovat vlastní odlišnou identitu, aby byla rozpoznána (jiná proteinová a lipidová kompozice)

  • Váčky mají na povrchu odlišné proteiny, podle nichž jsou směrovány

  • Nejlépe popsaný – váček obalený klathrinem

  • Účastní se jak transportu z GA tak importu pomocí endocytosy

  • molekuly určené pro transport nesou specifický transportní signál který je rozpoznáván receptory v příslušné membráně

  • Adaptiny pomáhají zachytit receptory s transportovanými molekulami (specifita přenášeného materiálu ve váčku) a zároveň zajišťují poskládání klatrinového pláště

  • Vytváří se nejprve koši podobná struktura, která způsobí vyklenutí membrány a formování váčku (coated pit)

  • Opláštěný váček (coated vesicle)

  • Dynamin – GTP vázající protein – sestavení prstencové struktury - odškrcení váčku od membrány

  • uvolnění klatrinu a adaptinu z váčku

  • klatrin nehraje žádnou roli ve specifitě transportovaných molekul

  • specificita dána povahou adaptinů - které se podílejí na výběru molekul k transportu

  • V buňce existuje celá řada různých typů adaptinů

  • Vezikuly (váčky) jsou dále transportovány do místa určení

  • Vezikuly jsou často transportovány aktivně pomocí proteinových motorů pohybujících se podél vláken cytoskeletu

Každý váček má na svém povrch navázaný tzv. Rab protein

• Rab - skupina proteinů s GTPázovou aktivitou, popsáno více než 60 různých Rab

• Rab váčku je rozeznáván „tethering“ proteinem příslušné cílové organely

• Každý váček a každá organela má svou specifickou kombinaci Rab a tethering proteinu

• Na další úrovni je rozeznávací proces určen proteiny označovanými SNARE

• Váček – v-SNARE

• Organela – t-SNARE (target)

• SNARE proteiny zároveň zajišťují přiblížení vezikulu k membráně natolik, aby spolu mohly fúzovat

Golgiho aparát

• Získává proteiny a lipidy z ER

• modifikuje je (např. modifikace sacharidické složky glykoproteinu),

• třídí

• a připravuje je pro sekreci nebo transport do jiných organel

• Strukturní a funkční polarita – cis strana směrem k ER – příjem vezikul z ER

• Trans strana směrem k CM

• proteiny vstupují do ER na cis straně a vystupují z trans strany

• Většinou umístěn v blízkosti jádra a v živočišných buňkách v blízkosti centrosomu

• Tvar plochých membránových váčků – cisterny – spojených po 3-20 ks

• počet GA v buňce je závislý na buněčném typu (od 1 do několika set)

Pohyb proteinů skrz GA – dva modely

• Vezikulární transport - Odškrcování váčků z jedné cisterny a fúze s cisternou další (b)

• Model maturace cisteren - migrace celé cisterny v průběhu maturace (a)

• Z GA odchází stálý proud váčků, který následně fúzuje s CM a jeho obsah je uvolňován exocytosou

• Konstitutivní proces – konstitutivní exocytosa – ve všech buňkách

• Regulovaná exocytosa – pouze ve specializovaných, tzv. sekrečních buňkách: tvorba sekrečních váčků pro řízenou sekreci na základě signálu

Proteiny COPI, COPII a klathrin

• organizace sekreční dráhy a molekulární komponenty vezikulárního transportu jsou ve všech eukaryotních organismech podobné

• 3 hlavní typy opláštěných váčků:

  • COPII váčky – transport ER →GA

  • COPI váčky – retrográdní transport v rámci GA a GA →ER

  • Klatrinové váčky

    • cytoplasmatická membrána → trans GA

    • cytoplasmatická membrána → ENDOSOMY

Endocytosa

• doručení komponent z extracelulárního prostředí

• Buňky kontinuálně přijímají materiál z vnějšího prostředí procesem zvaným ENDOCYTOSA

• Endocytovaný materiál dále putuje k endosomům

• Rozlišujeme 3 hlavní typy endocytosy

• Pinocytosa – drobný rozpuštěný materiál v extracelulární tekutině

  • Do 150 nm

  • Všechny živočišné buňky

• Receptory řízená endocytosa (selektivní příjem vybraných makromolekulí)

  • využívá stejný princip opláštěných váčků jako třídění nově syntetizovaných proteinů určených k transportu ven z buňky

  • Příklad: příjem cholesterolu, vitaminu B12, železa…

  • cesta některých virových infekcí buňky (příklad: chřipka)

  • transmembránové receptory jsou sortovány a vraceny zpět

• Fagocytosa – velké nadmolekulární útvary, prokaryotní buňky

  • Vznik velkých vezikul – fagosomů - ≥ 250 nm

  • Většinou jen specializované buňky

Fagocytosa

• Pozorována již před více než 100 lety u prvoků, zde slouží k výživě,

• fagocytovaná strava fúzuje s lysosomem

• U živočichů odlišný význam – fagocytující buňky – makrofágy, neutrofily – fagocytóza nežádoucích MO

• Proces odstraňování a recyklace nepotřebného buněčného materiálu (mrtvé buňky, zbytky buněk)

• Pinocytosa

  • intenzivní proces neustálého příjmu extracelulárního materiálu buňkou

  • Udržována rovnováha mezi endocytosou a exocytosou

  • Pinocytosa je zajišťována většinou váčky obalenými klatrinem

  • Krátce po odškrcení z membrány uvolňují klatrinový plášť a fúzují s endosomy

  • Neselektivní proces (endocytosa rozpuštěného materiálu)

  • Exocytosa – opačný proces endocytose

Endosomy

• Endosomy – třídění a úprava materiálu přijatého endocytososu

• část endocytovaného materiálu je vrácena zpět do membrány

• 2 diskriminované typy:

  • časný endosom – blízko plasmatické membrány,

  • endocytovaný váček splývá s časným endosomem

  • separace molekul pro recyklaci do CM (např. receptory CM)

  • molekuly určené pro degradaci cestují do pozdního endosomu

  • Pozdní endosom – lokalizovaný blíže k jádru, vyvíjí se v lysosom

  • Časný endosom přechází v pozdním endosom – snižování pH, lytické enzymy z GA

V endosomech je udržováno kyselé prostředí (pH 5-6) pomocí H+ATP pump, které pumpují H+ ionty z cytoplasmy do endosomálního lumen

• Kyselé prostředí umožnuje disociaci přenášených molekul od membránových receptorů (uvolnění k recyklaci či rozkladu)

Lysosomy

• Membránové útvary obsahující hydrolytické enzymy, kolem 40 různých typů

• Degradace proteinů, nukleových kyselin, oligosacharidů, lipidů…

• degradace nepotřebných organel, degradace makromolekul, příjem materiálu sortovaného endosomy

• pH je v lysozomech udržováno kyselé (pH ≈ 5) činností ATP - H+ pump

• enzymy s optimem v oblasti nízkého pH

• Většina membránových proteinů lysosomů je ve vnitřním prostoru vysoce glykosylovaná – ochrana před rozkladem

• Lytické enzymy určené pro lysosomy jsou syntetizovány v ER a transportovány přes GA (označeny specifickou značkou manosa-6-fosfát, která slouží jako jejich navigace do lysosomů) – váčky odškrcené od trans GA splývají s pozdními endosomy za vzniku lysosomů

• v membráně také transportéry pro uvolňování malých molekul do cytosolu

Endocytosa – degradace membránových proteinů

• tvorba váčků pučících směrem do lumen endosomu

• vznik MVB – multivesicular body – multivesikulární tělísko

• tvorba exosomů

Autofagie

• Rozklad nepotřebných organel a proteinů

• uzavření rozkládaného materiálu do útvaru s dvojitou membránou – vznik autofagosomu

• Fúze s lysosomem a rozklad obsahu - autolysosom

• Příklad: eliminace poškozených mitochondrií

• jedná se o selektivní i neselektivní proces

Peroxisomy

• malé 0,1-1 m organely, lidské b. cca 100-1000 ks v závislosti na metab. aktivitě

• oxidační děje

• zpracování lipidů, detoxifikace některých látek, produkce peroxidu vodíku, syntéza vybraných fosfolipidů

• kataláza – rozklad peroxidu na $H<em>2O$ a $O</em>2$ nebo detoxikace oxidací jiných molekul

• vedle ER zde dochází k syntéze cholesterolu

• tvorba žlučových kyselin v játrech

• replikují se dělením, ale mohou vznikat de novo

• většina interních proteinů transportována přímo z cytosolu (jen některé z ER - membránové)

• většina signální sekvence pro transport do peroxisomu – na C-konci

Mitochondrie

• aerobní respirace – továrny na výrobu ATP

• dvojitá membrána - dýchací řetězec, kristy, matrix

• velikost odpovídající velikosti bakteriální buňky (E.coli)

• eukaryotní buňky – mnoho mitochondrií (stovky až tisíce u savčích buněk) – regulované tak, aby odpovídaly buněčné potřebě ATP

• může zabírat až 25 % objemu cytoplazmy

• asymetricky rozmístěny v buňce – na základě požadavku ATP

• poskytuje malé organické molekuly pro extramitochondriální biosyntézu

• např. citrát, malát, mravenčan, acetyl-CoA…

Mitochondrie – struktura membrán

• dvě strukturně a funkčně odlišné membrány
  *

Endosymbiotická teorie vzniku mitochondrií a chloroplastů

• kdysi dávno byly mitochondrie a chloroplasty volně žijící bakterie - endosymbióza

• byly pohlceny eukaryotní buňkou a staly se její součástí

• Důkazy:

  • mají vlastní DNA (cirkulární) = prokaryotická DNA

  • mají vlastní ribosomy = prokaryotické ribosomy

  • proteiny importovány z cytosolu

  • množí se dělením

  • dvouvrstevná membrána

Cytoskelet

• síť vláken v cytoplazmě

• opora buňky a udržení tvaru

• interakce s motorickými proteiny umožňují pohyb buňky a organel

• dynamická struktura - neustálá přestavba

• 3 hlavní typy vláken:

  • mikrofilamenta (aktinová vlákna)

  • intermediální filamenta

  • mikrotubuly

Mikrofilamenta (aktinová vlákna)

• polymer z molekul aktinu (globulární protein)

• 7 nm

• dynamické

• polarita: + a - konec

• růst polymerací aktinových molekul (ATP)

• koncentrace aktinu v buňce je vysoká, ale většina ho je v nepolymerované formě

• polymerace je regulována

• Asociační proteiny

• stabilizují vlákna

• organizují do svazků

• umožňují připojení k membránám

• interakce s myozinem (motorický protein)

• pohyb buněk (améboidní pohyb)

• svalová kontrakce

• dělení buněk (cytokineze)

Intermediální filamenta

• 10 nm

• tvoří pevné lano

• větší pevnost než mikrofilamenta a mikrotubuly

• méně dynamické než mikrofilamenta a mikrotubuly

• nejsou polární

• různé typy (dle typu buněk)

  • keratin (epiteliální buňky)

  • vimentin (pojivové tkáně)

  • neurofilamenta (nervové buňky)

  • laminy (jádro)

• funkce:

  • mechanická podpora

  • odolnost vůči tahu

  • ukotvení organel

  • stavba jaderné laminy

Mikrotubuly

• duté trubice

• 25 nm

• tvořeny tubulinem (dimer - alfa a beta tubulin)

• dynamické

• polarita: + a - konec

• organizace z centrosomu (MTOC - microtubule organizing center)

• centrioly (2) v centrosomu

• funkce:

  • transport organel

  • pohyb chromozomů při dělení

  • stavba bičíků a řasinek

• Motorické proteiny

  • Kinesiny (+ konec)

  • Dyneiny (- konec)

Mimobuněčná hmota (extracelulární matrix, ECM)

• soubor molekul vylučovaných buňkami do okolního prostoru

• složení:

  • proteiny (kolagen, elastin, laminin, fibronektin…)

  • polysacharidy (glykosaminoglykany, proteoglykany…)

• funkce:

  • mechanická opora

  • regulace buněčného chování (růst, diferenciace, migrace…)

  • komunikace mezi buňkami

• Rostlinná buňka - buněčná stěna

Buněčné spoje

• adhezní spoje

• těsné spoje

• gap junctions

• plazmodezmaty

Adhezní spoje

• spojují buňky k sobě nebo k ECM

• kadheriny (Ca2+ dependent adhesion)

  • homofilní interakce

  • desmozomy

• integriny

  • heterofilní interakce

  • hemidesmozomy

Těsné spoje (tight junctions)

• vytvářejí bariéru

• brání průchodu molekul mezi buňkami

• okludin, klaudin

• polarita epiteliálních buněk

Gap junctions

• komunikační kanály mezi buňkami

• konexiny

• umožňují průchod malých molekul a iontů

• synchronizace aktivity buněk

Plazmodezmaty

• rostlinné buněčné spoje

• kanály skrz buněčnou stěnu

• cytoplazmatické spojení mezi buňkami

• umožňují transport molekul mezi buňkami

Eukaryotní buňka - jádro

• uložení a replikace DNA

• transkripce DNA do RNA

• jaderná membrána (dvojitá)

• jaderné póry

• jadérko

• chromatin

Jaderná membrána

• dvojitá membrána

• vnitřní a vnější membrána

• perinukleární prostor

• lamina (intermediální filamenta)

• jaderné póry

Jaderné póry

• komplexy proteinů

• transport molekul do a z jádra

• malé molekuly - volná difuze

• velké molekuly - aktivní transport

• importiny a exportiny

Jadérko

• místo syntézy ribosomální RNA (rRNA)

• ribosomální geny

• rRNA transkripce

• ribosomální proteiny

• ribosomální subjednotky

Chromatin

• DNA + proteiny

• histony

• nukleozom

• euchromatin (volný)

• heterochromatin (kondenzovaný)

Organizace bakteriální buňky

• Bakterie a Archea

• prokaryotická buňka

• nemají jádro ani jiné organely

• DNA v nukleoidu

• ribosomy

• cytoplazmatická membrána

• buněčná stěna

• kapsula (některé)

• bičíky (některé)

• plazmidy (některé)

Bakteriální DNA

• kruhová molekula DNA

• nukleoid

• plazmidy

Bakteriální ribosomy

• proteosyntéza

• 70S (eukaryotické 80S)

Bakteriální cytoplazmatická membrána

• fosfolipidová dvojvrstva

• transport látek

• dýchací řetězec (u aerobních bakterií)

Bakteriální buněčná stěna

• peptidoglykan

• grampozitivní bakterie (silná vrstva peptidoglykanu)

• gramnegativní bakterie (tenká vrstva peptidoglykanu + vnější membrána)

Kapsula

• polysacharidová vrstva

• ochrana před fagocytózou

• adherence k povrchům

Bakteriální bičíky

• pohyb

• rotace

Viry

• nebuněčné organismy

• DNA nebo RNA

• प्रोटीनový obal (kapsida)

• někdy membránový obal

• parazité buněk

Viroidy a priony

• Viroidy

  • krátké molekuly RNA

  • parazité rostlin

• Priony

  • infekční proteiny

  • způsobují neurodegenerativní onemocnění (Creutzfeldt-Jakobova nemoc, BSE)

Buněčné dělení

• mitóza

• meióza

Mitóza

• dělení somatických buněk

• 1 buňka → 2 dceřiné buňky

• dceřiné buňky mají stejný genetický materiál jako mateřská buňka

• profáze, metafáze, anafáze, telofáze

Meióza

• dělení pohlavních buněk

• 1 buňka → 4 dceřiné buňky

• dceřiné buňky mají poloviční počet chromozomů než mateřská buňka

• profáze I,