1) buněčné a nebuněčné formy života

1) BUNĚČNÉ A NEBUNĚČNÉ FORMY ŽIVOTA

historie a technické limity výzkumu buněk pomocí mikroskopu; světelná a elektronová mikroskopie; organizace živých soustav - buněčné a nebuněčné systémy; nebuněčné formy života; buněčné formy života - typy prokaryontních a eukaryontních buněk, rozdíly mezi nimi; základní vlastnosti prokaryontních a eukaryontních buněk; principy funkční organizace buněk

Buněčné a nebuněčné formy života

HISTORIE A TECHNICKÉ LIMITY VÝZKUMU BUNĚK POMOCÍ MIKROSKOPIE

Rozlišení = vzdálenost mezi dvěma body, při níž tyto body vnímáme jako rozdílné

• Lidské oko: 0,2 mm

• Světelný mikroskop: 0,2 m

• Elektronový mikroskop: 0,2 nm

PŘEHLED ZOBRAZOVACÍCH METOD

Světelná mikroskopie

• mikroskopie ve světlém poli (bright field, BF)

• mikroskopie v tmavém poli (dark field, DF) = fluorescenční mikroskopie

Elektronová mikroskopie

• TEM = transmisní (prozařovací) elektronová mikroskopie

• SEM = skenovací (rastrovací, řádkovací) elektronová mikroskopie

Fluorescenční mikroskopie

• temné pole (dark-field, DF)

• excitační a emisní filtry

• barviva - fluorochromy

  • fluorescein (FITCd), Cy3

  • rhodamin (TRITC), Cy5,

  • Texas Red, ethidium

  • bromid (EB), propidium

  • jodid (PI)

  • kumariny, DAPI, bisbenzimid (Hoechst)

  • komerční: AlexaTM aj.

Specifika preparátů pro elektronovou mikroskopii

• TEM (transmisní EM):

  • nutnost tzv. kontrastování (= vnesení atomů těžkého kovu)

  • malé objekty nebo ultratenké řezy (max. 40 nm)

• SEM (skenovací EM):

  • nutnost pokovení

HISTORIE VÝZKUMU BUNĚK

Robert Hooke: Micrographia

• 1665 - popis pórů v řezu korku - termín "buňky"

Antoni van Leeuwenhoek

• 1674 - objev prvoků (Vorticella)

• 1683 - objev bakterií (E.coli)

Robert Brown

• 1833 - popis buněčného jádra (mikroskopické pozorování orchidejí)

Matthias Jakob Schleiden, Theodor Schwann

• 1838 - Buněčná teorie:

• buňka s jádrem představuje univerzální stavební kámen rostlinných a živočišných tkání

1852 - Robert Remak a 1857 - Rudolf Virchow

• Biogenní zákon: "Omnis cellula e cellula"

  • "Každá buňka pouze z buňky"

1952 - George E. Palade, Keith R. Porter

• využití transmisní elektronové mikroskopie (TEM) k pozorování ultrastruktury buněk

HIERARCHIE ŽIVÝCH SOUSTAV: BUNĚČNÉ A NEBUNŠČNÉ SYSTÉMY

Hierarchické uspořádání živých soustav

• buňka → mnohobuněčný jedinec → definovaná populace jedinců → druh

• buňka → tkáň/pletivo → orgán → orgánová soustava → jedinec

• nebuněčné (podbuněčné) systémy

• jednobuněčné systémy

• mnohobuněčné systémy

<aside> 💡

• Definice živého systému: otevřená soustava s vysokým stupněm hierarchické uspořádanosti, se schopností udržovat sama sebe, se schopností reprodukce a vývoje </aside>

Buňka

• základní (minimální) jednotka, která vykazuje znaky živé soustavy

• základní forma organizovanosti živé hmoty

• minimální strukturní, funkční a reprodukční jednotka

Buněčně organizované formy života

• Obecné vlastnosti:

  • Prostorová a časová ohraničenost

  • Podobné chemické složení

  • Schopnost reagovat na impulsy z okolí

  • Schopnost reprodukce (vždy stejný princip genetického kódování)

  • Schopnost vývoje (evoluce)

Prokaryontní buňky

• archebakterie, eubakterie, cyanobakterie

• jádro tvořeno jednou kruhovitou molekulou DNA, která není prostorově oddělena od cytoplazmy

Eukaryontní buňky

• živočišné buňky, rostlinné buňky, houby

• jádro tvořeno komplexem chromosomů (DNA a proteiny), od cytoplazmy odděleno jaderným obalem (biomembrána s póry)

  • karyon = jádro ; pro = před ; eu = opravdu

Nebuněčné systémy

• Virusy

  • infekční nukleoproteinové částice

• Viroidy

  • infekční molekuly RNA

• Priony

  • infekční proteiny

virusy

• genom: ds DNA, ss DNA, ds RNA, ss RNA

• proteinová kapsida, případně další struktury (fágy)

• membránový obal (živočišné virusy)

• bežně 20 nm, největší známé viry (tzv. mimiviry) jsou však větší, než některé prokaryontní organismy

• životní cyklus virů

  • intracelulární parazitismus

  • využití proteosyntetického aparátu hostitelské buňky

  • lytický a lyzogenní cyklus

Priony

• posttranslační změna konformace proteinu

• scrapie; bovinní spongiformní encefalopatie (BSE)

• kuru; Creutzfeld-Jacobova choroba (CJD)

Viroidy

• kruhovité molekuly RNA

• přenos přímým kontaktem mezi postiženými rostlinami

BUNĚČNÉ FORMY ŽIVOTA: PROKARYONTNÍ BUŇKY

typy prokaryontních buněk:

• Archebakterie (Archaea)

  • evolučně starší – extrémní podmínky

• Eubakterie (Eubacteria)

  • většina běžných bakterií včetně patogenů

• Sinice (Cyanobacteria)

  • obvykle kolonie = kulovité, vláknité

Archebakterie

• evolučně nejstarší typ buněk

• klasická stavba prokaryontní buňky

• výskyt na extrémních stanovištích:

• koncentrované roztoky solí

• horká / kyselá sopečná vřídla

• anaerobní podmínky (dno oceánů, splašky)

• halofilní, termofilní...

• Beggiatoa: sirné prostředí, oxidace H2S jako zdroj energie, fixace uhlíku i za tmy

Eubakterie

• většina současných bakterií

• velikost obvykle 1 až 10 m

• klasická stavba prokaryontní buňky:

  • prokaryontní jádro (kruhovitá ds DNA uchycená k membráně), plazmidy, ribosomy, inkluze, mesozomy, buněčná stěna, na povrchu bičíky nebo fimbrie

• výjimečně intracelulární parazitismus (mykoplazmata, rickettsie, chlamydia)

Sinice

• fotosyntetizující buňky

• kulovité nebo vláknité kolonie

• specializace buněk ve vláknitých koloniích

• tylakoidy (lokalizace enzymů pro fotosyntézu)

• plynové váčky = vznášení se ve vodě

BUNĚČNÉ FORMY ŽIVOTA: EUKARYONTNÍ BUŇKY

• velikost obvykle řádově 10-100 m

Rostlinná buňka

• řasy (jedno- i vícebuněčné), mechy, rostliny

• buněčná stěna

• schopnost fotosyntézy (chloroplasty)

Buňka hub

• houby, kvasinky

• buněčná stěna

Živočišná buňka

• prvoci, bezobratlí, obratlovci

POROVNÁNÍ ZÁKLADNÍCH VLASTNOSTÍ PROKARYONTNÍCH A EUKARYONTNÍCH BUNĚK

Vlastnosti společné prokaryontním i eukaryontním buňkám:

• plazmatická membrána s podobnou stavbou

• genetická informace je uložena v DNA, identický

• genetický kód

• podobné mechanismy transkripce a translace včetně

• podobných ribosomů

• stejné metabolické dráhy (glykolýza, TCA cyklus)

• podobný aparát pro uchování chemické energie ve

• formě ATP

• podobný mechanismus fotosyntézy

• podobný mechanismus syntézy membránových

• proteinů včetně způsobu lokalizace

• podobná konstrukce proteasomů

Vlastnosti typické pro eukaryontní buňky:

• buňka prostorově rozdělena na jádro a cytoplazmu

• komplex chromosomů složených z DNA a proteinů,

• dvě kopie každého genu v jedné buňce

• komplex membránových organel, lokalizovaných v cytoplazmě

• specializované organely pro aerobní respiraci a fotosyntézu

• komplex cytoskeletálních struktur

• schopnost přijímat tekutiny a pevné částice z okolí

• vchlípením plazmatické membrány (endocytóza)

• buněčná stěna obsahující celulózu (rostliny, houby)

• buněčné dělení s využitím mikrotubulárního aparátu

• pohlavní rozmnožování vyžadující meiózu a fertilizaci

Funkční organizace buněk

Paměťový systém

• systém nukleových kyselin a proteinů (uchování a exprese genetické informace)

• všechny typy buněk

Membránový systém

• systém biomembrán (tok látek, energie a informace)

• všechny typy buněk (kvantitativní rozdíly)

Cytoskeletální systém

• systém vláknitých proteinových struktur (pohyb,

• prostorová organizace, komunikace)

• eukaryontní buňky, analogie u prokaryot