Základy buněčné biologie

Prezentace na téma: "Základy buněčné biologie"— Transkript prezentace:

1 Základy buněčné biologie
Ivo Šauman Julius Lukeš Roman Sobotka Michal Žurovec

2 Základní učební texty

3 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

4 Fyziologie Lékařství Buněčná biologie Genetika Vývojová biologie
Motto č. 1: Znalosti o buňce jsou nezbytné ve všech oborech biologie Fyziologie Lékařství Buněčná biologie Genetika Vývojová biologie Evoluční biologie Motto č. 2: Řečí biologie je angličtina Bez dobré angličtiny v biologii nelze uspět

5 Co musí buňka dělat? Asimiluje/konvertuje energii
Udržuje svoje složení a pořádek Reprodukuje kopie sebe sama Přes dlouhou historii (ca 3.5 miliardy let) evoluce používají všechny buňky tentýž kód a mechanismus přenosu informace: DNA >>> RNA >>> PROTEIN

6 Schleiden a Schwann (1838-39)
Buněčná teorie Schleiden a Schwann ( ) Buňka je fundamentální stavební jednotkou všech živých organismů. Všechny organismy sestávají z jedné nebo více buněk. Všechny buňky vznikají z existujících buněk.

7 VIRY

8 The lytic replication cycle of E. coli bacteriophage T4

9 4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí
3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.)

10 Informace Centrální dogma 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 Centrální dogma

11 Genetický kód může být čten ve třech různých (čtecích) rámcích
ORF1 ORF2 ORF3 (not shown) Figure 4-21

12 Překlad: 3-písmenné kodony říkají, jaká aminokyselina bude přidána k proteinu.
Kód je redundantní (degenerovaný), více kodonů určuje jednu aminokyselinu.

13

14 Genotyp určuje fenotyp

15 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

16 Přehled transkripce a translace v eukaryotické buňce

17 Jaká je minimální velikost genomu nutná pro život a reprodukci buňky ?
Mykoplasma má genom pouze 580,070 nukleotidů, 477 genů Asi 200 genů je všem buňkám/organismům společných

18 Genom mycoplasmat RNA genes, tRNAs 8% Unknown 30% Replication,
Transcription, Proteosynthesis 32%% Metabolism, energy conversion 15% Transport of nutrients) 7% Membrane, surface 6% Cell cycle regulation 2%

19 Genom E. coli je jedna kruhová molekula DNA (chromosom)
Asi 4000 genů

20 Lidský genom: ~35,000 genů ve 3 x 109 bp
Science, Feb 16, Celera Nature, Feb 15, IHGSC

21 4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí
3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.)

22 „Biomolekuly“ Voda, anorganické ionty a malé organické molekuly tvoří 75-80% živé váhy buňky Makromolekuly (proteiny, polysacharidy, lipidy, DNA) tvoří zbytek

23 Plasmatická membrána separuje buňku od jejího protředí
Lipidická dvojvrstva je fundamentální strukturou všech buněčných membrán všech buněk Přítomnost různých membránových proteinů dodává různým membránám specifické funkce Figure 1-6

24 Amfipatické lipidy

25 Lipidová dvojvrstva je semi-permeabilní

26 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)

27 Typy membránových proteinů

28 Membránový transport zprostředkovaný proteiny často vyžaduje energii
Figure 15-3

29 TEM of RBC thin section Model of membrane structure

30 Každý kompartment má dva různé povrchy - vnitřní a vnější
Tyto dva povrchy membrán jsou asymetrické co do složení lipidů a proteinů

31 4 Aspekty buňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí
3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.) Příjem Skladování Využití

32 Světelná energie - fotosyntéza
Bioenergetika: jak buňky získávají a přeměňují energii Pamatujte si tuto rovnici: 6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo (tato reakce vyžaduje světelnou energii je endergonická) Redukce oxidu uhličitého – přidávání elektronů

33 Anabolické/fotosyntéza Katabolické/respirace

34 Oxidace: odnímání nebo ztráta elektronů –stav nižší energie.
AH  A + e- + H+ C6H12O6 + 6O2 --> 6CO 2 + 6H2O Redukce: přidávání elektronů - stav vyšší energie A + e- + H+  AH 6CO2+ 6H2O --> C6H12O6 + 6O2 + teplo

35 Respirace: 2 procesy Vynález aerobní respirace -- převrat v evoluci
1. Glykolýza – cytoplasma C6H12O6  2 C3H3O3 reduced oxidized Poskytuje trochu ATP a NADH 2. Tricarboxylic acid cycle (TCA) nebo Krebsův cyklus – mitochondrie 6 O2 + 2 C3H3O3  6 CO2 + 6 H2O + spousta volné energie reduced oxidized

36 ATP  ADP + Pi

37 3 domény života: Bacteria, Archaea, and Eukaryota

38 Strom života na Zemi První živé buňky se na Zemi objevily asi před 3 a půl miliardami let

39 Prokaryota vs. Eukaryota
Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs um Mnohobuněčnost, diferenciace

40 Prokaryotická buňka Jednobuněčné organismy
2 typy: bacteria and archaea Relativně jednoduchá struktura

41 Eukaryotická buňka Jedna buňka nebo multicelulární organismus
Rostliny, houby, živočichové Strukturně složitější: organely, cytoskelet

42 Eukaryotická DNA je sbalená do chromosomů
Každý chromosom je jedinou lineární molekulou DNA spojenou s proteiny Veškerá DNA v chromosomech organismu je jeho genom Figure 1-8

43 Jaderné póry zajišťují výměnu proteinů a RNA s cytoplasmou

44 Interphase chromatin Mitotic chromosome

45 Stadia mitosy a cytokinese v živočišné buňce
Figure 19-34

46 Mitotický aparát je stroj na oddělení chromosomů

47 Prokaryota vs. Eukaryota
Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs um Mnohobuněčnost, diferenciace

48

49 Polycistronní transkripce/translace
Transcription start site Transcription stop site Monocistronní transkripce/translace

50 Struktura ribosomů u prokaryot vs. eukaryot

51 Prokaryota vs. Eukaryota
Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs um Mnohobuněčnost, diferenciace

52 Organely eukaryotické buňky
Jádro Lysosomy Peroxisomy Mitochondrie Chloroplasty Endoplasmické retikulum (ER) Golgiho komplex Filamentární sítě, cytoskelet

53

54 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

55 Lidský mitochondriální genom

56 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

57 Peroxisomy Degradace/metabolismus mastných kyselin toxických látek
Hlavní rysy jednoduchá membrána obsahují enzymy (oxidázy a katalázu)

58 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

59 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

60 Vesikulární transport je směrovaný a specifický.
Všechny váčky nesou povrchové markery, rozpoznávací molekuly, které označují váčky podle jejich původu a obsahu, který nesou.

61 3 základní typy transportu v buňce

62 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

63 Lysosome

64 Prokaryota vs. Eukaryota
Jádro Organizace transkripce a translace Organely Cytoskeletální sítě Endo and exocytosa Velikost 1-10 um vs um Mnohobuněčnost, diferenciace

65 Cytoskeletální sítě se liší strukturou a funkcí

66

67 The end