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…

Aminokyseliny 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) H 2 N C 3 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

Bílkoviny 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

Lipidy Látky obvykle málo rozpustné ve vodě Mnoho různých chemických struktur acylglyceroly, vosky, sfingomyeliny… Acylglyceroly = glycerol + mastné kyseliny H 2 C 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

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů

Buňky Prokaryotické Eukaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) 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 mm 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 kyselin X – hydrofilní skupina O

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 Dává buňce tvar 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

Hypotonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypotonické prostředí

Hypertonické prostředí

Hypertonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypertonické prostředí

Hypotonické prostředí

Hypotonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypotonické prostředí

Hypertonické prostředí

Hypertonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypertonické prostředí

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 Rostliny Houby Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek

Složení mikrobiálních buněk !!! 3 základní domény života, ale jen 2 základní typy buněk !!! Doména Typ buňky Bacteria Prokaryotická Archea Eukarya Eukaryotická

Bakteriální buňky

Chemické složení bakteriálních buněk Látka Obsah Voda 70-90% Bílkoviny 40-80% sušiny RNA 10-30% sušiny DNA 2-3% sušiny Sacharidy 5-20% sušiny Lipidy 5-10% sušiny Popel (fosfáty, sírany, Mg, K, Na, Ca…)

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 - koky Diplokok Tetráda Sarcina Stafylokok Streptokok

Staphylococcus epidermidis

Streptococcus sp.

Oválné bakterie Oválné Tyčinkovité Palisády Diplobakterie Streptobacily

Vibrio

Spirochety Treponema pallidum

Caulobacter

Velikost bakteriálních buněk Značná variabilita ve velikosti nejmenší bakterie 100-200 nm v průměru (Mycoplasma) průměr v řádu mm (0,5-2 x 1-10 mm) největší bakterie délka až 0,5 mm

Pseudomonas fluorescens 2 m m 0,5 m m

Bičík

Bičíky Orgány pohybu bakterií Bičík = flagelum (mn.č. flagela) spirálovité, otáčí se jako lodní šroub Bičík = flagelum (mn.č. flagela) Různý počet bičíků (0-1-desítky) Různá délka, až 20 mm (tj. cca 10x delší než buňka) Bílkovina flagelin – samouspořádání Ukotvené v cytoplazmatické membráně Nejsou viditelné ve světelném mikroskopu, jen v elektronovém

Bičíky Atricha = bez bičíků

Monotricha = jeden bičík Bičíky Monotricha = jeden bičík

Lofotricha = více bičíků na pólech Bičíky Lofotricha = více bičíků na pólech

Peritricha = mnoho bičíků po celé buňce Bičíky Peritricha = mnoho bičíků po celé buňce

Slizový obal

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

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 mm Různá funkce „sexuální“ – výměna genetické informace (konjugace) – jen u některých G- bakterií přilnavá (přichycení k povrchu)

Nukleoid

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-b-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

Mesozóm

Buněčná stěna

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-) 1000x zvětšeno

Staphylococcus aureus (G+) 1000x 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)

Grampozitivní bakterie Cytoplasma

Grampozitivní bakterie Cytoplazmatická membrána

Grampozitivní bakterie Peptidoglykan

Grampozitivní bakterie Polysacharidy

Gramnegativní bakterie Slabší peptidoglykan 1-3 nm Tzv. vnější membrána fosfolipidy proteiny lipopolysacharidy póry Periplazmatický prostor mezi stěnou a vnější membránou

Gramnegativní bakterie Cytoplasma

Gramnegativní bakterie Cytoplazmatická membrána

Gramnegativní bakterie Peptidoglykan

Gramnegativní bakterie Vnější membrána

Gramnegativní bakterie Periplazmatický prostor

Periplasmatický prostor Shrnutí G+ a G- Vlastnost G+ G- Peptidoglykan 20-80 nm 1-3 nm Vnější membrána ne ano Periplasmatický prostor Teichoová kyselina 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

Cytoplasma

Jádro

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

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)

Vnější membrána

Vnitřní membrána

Kristy

Matrix

Endoplasmatické retikulum

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

Ribozómy

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 Rostliny Houby Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek

Strom života Chloroplast Rostliny Houby Mitochondrie Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek

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