Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Prezentace na téma: "Inovace studia molekulární a buněčné biologie"— Transkript prezentace:

1 Inovace studia molekulární a buněčné biologie
Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární a buněčné biologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 Investice do rozvoje vzdělávání
Předmět: KBB/BB1P Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 Úvod do studia buněčné biologie (historie, termodynamika, evoluce)
Investice do rozvoje vzdělávání Úvod do studia buněčné biologie (historie, termodynamika, evoluce) „Tajemství života“ Boris Cvek Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

4 Investice do rozvoje vzdělávání
Cíl přednášky: Seznámit posluchače s milníky vývoje buněčné biologie a hlavní odlišností živé a neživé hmoty Klíčová slova: dějiny buněčné biologie a biochemie, termodynamika, evoluce. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

5 Buněčná biologie (BB) v kontextu
bio-medicína (fyziologie, patologie, imunologie, farmakologie…) fyzika, biofyzika chemie, biochemie obecná biologie BB biologie jako taková zemědělství, potravinářství, farmaceutický průmysl, odpady…

6 Duše a teleologie Aristotelés v díle O duši definuje živé bytosti (včetně rostlin) jako oduševnělé – duše je příčinou toho, že se vyživují, rozmnožují a pohybují za nějakým účelem právě tato účelnost (teleologie z řeckého telos = účel) hned od počátku odlišuje pro filozofii živé od neživého. Živé totiž jedná tak, aby něčeho dosáhlo (proč kvete rostlina? aby měla plody! – o pohybu kamenů nebo větru nebo lávy se něco podobného říci nedá, zde je pohyb pouze mechanicky vyvolán zvnějšku a slepě se valí bez účelu, dokud se nezastaví zase vnější silou) dodnes nad životem přemýšlíme teleologicky, i když to je atavistická iluze, jak uvidíme později

7 Duše jako vis vitalis? ačkoli Aristotelés připouštěl možnost zrození živého z neživého (žáby z bláta), v 19. století se jeho koncepce duše, oddělující živé od neživého, „zvědečtila“ tímto způsobem: Živé entity obsahují látky, např. močovinu, které nemohou vzniknout jinak než uvnitř těchto entit samotných, a to pomocí tajuplné síly života nazývané vis vitalis když ale v roce 1824 F. Wöhler syntetizoval kyselinu šťavelovou a o čtyři roky později dokonce močovinu, bylo uznáno, že v živých organismech platí táž chemie a fyzika jako v neživém světě – vis vitalis neexistuje

8 Moderní cesta od buňky k chemii
převedení živého na jeden společný základ s neživým sice samo nijak nevysvětlilo teleologický rozdíl mezi živým a neživým, umožnilo ale zkoumat základní jednotku života, buňku, tak podrobně, že se opravdu prokázalo, že veškeré dění v buňce má fyzikálně-chemickou podstatu (vznik molekulární biologie) někde na začátku této cesty bylo pozorování R. Hooka, jež zveřejnil v knize Micrographia v roce 1665: Hooke ve svém mikroskopu tehdy viděl buněčné stěny mrtvých buněk korku a připadaly mu jako cely (lat. komůrka) mnichů, proto je nazval buňky (anglicky cells)

9 Wikipedie

10 Buněčná teorie živé buňky ovšem jako první pozoroval až A. van Leeuwenhoek (lévnhok), který v roce 1674 popsal řasu Spirogyra – což se bere za počátek mikrobiologie L. Ch. Treviranus ( ) a J. J. P. Moldenhawer ( ) prokázali, že buňky se dají oddělovat jedna od druhé a vytvářejí základní jednotky rostlin R. J. H. Dutrochet ( ) dospěl k teorii, že buňka je základní jednotka organizace, odkud potom vychází za přispění dalších studií zejména J. E. Purkyně, T. Schwanna, M. J. Schleidena a R. L. K. Virchowa moderní buněčná teorie formulovaná takto:

11 všechny živé entity se skládají z jedné nebo více buněk
(1839 T. Schwann a M. J. Schleiden) všechny živé entity se skládají z jedné nebo více buněk (1839 T. Schwann a M. J. Schleiden) buňky jsou základní jednotkou struktury i funkce živých entit (1858 R. L. K. Virchow) nové buňky mohou povstat pouze z už existujících buněk

12 Chemie živých soustav koncem 18. st. a v 19. st. byla pozornost chemiků stále víc směřovaná k živým organismům – J. von Liebig založil fyziologickou chemii, z níž se začátkem 20. st. vyvinula biochemie (E. Buchner vysvětlil kvašení) v té době se také začaly rozvíjet klíčové metody pro chemické studium živých soustav: rentgenová difrakce, el. mikroskopie, ultracentrifugace, elektroforéza… L. Pauling ( ) spojil poprvé v dějinách genetickou mutaci u pacientů, kteří měli určitou nemoc, s deformací v jejich konkrétním proteinu (a v tomto případě se jednalo o hemoglobin)

13 Metabolismus v roce 1614 S. Santorio v knize Ars de statica medecina zveřejnil svá pozorování sebe samého, v nichž dospěl k tomu, že většina stravy, kterou přijímá, se ztrácí, a to jaksi aniž by to pocítil („nepocítitelné pocení“) teprve v první polovině 20. st. pak bylo vysvětleno, jak buňky a organismy zacházejí s živinami a byly objeveny základní metabolické dráhy v jejich chemické podstatě H. A. Krebs ( ) objevil močovinový a spolu s H. L. Kornbergem (1928) potom i citrátový cyklus (nazývaný také Krebsův)

14 WIKIPEDIE

15 Nukleové kyseliny F. Miescher ( ) a R. Altmann ( ) poprvé izolovali „nukleovou kyselinu“ dnes známou pod zkratkou DNA – 1919 P. Levene zjistil, z čeho se DNA skládá, její struktura však zůstávala záhadou práce vědců O. T. Averyho ( ), A. Hersheye ( ) a M. Chasové ( ) prokázaly, že DNA představuje genetický kód společnou prací F. Cricka ( ), J. D. Watsona (1928), M. H. F. Wilkinse ( ) a R. Franklinové ( ) byla pomocí rentgenové difrakce objevena i slavná struktura DNA, což je základní objev v nové disciplíně zvané molekulární biologie (MB)

16

17 WIKIPEDIE

18 Dějiny objevu proteinů
už ve starověku byla shledána podobnost mezi tvrdnutím vaječného bílku a srážením mléka – látku, která za těmito procesy stála, nazval Plinius St. albumin („z vejce“) G. J. Mulder v letech publikoval zjištění, že známé bílkoviny mají zhruba stejný poměr prvků C:H:N:O a že jde tedy nejspíše o jednu a tutéž látku J. J. Berzelius tuto látku považoval za základní, prvotní složku potravy a razil pro ni název protein Mulder dokonce identifikoval také produkt rozkladu bílkovin, totiž aminokyseliny

19 Struktura proteinů nezávisle na sobě F. Hofmeister a E. Fischer vyslovili na téže konferenci v roce 1902 hypotézu, že proteiny se skládají z aminokyselin důkaz této teorie podal F. Sanger v roce 1949, když popsal primární strukturu inzulínu pomocí analytické ultracentrifugace ukázal T. Svedberg nakonec, že bílkoviny jsou jasně definovanými látkami až v roce 1910 ukázali H. Chick a C. J. Martin, že od starověku známému vysrážení bílkovin předchází jejich denaturace – tj. ke změně přirozeného poskládání řetězce aminokyselin (sekundární, terciární struktura)

20 Jsou buňky stroje? J. Monod ( ), nositel Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu, jeden z objevitelů transkripční regulace, se vrátil po obrovských úspěších moderní biologie k otázce, jak se liší živé od neživého. Dospěl k názoru, že živé entity jsou pouhé stroje a že je pouhá iluze odlišovat je od neživé hmoty nějak hlouběji proslavil se touto větou: „Man at last knows he is alone in the unfeeling immensity of the universe, out of which he has emerged only by chance.“ jeho stěžejní dílo Náhoda a nutnost vyšlo v roce 2008 v českém překladu v nakladatelství Merkvart

21 Evoluční teorie Ch. Darwina
stroje se ovšem samovolně nevyvíjejí, protože nebojují o život, neprobíhá mezi nimi přírodní selekce selekce je právě odpovědná za iluzi účelu v živém světě: zdálo by se, že rostlina má květ, aby měla plody, ale ve skutečnosti rostliny, které měly jen květy a plody nikoli, prostě neměly potomky a nejsou tu – přírodní selekce dává přežít těm, kdo jsou lépe uzpůsobení, a to jejich uzpůsobení se jeví jako to, co je účelné právě k přežití vymírání druhů a množství defektů, bránících přežití jednotlivců, svědčí však o tom, že evoluce neví předem, co bude účelné, ale slepě testuje měnící se okolní prostředí

22 Buňka a krystal – zásadní rozdíl
Monod ve svých úvahách nad podstatou života vidí paralelu mezi živou entitou a krystalem – platí pro ně stejně bezútěšné zákony klasické termodynamiky ve své zaujatosti úspěchy moderní biologie ovšem zanedbal obrovské rozdíly mezi krystaly a životem: krystal je v rovnovážném stavu, jeho řád a stabilita nejsou závislé na výměně látky a energie, pro život platí pravý opak a touha živých organismů přežít nemá v neživém světě obdoby a není zatím z neživého světa vysvětlitelná první krok k nalezení odpovědi udělal fyzikální chemik I. Prigogine ( ), který vzal vážně základní omezení klasické termodynamiky, totiž ideu vratného děje

23 Řád z chaosu: nová termodynamika
ve fyzice si věci často zjednodušujeme tak, abychom mohli zformulovat hezké rovnice (srv. ideální plyn), a tak i klasická termodynamika platí pouze pro děje, které se odehrávají v rovnováze a jsou tedy vratné, takové děje ovšem reálně neexistují existence života ukazuje, že hmota tam, kde je držena mimo rovnováhu (tj. udržuje se neustálými chemickými reakcemi, jež přebírají energii z okolí a přeměňují ji ve vnitřní řád) respektuje zcela jinou termodynamiku, než je ta klasická (tzv. nevratnou termodynamiku) za tyto objevy obdržel Prigogine Nobelovu cenu v r. 1976

24 Mají buňky vědomí? V roce 1983 ve své nobelovské přednášce genetička Barbara McClintock určila za úkol pro budoucí biologii tuto otázku: „Do jaké míry je si buňka vědoma sebe samotné?“ Důkladně se problémem vědomí buňky zabývá ve své knize Wetware (Yale Univ. Press 2009) cambridgeský buněčný biolog D. Brey. I když klade analogii mezi buňkou a počítačem, přece upozorňuje na fundamentální nesrovnatelnost spočívající zejména v tom, že je-li buňka vskutku „stvořena“ náhodnou evolucí, její chování bude stejně těžko predikovatelné jako počasí.

25 Buňka jako sedimenty evolučních změn
podle Breye lze chápat buňku v analogii s geologií: máme zde nejstarší mechanismy života vedle nejnovějších evolučních vylepšení. buňka není konstruována podle nějakého plánu tak, aby každá „součástka“ měla svou jasně definovanou roli – je spíše náhodným seskupením různého „haraburdí“, kdy se selekčním procesem vybírá pouze to seskupení, které funguje a přežívá v daném prostředí. buňka je de facto přeživší sediment evolučních změň, neboť je plodem neustálého dělení a selekce od prvního předka po dnešek (několik miliard let = geologický čas).

26 Ignoramus et… ignorabismus?
ve světle těchto úvah je zřejmé, že fundamentální objevy na nás teprve čekají – tím spíše, že na začátku 21. století se hovoří o krizi biologie, která je zavalená množstvím dat bez nějaké objevné, fundamentální interpretace i proto je buněčná biologie tak fascinujícím předmětem, protože o životě toho zatím víme nesmírně málo velké objevy čekají na vás – i s tím velkým paradoxem, že objev a vysvětlení nějakého děje vždy otvírá ještě hlubší a hůře vysvětlitelné otázky vědecký étos se ovšem vždy hlásil k Lessingově myšlence, že lepší než pravdu znát je ji věčně nalézat

27

28