Základy buněčné biologie

1. Základy buněčné biologie • Ivo Šauman sauman@entu.cas.cz • Julius Lukeš jula@paru.cas.cz • Roman Sobotka sobotka@alga.cz • Michal Žurovec zurovec@entu.cas.cz http://moodle.prf.jcu.cz

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. 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. Buněčná teorie Schleiden a Schwann (1838-39) 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 Aspektybuňky 1. Informace, dědičnost 2. Vnitřní prostředí 3. Aktivita, odpověď, pohyb 4. Energie (pro 1., 2., a 3.)

10. Informace Centrální dogma • Genetickýsystém - 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

11. Genetickýkódmůže být čten ve třechrůzných (čtecích) rámcích ORF1 ORF2 (not shown) ORF3 Figure 4-21

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

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 translacev eukaryotickébuňce

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

19. GenomE. colije jedna kruhovámolekula DNA (chromosom) Asi 4000 genů

20. Lidskýgenom:~35,000 genůve 3 x 109 bp Science, 291 Feb 16, 2001 Celera Nature, 409 Feb 15, 2001 IHGSC

21. 4 Aspektybuňky 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 molekulytvoří 75-80% živé váhy buňky • Makromolekuly (proteiny, polysacharidy, lipidy, DNA) tvoří zbytek

23. Plasmatická membrána separujebuňkuod jejího protředí • Lipidická dvojvrstva je fundamentální strukturouvšech buněčných membrán všech buněk • Přítomnost různých membránových proteinůdodává různým membránám specifické funkce Figure 1-6

24. Amfipatické lipidy

25. Lipidovádvojvrstva je semi-permeabilní

26. Funkce plasmatické membrány • Reguluje transport živin do buňky • Reguluje transport odpadu ven z buňky • Udržuje “patřičné” chemicképodmínkyv buňce • Poskytujeprostředí pro chemické reakce, které byve vodném prostředí těžko probíhaly • Zachycuje signályz mimobuněčného prostředí • Interagujesjinými buňkami nebo s extracelulární matrix (u mnohobuněčných organismů)

27. Typymembránovýchproteinů

28. Membránovýtransportzprostředkovaný 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 asymetrickéco do složení lipidů a proteinů

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

32. Bioenergetika: jak buňky získávají a přeměňují energii Světelná energie - fotosyntéza 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 1. Glykolýza – cytoplasma C6H12O6  2 C3H3O3 reducedoxidized Poskytuje trochu ATP a NADH Vynález aerobní respirace -- převrat v evoluci 2. Tricarboxylic acid cycle (TCA) nebo Krebsův cyklus – mitochondrie 6 O2+2 C3H3O3  6 CO2 + 6 H2O+ spoustavolné energie reducedoxidized

36. ATP  ADP + Pi

37. 3 doményživota: 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 • Cytoskeletálnísítě • Endo and exocytosa • Velikost 1-10um vs. 5-100um • Mnohobuněčnost, diferenciace

40. Prokaryotickábuňka • Jednobuněčné organismy • 2 typy: bacteria and archaea • Relativně jednoduchá struktura

41. Eukaryotickábuňka • Jedna buňka nebo multicelulární organismus • Rostliny, houby,živočichové • Strukturně složitější: organely, cytoskelet

42. Eukaryotická DNA jesbalenádo chromosomů Každý chromosom jejedinou lineární molekulou DNA spojenou s proteiny Veškerá DNA v chromosomech organismuje jeho genom Figure 1-8

43. Jaderné póry zajišťují výměnu proteinů a RNA s cytoplasmou

44. Interphase chromatin Mitotic chromosome

45. Stadia mitosy a cytokinesev živočišné buňce Figure 19-34

46. Mitotický aparát jestroj na oddělení chromosomů

47. Prokaryota vs. Eukaryota • Jádro • Organizace transkripce a translace • Organely • Cytoskeletálnísítě • Endo and exocytosa • Velikost 1-10um vs. 5-100um • Mnohobuněčnost, diferenciace

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

50. Strukturaribosomůuprokaryot vs. eukaryot