Biologie rostlinné buňky CELL-RE 1. Podstata buněk ► Úvod: Co je to buňka? ► Základní jednotka života ► Univerzální znaky buněk na Zemi ► Chemické složení buněk ► Velikost buněk ► Energetika buněk ► Původ života (a vesmíru) ► Jedinečné vlastnosti eukaryot ► Strukturní a funkční rozdíly mezi eukaryotickými buňkami ^ ► Endosymbiotický původ chloroplastů a mitochondrií ► Co je bunecna biologie (cell biology)? Úvod: Co je to buňka? ► Robert Hooke (1665) jeho vynález mikroskopu vedl k objevu buňky. ► Pozoroval korek - pravidelná, opakující se struktura, kterou nazval buňka. ■"rr mm Slovo buňka pochází z latinského ce//e; což znamenalo „malý byt", cela...^ Předpona cytos, coz v rectine i znamená „duté^ ^ místo". Úvod: Co je to buňka? ► Robert Brown (1833) - objevil jádro, neprůhlednou skvrnu v buňkách epidermis orchidejí ► "Brownian motion" - náhodný pohyb částic ► Hugo von Mohl (1852) „Principles of the Anatomy and Physiology of the Vegetable Cell" první učebnice věnovaná biologii rostlinných buněk, ► rostlinné buňky skutečně nejsou při pozorování optickým mikroskopem prázdné, ale obsahují jádro a „opak (aj. opake)", vazkou tekutinu bíl\ barvy, v níž jsou promísená zrna, kterou nazývám protoplazma. " FIGURE 1.3 Stellate tells from the petioleof a buniinu- From von A/flfif /£, I£$2. Principles of tfie Anatomy and Physiology of the Vegetable Ceil. Translated bv Hcnfrey, A. Jofm van Voorst, London. FIGURE 1.4 Spiral vessels, sap cubes, and eells of Marnnatfia lutea. From deCandafle^ A. P., Sprengei, K„ 182 i. Elements of the Fhilosoplr,1 of PUaitx. Wit Ham Bkurkwood, Edinburgh. ► buňky mají různé tvary a dávají vzniknout všem strukturám (pletivům) v rostlině včetně floému a xylému Úvod: Co je to buňka? ► ► ► ► ► Hugo von Mohl zdůraznil vitalitu buněk, upozornil, ze bunky byly obdare schopností vykonávat všechny druhy pohybů. K pohybu dochází na všech úrovních, od molekulární po celou buňku. Rostliny se na rozdíl od zvířat nepohybují?! TRUE OR FALŠE?! Jednobuněčná řasa, např. Dunaliella plave asi 50 |iim/s, což odpovídá pěti délkám těla za sekundu. Může změnit pohyblivost chování v reakci na vnější podněty (světlo). Některé buňky, zejména buňky vyšších rostlin, zůstávají statické uzavřeny v nepohyblivé buněčné stěně. Uvnitř buňky však protoplazma rychle proudí rostlinnou buňkou, fenomén známý jako cytoplazmatické proudění (cytoplasmic streaming). Velké jednobuněčné plazmodium slizovky (slime mold) Physarum polycephalum ► jeho cytoplazma proudí přibližně 2000 |um/s směrem k......jídlu ► Brainless Physarum umí najít cestu ven z bludiště i zoptimalizovat \w železniční síť (Tokio)!!! ► lg Nobel Prize! (by Annals of Improbable Research) Buňka je základní jednotka života Před 1824, organické částice nebo vegetativní síla, která je organizovala, byl považovány za základní jednotku života; a sluneční světlo za vitální sílu. Henri Dutrochet (1824) zdůraznil význam buňky, na rozdíl od živých částic neb celého organismu, jako základní jednotky života (the basi c unit of life). ► Z jeho mikroskopických pozorování vyplynulo, že „rostliny pocházejí výhradně z buně nebo z orgánů, které jsou zjevně odvozeny z buněk". Svá pozorování rozšířil na zvířat J a dospěl k závěru, že všechny organické bytosti se „skládají z nekonečného množství mikroskopických částí". V roce 1838 „buněčnou teorii = buňka je základní jednotkou živých tkání" prosadili botanik Matthias Schleiden a zoolog Theodor Schwann. Buňka obecně je nejmenší jednotka schopná provádět všechny procesy spojené se životem. OSTWALDS KLASSIKER DER EXAKTEN WISSENSCHAFTEN Band 275 "What is life?" ► Různé objekty na Zemi se často dělí do dvou kategorií: živých i neživých. Zkoumání buněk nám proto může poskytnout metodu k pochopení otázky, "Co je život?" ► Schopnost pohybu je charakteristickým aspektem živé hmoty (living matter). ► Živá hmota: vyrábí energii, přijímá živiny z vnějšího prostředí a syntetickými reakcemi přeměňuje anorganické prvky na živou hmotu. ► Živá hmota také vylučuje hmotu, která by pro ni byla toxická. ► Živá hmota obsahuje informace, a má tedy schopnost se reprodukovat k táměř dokonalou věrností. Živá hmota se samoreguluje, je schopná vnímat signály z prostředí a reagovat na ně, aby si udržela homeostázu nebo se přizpůsobila novým podmínkám. Život jako autokatalytický proces Život vyžaduje volnou energii FOOD IN WASTE OUT 1 build celľs collection of catalysts (B) amino acids nucleotides catalytic "function sequence information CELL'S COLLECTION OF CATALYSTS COLLABORATE TO REPRODUCE THE ENTIRE COLLECTION BEFORE A CELL DIVIDES proteins J 1 polynucleotides DNA, RNA Živá buňka je dynamický chemický systém fungující daleko od chemické rovnováhy (chemical equilibrium). Všechny buňky jsou jako biochemické továrny fungující se stejnými základními molekulárními stavebními bloky. Všechny buňky jsou uzavřeny v plazmatické membráně, přes kterou jdou živiny a odpad. Živá buňka může existovat s méně než 500 geny. Jeden z nejmenších známých genomů bakterie Mycoplasma genitalium (parazit u savců) CA] 5 \im phospholipid monolayer OIL \ 1 : : \ \ phospholipid -V / í *. *•»•«»•• %% ^KE^Yff J.'in\\TU v kwímS^B bilayer '*.......% WATER Univerzální znaky buněk na Zemi Všechny buňky uchovávají své dědičné informace ve stejném lineárním chemickém kódu: DNA (A) building block of DNA phosphate \ sugar X ' + . - sugar base phosphate (B) DMA strand (D) double-stranded DNA nucleotide Tfii 'J««í 'i1 ÍU DNA double helix (O templated polymerization of new strand nucleotide monomers V T T n li A A c G G Všechny buňky replikují svou dědičnou informaci polymerací podle templátu. Všechny buňky přepisují části své dědičné informace do stejné intermediární formy: RNA. Všechny buňky používají jako katalyzátory proteiny. Všechny buňky překládají RNA na protein stejným způsobem. Každý protein je kódován specifickým genem. Univerzální znaky buněk na Zemi ► Odhaduje se, že na Zemi dnes žije 10-100 milionů druhů. ► Každý druh je jiný a každý se přesně reprodukuje a poskytuje potomstvo (progeny), které patří ke stejnému druhu. ► Tento fenomén dědičnosti je ústředním bodem definice života: odlišuje život od jiných procesů, jako je růst krystalu nebo hoření svíčky nebo tvorba vln na vodě... ► Většina živých organismů jsou jednotlivé buňky. ► Mnohobuněčné organismy (jako my), ve kterých skupiny buněk vykonávají specializované funkce spojené složitými komunikačními systémy. ► Celý organismus byl vytvořen buněčným dělením z jediné buňky. V ► Jediná buňka je nosičem dědičné informace, které definují každý druh. Chemické složení buněk Živé buňky jsou vyrobeny ze stejných prvků jako v anorganickém světě] Buňky jsou však primárně vyrobeny z uhlíku (C), vodíku (H) a kyslíku (O). ► Speciální fyzikálně-chemické vlastnosti těchto prvků a jejich sloučenin umožňují existenci života, jak jej známe (Lawrence Henderson, 1917). ► Většina O a H v buňkách existuje jako voda, která poskytuje prostředí. Atomy C, O, H, N, S, P jsou sloučeny do makromolekul, které tvoří základ buňky. _i_m li i/ c r\OH HO \ CH2OH k-°\OH H \l "/I ■l—Y» i I H OH A SUGAR hl + I H,N—C — COO CH . AN AMINO ACID building blocks larger units of the cell of the cell SUGARS POLYSACCHARIDES FATTY ACIDS i- FATS, LIPIDS, MEMBRANES AMINO ACIDS PROTEINS NUCLEOTIDES NUCLEIC ACIDS H HHHHHHHHHHHHHH n I I I I I I I I I I I I I I # -c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c I I I I I I I I I I I I I I \„- HHHHHHHHHHHHHH ° A FATTY ACID Macromolecular composition of a "typical" bacterial cell o II -Q— P —O O O p— o— P- I I o- o- cr -O— CH OH OH A NUCLEOTIDE Chemical Component Percent of Dry Weight Number of Molecules per Cell DNA 5 4 RNA 10 15,000 Protein 70 1,700,000 Lipid 10 1 5,000,000 Polysaccharides 5 39,000 From Lehninger, A.L., 1965. Bioenergetics. W. A. Benjamin, New York. Chemické složení buněk subunit sugar amino acid nucleotide macromolecule polysaccharide ► Kondenzace a hydrolýza jsou opačné reakce. Makromolekuly buňky jsou polymery, které vznikají z podjednotek (nebo monomerů) kondenzační reakcí (vyžaduje přísun energie) a rozkládají se hydrolýzou. protein nucleic acid h,0 h70 a —h + ho-b 1 CONDENSATION energetically unfavorable a — b L HYDROLYSIS energetically favorable a-h + ho- b Malé molekuly se kovalentně spojují za vzniku makromolekul, které se zase spojují prostřednictvím nekovalentních interakcí za vzniku velkých komplexů SUBUNITS covalent bonds MACROMOLECULES noncovalent bonds MACRO MOLECULAR ASSEMBLIES e.g., sugars, amino acids, and nucleotides e.g., globular proteins and RNA 30 nm e.g., ribosome Velikost bunečného měřítka ► Jak malá může být buňka? Nejmenší velikost je určena minimálním počtem a velikostí komponent, které jsou nutné pro autonómnu existenci buňky (Koch, 1996) ~ 100 nm ► Nejmenší známé organismy jsou Rickettsia, ultramikrobakterie a mykoplazmata. BBBfrli * Existuje limit, jak velká může být buňka!? Dané poměrem povrchu k objemu.] ► Např. pštrosí vejce o průměru ~ 10,5 cm (žloutek je „inertní"); 1,5 mm kořenové vlásky a 25 cm vlákna floému (vakuola je inertní výplň prostoru). Světelný mikroskop 'i:;°f coStľona, resolution resolution 0.2 JL//77 Od Sebe. NAKED EYE light MICROSCOP o 3 S -c 3 3 J Energetika buněk Biologické struktury jsou velmi uspořádané. 20 nm I_I 50 nm 10 |im Pořádek vyžaduje přísun energie.... food molecules the many molecules that form the cell CATABOLIC PATHWAYS useful forms of energy lost heat ANABOLIC PATHWAYS the many building blocks for biosynthesis ORGANIZED EFFORT REQUIRING ENERGY INPUT ► Katabolické a anabolické dráhy v metabolismu. Molekulární volná energie (E, v J) je buněčná „měna" a všechny buněčné procesy lze považovat za mechanismy přenosu volné energie, které převádějí jednu formu volné energie na jinou podle prvního termodynamického zákona. Druhý termodynamický zákon říká, že množství energie dostupné k vykonání práce se každou přeměnou do určité míry zmenšuje. Meze mechanistického pohledu na buňku ► Termodynamické zákony aplikované na buňky jsou velmi užitečné ve všech aspektech buněčné biologie, ale neříkají nám nic o mechanismech procesů... Např. některé energie energy ■ o, , * content duležíte pro (kj/moie) buňku atp average hydrolysis OC bond thermal motions in cell breakage noncovalent bond breakage in water green complete light glucose oxidation V materialistickém/mechanickém pohledu je živá hmota pouze komplexním uspořádáním atomů a molekul, které provádějí chemické reakce a řídí se fyzikálními zákony. ► Potenciál tohoto pohledu a etika spojená s experimentováním o povaze života, např. Victor Frankenstein (1818) objevil, že život se může oblevit spontánně, když poskládá správnou kombinaci hmoty aktivuje ji elektrickou energií.... DID IT WORK?? Musíme se dívat na buňku fyzikálně-chemicky, ale bez toho, abychom ztratili ze zřetele zázrak, hodnotu a smysl života.... Fyzika je věda o pravděpodobnostech.... Biologie je věda, o nepravděpodobném... Původ života (the origin on life) ► Spontánní generace - podívejte se do Bible (dva alternativní příběhy stvoření! i spontánní generování velkých rostlin a živočichů ► s objevem mikrobů Leeuwenhoekem (1677) se víra ve spontánní tvorbu mikroorganismů stala standardem, protože se zdálo, že se objevují z ničeho ► Louis Pasteur v 19. století provedl kritický experiment ► Se svými baňkami ve tvaru labutě, které umožňovaly průchod vzduchu, ale ne mikrobů, ukázal, že pokud je roztok řádně sterilizován (např. pasterizován) v bujónu nevznikají žádné mikroby. 1858 - Robert Virchow Biogenní zákon: All cells fronrťellsl "Omni s cellula e cellu la" "Každá buňka pouze z buňky" Původ života (the origin on life) Jestliže život může pocházet pouze ze života, pak život na Zemi musel vzniknout ve vesmíru a přijít na Zemi na meteoritech ve formě kosmozoí, mikrobů, spor nebo semen. Tato teorie se nazývá panspermie, což znamená semena všude. ► Ale jak živé organismy vznikly ve vesmíru? Pojem vitalismu ~ život vznikl z neživé hmoty Nemožné vymyslet klasifikační systém, který by oddělil živé od neživých! ► Viry jsou nejmenší živý organismus, jak si myslel botanik Martinus Beijerinck, když v roce 1898 izoloval virus tabákové mozaiky (TMV)? ► Nebo jsou to největší molekuly, jak si myslel chemik Wendell Stanley, když v roce 1935 tento TMV virus krystalizoval? Termín organický vznikl v 18. století a zahrnoval složky tekutin a tkání rostlin a živočichů, které mohly vzniknoui pouze v živých organismech. ► V roce 1828, Friedrich Wohler syntetizoval močovinu z kyanátu amonného.... Původ vesmíru (the Universe) ► Současná shoda mezi kosmology je, že před 13,8 miliardami let vznikly prostor a čas, stejně jako veškerá hmota a energie obsažená ve vesmíru, v jedné gigantické explozi. ► Teorie velkého třesku (G. Gamow, R. Alpher a R. Herman) Na počátku byla jednota, singularita, prvotní atom nazývaný také sjednocené pole (the unífied field) (Albert Einstein) Prudká exploze způsobila rozpínání vesmíru a následkem rozpínání se vesmír začal ochlazovat... ► Mezi 1 us a 1 ms po vytvoření vesmíru se teplota ochladila na 1011 K, což umožnilo, aby protony, neutrony, elektrony a další elementární částice a jejich antičástice přetrvávaly. ► Tři minuty po velkém třesku se vesmír ochladil na 109 K, což umožnilo vznik jader vodíku a helia. (V současné době je teplota vesmíru asi 3K). ► Asi před 10,5-12 miliardami let se atomy začaly spojovat do hustých oblastí v důsledku gravitační přitažlivosti. Agregace těchto atomů dala vzniknout hvězdám a galaxiím. ► Vysoké teploty a tlaky vyvinuté uvnitř hvězd poskytly energii nezbytnou k fúzi vodíku na helium a další lehké prvky, včetně uhlíku, dusíku, kyslíku, síry a fosforu, tedy prvků tak důležitých pro život (Hoyle, 1979). Původ Země a života na ní Před 4,6 miliardami let se na okraji spirální galaxie, Mléčné dráhy, zhroutil rotující oblak plynu a prachu, známý jako mlhovina (nebula) a začal se otáčet stále rychleji, Střed mraku se stal tak masivním a hustým, že se zhroutil pod gravitačním tlakem a zapálil plyny v ní a vytvořil tak hvězdu, naše Slunce. Kolem Slunce se další prachové částice shlukly do toho, čemu nyní říkáme planety. Jeden z těchto shluků vytvořil naši domovskou planetu Zemi. \ Některé z nejstarších známých hornin, které se vytvořily na Zemi, obsahují fosilie připomínající sinice a stromatolity. Buňky podobné prokaryotům se tedy vyvinuly před 3,8 až 3,5 miliardami let. Eukaryotické buňky vznikly přibližně před 1,4 miliardami let. 1 Prebiotická evoluce ► Život, jak jej známe, vyžaduje sloučeniny obsahující uhlík ► jaký byl zdroj organických sloučenin, které tvořily první život na Zemi? ► Experimenty produkce organických molekul za předpokládaných prebiotických podmínek: i ► V roce 1951 M. Calvin et ai. fixoval C02 do kyseliny mravenčí a formaldehydu, ozařováním směsi vody a C02 paprskem iontů helia v uzavřené komoře. \ ► Další experimenty ukázaly, že aminokyseliny mohly být přítomny na rané Zemi a za prebiotických podmínek mohly polymerovat na polypeptidy bez pomoci enzymů nebo templátu. Podobně mohou být také syntetizovány nukleové kyseliny. \ ► Kde se tyto molekuly spojily? V roce 1871 Charles Darwin uhodl, že život začal v „teplém malém rybníčku" "warm little pond". mrnĚm, <>2 million <>3 million years ago <>500,000 years ago 0250,000 years ago Today 1 ancestor) Nejstarší darwinovský předek (the Darwinian\ ► Jíl (a clay)?\ Jíly jsou anorganické mikrokrystalické částice cca. 10 jim v] průměru, které jsou vytvořeny z hydra to váných silikátů hliníku a dalších nejrůznějších kationtů a aniontů. Jíly jsou schopny se samy replikovat. ► První darwinovský předek mohl přejít od replikačního systému založeného na jílu na replikační systém založený na nukleotidech. Nakonec genetický kód založený na nukleotidech prošel vlastním evolučním vývojem. ► Nejranější darwinovský předek, ať už jíl, proteiny nebo RNA, mohl vytvořit symbiózy s jinými prebiotickými entitami. Podobnosti v molekulách, mechanismech, metabolických drahách a strukturách v živých organismech ukazují na jediného společného předka (a common ancestor), sea of matter cell "it? increased disorder increased order Figure 2-16 A simple thermodynamic analysis of a living cell. In the diagram on the left, the molecules of both the cell and the rest of the universe (the sea of matter) are depicted in a relatively disordered state. In the diagram on the right, the cell has taken in energy from food molecules and released heat through reactions that order the molecules the cell contains. The heat released increases the disorder in the environment around the cell (depicted by jagged arrows and distorted molecules, indicating increased molecular motions caused by heat). As a result, the second law of thermodynamics—which states that the amount of disorder in the universe must always increase—is satisfied as the cell grows and divides. For a detailed discussion, see Panel 2-7 (pp. 102-103}. Strom života (the tree of life) ► Na základě srovnání nukleotidové sekvence rRNA. ARCHAEA Hafoferax Sulfolobus Methano-cyanobacteria thermabacter ^ Baciitus V i X \ Aeropyrum human yeast Paramecium ST Mefhanococcus_. F. co// t Thermotoga Aquifex common ancestor first eukaryote 1 change/10 nucleotides Dictyosteiium Eugiena Trypanosoma Giardia Trichomonas solná jezírka, horké kyselé prameny, ale také půdu, jezera, žaludky dobytka). ► Vnějším vzhledem podobná bakteriím, také blízce příbuzná v metabolismu a energetické konverzaci, ale na molekulární úrovni je jejich způsob zpracování genetické informace (replikace, transkripce, translace) více podobný eukaryotům. Rozmanitost genomů human mammals, birds, reptiles ^^hm fugu zebrafish frog newt amphibians, fishes ii Drosophila crustaceans, insects i^h shrimp Caenorhabditis nematode worms plants, algae yeast Arabidopsis wheat lily fungi protozoans malarial parasite amoeba Mycoplasma E. coli bacteria ih^^hh archaea I I I I i ill 105 10*' I I I I I III I I I I I ill I I I I I III I I I I I III I 107 10H 10,J 1010 nucleotide pairs per haploid genome 11in i i i 11 in 10n 10u ► Eukaryota mají nejen více genů než prokaryota, ale také více DNA, která nekóduje proteiny... ► porovnejte bakterie a lidi: 1 OOOx větší genom, ale jen 10x více genů, podobně jako Arabidopsisl Velikost genomW se měří v nukleotidových párech bazí (basí pairs, bp) DNA v haploidním genomu. Some Model Organisms and Their Genomes Organism Genome size* (nucleotide pairs) Approximate number of genes Escherichia coli (bacterium) 4.6 x 106 4300 Saccharomyces cerevisiae (yeast) 13 x 106 6600 Caenorhabditis elegans (roundworm) 130 x 106 21,000 Arabidopsis thaliana (plant) 220 x106 29,000 Drosophila melanogaster (fruit fly) 200 x106 15,000 Danio rerio (zebrafish) 1400 x 106 32,000 Mus rnusculus (mouse) 2800 x106 30,000 Homo sapiens (human) 3200 x 106 30,000 Kladogram ukazující evoluční vztahy mezi různými členy rostlin a jejich blízkými příbuznými, řasami Plants (embryophytes) Non-plants _A_ r r Red algae Green algae r Nonvascular plants (bryophytes) _A_ .A. Vascular plants (tracheophytes) _A_ Flowering plants (angiosperms) Mosses, hornworts, liverworts r A^ Ferns, Magnolia fern allies Gymnosperms relatives Monocots Euclicots Flowers 'j, s Water and photosynthate vascular transport Land-dwelling adaptations Chloroplasts containing chlorophyll a + b PLANT PHYSIOLOGY AND DEVELOPMENT 6e, Figure 1.1