KOMÓRKI - DLA BIOCHEMIKÓW DR MARTA MICHALIK PROF. DR HAB. ZBIGNIEW MADEJA

Transkrypt

1 KURS WBt336 BIOLOGIA KOMÓRKI - DLA BIOCHEMIKÓW DR MARTA MICHALIK PROF. DR HAB. ZBIGNIEW MADEJA 30 godzin wykładów 60 godzin ćwiczeń Encyklopedia PWN: BIOLOGIA KOMÓRKI gr. bíos Ŝycie ; lógos słowo, nauka śycie: zjawisko biologiczne złoŝone i wielowymiarowe, którego nie moŝna opisać za pomocą jednej prostej definicji. Znane dotychczas wyłącznie z Ziemi i w tym kontekście definiowane w odniesieniu do 2 podstawowych znaczeń: 1) na określenie stanu materii (nazywanej organizmem) trwającego od pojawienia się (narodzin) organizmu do zakończenia jego bytu osobniczego, w większości kończącego sięśmiercią (biol.); 2) na określenie dynamicznego procesu, który pojawił się na Ziemi ok. 3,8 mld lat temu, obejmującego pochodzące od jednej formy wyjściowej wszystkie istniejące w przeszłości i Ŝyjące obecnie organizmy wraz z wszelkimi wzajemnymi relacjami i zaleŝnościami oraz ich wpływem na środowisko.

2 Komórka Encyklopedia PWN: komórka -najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do Ŝycia, samoodtwarzająca się struktura o złoŝonej organizacji. Kurs Biologia komórki: najwaŝniejsze wiadomości o Ŝyciu podstawowych jednostek strukturalnych i funkcjonalnych wszystkich organizmów Ŝywych (komórek) Film 3T3 WBt336- BIOLOGI KOMÓRKI kurs dla biochemików 30 godzin wykładów Wprowadzenie do biologii komórki Budowa błon biologicznych Transport przez błony plazmatyczne Kompartmentalizacja komórki eukariotycznej: - budowa jądra komórkowego - organizacja cytoplazmy Budowa i funkcje ER i aparatu Golgiego Transport pęcherzykowy - endosomy, lizosomy Transformatory energii w komórce (mitochondria, chloroplasty)

3 WBt336- BIOLOGI KOMÓRKI kurs dla biochemików Sygnalizacja wewnątrzkomórkowa Organizacja i rola cytoszkieletu aktynowego i mikrotubul Mechanizmy ruchu komórek Hodowle komórkowe Komórki macierzyste (stem cells) Komórki nowotworowe Cykl komórkowy Egzamin: test (wykłady) Zaliczenie ćwiczeń Ocena z kursu: ocena z egzaminu - 80% ocena z ćwiczeń - 20% ĆWICZENIA: sala ćwiczeń - C110; harmonogram tablica ogłoszeń strona www. ZBK //dydaktyka // kursy//kurs WBt336 Biologia komórki dla biochemików MATERIAŁY:

4 Wykłady B. Alberts i wsp. - Podstawy biologii komórki, PWN 2005 W. Kilarski - Strukturalne podstawy biologii komórki red. B Alberts et al. - Molecular biology of the cell, 2009 (V) T. Pollard i W. Earnshaw Cell biology, 2nd ed., 2008 WPROWADZENIE DO BIOLOGII KOMÓRKI Krótka historia odkrycia i badań komórek RóŜnorodność komórek Jedność podstawowych mechanizmów Ŝycia Organizmy modelowe w badaniach biologii komórki

5 KOMÓRKA krótka historia badań wielowiekowe obserwacje i teoretyczne przemyślenia nad budowąŝywej materii Arystoteles ( p.n.e.) gr. filozof, twórca biologii stworzył pierwszy układ systematyczny zwierząt i roślin rośliny i zwierzęta są zbudowane z niewielkiej liczby typów cząstek wielokrotnie się powtarzających genialna intuicja brak danych empirycznych? do XVII w postęp nauki jest w duŝej mierze wynikiem postępu technicznego skonstruowanie mikroskopu Mikroskopy proste XVI w Mikroskop złoŝony ok r Zachariasz i Hans Janssenowie Powiększenie: ok.10x; mechanizm teleskopowy

6 udoskonalanie mikroskopu XVII w. Powiększenie: ok.30x Robert Hooke ang. fizyk, matematyk, botanik zebranie Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie: korek zbudowany jest z przedziałów - komórek (cells) pojęcie komórka ( łać. cellulae) Rysunek z ksiąŝki R. Hooke'a "Micrographia"

7 Antoni van Leeuwenhoek hol. przedsiębiorca i przyrodnik skonstruował prosty mikroskop o powiększeniu 270x, rozdzielczości 1µm (soczewki polerowane, dmuchane ) Opisał: pierwotniaki ( ) bakterie (1683) erytrocyty plemniki włókna mięśni poprzecznie-prąŝkowanych jądra w erytrocytach łososia (1700) XVIII i XIX w - mikroskop instrumentem niezwykłym obserwacje pod mikroskopem tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.) poznawanie budowy roślin i zwierząt poznawanie struktury pojedynczych komórek

8 Robert Brown ang. botanik opisał jądra w komórkach roślin - ruch protoplazmy w komórkach roślin Rudolf Albert Kölliker szwajc. fizjolog opisał mitochondria w komórkach mięśni Przez dalsze pół wieku nie poznano nowych struktur wewnątrzkomórkowych? Mała kontrastowość preparatów biologicznych Ograniczone moŝliwości mikroskopów świetlnych Camillo Golgi wł. lekarz i histolog metoda barwienia komórek i włókien nerwowych z wykorzystaniem soli srebra 1898 zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu (aparat Golgiego) 1879 Walther Flemming opisał zachowanie chromosomów podczas mitozy

9 Ograniczone moŝliwości mikroskopów świetlnych Zdolność rozdzielcza mikroskopu najmniejsza odległość dzieląca 2 punkty, które w obrazie mikroskopowym dostrzegane są oddzielnie d = około 0,2 µm (λ /2) Ernst August Ruska niem. fizyk 1931 skonstruował pierwszy mikroskop elektronowy (50nm) Palade, Porter i Sjοstrand 1952 rozwinęli metody mikroskopii elektronowej zdolność rozdzielcza ME: d praktyczna = od 0,2 do 1nm 1954 H.E. Huxley zobaczył układ filamentów w mięśniu - cytoszkielet 1957 J.D. Robertson opisał dwuwarstwową strukturę błony komórkowej

10 Matthias Jacob Schleiden niem. botanik Theodor Schwann niem. zoolog Teoria komórkowa Wszystkie organizmy Ŝywe rośliny, zwierzęta i bakterie są zbudowane z komórek, które są ich podstawowymi jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi Początek cytologii jako dyscypliny naukowej poznanie, Ŝe komórka to podstawowy element - wszystkich organizmów współcześnie Ŝyjących obserwacje pod mikroskopem podziału komórek 1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl Rudolf Virchow niem. anatomopatolog postulat: komórki powstają tylko przez podział (omnis cellula e cellula) Ŝycie w istniejących warunkach nie moŝe powstać spontanicznie - zaprzeczenie teorii samorództwa - brak dowodów

11 Ludwik Pasteur fr. chemik (mikrobiolog) ostatecznie obalił teorię samorództwa doświadczalny dowód, Ŝe komórki wywodzą się tylko z juŝ istniejących organizmów teraźniejszość Karol Darwin ang. biolog ? przeszłość teoria ewolucji klucz do zrozumienia historii rozwoju organizmów August Weismann niem. biolog i genetyk wszystkie komórki wywodzą się od przodków Ŝyjących w zamierzchłych czasach Pierwszy: wyróŝnił substancję dziedziczną (plazmę) i ciało (somę) przewidział, Ŝe chromosomy są odpowiedzialne za dziedziczenie

12 odkrycie za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy Theodor Boveri niem. biolog Walter Sutton am. genetyk chromosomowa teoria dziedziczności komórki powstają tylko z komórek dziedzicząc po nich swoje cechy, które są uwarunkowane przez geny znajdujące się w chromosomach ugruntowanie chromosomowej teorii dziedziczności Thomas Hunt Morgan am. biolog, genetyk (Laureat Nagrody Nobla w 1933) nośnikami genów są chromosomy; tzw. sprzęŝenie genów; zjawisko crossing-over

13 Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka Prakomórka musiała zawierać prototyp uniwersalnej maszynerii wszelkich form Ŝycia istniejących dziś na Ziemi Ewolucja mutacje dobór naturalny Jedność organizmów (komórek) RóŜnorodność organizmów Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka??? Historia Ŝycia źródła wiedzy? skamieniałości opisy i porównanie istniejących organizmów Powstanie eukariontów 2,1 mld (3mld)? chemoautotrof DNA, RNA synteza białek metabolizm (kataliza enzymatyczna) Drzewo filogenetyczne ostatni uniwersalny wspólny przodek ( 3.7 x 10 9 lat)

14 badania genetyczne współczesnych organizmów 3 cesarstwa Drzewo filogenetyczne wyprowadzone z porównania sekwencji nukleotydów rrna (długość linii ilość róŝnic w sekwencji nukleotydów w rrna) KaŜda z wyŝej wymienionych grup posiada cechy specyficzne tylko dla siebie, i kaŝde dwie z tych grup posiadają teŝ cechy, których nie ma trzecia. ORGANIZMY WSPÓŁCZESNE Prokarioty (gr. pro = przed) (karyon=ziarno, jądro) Bacteria (bakterie właściwe) ściana komórkowa z mureiny (peptydoglikan) Archaea błona komórkowa archeany -estry kwasów tłuszczowych archeowce (bakterie pierwotne) DNA w nici nukleosomowej; introny; polimeraza RNA Eukaryota (eukarionty, jądrowce) (gr. eu = prawdziwie) kompartmentalizacja cytoplazmy Błona komórkowa fosfolipidowo-białkowa

15 RóŜnorodność organizmów ponad 10 mln gatunków organizmów (wszystkie środowiska Ŝycia) termofilne, beztlenowce (w gorących kwaśnych wodach np.bakterie siarkowe) halofilne, beztlenowce (w wodach ekstremalnie zasolonych) mutanogeniczne, beztlenowce redukujące CO 2 do metanu (osady głębinowe, przewód pokarmowy) bakterie gram dodatnie bakterie gram ujemne bakterie purpurowe zielone bakterie fotosyntetyczne cyjanobakterie Protisty Grzyby Rośliny Zwierzęta RóŜnorodność komórek większa niŝ organizmów KOMÓRKA samodzielny organizm część składowa zespołu komórek spełnia wszystkie czynności Ŝyciowe komórka zróŝnicowana wyspecjalizowana

16 RóŜnice wielkości komórek: Prokaryota (1-10 µm) przeciętna wielkość komórek 0,3 µm mykoplazma ( masa: g) Eukaryota ( µm) przeciętna wielkość komórek 10 µm 1mm komórki pierwotniaków duŝe komórki 100 µm ludzka komórka jajowa 2 mm komórka jajowa Ŝaby kilka cm komórki jajowe ptaków, gadów (20cm) 1,5 m wypustki neuronów RóŜnice kształtu komórek Prokaryota (bakterie) Eukaryota komórki roślinne: równowymiarowe (kuliste, wielokątne) wydłuŝone komórki zwierzęce: róŝnorodne

17 10µm pierwotniaki Największa róŝnorodność kształtu Kształt komórek Euglena - pierwotniaki 10µm 10µm 10µm Bruzdnica 1,5 m wypustki neuronów A,B,E,F,I - orzęski Ameba Słonecznica 10µm RóŜna ruchliwość komórek Komórki nieruchome (pozornie) Komórki pływające (wici lub rzęsek) Komórki pełzające RóŜne wymogi co do warunków Ŝycia wymagające tlenu / beztlenowce wymagające tylko związków nieorganicznych Methanonococcus (Archaea) - wykorzystuje gazowy H2, N2 i CO2 wymagające złoŝonej mieszaniny związków organicznych

18 Jedność wszystkich organizmów budowa komórkowa funkcje Ŝyciowe (wzrost, podział, reakcja na bodźce ) funkcje Ŝyciowe oparte na podobnych podstawowych procesach chemicznych instrukcje genetyczne (geny) zapisane są tym samym kodem DNA kieruje syntezą białek białka zbudowane z takich samych aminokwasów Organizmy modelowe w badaniach Cecha małe rozmiary i proste poŝywienie duŝa liczba potomstwa krótki cykl Ŝyciowy mały genom duŝe chromosomy dostępność informacji i technik badawczych Zalety hodowla nie wymaga duŝo miejsca, jest łatwa i tania w utrzymaniu pozwala na wiarygodną analizę statystyczną wzorów dziedziczenia umoŝliwia obserwację wzorów dziedziczenia w kolejnych pokoleniach mała ilość DNA do analizy; łatwiej badać chromosomy w mikroskopie świetlnym wiele genetycznych mutantów jest dostępnych do analiz

19 Organizmy modelowe -Prokarionty Escherichia coli (pałaczka okręŝnicy) (Enterobacteriaceae) Gram-ujemna bakteria flora bakteryjna jelita grubego symbiont podział co 20min Poznanie mechanizmów replikacji, transkrypcji i 2µm; 0,8µm translacji 1 kolista cząsteczka DNA 4,6 mln par zasad; 4300 białek od 15 tys. do 30 tys. rybosomów Organizmy modelowe -Eukarionty Organizmy jednokomórkowe Saccharomyces cerevisiae - droŝdŝe piekarskie DNA 12,1 mln par zasad (2,5 x więcej) genów (5800 funkcjonalnych) 23% genomu droŝdŝy - jak u ludzi kompletna sekwencja genomu Poznanie mechanizmów cyklu podziałowego komórki

20 Rośliny modelowe bliskie pokrewieństwo ewolucyjne roślin kwiatowych (200mln lat) z gatunków Arabidopis thaliana - rzodkiewnik pospolity 5-30 cm Łatwość hodowli w szklarniach hydroponiczna Genom -110 mln par zasad, znana sekwencja Badania mechanizmów rozwoju i róŝnicowania roślin kwiatowych Zwierzęta modelowe Caenorhabditis elegans - nicień Genom 97 mln par zasad genów sekwencja znana 959 komórek 70% białek człowieka ma odpowiedniki u C. elegans Poznanie mechanizmów rozwoju embrionalnego i działania wielu genów ( apoptozy)

21 Drosophila melanogaster - muszka owocowa genom (4 chromosomy) 185 mln par zasad Samiec i samica białek Poznanie podstaw genetyki klasycznej i mechanizmów rozwoju zarodkowego i larwalnego Kręgowce modelowe Danio rerio Danio pręgowany (ryby) Genom 1,527,000,581par zasad genów białek sekwencja znana Szybki rozwój Łatwość uzyskiwania mutantów Poznanie mechanizmów rozwoju embrionalnego i działania wielu genów kręgowców

22 Mus musculus Mysz domowa (ssaki) Prosta i tania hodowla DuŜa liczba potomstwa Zarodki myszy moŝna łatwo hodować in vitro Zarodki hodowane in vitro moŝna poddawać licznym manipulacjom np. nokauty genowe Uzyskiwanie myszy transgenicznych (z ekspresją obcego genu) Linie myszy z mutacjami genowymi lub skonstruowanymi genami Izolacja i hodowla in vitro komórek ES Genom: sekwencja poznana mysz ma 2,7 mld par zasad, człowiek ok. 3,1 mld par zasad, mysz ma 20 par chromosomów, człowiek - 23 pary Poznanie mechanizmów działania wielu genów na poziomie komórki i całego organizmu Homo sapiens człowiek (ssaki) Badania na róŝnorodnych komórkach ludzkich w hodowlach in vitro ( defekt w genie kit - komórki barwnikowe) PoniewaŜ geny człowieka mająścisłe odpowiedniki u organizmów prostszych, to badania tych organizmów (modelowych) mogą być kluczem do zrozumienia jak skonstruowane są i jak funkcjonują organizmy zwierzęce i organizm człowieka.