PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI

Transkrypt

1 PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI (Bt323) Encyklopedia PWN: BIOLOGIA 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 się śmiercią (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. 1

2 Komórka Encyklopedia PWN: komórka -najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do Ŝycia, samoodtwarzająca się struktura o złoŝonej organizacji. Podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna wszystkich organizmów Ŝywych PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI Wprowadzenie do biologii komórki Wybrane współczesne metody badań komórek Składniki chemiczne i podstawy molekularnej organizacji komórki Budowa błon biologicznych Mechanizmy transportu przez błony Kompartmentalizacja komórki eukariotycznej: organizacja cytoplazmy Organizacja i rola cytoszkieletu : filamenty aktynowe, filamenty pośrednie, mikrotubule Budowa jądra komórkowego 2

3 PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI Budowa i funkcje ER i aparatu Golgiego Transport pęcherzykowy - endosomy, lizosomy Mitochondria, ich struktura i funkcja Chloroplasty- przekształcanie energii Peroksysomy Organizacja komórek w tkanki: połączenia międzykomórkowe, substancja międzykomórkowa Rodzaje tkanek ssaków 1 temat nie zawsze będzie realizowany na 1 wykładzie Zaliczenie kursu egzamin: materiał podany na wykładach Egzamin pisemny: I. test II. odpowiedzi pisemne - wstawiania brakujących wyrazów - dopasowania - wyjaśnianie pojęć - prawda / nieprawda? - podpisy (schematów, rysunków, zdjęć) 3

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 internet dydaktyka / kursy/wbt323 PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI opis warunki zaliczenia materiały: wykłady (.pdf) na końcu semestru 4

5 WPROWADZENIE DO BIOLOGII KOMÓRKI Krótka historia odkrycia i badań komórek Krótka historia badań nad pochodzeniem Ŝycia na Ziemi Jedność podstawowych mechanizmów Ŝycia RóŜnorodność komórek BIOLOGIA KOMÓRKI jako dyscyplina naukowa??? Encyklopedia PWN: wywodzi się z CYTOLOGII (XIXw) gr. kýtos wydrąŝenie; naczynie; komórka cytologia biol. - nauka o budowie i czynnościach komórek roślinnych i zwierzęcych. 5

6 KOMÓRKA - historia badań wielowiekowe obserwacje i teoretyczne przemyślenia nad budową Ŝywej materii Arystoteles ( p.n.e.) gr. filozof, twórca biologii Galen (Claudius Galenus) ( ) rzym. lekarz, anatom rośliny i zwierzęta są zbudowane z niewielkiej liczby typów cząstek wielokrotnie się powtarzających? 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

7 udoskonalanie mikroskopu XVII w. Powiększenie: ok.30x Robert Hooke ang. fizyk 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

8 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.) I - poznawanie struktury pojedynczych komórek II - poznawanie budowy roślin i zwierząt (uniwersalność budowy komórkowej) 8

9 Ad. I 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? Mozliwości mikroskopów świetlnych Mała kontrastowość preparatów biologicznych Camillo Golgi wł. lekarz i histolog metoda barwienia komórek i włókien nerwowych z wykorzystaniem soli srebra zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu (aparat Golgiego) 9

10 Mozliwości mikroskopów świetlnych Powiększenie całkowite mikroskopu obiektyw x okular (x układ pośredni) ~ od 10 do 1500x ( max 3500x) 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

11 Ad. II obserwacje mikroskopowe tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.) poznanie, Ŝe komórka to podstawowy element Ŝycia - wszystkich organizmów (obecnie i w przeszłości) H. Dutrochet fr. botanik obecność drobnych globuli w tkankach wszystkich roślin Teza: komórka jest fundamentalną jednostką Ŝywych organizmów 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 11

12 komórka to podstawowy element - wszystkich organizmów współcześnie Ŝyjących obserwacje pod mikroskopem podziału komórek 1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl 1879 Walther Flemming opisał zachowanie chromosomów podczas mitozy 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 12

13 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?? - dowód wspólnego pochodzenia organizmów Pierwszy: wyróŝnił substancję dziedziczną (plazmę) i ciało (somę) przewidział, Ŝe chromosomy są odpowiedzialne za dziedziczenie dziedziczone są jedynie te załoŝenia genetyczne, które są zawarte w tzw. plazmie zarodkowej komórek rozrodczych 13

14 za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy Theodor Boveri niem. biolog Walter Sutton am. genetyk do właściwego rozwoju embrionalnego niezbędna jest pełna liczba chromosomów powiązanie praw dziedziczenia Mendla z chromosomami na poziomie komórkowym 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

15 Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka Prakomórka musiała zawierać prototyp uniwersalnej maszynerii wszelkich form Ŝycia istniejących dziś na Ziemi Ewolucja zmienność i dobór naturalny mutacje zróŝnicowanie komórek Jedność i róŝnorodność komórek (organizmów)??? źródła wiedzy? Historia Ŝycia skamieniałości (zalety, wady) eksperyment Stanley a Millera badania genetyczne współczesnych 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) 15

16 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 16

17 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 17

18 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 18

19 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 RóŜnorodność komórek Ruchliwość komórek Komórki nieruchome (pozornie) Komórki pływające: wici bakteryjne wici komórek eukariotycznych rzęski komórek eukariotycznych Komórki pełzające Wymogi co do warunków Ŝycia wymagające tlenu / beztlenowce wymagające tylko związków nieorganicznych / wymagające złoŝonej mieszaniny związków organicznych 19

20 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 20