BT621 - PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI WYKŁADY - 30 GODZIN; ĆWICZENIA 15 GODZIN 4 ECTS ZALICZENIE KURSU: ZDANIE EGZAMINU KOŃCOWEGO (ocena) Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest ZALICZENIE ĆWICZEŃ zasady zaliczenia na 1 ćwiczeniach Egzamin sprawdzający wiedzę z materiału podanego na wykładach red. B. Alberts i wsp. - Podstawy biologii komórki, PWN 2005 red. B Alberts et al. - Molecular biology of the cell, 5th edition; T. Pollard i W. Earnshaw Cell biology, 2nd edition; G. Karp Cell Biology, (Wiley), 7th edition; www.zbk.wbbib.uj.edu.pl Dydaktyka /Kursy/Podstawy biologii komórki Egzamin pisemny: I. test II. odpowiedzi pisemne - wstawiania brakujących wyrazów - dopasowania - wyjaśnianie pojęć, podanie definicji - prawda / nieprawda? - podpisy (schematów, rysunków, zdjęć) Każde zadanie punktowane oddzielnie, max 100 pkt; 50% - do zdania egzaminu; Możliwość zdobywania punktów podczas wykładów (max 1 punkt/wykład), które zostaną doliczone do punktów uzyskanych z egzaminu PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI Biologia: gr. bíos życie ; lógos słowo, nauka Komórka: Podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna wszystkich organizmów żywych 1
Encyklopedia PWN: ŻYCIE Zjawisko biologiczne złożone i wielowymiarowe, którego nie można opisać za pomocą jednej prostej definicji. Znane dotychczas wyłącznie z Ziemi i w tym kontekście definiowane w odniesieniu do 2 podstawowych znaczeń: I. na określenie stanu materii (nazywanej organizmem) trwającego od pojawienia się (narodzin) organizmu do zakończenia jego bytu osobniczego w większości kończącego się śmiercią II. 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 żyjące obecnie organizmy wraz z wszelkimi wzajemnymi relacjami i zależnościami oraz ich wpływem na środowisko. Encyklopedia PWN: KOMÓRKA Najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do życia, samoodtwarzająca się struktura o złożonej organizacji. Podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna wszystkich organizmów żywych 1. WPROWADZENIE Krótka historia odkrycia i badań komórek Jedność podstawowych mechanizmów życia Różnorodność organizmów i komórek BIOLOGIA KOMÓRKI jako dyscyplina naukowa??? wywodzi się z CYTOLOGII gr. kýtos wydrążenie; naczynie; komórka Encyklopedia PWN: cytologia biol. - nauka o budowie i czynnościach komórek roślinnych i zwierzęcych. 2
Historia badań wielowiekowe obserwacje i teoretyczne przemyślenia nad budową żywej materii Arystoteles (384-322 p.n.e.) gr. filozof, twórca biologii Galen (Claudius Galenus) (130-200) rzym. lekarz, anatom rośliny i zwierzęta są zbudowane z niewielkiej liczby typów cząstek wielokrotnie się powtarzających? do XVII w postęp nauki jest w dużej mierze wynikiem postępu technicznego skonstruowanie mikroskopu Mikroskopy proste XVI w Mikroskop złożony ok. 1590 r Zachariasz i Hans Janssenowie Powiększenie: ok.10x; mechanizm teleskopowy udoskonalanie mikroskopu XVII w. Powiększenie: ok.30x Robert Hooke ang. fizyk 1665 - zebranie Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie: 1635-1703 korek zbudowany jest z przedziałów - komórek pojęcie komórka ( łać. cellulae) Rysunek z książki R. Hooke'a "Micrographia" 3
Antoni van Leeuwenhoek hol. przedsiębiorca i przyrodnik konstruował proste mikroskopy (soczewki polerowane) o powiększeniu 50-250x, rozdzielczości kilku mm 1632-1723 Antoni van Leeuwenhoek rysunki Mikroskop z soczewką dmuchaną (muzeum w Utrechcie) o powiększeniu 277x, rozdzielczości 1mm Opisał: pierwotniaki (1667-1674) bakterie (1683) erytrocyty, białe ciałka krwi plemniki włókna mięśni poprzecznie-prążkowanych jądra w erytrocytach łososia (1700) XVIII w - mikroskop instrumentem niezwykłym XIX w udoskonalane mikroskopy Różne ulepszenia, ale powiększenie - 250x rozdzielczość -5 mm obserwacje różnorodnych tkanek roślin i zwierząt kilka istotnych odkryć w XVIII w: proces namnażania komórek przez podział (ameby; A. Trembley, szwajcarski przyrodnik, 1744) ruch cytoplazmy z zielonymi ciałkami w komórkach Ramienicy pospolitej (Corti, włoski lekarz, 1774) I - poznawanie struktury pojedynczych komórek II - poznawanie budowy roślin i zwierząt (uniwersalność budowy komórkowej) 4
Ad. I Robert Brown ang. botanik 1831 - opisał jądra w komórkach roślin - ruch protoplazmy w komórkach roślin 1773-1858 Przez dalsze pół wieku nie poznano nowych struktur wewnątrzkomórkowych? Mała kontrastowość preparatów biologicznych Ograniczone możliwości mikroskopów świetlnych Rudolf Albert Kölliker 1817-1905 szwajc. fizjolog 1857- opisał mitochondria w komórkach mięśni ( komórkowa konstrukcja tkanek ) Camillo Golgi wł. lekarz i histolog 1844-1926 metoda barwienia komórek i włókien nerwowych z wykorzystaniem soli srebra laureat Nagrody Nobla 1906 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 Hipokamp impregnat Golgiego; rysunek neuronów 1898 zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu (aparat Golgiego) Opera Omnia. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicin e/laureates/1906/golgi-article.html d = około 0,2 μm (λ /2) przyczyną ograniczonej zdolności rozdzielczej dyfrakcja światła 5
Poprawa zdolności rozdzielczej mikroskopu użycie promieniowania o krótszej długości fali (zastosowanie wiązki elektronów) Ernst August Ruska niem. fizyk 1931 skonstruował pierwszy mikroskop elektronowy (50nm) Palade, Porter i Sjostrand 1952 rozwinęli metody mikroskopii elektronowej Hugh E. Huxley ang. biolog mol. 1954 zobaczył układ filamentów w mięśniu - cytoszkielet J.D. Robertson 1924-2013 - wykorzystywał ME do badań biologicznych - badania fizjologii mięśni zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego: d (praktyczna) od 0,2 do 1nm 1957 opisał dwuwarstwową strukturę błony komórkowej Ad. II obserwacje mikroskopowe tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.) poznanie, że komórka to podstawowy element życia - wszystkich organizmów (obecnie i w przeszłości) H. Dutrochet fr. botanik 1824 - obecność drobnych globuli w tkankach wszystkich roślin Teza: komórka jest fundamentalną jednostką żywych organizmów Teoria komórkowa test logiczną syntezą wielu obserwacji dokonanych w różnym czasie i przez różnych badaczy 6
Matthias Jacob Schleiden niem. botanik Theodor Schwann niem. zoolog 1804-1881 komórka to podstawowy element - wszystkich organizmów współcześnie żyjących 1810-1882 1838-1839 Teoria komórkowa Wszystkie organizmy żywe rośliny, zwierzęta i bakterie są zbudowane z komórek, które są ich podstawowymi jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi obserwacje pod mikroskopem podziału komórek 1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl 1879 Walther Flemming - opisał zachowanie chromosomów podczas mitozy Początek cytologii jako dyscypliny naukowej Rudolf Virchow niem. anatomopatolog 1821-1902 postulat: 1855 - komórki powstają tylko przez podział (omnis cellula e cellula) życie w istniejących warunkach nie może powstać spontanicznie - zaprzeczenie teorii samorództwa - brak dowodów Ludwik Pasteur fr. chemik (mikrobiolog) ostatecznie obalił teorię samorództwa doświadczalny dowód, że komórki wywodzą się tylko z już istniejących organizmów teraźniejszość Karol Darwin ang. biolog 1822-1895? przeszłość 1809-1882 1859 - teoria ewolucji klucz do zrozumienia historii rozwoju organizmów 7
August Weismann niem. biolog i genetyk 1834-1914 podobieństwo podstawowych struktur komórkowych 1880 - wszystkie komórki wywodzą się od przodków żyjących w zamierzchłych czasach?? - dowód wspólnego pochodzenia organizmów za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy Theodor Boveri niem. biolog Walter Sutton am. genetyk 1862-1915 1877-1916 do właściwego rozwoju embrionalnego niezbędna jest pełna liczba chromosomów powiązanie praw dziedziczenia Mendla z chromosomami na poziomie komórkowym 1902 - 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) 1866-1945 1915 - chromosomowa teoria dziedziczności Zrozumienie molekularnych podstaw dziedziczenia umożliwiło ustalenie modelu struktury DNA w 1953 przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka (1962 Nagroda Nobla) Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka Prakomórka musiała zawierać prototyp uniwersalnej maszynerii wszelkich form życia istniejących dziś na Ziemi Ewolucja zmienność i dobór naturalny mutacje zróżnicowanie komórek Jedność i różnorodność komórek (organizmów) 8
badania genetyczne współczesnych organizmów Drzewo filogenetyczne wyprowadzone z porównania sekwencji nukleotydów rrna (długość linii ilość różnic w sekwencji nukleotydów w rrna) 3 cesarstwa ostatni uniwersalny wspólny przodek ( 3.7 x 10 9 lat) chemoautotrof DNA, RNA synteza białek metabolizm (kataliza enzymatyczna) ORGANIZMY WSPÓŁCZESNE Prokarioty (gr. pro = przed) (karyon=ziarno, jądro) Bacteria (bakterie właściwe) ściana komórkowa z mureiny (peptydoglikan) Błona komórkowa fosfolipidowo-białkowa Archaea błona komórkowa archeany -estry kwasów tłuszczowych archeowce (bakterie pierwotne) DNA w nici nukleosomowej; introny; polimeraza RNA Eukaryota (eukarioty, jądrowce) (gr. eu = prawdziwie) kompartmentalizacja cytoplazmy Różnorodność organizmów ponad 10 mln gatunków organizmów (wszystkie środowiska życia) beztlenowce termofilne (w gorących kwaśnych wodach np.bakterie siarkowe) halofilne (w wodach ekstremalnie zasolonych) mutanogeniczne (redukujące CO 2 do metanu -osady głębinowe, przewód pokarmowy) Różnorodność komórek różnorodność struktury i funkcji komórek / / różnorodność organizmów wymogi co do warunków życia wymagające tlenu / beztlenowce wymagające złożonej mieszaniny związków organicznych / wymagające tylko związków nieorganicznych bakterie gram dodatnie gram ujemne purpurowe zielone bakterie fotosyntetyczne cyjanobakterie Protisty Grzyby Rośliny Zwierzęta Methanonococcus (Archaea) - wykorzystuje gazowy H 2, N 2 i CO 2 komórka pełni wszystkie czynności życiowe / / wyspecjalizowana, zróżnicowana 9
różnorodność wielkości : Prokaryota (1-10 mm) przeciętna wielkość komórek 0,3 mm mykoplazma ( masa: 10-14 g) Eukaryota (10-100 mm) przeciętna wielkość komórek 10 mm 1mm komórki pierwotniaków duże komórki 100 mm ludzka komórka jajowa 2 mm komórka jajowa żaby kilka cm komórki jajowe ptaków, gadów (20cm) 1,5 m wypustki neuronów różnorodność kształtu : Prokaryota (bakterie) Eukaryota komórki roślinne: równowymiarowe (kuliste, wielokątne) wydłużone komórki zwierzęce: różnorodne różna ruchliwość Komórki nieruchome (pozornie) Komórki pływające: wici bakteryjne wici komórek eukariotycznych rzęski komórek eukariotycznych Komórki pełzające różnorodność długości życia, szybkości podziałów Jedność wszystkich organizmów budowa komórkowa funkcje życiowe (wzrost, podział, reakcja na bodźce ) funkcje życiowe oparte na podobnych podstawowych procesach chemicznych instrukcje genetyczne (geny) zapisane są tym samym kodem DNA kieruje syntezą białek białka zbudowane z takich samych aminokwasów 10