Buňka a rozmnožování buněk - maturitní otázka

Otázka: Buňka a rozmnožování buněk

Předmět: Biologie

Přidal(a): Jakub

Buňka je základní stavební a funkční jednotka živých organismů. Buněčná teorie, kterou zavedl Matthias Jakob Schleiden a Theodor Schwann říká, že každý organismus je z buněk buď složen, nebo je na nich alespoň závislý, příkladem nám jsou viry.

Cytologie je věda, která se zabývá všemi organismy na úrovni buněk.

Látkové složení buněk

Voda

V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích – kapalná voda, vodní pára a led.

Fyzikální vlastnosti:

Voda je za normálních podmínek bezbarvá, v silné vrstvě namodralá kapalina, bez chuti a zápachu. Při přechodu do pevného stavu vzrůstá objem o 10% a led plave na vodě

Molekuly vody jsou lomené a její kovalentní vazby O-H jsou silné polární. V ledu se každá molekula H₂O pravidelně váže s dalšími 4 molekulami vodíkovými vazbami.

Buňka obsahuje asi 60 – 90 % vody (záleží na typu organismu, typu tkáně – např. u člověka obsah vody v zubu 10 %, ve svalech 55 %). Platí, že čím rychlejší metabolismus, tím je více vody (mladé buňky).

Funkce:

Voda působí jako reaktant, produkt, rozpouštědlo, reakční prostředí, důležitá pro udržování tělesné teploty, účastní se vstřebávání, přesunu látek z krve do tkání, vylučování odpadních látek ledvinami a celkového metabolismu.

Po odpaření vody získáme sušinu – ta z 90 – 99 % obsahuje látky organické (bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy, tuky), zbytek látky anorganické.

Biogenní prvky jsou důležité prvky v organismu. Každý organismus obsahuje jiné biogenní prvky, já vyjmenuji prvky, které jsou důležité pro lidský organismus.

makrobiogenní – C, O, N, P, H, (S)
oligobiogenní – Fe, Ca, Na
mikrobiogenní – Se, Zn

Sacharidy

Sacharidy jsou organické sloučeniny, které patří do skupiny polyhydroxyderivátů karbonylových sloučenin. Jsou hlavním zdrojem energie a mají stavební a zásobní funkci. Při fotosyntéze se při tvorbě glukózy přeměňuje světelná energie v energii chemickou, která je potřebná pro uskutečňování životních funkcí. Mimo jiné jsou také důležité v průmyslu při výrobě papíru, textilních vláken či ethanolu.

Rozdělení:

monosacharidy – glukosa (buněčné palivo, mění se na glykogen – zásobní cukr v játrech), fruktosa, ribosa
disacharidy – sacharosa, maltosa
polysacharidy – škrob, celulosa, mukopolysacharidy (z nich pojiva, kloubní pouzdra, sklivec)

Tuky

Lipidy jsou sloučeniny vyšších mastných kyselin, rostlinného i živočišného původu. Jsou nerozpustné ve vodě, ale v organických rozpouštědlech (např. benzin).

Známe strukturální lipidy, což jsou fosfolipidy a glykolipidy, které představují základní složku lipidové dvojvrstvy membrán v buňkách (např. cytoplazmatická membrána).

Bílkoviny

Bílkoviny se odborně nazývají proteiny a patří mezi biopolymery. Jedná se o vysokomolekulární látky složené z aminokyselin. V proteinech jsou aminokyseliny vázány aminoskupinami a karboxylovými skupinami amidovou vazbou -NH-CO-, čemuž se říká peptidická vazba. Funkce bílkovin jsou různé, např. ochranná (imunoglobin), stavební (kolagen) nebo transportní a skladovací (hemoglobin).

Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny jsou vedle proteinů nejdůležitější makromolekulární sloučeniny a slouží k uchování genetických informací. Hydrolýzou je zle štěpit na monosacharid, kyselinu fosforečnou a dusíkatou bázi.

Nukleové kyseliny byly poprvé izolovány z jaderné hmoty buněk, kde jsou vázány na histony.

Rozlišujeme 2 základní nukleových kyselin:

kyselina ribonukleová (RNA) – je jednovláknitá a obsahuje cukr ribózu, dusíkatou bázi – adenin, uracil, citozin a guanin.

kyselina deoxyribonukleová (DNA) – je dvouvláknitá a obsahuje cukr deoxyribózu, dusíkatou bázi – adenin, tymin, citozin a guanin.

Rozlišujeme 2 typy tělních tekutin:

extracelulární – hodně Na⁺, Cl^–; málo Ca²⁺, HCO₃^–; dále pak glukóza, mastné kyseliny, dýchací plyny
intracelulární – K⁺, Mg²⁺, H₂PO₄^–

Stavba prokaryotické buňky:

U prokaryotické buňky typické jádro chybí, jadernou hmotu představuje jediný chromozom – dlouhá vláknitá molekula DNA (dvojitá šroubovice uzavřená do celku). Délka molekuly může převýšit až tisíckrát průměr buňky, musí být tedy v cytoplazmě svinuta.

U některých bakterií se kromě chromozomu vyskytuje ještě další DNA – plazmid – do kruhu stočená DNA (výměna informací o rezistenci na antibiotika mezi 2 bakteriemi)

Chromozom je uložen v cytoplazmě, což je vodný roztok obsahující anorganické ionty, rozpuštěné organické látky a bílkoviny. Cytoplazma tvoří vnitřní prostředí buňky (hyaloplazma – po stranách, granuloplazma – kolem jádra a organel).

Na povrchu cytoplazmy se vyskytuje plazmatická membrána, dále vně od této membrány je buněčná stěna, což je silný a pevný obal celého prokaryotického organismu.

V prokaryotické buňce jsou dále ribozomy – drobné útvary tvořené RNA a bílkovinou.

Prokaryotické organismy:

jsou jen jednobuněčné – nikdy netvoří tkáně nebo pletiva
dříve se označovali termínem prvojaderní

Znaky prvojaderných:

velikost o řád menší než eukaryotická buňka
rychlý metabolismus
veliký poměr povrchu k objemu – vysoká rychlost výměny molekul mezi buňkou a prostředím
vnitřní prostor není rozdělen

Rostlinná buňka

Ve srovnání s živočišnou buňkou má nižší tvarová rozmanitost i funkční specializace rostlinných buněk. Liší se od sebe 3 hlavními znaky: přítomnost buněčné stěny, vakuol a plastidů.

Buněčná stěna

Buněčná stěna je tvořena z celulózy (což je polysacharid), dále je tvořena hemicelulózou a pektiny (kyselé polysacharidy, mají na starost hospodaření s vodou a vážou toxické látky).

funkce: udává tvar buňky, zpevňující funkce, ochranná funkce, je propustná

V buněčné stěně jsou také volné prostory (na vodu, ionty a menší molekuly), ty jsou propojeny se sousedními buňkami a tvoří tzv. apoplast, který tvoří transportní dráhu v těle rostlin.

Vlastnosti buněčné stěny se mění vlivem ukládání dalších chemických látek:

je-li prostoupena organickými látkami => impregnace (např. lignin – složitý polymer podmiňující dřevnatění = lignifikace – dřevnatění buněčné stěny, může k tomu dojít jen u cévnatých rostlin)
ukládání anorganickými látkami => inkrustace (např. SiO₂ u přesliček)
látkami tukovité povahy – kutin, suberin (u korku) a vosky – ty mají ochrannou funkci a zabraňují ztrátám vody.

Vakuoly

Mají polopropustnou membránu zvanou tonoplast, který se vytváří z endoplazmatického retikula. Vakuoly jsou skladištěm odpadních látek a vody. V dospělosti buňky zaujímá vakuola až 90 % celkového objemu a vzniká tak vakuom. Vakuom je vlastně soubor všech vakuol v jedné buňce.

Vakuoly jsou vyplněny buněčnou šťávou, což je vodný roztok různých organických a anorganických látek (cukry, bílkoviny, alkaloidy, třísloviny, …), také obsahuje barviva:

hydrochromy jsou látky rozpustné ve vodě; př. antokyany – (kyselé pH roztoku – červené zbarvení, neutrální pH – fialové, zásadité pH – modré) – dávají barvu květům, plodům, ale i některým listům (červené zelí) apod. Používají se také jako potravinářské barvivo E163.
lipochromy – rozpustné v tucích; př. chlorofyly, karoteny, xantofyly

Plastidy

Plastidy patří mezi semiautonomní organely (endosymbiotická teorie – mají vlastní DNA, nezávislé na buňce, dokážou se samy rozmnožovat, původně se vyskytovaly samostatně, ale v průběhu evoluce se začlenily do buňky)

Plastid je obalen dvěma membránami, v té vnitřní se nachází stroma (výplňková hmota chloroplastů) s tylakoidy (probíhá zde fotosyntéza).

proplastid – nezralý plastid v dělivých meristémech
rodoplast – obsahuje fykoerytrin a fykocyanin
feoplast – obsahuje fukoxantin
chromoplast – obsahuje karoten a xantofyl
leukoplast – neobsahuje nic – zásobní funkce
proteoplast – obsahuje proteiny
amyloplast – obsahuje škrob
elainoplast – obsahuje olej

Dělíme je podle převládajících barviv:

leukoplasty – bezbarvé, neobsahují žádná barviva; hromadí hl. škrob, oleje a bílkoviny; nejhojnější leukoplasty jsou amyloplasty – hromadí škrob, jsou hlavně v zásobních orgánech rostlin (hlízy, kořeny, stonky), v semenech a v kořenové čepičce

chromoplasty – fotosynteticky neaktivní plastidy žluté, červené nebo oranžové barvy – to podmíněno přítomností barviv – karoteny (červené až oranžové) a xantofyly (žluté) – karoteny + xantofyly = karotenoidy (patří mezi lipochromy – rozpustné v tucích); ve zralých plodech, květech, podzimní listí, někdy v kořenu (mrkev)

chloroplasty – zelené, fotosynteticky aktivní, v zelených částech rostlin, hlavní fotosyntetické barvivo – chlorofyl (typy a, b, c) – ve všech zelených rostlinách typ a vždy v kombinaci s některým ze zbývajících typů. Vlivem stárnutí se rozkládá chlorofyl a mění se na chromoplast (zrání šípků, rajčat).

PANAŠOVÁNÍ ROSTLIN = záměrné zbarvení rostlin (estetické účely) – bílé pruhy bez obsahu chlorofylu (pruhované, skvrnité, lemované, …) – např. pelargónie, javor jasanolistý apod.

Živočišná buňka

Buněčný povrch

Cytoplazmatická membrána (plazmalema)

Tvoří hranici mezi vnějším prostředím a vnitřním prostředím buňky, ohraničuje živý obsah, kterému se říká protoplast. Membrána je tvořena 2 vrstvami fosfolipidů vytváří. Je a ní tzv. cell coat – vrstva polysacharidů, která kryje povrch plazmatické membrány a zabraňuje mechanickému a chemickému poškození, neustále se obnovuje. Na povrchu též mikroklky , které jsou přizpůsobené absorpci (vstřebávání látek z vnějšího prostředí).

Spoje na plazmatické membráně mohou být těsné, častěji se ale vyskytují desmozómy – kanálky.

Na membráně najdeme na také organely pohybu (bičík, brvy, řasinky, undulující membrány)

Membránové bílkoviny zajišťují přenos látek do buňky a zpět:

vnitřní (integrální, transmembránová) bílkovina
- přísun látek do buňky, odstranění látek odpadních (H₂O, O₂, plyny, líh, …)
- př. protein 3 – u erytrocytů, je to antigen (reaguje s chem. látkou v krevní plazmě), přesun Cl⁺ a HCO₃^–
vnější (periferní) bílkovina
- většinou kyselý charakter
- k membráně ji vážou elektrostatické nebo vodíkové vazby (velmi slabé)
- specifické detektory – určují, zda buňka do organismu patří nebo ne
- př. spektrin v červených krvinkách

Cytoplazma (cytosol)

Základem je voda, bílkoviny, enzymy, ionty (Na⁺, K⁺, Ca^2+, …), biogenní prvky, RNA, aminokyseliny apod.

Probíhají zde neustálé změny – fyzikální i chemické (např. glykolýza – počátek rozpadu cukru)

ektoplazma – vnější, blíže k povrchu buňky, nižší hustota

endoplazma – vnitřní, větší hustota

Jádro (nucleus, karyon)

řídí děje v buňce, přenáší gen. Informaci, chrání gen. Materiál, důležité pro růst a rozmnožování, informace o syntéze bílkovin většinou je jedno, největší organela v buňce (erytrocyty jádro nemají, trepka má jádra 2, opalinky jich mají mnoho – jednobuněčné organismy)

Jádro tvoří karyoplazma, která obsahuje chromatin = DNA + bílkoviny zvané histony – histony zajišťují tvar chromozomů a drží pohromadě chromatinové vlákno, aby se nerozmotalo.

Z chromatinu se dělením tvoří chromozomy – počet charakteristický pro každý druh (druhově specifický)

Uvnitř jádra se vyskytují jadérka (nucleolus) – nemají membránu, 1 nebo 2, obsahují ribozomální RNA – tvoří se ribozomy.

Na povrchu jádra jaderná membrána, která plynule přechází v membránový systém endoplazmatického retikula, je pórovitá (propustnost pro některé látky).

Syncitium = mnohobuněčný útvar, vzniklý splynutím buněk během zárodečného vývoje (vlákno kosterního svalu)

řízení buňky: z jadérka se uvolní RNA, vyjde póry ven a jde k organele, kterou má řídit

Semiautonomní organely:

2 plazmatické membrány
vlastní nukleová kyselina
původně žily samy – endosymbiotická teorie
příklady – mitochondrie, plastidy

Mitochondrie

V cytoplazmě jsou rovnoměrně rozloženy. Je to semiautonomní organela.

buněčné dýchání C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energie – ve smyslu uvolňování energie – dodává buňce potřebnou energii, zdroj energie. Díky buněčnému dýchání dochází ke vzniku adenosintrifosfátu, který se používá jako palivo pro jiné reakce v buňce.

Membránové organely:

Endoplazmatické retikulum (ER)

Je napojeno na jadernou membránu. ER zvyšuje vnitřní povrch buňky, což má velký význam pro metabolické procesy.

hladké ER – nemá ribozomy, vznikají tu lipidy
drsné ER – na něm jsou umístěny ribozomy (na nich se vytvářejí bílkoviny)

Golgiho komplex (aparát)

Soustava měchýřků a kanálků, která slouží k transportu a úpravě bílkovin.

funkce: odbourávání membrán, transport a skladiště látek vzniklých na ER, výroba vlastních látek (např. mukopolysacharidy – sliz, hlen)

Lyzozóm:

různý tvar, váček s enzymy
primární: vznikl na Golgiho komplexu nebo ER, ještě se nezapojil do metabolismu, obsahuje enzymy
sekundární: zapojení do metabolismu, obsahuje enzymy a materiál na trávení
terciální: obsahuje nestrávené zbytky

Cytozómy:

obecně váčky obsahující enzymy
peroxizómy – peroxidása (jaterní buňky)
glyoxyzómy – přeměna tuků na cukry (semena olejnatých rostlin)

PARAPLAZMA = Buněčné inkluze jsou rezervní či odpadní látky vznikající činností buňky a jsou vlně rozptýlené v cytoplazmě. Jsou to například kapénky lipidů.

rezervní a odpadní látky uložené ve vakuolách nebo volně v cytoplazmě bez membránového ohraničení

rozlišujeme:

zásobní – zrna glykogenu, kapénky tuků….
odpadní – pigmenty, krystalky minerálních solí

Ve specializovaných buňkách se může hromadit

natolik, zatlačuje ostatní obsah (např. tukové buňky)!

Zooxantely – zelený autotrofní živý organismus, který původně žil samostatně, postupné začlenění do buňky

Vakuoly

membrána vakuoly se nazývá tonoplast
soubor vakuol v buňce se nazývá vakuom

rostlinné – dá se určit stáří buňky, představuje zásobárnu vody a různých dalších organických i anorganických látek (alkaloidy, barviva). Tekutý obsah vakuoly se nazývá buněčná šťáva.

živočišné – podílejí se na trávení, produkci mléka, např. synaptické váčky neurotransmiterů

prvoků – osmoregulační = pulzující trávicí

Cytoskelet

Tvoří ho jednoduchá vláknitá bílkovina – mikrofilamenta, střední filamenta nebo tlusté bílkoviny mikrotubuly. Cytoskelet zpevňuje buňku zevnitř.

subpelikulární mikrotubuly – zpevňují buňku, když se mikrotubuly a mikrofilamenta hroutí

ROZMNOŽOVÁNÍ BUNĚK

Nepohlavní rozmnožování:

jednobuněční, nižší rostliny a nižší živočichové
nový jedinec = KLON
klon vzniká z rodičovského organismu oddělením somatické (tělní) buňky => klon má stejnou genetickou informaci jako rodič

Výhody: vyhovuje jim prostředí, ve kterém žijí, jsou na něj dobře adaptováni – nepotřebují změny; nepohlavní rozmnožování se dá použít k regeneraci (náhrada ztracené tkáně), : nejsou potřeba dva rodiče, rychlejší

Nevýhody: nemoci

Způsoby nepohlavního rozmnožování

buněčné dělení – pučení u kvasinek (houby) nebo u nezmara
výtrusy (spory) – houby
vegetativní orgány – rostliny (výhonky, oddenek, hlíza, cibule)

ŘÍZKOVÁNÍ (zemědělská a šlechtická praxe, rostliny), FYZIPARIE (žahavce, hlísti)

Pohlavní rozmnožování:

dokonalejší organismy
pohlavní orgány = gonády – produkují pohlavní buňky gamety
jejich splynutím vzniká oplodněné vajíčko = zygota à embryo

♂ … mikrogamety

♀ … makrogamety ,

♂ pohlavní buňky … u rostlin = pyl (generativní jádra pylových láček), u živočichů = spermie
♀ pohlavní buňky … u rostlin = vaječná buňka, u živočichů = vajíčko
zygota je složena z 50 % ze spermie, z 50 % z vajíčka => tím je zajištěna variabilita

METAGENEZE (rodozměna) = střídání pohlavní (gametofyt) a nepohlavní (sporofyt) generace

Buněčný cyklus – děje, které probíhají v buňce než se namnoží, výsledkem jsou 2 stejné buňky

G₁, S a G₂ jsou tzv. interfáze – buňka se nedělí a na buňce nejsou vidět chromozomy

G₁ … postmitotická fáze

syntéza RNA a proteinů
nejdelší časové období, v této fázi buňka roste

S … syntetická fáze

zdvojení DNA a vznik bílkovin pro tvorbu chromozomu

G₂ – dokončení příprav na dělení à může dojít k vlastnímu rozmnožení

M … mitóza / meióza

C … cytokineze (cytos – jádro, kineze – pohyb) – vytvoření nové buňky (buň. stěna, plazmatická membrána, přepážka à 2 buňky)

GENERAČNÍ ČAS = doba od vzniku buňky až do jejího rozmnožení; rozlišujeme:

krátký generační čas – buňky pokožky, embryo, bakterie, nádory
dlouhý generační čas – mozkové neurony

RAKOVINA

nezhoubná (maligní) – má kolem sebe pouzdro, stačí ho vyndat a nádor zmizí
zhoubná (benigní) – nemají pouzdro, odlupují se buňky (metastázi) a pomocí krevního nebo mízního oběhu jdou po těle

Mitóza

nepohlavní rozmnožování – mateřská i dceřinná buňka mají stejnou genetickou informaci
má 4 fáze:

profáze – zkrácení a zdvojení chromozomů, mizí jadérko

metafáze – dvojice chromozomů se rozmístí v rovníkové rovině, na pólech buňky se vytvoří dělicí vřeténko, které se pomocí mikrotubul (vláken) napojí na chromozom

anafáze – zkracování mikrotubulů à dělicí vřeténko si přitahuje chromozomy k pólům

telofáze – zaniká dělicí vřeténko, vznikají jadérka a přestávají být vidět chromozomy

Meióza

pohlavní způsob rozmnožování
na začátku 1 buňka diploidní (2n), na konci 4 buňky haploidní (n)
vznikají jí pohlavní buňky: pohlavní buňky mají poloviční sadu chromozomů, než buňky somatické
prapohlavní buňky mají úplnou sadu chromozomů … pohlavní buňky poloviční sadu => meióza je tzv. redukční dělení
ve většině případů dochází k překřížení chromozómů – crossing-over (chiazma – místo, kde došlo k překřížení)+ výměně genetické informace (pohlavní rozmnožováni – lepší adaptabilita)

SPERMIOGENEZE = vývoj spermi

spermatogonie (1)

RŮST A ZAČÁTEK ZRÁNÍ

primární spermatocyt (1)

MEIÓZA I

sekundární spermatocyt (2)

MEIÓZA II

spermatidy (4)

DIFERENCIACE

spermie (4)

– z 1 prapohlavní buňky (spermatogonie) vzniknou 4 spermie

OOGENEZE = vývoj vajíčk

oogonie (1)

RŮST A ZAČÁTEK ZRÁNÍ

primární oocyt (1)

MEIÓZA I

ootida + polární tělíska (1 + 3)

MEIÓZA II

vajíčko (1)

– z 1 prapohlavní buňky (oogonie) vznikne 1 vajíčko

BUNĚČNÁ TEORIE

Jan Evangelista Purkyně – prozkoumal obsah buňky (protoplazma)
Leeuwenhook – první mikroorganismy
Robert Hooke – zavedl termín buňka
René Dutrochet – buňky přibývají
Robert Brown – objevil buněčné jádro
Matthias Schleiden, Theodor Schwann – není život mimo buňku, základem organismu je buňka (buněčný postulát)
Rudolf Virchow – každá buňka pochází z jiné buňky

MIKROSKOPY

světelný mikroskop
fluorescenční mikroskopie – detekují se jím fluorescenční barviva používaná pro barvení buněk, světlo vstupující do mikroskopu musí projít přes 2 filtry
rastrovací elektronová mikroskopie – vzorek se pokryje tenoučkou vrstvou těžkého kovu, a pak se po něm přejíždí svazkem elektronů, zaostřeným pomocí elektromagnetického vinutí na vzorek
transmisní elektronová mikroskopie – podobná převrácenému světelnému mikroskopu, namísto světelného paprsku využívá svazku elektronů, magnetické vinutí místo optických skleněných čoček