1.1

1. biologické charakteristiky a organizace živých soustav, prokaroyntní a eukaryontní buňky

Definice života

            Než se začala rozvíjet biologie jako věda, byla podstata života řešena pouze spekulativně. Ve starověku (hlavně Řecko) široké spektrum spekulativních názorů (Aristoteles, Galenos) – některé se blíží současnému pojetí této otázky. Středověká filosofie byla ovlivňována náboženstvím.

            Materialismus – filosofická směr, který tvrdí, že jediná věc, která existuje, je hmota (francouzský filosof R. Descartes). Každá věc je z materiálu (hmoty), každý jev je výsledkem interakce hmoty. Zdůraznil materiální podstatu živých organismů a nevyloučil další možnost zkoumání podstaty života. Redukoval zákonitosti pouze na mechanickou fyziku, nepostihl kvalitativní rozdíly mezi živými a neživými. Redukuje životní jevy pouze na úroveň jevů fyzikálních. Pod vlivem rozvoje chemie a fyzikální chemie je nehrazen podstatou fyzikálně chemickou.

            Vitalismus – filosofický směr, který soudí, že fungování živých organismů nelze vysvětlit fyzikálními a chemickými mechanismy, ale vykazuje životní sílu či energii (vita = život). Spatřuje rozdíl mezi živou a neživou přírodou v podobě nehmotného činitele (životní síla = vis vitalis). Tělo má hmotný základ, životní funkce jsou řízeny vis vitalis. Vyvrácen Wohlerem v roce 1828, když z kyanatanu amonného (zahříváním) připravil močovinu (org. sloučenina).

            Spontánní generace – teorie, podle které za správných podmínek může vzniknout život z neživé hmoty.

            Buněčná teorie – všechny životní děje probíhají v buňkách nebo jejich interakcemi. Buňka je základní, samostatné existence schopná jednotka života, ať představuje jednobuněčného jedince nebo systém mnohobuněčných jedinců.

Jan Evangelista Purkyně – první vyslovil myšlenku o podobnosti ve struktuře rostlin a živočichů. Přisoudil buňkám stěžejní význam pro život. Není považován za autora (1873)

M. J. Schleiden, T. Schwann – zdůvodnili Purkyněho teorii a zjistili, že i organismy, dnes jednobuněčné, jsou také buňkami, které žijí samostatně (1838 – 1839)

R. Virchow – poznatek, že nové buňky vznikají pouze dělením již existujících buněk (omnis cellula e cellula – každá buňka pouze z buňky)

Rostliny, živočichové, houby a jednobuněčné organismy mají podobnou strukturu, organely se stejnými či podobnými funkcemi. Chemické složení a základní biochemické procesy v buňce jsou buď totožné nebo velmi podobné – buňka je nejen strukturní, ale i funkční základní jednotka všeho živého. Všechny živé systémy jsou tvořeny buňkami a jejich produkty. Chemické složení buněk je obdobné (původ života z jedné buňky). Nové buňky vznikají jen dělením buněk. Činnost organismu je výsledkem činnosti buněk a jejich interakcí.

            Živý = časově a prostorově ohraničený, otevřený (vyměňují s okolím energii, látky a informace), hmotný a jednotného chemického základu (především sloučeniny uhlíku – nukleové kyseliny a proteiny), vysoká organizovanost, schopnost samostatné existence, samostatné údržby, samostatné reprodukce, vývoje, základní jednotkou je buňka, homeostatický (udržení stálého vnitřního prostředí), hierarchicky uspořádaný.

            Obecné vlastnosti živých soustav – dráždivost (reakce na podněty, stálost vnitřního prostředí - homeostáza), dědičnost (genetická informace – DNA, RNA, schopnost replikace nukleové kyseliny), rozmnožování (pohlavní, nepohlavní, vegetativní), metabolismus (látkový, energetický), vývoj (ontogeneze, fylogeneze), růst (omezen délkou života a geny).

            Výzvy

Viry – stejné chemické složení a princip vnitřní paměti jako buněčný život, jejich existence je závislá na buňkách, schopné replikace (ne autoreplikace)

Spory – u bakterií buňka, která slouží k dlouhodobému přežití nepříznivých podmínek

Avida – digitální organismy pro studium autoreplikace a vývoje počítačových programů

RNA – nukleová kyselina z vlákna nukleotidů spojených kovalentními vazbami

Turritopsis nutricula – dokáže se neomezeně měnit mezi medúzou a polypem

            Život začíná – zralými gametami, fertilizací, implantací embrya, vývojem mozku, narozením

            Život končí – absencemi reakcí, absencí aktivity mozkového kmene, absencí cefalických reakcí

Buňka - prokaryontní a eukaryontní

            Prokaryontní (bakterie a řasy) – Jádro je tvořeno jedním chromosomem uloženým volně v cytoplasmě. Jsou menších velikostí. Velmi chudé na membránové systémy. Většina funkcí vázána na plasmatickou membránu. Menší ribozomy. Nemají kompartmenty cytoskeletu. Rozdílné chemické složení a struktura buněčné stěny a mechanismus buněčného dělení. Evolučně primární, z nich sekundárně eukaryontní.

Obecná stavba – Fimbrie, glykokalyx, buněčná stěna, buněčná membrána, mesozom, ribozomy, inkluze/granule, nukleoid, pilus, bičík

            Eukaryontní  (rostlinné, živočišné a hub) – jádro vytváří samostatný kompartment, oddělený od cytoplasmy jaderným obalem, chromosomů je vždy více a mají podstatně složitější strukturu, na které se podílejí i bílkoviny (histony). Větší buňky. Membránové organely. Větší ribozomy. Obsahují prvky cytoskeletu. Vznikly z buněk prokaryontních.

Obecná stavba rostlinné buňky – peroxisom, mitochondrie, Golgiho aparát, mikrofilamenta, vakuola, mikrotubuly, chloroplast, cytoplasma, ribosomy, hladké a drsné ER, plasmatická membrána, buněčná stěna, jádro + jadérko

Obecná stavba živočišné buňky – bičík, jádro + jadérko, Golgiho aparát, cytoplasma, bazální tělísko, mikrofilamenta, lysozom, centrozom (centriol + pericentrionální materiál), ribozom, mikrotubuly, peroxisom, hladké a drsné ER, mitochondrie, plasmatická membrána

            Prokaryontní – bakterie a cyanobakterie, většinou jednobuněčné. Velikost 1 – 10 mikrometrů. Metabolismus anaerobní nebo aerobní. Organely ojedinělé. DNA cirkulární v cytoplasmě. RNA a proteiny syntezované ve stejném kompartmentu. Nemají cytoskelet ani exo- či endocytózu. Buněčné dělení je binární.

            Eukaryontní -  prvoci, houby, rostliny, živočichové, většinou mnohobuněční s diferencovanými buňkami. Velikost 10 – 100 mikrometrů. Metabolismus aerobní. Organely (jádro, mitochondrie, ER, chloroplasty). DNA dlouhá lineární, organizovaná v jaderné chromozomy s histony a uzavřená jadernou membránou/ prokaryontní v mitochondriích a chloroplastech. RNA v jádře, proteiny v cytoplasmě. Cytoskelet, endo- a exocytóza. Mitóza.

            Velikost – nejmenší 0,3 mikrometru (mycoplasma genitalium), největší v cm (vaječné buňky, neurony, řasy)

Co určuje velikost – atomy a molekuly, základní buněčná fyziologie, mikrotubuly, mitotické vřeténko, ploidie (počet sad chromozomů), pozice v tkáni.

Regulace – buněčný růst (v G1 fázi buněčného cyklu, při nemocích). Proliferace (hojné množení, bujení, novotvorba, u buněk s vysokou mitotickou aktivitou – rychle a opakovaně se množí). Diferenciace (z nespecializované buňky – embryonální, kmenová – vzniká buňka strukturně i funkčně specializovaná). Morfogeneze (vývoj tvarů organismu a jeho částí). Kritická velikost (maximální možná velikost, kdy ještě nedochází k jejímu poškození). Fyziologie (fungování a procesy v buňce). Patologie (změny při nemocích).

            Diferenciace – stejná genetická informace ale odlišná exprese

                       Odlišnosti

Struktura a složení buněčných membrán – mění se zastoupení různých polárních lipidů a membránových proteinů. Myelinové obaly nervových buněk mají pouze několik procent bílkovin, membrány tyčinek sítnice jediný protein (rhodopsin). Jiné receptorové proteiny umožňují diferencovanou odpověď na tentýž signál

Spektrum enzymů – základní enzymy, které zajišťují životně důležité funkce buňky, jsou stejné (enzymy energetického metabolismu, enzymy proteosyntézy). Některé diferencované buňky produkují specifické metabolity, což předpokládá zvláštní metabolické dráhy.

Morfologie – změny se projevují ve velikosti a tvaru buňky, v různém kvantitativním zastoupení buněčných organel a i ve vzniku struktur, které v nediferencované buňce neexistovaly (kolagenní fibrily u fibroblastů, bičíky u gamet, buněčná stěna u cyst prvoků). Eliminace i životně důležitých struktur (bezjaderné erytrocyty savců, trombocyty)

Totipotence – schopnost buňky vytvořit jakýkoliv typ buňky, který se v organismu vyskytuje. Každá totipotentní buňka obsahuje kompletní genetickou informaci pro celý organismus. Úplná genetická informace + exprese (rostlinná buňka či zygota, naivní embryonální kmenová buňka)

Pluripotence – pluripotentní kmenová buňka je schopna diferenciace do mnoha různých typů buněk. Úplná genetická informace + omezená exprese (embryonální kmenová buňka)

Multipotence – pluripotentní schopnost kmenové buňky omezena na určitý typ tkáně (orgán).