Štruktúra a množenie buniek a vírusov
Bunka je podľa bunkovej teórie základnou jednotkou života. Formulovali ju v r. 1838 nezávisle na sebe botanik M. J. Schleiden a zoológ T. Schwann.
Bunka môže vzniknúť len z inej bunky jej rozdelením.
Bunky prvokov a baktérií ako prvý pozoroval pomocou šošoviek v 17. storočí A. van Leeuwenhoek.
Štruktúrna autonómia bunky je vymedzená jej povrchom.
Všetky organizmy sú z buniek, ktoré majú rovnaké základné chemické zloženie.
Štruktúra buniek sa vytvára podľa genetickej informácie zdedenej od materskej bunky. Je dynamická a otvorená interakciám s okolím.
Genetická autonómia bunky je daná prítomnosťou úplnej genetickej informácie v každej bunke.
V prípade mnohobunkových organizmov je v každej bunke informácia o vlastnostiach celého organizmu.
Dedičná informácia sa odovzdáva z bunky do bunky.
Metabolická autonómia bunky sa spája s existenciou geneticky riadeného, kontrolovaného toku energie a látok.
Stabilita vnútorného prostredia bunky, jej odolnosť voči náhlym výkyvom faktorov prostredia, je základom homeostázy vnútorného prostredia tela mnohobunkového organizmu.
Bunka vznikla pravdepodobne postupným uzavretím replikujúcej sa nukleovej kyseliny lipidovou membránou.
DNA baktérií je uzavretá do kruhu. Nachádza sa v strede v oblasti nazývanej nukleotid, ktorý zaberá jej veľkú časť, ale od okolia ju neoddeľuje membrána. Bunka sa preto označuje ako ako prokaryotická (prvojadrová).
V cytoplazme sú aj malé kruhové molekuly DNA nazývané plazmidy, ktoré sa replikujú nezávisle od veľkej centrálnej molekuly DNA.
Všetky druhy RNA sa tvoria v cytoplazme, tá je prostredím pre transkripciu, transláciu aj tvorbu podjednotiek ribozómov. Prokaryotická bunka nemá vnútorné membrány.
mRNA, tRNA aj rRNA majú v prokaryotickej bunke rovnakú štruktúru a funkciu ako v eukaryotickej. Líšia sa však enzýmy transkripcie. Transkripcia v bunke prebieha neustále, preto sa baktérie môžu rýchlo rozmnožovať.
Translácia genetického kódu do poradia aminokyselín bielkovín sa realizuje na väzbových miestach, ktoré vytvárajú ribozómy na vlákne mRNA. Pripája ich tRNA s príslušným antikodónom. Podjednotky ribozómov baktérií sú malé. Majú 50 a 30 svedbergov (S), čo je jednotka sedimentácie pri odstreďovaní. Plazmid baktérií sa šíri z bunky do bunky horizontálne konjugáciou.
Centrálna DNA sa šíri vertikálne pri delení bunky.
DNA eukaryotickej bunky je okrem štádia, keď sa bunka delí, oddelená od cytoplazmy dvojitou jadrovou membránou. Jej molekuly sú stočené a organizované v chromozómoch. DNA je aj v mitochondriách a plastidoch, kde má podobu uzavretého kruhu. Sú to čiastočne samostatné (semiautonómne) organely, pretože využívajú aj genetický aparát bunky.
mRNA vzniká prepisom genetickej informácie z DNA v súlade s komplementaritou báz. Po transkripcii mRNA jadro opúšťa cez póry jadrovej membrány. Tá je prepojená s endoplazmatickým retikulom, kde následne prebieha proteosyntéza.
rRNA sa prepisuje z DNA v oblasti jadierka, kde sa sústreďujú príslušné gény. Hneď viaže na seba proteíny a tvorí podjednotky ribozómu 60 a 40 S. Tie smerujú jadrovými pórmi von z jadra na membránu endoplazmatického retikula, kde sa veľká a malá podjednotka spojí cez molekulu mRNA a vytvorí väzbové miesto.
tRNA sa prepisuje tiež v jadre. Má charakteristickú štruktúru podobnú trojlístku. Prechádza do cytoplazmy, viaže sa na voľnú aminokyselinu, ktorej zodpovedá svojou štruktúrou. Prenesie ju k väzbovému miestu ribozómu a antikodónom ju podľa kódu mRNA zaradí na koniec peptidového reťazca.
DNA sa replikuje v jadre a vertikálne sa šíri delením bunky.
Mitochondrie a plastidy s vlastnou DNA sa v bunke množia priečnym delením.
Chromozóm je vlákno DNA viazané na proteíny (históny). Kým sa bunka nedelí, chromozóm nie je pozorovateľný optickým mikroskopom. V S fáze sa DNA v jadre replikuje a vzniknú dve chromatídy. Na začiatku delenia bunky, v profáze, sa chromatídy špirálovite stočia, čím zhrubnú na pozorovateľný chromozóm.
Karyotypom nazývame sadu chromozómov organizmu. Chromozómy sa vyskytujú v pároch rovnakého tvaru ako dve homologické sady, rôzne sú len tie, ktoré určujú pohlavie. V prípade ľudí je to X u ženy a Y u muža.
Chromatídy sú spojené v mieste nazývanom centroméra. V metafáze sú chromozómy od seba dosť ďaleko, dajú sa rozpoznať tvary typické pre daný organizmus a zistiť ich počet v bunke. Najčastejší je tvar písmena X (4 ramená) alebo V (2 ramená).
Teloméra je označenie pre koncové časti eukaryotických chromozómov. Pretože sa DNA nereplikuje až do konca, po každom delení bunky je kratšia. Pohlavné bunky, kmeňové bunky a nádorové bunky však dokážu chýbajúcu časť obnoviť pomocou enzýmu telomerázy. V eukaryotických bunkách sa obyčajne nachádzajú dve sady chromozómov.
Pohlavné bunky majú len jednu sadu chromozómov. Po ich spojení sa v zygote obnoví pôvodný počet chromozómov.
Chromozóm prokaryotickej bunky tvorí jediná molekula DNA uzavretá do kruhu. Nachádza sa v strede bunky v oblasti nazývanej nukleotid. Nukleotid vypĺňa veľkú časť bunky, DNA nie je od zvyšnej časti bunky oddelená membránou.
Plazmid je malá kruhová molekula DNA v cytoplazme prokaryotickej bunky. Replikuje sa nezávisle od chromozómu. Pri konjugácii buniek vniká spojovacím pilusom s kanálikom do bunky prijímateľa.
Cytoplazma je prostredím pre transkripciu, transláciu aj tvorbu podjednotiek ribozómov. Prokaryotická bunka nemá vnútorné membrány. Miestom energetického metabolizmu je mezozóm, vnorenie bunkovej membrány. Stabilnú štruktúru a dynamiku v bunke udržuje cytoskelet, o ktorom sa spočiatku predpokladalo, že prokaryotické bunky ho nemajú.
Povrch bunky tvorí cytoplazmatická membrána a bunková stena, často i kapsulou z polysacharidov a proteínov. Na pohyb slúžia pilusy a bičíky, tubulárne F-pilusy prepájajú bunky pri konjugácii.
Bunky, ktoré nemajú jadrovú membránu, sa nazývajú prokaryotické.
Cytoplazma je chránená bunkovou membránou. Bunky rastlín a húb majú aj bunkovú stenu. Bunková membrána, označovaná aj cytoplazmatická membrána, má rovnakú štruktúru ako vnútrobunkové membrány. Membrány udržujú štruktúru a celistvosť bunky, tvoria prostredie pre syntézu a transport látok.
Eukaryotická bunka má jadro oddelené od zvyšku bunky dvojitou membránou, karyolemou. Niekedy sa preto hovorí, že má na rozdiel od prvojadrových buniek pravé jadro.
Semi-autonómne membránové organely mitochondrie a v rastlinných bunkách plastidy majú tiež dvojitú membránu a krátke kruhové DNA replikujúce sa nezávisle od chromozómu.
Vnútorný membránový systém tvorí v bunke štruktúry označované ako membránové organely. Sú miestom syntézy aj rozkladu. Oddeľujú sa z nich mechúriky, v ktorých sa látky v cytoplazme prepravujú na cieľové miesto. Môžu sa včleniť do membrány na inom mieste, čím sa obsah ocitne na jej opačnej strane.
Ako dynamická sústavu membrán sa označuje endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, cisterny, vezikuly, vakuoly, lyzozómy.
Kapsida z bielkovín, obaľuje nukleovú kyselinu vírusu. Spolutvoria základ vírusov, tzv. virión. Kapsidy môžu mať tvarvalca či mnohostenov. Niektoré vírusy archeónov sú ako citrón alebo majú výčnelky. Kapsida rastlinných vírusov je jednoduchá, často valcovitá a obsahuje RNA.
Nukleová kyselina je genetickou informáciou vírusu vo forme DNA alebo RNA, nikdy nie vo forme oboch. Vírusy nie sú autonómne, rozmnožujú sa využitím genetického aparátu a metabolických procesov hostiteľskej bunky. Retrovírusy prepisujú nasadením vlastných enzýmov svoju RNA na DNA.
Väzbové miesta na povrchu živočíšnych vírusov sa pripájajú na receptory bunkovej membrány hostiteľskej bunky. Vírusy sa do nej dostanú endocytózou alebo fúziou. Namnožené vírusy bunku opustia.
Lipidová obálka je membrána, ktorá obklopuje kapsidu mnohých vírusov adaptovaných na živočíšne bunky. Väzbovými miestami sú glykoproteíny na jej povrchu. Rastlinné vírusy nemajú obálku, len jednoduchú kapsidu.
Vírusy sa prejavujú ako aktívne živé organizmy len pri kontakte s bunkou. Množia sa vo vnútri hostiteľskej bunky.
Bakteriofág dosadá na povrch baktérie dutým výbežkom kapsidy s príchytnými vláknami. Enzymaticky naruší bunkovú stenu hostiteľa vtlačí svoje DNA tubulom výbežku do bunky.
Bakteriofágy sa po rozmnožení uvoľnia z bunky tak, že ju rozložia z vnútra. Pomocou enzýmov baktérie sa replikuje DNA fága a v ribozómoch hostiteľa sa vytvoria jeho proteíny.
Rastlinné vírusy sa šíria najmä prostredníctvom cicavých živočíchov, napr. vošiek, ktoré ich medzi rastlinami prenášajú. Vírus žije v infikovanej rastline natrvalo.
Živočíšne vírusy s obálkou sa dotvoria pri úniku viriónu z bunky procesom exocytózy, pričom sa ten obalí membránou bunky. Bunka môže byť schopná sa ešte regenerovať. Obálkový vírus sa infikuje bunku tak, že receptory na povrchu obálky rozpoznajú hostiteľa, lipidová membrána obálky sa včlení do cytoplazmatickej membrány hostiteľskej bunky a virión sa dostane do vnútra. Rozmnoží sa s využitím genetického aparátu bunky.
Vírusy sa rozmnožujú iba v hostiteľskej bunke, ktorá potom buď zahynie, regeneruje sa alebo trvale hostí vírusy.
Centrálna regulácia súčinnosti buniek, tkanív a orgánov mnohobunkového organizmu zaisťuje koordinovanú reakciu tela na podnety.
Každá bunka je integrovaná do hierarchicky organizovaného celku, prijíma signály susedných buniek a reaguje podľa funkcie a pozície v tele.
Špecializované procesy prebiehajú v diferencovaných bunkách s prispôsobenou štruktúrou, ktoré reagujú na signály vyššej úrovne.
Napríklad bunky kostrových svalov sa na podnet nervového impulzu z mozgu sťahujú a uvoľňujú, čím zabezpečujú naše vedomé pohyby.
Prispôsobenie štruktúry buniek mnohobunkového organizmu špeciálnym funkciám sa nazýva diferenciácia.
Tento proces je dôkazom tvárnosti (plasticity) bunky ako jednotky života. Funkcii v organizme sa prispôsobuje aj metabolizmus buniek.
Diferenciácia je najintenzívnejšia počas zárodočného vývinu.
Zachovanie autonómie buniek tkanív a pletív znamená, že tvárnosť pri diferenciácii ani súčinnosť v rámci celku ich neoberá o samostatnosť v zmysle bunkovej teórie.
V každej bunke je kompletná genetická informácia a tvorí sa ATP.
Vysoko špecializované bunky sa ďalej nedelia.
Červené krvinky cicavcov nemajú jadro.
Tesné spoje spájajú susediace bunky bez medzibunkového priestoru. Príkladom sú epitelové bunky. Zhluky križujúcich sa integrálnych proteínov kotvia membrány proti posunutiu a vytvárajú bariéru, ktorá bráni úniku vody a pohybu roztokov.
Vodivé spoje zachovávajú voľný medzibunkový priestor. Membrány sú prepojené tzv. konexínmi zo šiestich proteínových jednotiek usporiadaných do kruhu. V strede vytvárajú kanálik, cez ktoré sa šíria malé signálne molekuly a ióny, napr. Ca2+
Plazmodezmy sa vyskytujú v rastlinných pletivách. Z hľadiska funkcie sú obdobou vodivých spojov buniek v živočíšnych tkanivách. Kanáliky však tvorí membrána (dermotubulus), ktorá je prepojená s endoplazmatickým retikulom buniek.
Priľnavé spoje sú pevné väzby susediacich membrán, adhézne zóny priliehajúcich membrán alebo dezmozómy s hustými vláknitými (filamentovými) väzbami, ktoré sú prepojené na filamenty cytoskeletu susediacich buniek. Dodávajú bunkám pevnosť a tvar.
Bunky pletív a tkanív môžu spojenia spevňovať, izolovať alebo naopak, umožniť vzájomnú komunikáciu.
Bunkové steny baktérií tvorí komplex látok. Najviac zastúpený je peptidoglykán, nazývaný aj mureín, ktorého základom sú polysacharidové reťazce zosieťované peptidmi. Bakteriálne bunkové steny obsahujú aj glykolipidy.
Huby majú bunkovú stenu zloženú najmä z chitínu, polysacharidu, ktorý tvorí aj štruktúru vonkajšej kostry bezstavovcov. Súčasťou komplexu bunkovej steny húb sú aj glukán a mannoproteín, ktoré prepájajú vlákna chitínu.
Archeóny nemajú v bunkových stenách peptidoglykán ako baktérie, ale pseudopeptidoglykán, označovaný častejšie ako pseudomureín. Bunková stena má jednoduchú stavbu na jej povrchu sa nachádzajú proteíny.
Rastliny majú bunkovú stenu z celulózy, ktorú dopĺňa pektín. V druhotných pletivách dreva ich prepája lignín, ktorý pružnú primárnu stenu spevňuje. Bunkové steny rôznych rias obsahujú okrem celulózy ďalšie látky, napríklad agar, mannan, glykoproteíny. Rozsievky syntetizujú svoje bunkové steny z kyseliny kremičitej.
Bunková stena je štruktúra na povrchu cytoplazmatickej membrány buniek rastlín, húb, a prokaryotov, chrániaca bunky pred poškodením a osmotickým stresom.
Optický mikroskop navrhol a použil ako prvý polyhistor R. Hooke v r. 1665.
Ním navrhnutá konštrukcia sústav šošoviek a osvetlenia v podobe okulár – objektív – kondenzor je základom aj dnešných svetelných mikroskopov.
Dosahuje max. zväčšenie 1 500 x, čo umožňuje rozlíšiť objekty veľkosti 0,2 mm - 0,2 μm.
Elektrónový mikroskop je obdobou optického, ale namiesto prúdu fotónov (svetla) využíva na zobrazovanie prúd elektrónov a elektromagnetické šošovky.
Pracuje teda s omnoho menšou vlnovou dĺžkou než optický mikroskop.
Preparovaný objekt sa dá zväčšiť až 1 000 000 x.
Konfokálny mikroskop pracuje s laserovým lúčom svetla. Pomocou bodovej clony dosahuje veľmi vysoké rozlíšenie, výsledné zobrazenie sa vyskladá zo série snímok.
Zobrazuje povrch objektu alebo rovinu rezu.
Využíva sa napr. na štúdium priestorových štruktúr živých buniek, koncentrácie iónov, rozloženia membránových receptorov a
3D mikroskop atómovej sily rozlišuje extréme malé objekty v rozsahu 80 µm až 0,25 nm. Mapuje rozloženie atómových síl meraním výchylky hrotu mechanickej sondy na povrchu (aj živého) objektu.
Výstupom je trojrozmerný obraz povrchu.
Špecializované modifikácie týchto mikroskopov sú spojené so stále vylepšovanými zobrazovacími technológiami.
Meristémy rastlín sa môžu premeniť na bunky akéhokoľvek pletiva, sú totipotentné. Niektoré sa delia stále, iné skryte čakajú na svoj čas alebo sa aktivujú po poranení.
Kmeňové bunky živočíchov môžu byť unipotentné, ktoré sa diferencujú stále na jeden druh tkanivových buniek. Pluripotentné kmeňové bunky sa môžu meniť na bunky rôznych typov tkanív.
Kmeňové bunky sa delia stále, pričom vždy vznikajú dve bunky, ale neobmedzenú schopnosť delenia zachováva len jedna z nich. Druhá sa tiež delí, ale jej potomkovia sa rýchlo diferencujú. Niektoré diferencované bunky, napríklad nervové, sa už nedelia vôbec. Iné sa delia a zabezpečujú regeneráciu tkanív.
Regenerácia sa spustí signálom zo zranených buniek. Signál „zobudí“ okolité bunky, ktoré sa nedelia (sú v G0 fáze). Tie obnovia cyklus delenia, kým sa rana nezahojí.
Všetky diferencované bunky vznikajú mitotickým delením zygoty.
Diferenciácia nastáva aktiváciou génov v bunkách.