Výživa, rast a rozmnožovanie buniek
Priame delenie je rýchly spôsob rozmnožovania buniek, typická najmä pre prokaryotické bunky. Okrem baktérií a archeónov sa delia priamo aj niektoré eukaryotické jednobunkovce. Fázy bunkového cyklu pri nepriamom delení splývajú.
Mitóza je typické delenie eukaryotických buniek, keď rozdelením materskej bunky vzniknú dve geneticky identické, rovnako veľké dcérske bunky. V bunkovom cykle sa opakuje mitotická fáza - bunka sa delí a interfáza - bunka sa pripravuje na nové delenie.
Asymetrické delenie sa vyskytuje u všetkých domén. Výsledkom asymetického delenia nie sú rovnocenné dcérske bunky. Pri delení kmeňovej bunky jedna dcérska bunka vlastnosti kmeňovej bunky zachová, druhá sa diferencuje. Predpokladom asymetrického delenia je polarizácia materskej bunky. Asymetrickým delením sa tvoria spóry baktérií. Bunky nie sú identické ani po delení polyploidných buniek rastlín a pučaní kvasiniek.
Meióza je redukčné delenie eukaryotických buniek. Výsledkom sú pohlavné bunky – gaméty – s polovičnou chromozómovou sadou.
Niektoré typy symetrického delenia ešte nie sú presne geneticky charakterizované.
Replikačná vidlička vzniká rozpletaním vlákien dvojzávitnice DNA (alfa helixu) enzýmom helikázou. Lineárne DNA sa rozpletá na konci, kruhová DNA má replikačný začiatok - miesto, z ktorého sa rozpletá dvomi smermi, až sa replikačné vidličky po polkruhu stretnú.
Komplementárne doplnenie vlákien zabezpečujú DNA polymerázy. Postupným rozpletaním sa odkrýva vo vidličke matrica (templát), komplementárne bázy sa doplňajú a formujú sa dve identické dvojzávitnice DNA. Každá z nich obsahuje jedno pôvodné a jedno novosyntetizované vlákno (sú semikonzervatívne).
Ako 3´ a 5´ sa označujú 2 konce lineárneho vlákna DNA. DNA polymerázy pôsobia len jedným smerom a môžu sa pripojiť až od tretieho uhlíka (3´koniec), na konci ostane voľných 5 uhlíkov. Replikácia jedného vlákna je plynulá, druhé sa replikuje po častiach (Okazakiho fragmenty), ktoré spájajú enzýmy DNA ligázy.
Teloméry sú koncové časti DNA, ktoré sa nereplikujú. Lineárna DNA je po každom delení kratšia, časom sa bunka prestane deliť. V priebehu meiózy sa teloméry obnovujú.
Replikácia DNA predchádza každé delenie bunky, dcérske bunky by inak nedostali genetickú informáciu predkov.
Replikácia DNA je podmienkou rozdelenia bunky, ak sa má do dcérskych buniek preniesť úplná genetická informácia. Kruhové DNA prokaryotov sa replikuje stále, na rozdiel od eukaryotov, kde je prísne viazaná na S fázu bunkového cyklu. Súčasne sa replikujú sa aj plazmidy. Akonáhle sa nový kruh DNA kompletizuje, nukleín sa rozdelí.
Rozdelenie nukleínu tiež prebieha plynule, nedajú sa odlíšiť fázy ako pri mitotickom delení jadra eukaryotických buniek. Delenie prokaryotov je rýchle, bez interfázy. Môže sa opakovať aj každých 20 minút.
Hmota prokaryotickej bunky rastie kontinuálne. Ak je dostatok živín, prebieha v cytoplazme syntéza proteínov, ribozómových podjednotiek a enzýmov. Keď je hmota bunky dosť veľká, rozdelí sa- väčšinou priečne.
Priamo sa delia hlavne prokaryoty. Majú jednoduchý genóm a nemajú vnútorné membrány. Aj mitochondrie a plastidy v eukaryotických bunkách sa delia priamo. Taktiež niektoré eukaryotické jednobunkovce, napr. eugléna, jej bunka sa delí pozdĺžne.
Priame delenie bolo pozorované aj v prípade vysoko špecializovaných buniek eukaryot, napr. nervových buniek.
Asymetrickým delením vznikajú spóry baktérií schopné prečkať nepriaznivé podmienky.
Cytoskelet zohráva podstatnú úlohu pri pohybe organel. Koordinovaná priestorová reorganizácia jeho súčastí tvorí zvlnenia membrán, čím podporí pohyb bunky určitým smerom, keď podnet alebo signál vyvolá jej polarizáciu. Polymerizácia aktínu umožňuje meniť tvar pri fagocytóze. Mikrotubuly a stredné vlákna sú aktívne pri delení bunky.
Bičík baktérií, flagellum, tvorí špirálovitý proteín s dutým stredom. Rastie na konci a je zakotvený v bunkovej membráne. Spirochétam slúži a pohyb zvláštny vnútorný bičík uložený medzi plazmatickou membránou a bunkovou stenou. Baktérie bez bičíka sa pohybujú kĺzaním.
Bičík archeónov sa nazýva pre osobitú viacvrstvovú štruktúru špirálovitých molekúl proteínov archaellum. Bazálne teliesko má ukotvené až v cytoplazme, podobá sa tým na eukaryotický bičík. Rastie od základu pripájaním jednotiek tubulínu.
Eukaryotický bičík, cilium, je dlhý a tenký vlasovitý útvar zakotvený v cytoplazme. Štruktúru má rovnakú ako brvy: 9 trojíc mikrotubulov v kruhu obaľuje membrána. Bičíky majú často aj pár mikrotubulov v strede, napr. bičík spermie.
Migráciu buniek v prostredí zaisťuje prestavba cytoskeletu, kývavý pohyb bŕv a rotačný pohyb bičíkov, ktorých môžu mať aj niekoľko. Energiu na pohyb čerpá bičík z ATP.
Autotrofia je schopnosť bunky alebo organizmu vytvárať organické látky z anorganických. Bunky viažu energiu svetla (fototrofia) alebo energiu z oxidácie prvkov (S, Fe) či jednoduchých anorganických látok, ako mikroorganizmy, ktoré viažu vzdušný dusík. Sú chemotrofné.
Fototrofia má zásadný význam pre život všetkých organizmov na Zemi. Fototrofné organizmy sú primárnym zdrojom organických látok pre všetky ostatné, ktoré čerpajú energiu pre život vo forme organických živín. Organické látky fotosyntetizujú len sinice (cyanobaktérie) a bunky rastlín. Súčasne v nich prebieha aj dýchanie.
Heterotrofia je získavanie energie pre bunkové procesy dýchaním, k čomu bunky potrebujú kyslík, alebo aeróbnou alebo anaeróbnou fermentáciou (kvasením) substrátu. Energia sa uvoľňuje z väzieb uhlíka organických látok, živín. Mnohobunkové organizmy prijímajú potravu, trávia ju na zložky, z ktorých bunky vytvoria im vlastné látky.
Kvasenie nie je energeticky príliš výnosné, kvasinky aj kvasné baktérie súčasne aj dýchajú. Anaeróbne kvasné organizmy dýchajú tiež, no prenos elektrónov namiesto kyslíka zabezpečuje iný elektrónový akceptor, napríklad síra.
Bunky získavajú živiny rôznym spôsobom, ak ich nemajú dostatok, nemôžu sa deliť, vytvoria spóry alebo odumrú.
K rozkladu glukózy dýchaním dochádza ešte v cytoplazme, bez prístupu kyslíka. Glukóza sa rozloží na dve jednoduchšie molekuly, vzniká trojuhlíkatý pyruvát a ATP. Tento katabolický proces sa nazýva anaeróbna glykolýza.
Pyruvát vstupuje po aktivácii na acetylkoenzým A v matrixe mitochondií do Krebsovho cyklu (tiež citrátový cyklus). V Krebsovom cykle sa odbúravajú organické látky za účasti acetylkoenzýmu A na H+, CO2, tvorí sa ATP a ďalšie molekuly s makroergickými väzbami.
Vodík H+ uvoľnený v Krebsovom cykle z organických látok je prenesený z matrixu k vnútornej membráne mitochondrie, kde sú zabudované enzýmy dýchacieho reťazca.
Protóny H+ sú transportované enzýmami dýchacieho reťazca, proti gradientu do medzi-membránového priestoru. Sú to protónové pumpy poháňané transportom elektrónov.
Dýchanie je oxidačno-redukčný proces, na konci ktorého vodík s kyslíkom vytvorí vodu.
V tylakoidoch chloroplastov sa nachádza fotosynteticky aktívny chlorofyl organizovaný do proteínových komplexov, tzv. fotosystémov. Fotosystém pohltí svetlo určitej vlnovej dĺžky a energia fotónov, transformovaná do vzbudených elektrónov, sýti nadväzujúce biochemické procesy.
Fotolýza vody je prvá, tzv. svetelná reakcia fotosyntézy. Absorbovaná energia svetla rozloží molekulu vody, pričom sa kyslík uvoľní a protón H+ vstupuje v stróme do Calvinovho cyklu. Súčasne sa v procese fotofosforylácie energia svetla ukladá aj do makroergickej väzby s ADP a tvorí sa ATP.
Calvinov cyklus je tmavá fáza fotosyntézy. Je to biochemický proces, v ktorom sa H+ pomocou enzýmov viaže na atómy uhlíka z CO2. Cyklicky sa opakuje a bezprostredne nevyžaduje svetlo. Na vznik väzieb medzi uhlíkmi sa spotrebováva energia z ATP, ktorá vznikla fotofosforyláciou..
Glukóza je hlavným produktom fotosyntézy. Je základom biosyntézy všetkých organických látok v živých bunkách. Zároveň je zdrojom, z ktorej bunky dýchaním čerpajú energiu pre metabolizmus.
Fotosyntéza je jedinečný proces premeny energie fotónov na energiu chemických väzieb organických látok.
Etanolové kvasenie prebieha bez prístupu kyslíka. Bunky kvasiniek Saccharomyces sp. ale aj niektorých baktérií metabolizujú za vzniku malého množstva energie jednoduché cukry zo substrátu na etanol a CO2.
Sumárna rovnica:
C6H12O6 → 2 CH3 CH2 OH + 2 CO2 + E (2ATP)
Mliečne kvasenie sa začína rovnako ako alkoholové anaeróbnou glykolýzou, potom za prístupu vzduchu vzniká kyselina mliečna. Podieľajú sa na ňom baktérie mliečneho kvasenia napr. Lactobacillus acidophillus, L. casei, Streptococcus thermophilus. Maslové kvasenie nadväzuje keď baktérie, napr. Clostridium butyricum, menia kyselinu mliečnu na kyselinu maslovú, CO2 a H2. Propiónové kvasenie je podobné, z kyseliny mliečnej však vzniká kyselina propiónová, octová a CO2.
Octové kvasenie spôsobujú aeróbne baktérie, napr. Acetobacter, etanol menia na kyselinu octovú.
Sumárna rovnica: CH3 CH2 OH + O2 → CH₃COOH + E(2ATP).
Citrónové kvasenie je aeróbne. Niektoré plesne napr. Aspergillus, Penicillium a Mucor spôsobujú oxidáciu glukózy na kyselinu citrónovú.
Mliečne kvasenie sa využíva na konzervovanie zeleniny.
Propiónové sa využíva pri zrení syrov.
Centriola (centriol) je párová tubulárna organela živočíšnych a niektorých rastlinných buniek. S okolitou cytoplazmou v blízkosti jadra tvorí centrozóm. Centrioly sú kolmo na seba. Tvorí ich 9 trojíc mikrotubulov. Len v štádiu G1 a G0 sú v bunkách pozorovateľné. Delia sa samostatne, nemajú DNA, sú len z bielkovín. Kotvia vlákna pri tvorbe bazálnych teliesok bičíkov a riasiniek. Podieľajú sa na formovaní deliaceho vretienka, keď sa bunka pripravuje na delenie.
Stredné vlákna sú pružné filamenty s hrúbkou asi 10 nm. Splietajú sa a vytvárajú aj zložité štruktúry diferencovaných buniek. Ich najčastejšou zložkou je elastín a kolagén.
Mikrofilamenty sú najtenšie vlákna v cytoplazme buniek, s hrúbkou okolo 7 nm. Zo svalových buniek je známy aktín a myozín, kde zabezpečujú kontrakciu a uvolňovanie svalu.
Deliace vretienko vzniká na začiatku mitózy a meiózy. Pozostáva z mikrotubúl ukotvených v polárnych častiach bunky a spojených s centromérami chromatíd. Po zoradení chromozómov na rovníkovej úrovni má vretenovitý tvar. Oddelí (segreguje) sesterské chromatídy (v prípade meiózy chromozómy) a za účasti mikrofilamentov ich ťahá k pólom.
Cytoskelet je sieť vlákien v cytoplazme bunky - stabilizuje jej tvar, umožňuje pohyb a vnútorný transport.
Interáza je stav bunky medzi dvomi deleniami. Má štádiá G1 a G2 (G = gap, angl. medzera) a medzi nimi štádium S. Počas nej prebieha predmitorická a postmitotická syntéza bielkovín a tvorba bunkových štruktúr. Po určitom počte mitóz sa bunka prestane deliť, vstúpi do G0 stavu.
Replikácia DNA nastáva v intervale medzi G1 a G2, v S štádiu interfázy. DNA chromozómov sa v jadre bunky zdvojnásobí a vzniknú sesterské chromatídy. Štádiá S a G2 sú prípravou na rozdelenie bunky.
Karyokinéza, rozdelenie jadra s DNA nastáva M (mitotickej) fáze bunkového cyklu. V rámci nej sa rozlišujú 4 štádiá mitózy – profáza, metafáza, anafáza a telofáza.
Cytokinéza je rozdelenie bunky na dve nové, dcérske bunky. Dochádza k nej na konci telofázy. Obe bunky vstupujú do postmitotického G1 štádia interfázy.
V bunke pôsobia signály, ktoré delenie spúšťajú a iné postupne vedú k odumretiu bunky. Rozloží vlastnú DNA a proteíny, rozpadne sa na niekoľko teliesok, ktoré pohltia a rozložia okolité bunky. Je to programovaná smrť bunky, apoptóza.
Interfáza trvá 18 -20 hodín. Poškodenie a málo živín spôsobia, že bunka vstupuje do G0 a prestane sa deliť.
Profáza je začiatok delenia bunky. V mikroskope sa javí ako zmenená štruktúra - rozpad - jadrovej membrány. Chromozómy majú 2 sesterské chromatídy, ktoré vznikli replikáciou DNA v S fáze bunkového cyklu ako zhrubnuté ramená spojené centromérou. Vzniká deliace vretienko.
Metafáza nastane, keď sa chromozómy naviazané na vlákna deliaceho vretienka sústredia v ekvatoriálnej (rovníkovej) rovine bunky. Mikrotubuly deliaceho vretienka spájajú centrioly s centromérami chromozómov.
Anafáza nastane, keď sa vlákna deliaceho vretienka pripojené k centroméram zmrštia, oddelia od seba sesterské chromatídy a ťahajú ich pomaly k pólom bunky.
Telofáza je koniec karyokinézy (rozdelenie jadra bunky), vytvoria sa nové jadrá, chromozómy sa rozvinú a obalí ich jadrová membrána. Mitóza sa zavŕši cytokinézou, ekvivalentným rozdelením cytoplazmy a organel do dcérskych buniek. Živočíšne bunky sa rozdelia zužovaním plazmatickej membrány v rovníkovej rovine bunky smerom k jej stredu. V rastlinných bunkách sa vytvára priehradka zhromažďovaním aktínových vlákien od stredu k obvodu.
Mitóza trvá približne dve hodiny.
Najkratšia je anafáza, trvá približne 5 minút.
Crossing-over je výmena úsekov medzi homologickými chromozómami. Sesterské chromatídy už nie sú po nej identické, čo zvýši genetickú variabilitu. Crossing over sa vyskytuje v profáze heterotypického delenia, na začiatku meiózy. V ľudskej gametogenéze sa skrížia chromatídy 55 (spermie) až 75 (vajíčko) násobne.
Redukcia chromozómov nastane v anafáze prvého, heterotypického rozdelenia bunky, kedy sa nerozídu chromatídy, ale do dcérskych jadier sa rozdelia celé chromozómy. Vzniknú tak bunky s polovičnou sadou n.
Haploidné bunky, ktoré vznikli prvým delením, sa znovu rozdelia. Chromatídy sa teraz už rozídu, Je to homeotypické delenie, ktoré zachová pôvodný, v tomto prípade polovičný počet chromozómov n.
Meiotickým delením, čo sú vlastne dve delenia bunky za sebou, vznikne štvorica pohlavných buniek. Každá z nich má polovičný počet, to znamená jednu sadu chromozómov s jedinečnou kombináciou génov, čo je výsledkom výmeny úsekov pri crossing-over. Spojením sád homologických chromozómov v zygote z gamét rodičov sa obnoví počet 2n, zároveň zase dochádza k zvýšeniu genetickej variability.
Meióza je redukčné delenie, ktorého výsledkom sú gaméty s polovičnou sadou chromozómov.
Izogamia sa vyskytuje u niektorých rias a húb. Gaméty sú rovnakého tvaru, veľkosti a pohyblivosti, na pohľad sa nelíšia, preto namiesto samčie a samičie sa označujú ako„+“ a „-“. Môžu mať aj niekoľko bičíkov.
Anizogamia alebo heterogamia znamená odlišný tvar samčích a samičích gamét. Semenné rastliny tvoria nepohyblivé samičie bunky peľniciach a v semenníku vajíčka. Výtrus, diploidná zárodočná bunka rastlín a húb slúži na nepohlavné rozmnožovanie, nejde o gamétu.
Oogamia je anizogamia typická pre živočíchy. Samičia gaméta je veľká a nepohyblivá, samčia oveľa menšia, pohyblivá. Samičie gaméty živočíchov sú vajíčka (ovum) samičie spermie (spermatozoidy). Tvoria sa v pohlavných žľazách. Spermie majú bičík a sú pohyblivé. Vajíčka sú nepohyblivé a relatívne veľké v porovnaní so spermiou.
Gaméty vznikajú redukčným delením, meiózou. Výsledkom meiózy sú štyri haploidné dcérske bunky, ktoré obsahujú len jednu sadu chromozómov. Telové bunky sú diploidné, v jadre sú dve sady chromozómov. Spojením haploidných gamét v zygotu sa pôvodný počet chromozómov obnoví, vznikne opäť diploidná bunka.
Splynutím gamét pri oplodnení vzniká zygota, z ktorej sa vyvinie nový mnohobunkový jedinec.