Biológia bunky

Biológia bunky

Bunku možno študovať na viacerých úrovniach. Mikroskopickú štruktúru odhaľujú svetelné mikroskopy, ktorými možno pozorovať bunky, a predovšetkým histologické preparáty (štruktúra tkanív a pletív) na mikroskopickej úrovni, čo umožňuje študovať ich tvar, veľkosť, bunkový cyklus a po cytologickom zafarbení aj niektoré organely. Rozlíšenie svetelných mikroskopov je niekoľko mikrometrov (µm). Pri použití elektrónového mikroskopu môžete študovať detailnú štruktúru organel. Vtedy hovoríme o ultraštruktúre alebo o submikroskopickej štruktúre bunky. Rozlíšenie elektrónových mikroskopov je niekoľko nanometrov (nm). Nevýhodou elektrónovej mikroskopie je použitie fixných preparátov, tzn. že nemôžeme pozorovať natívne (živé) preparáty.

• Organely bunky s mikroskopickou štruktúrou:
• Organely bunky so submikroskopickou štruktúrou:

1. Membránové štruktúry buniek

- základom je biomembrána ( jednoduchá alebo dvojitá)

- jadro, endoplazmatické retikulum, golgiho aparát, vákuoly, lyzozómy, plastidy, mitochondrie

Jadro

- funkcia je koordinačná, je to riadiace a reprodukčné centrum bunky. Je to základná bunková organela. Vyskytuje sa vo všetkých eukaryotických bunkách, okrem niektorých vysokošpecializovaných buniek - červené krvinky u cicavcov a sitkovice u rastlín jadro nemajú. Je v ňom chemicky zapísaná genetická informácia.

- stavba:  na povrchu dvojitá biomembrána (karyoléma + póry) a vo vnútri jadrová hmota, chromatín a jadierko.

- jadierko:  nie je stálou štruktúrou jadra, počas jadrového delenia sa stráca. Tvorí sa v ňom rRNA.

 Mitochondrie

Aj v rastlinných a živočíšnych bunkách.

Sú to energetické a metabolicko-respiračné centrá buniek (prebieha dýchanie a uvoľňovanie energie), tá sa potom ukladá do ATP

Štruktúra: mitochondriu tvorí vonkajšia a vnútorná membrána. Vonkajšia je hladká a vnútorná tvorí neúplné priehradky, ktoré sa nazývajú mitochonriálne kristy, na nich sa nachádzajú enzýmy dýchacieho reťazca. Vnútro mitochontrií vypĺňa matrix (základná bielkovinová hmota). V nej sa nachádza mitochonriálna DNA, preto sú schopné syntetizovať svoje vlastné bielkoviny (vrámci bunky majú mitochondrie istú genetickú samostatnosť – mimojadrová dedičnosť).

Mitochondrie sa vo veľkom množstve nachádzajú na miestach kde je vysoká spotreba energie, napr. vo vláknach priečne pruhovaných svalov a v srdcovom svale.

Na mitochondriách taktiež prebieha Krebsov cyklus. V prokaryotickej bunke plní funkciu mitochondií cytoplazmatická membrána.

Plastidy

Rozdeľujeme ich podľa farbiva na: chloroplasty, chromoplasty a leukoplasty

1. Chloroplasty obsahujú farbivo chlorofyl A a B; tým že obsahujú asimilačné farbivá prebieha tam fotosyntéza. Majú 2 biomembrány. Základná hmota chloroplastov je stroma – nachádza sa tam chloroplastová DNA, čiže majú genetickú samostatnosť (mimojadrová dedičnosť). Chloroplasty sú semiautonómne. Vo vnútri chloroplastov sa nachádzajú tylakoidy – na nich sa viažu molekuly chlorofylu a tie viažu slnečnú energiu. Tiež obsahujú karotenoidy a xantofyly (červené a žlté farbivá).
2. Chromoplasty obsahujú prídavné farbivá (karotenoidy a xantofyly)
3. Leukoplasty obsahujú škrobové zrná. Nemajú fotosyntetickú funkciu, na slnečnom žiarení sa menia na chloroplasty. Patria tam amyloplasty (škroboplasty).

Endoplazmatické retikulum

Sú to syntetické centrá buniek. Zabezpečuje vnútrobunkový a medzibunkový transport látok, syntézu bielkovín (prebieha na granulovanom ER), syntéza lipidov, syntéza vitamínu D, syntéza bunkových organel (tieto syntézy prebiehajú na hladkom ER). Tvar ER: systém kanálikov, ktoré sú ohraničené membránami. Vždy je blízko jadra.

Rozdelenie ER: drsné – granulované ER (obsahujú ribozómy) a

hladné (sarkoplazmatické ER – bez ribozómov)

ER tvorí jedna membrána a je to submikroskopická organela, ktorá sa nachádza v rastlinných aj živočíšnych bunkách.

Golgiho aparát

Sú to syntetické a sekrečné centrá buniek. Tvoria ho diktyozómy (diktyozóm= súbor cisterien) – cisterny, to sú kanáliky, ktoré sú na koncoch rozšírené a oddeľujú sa z nich vezikuly.

Funkcie: 1. Syntetická funkcia – tvorba enzýmov a pektínov (polysacharidy bunkovej steny).

1. sekrečná funkcia – upravuje látky do takej podoby, aby mohli byť vylúčené z bunky
2. tvorba lyzozómov (ale iba v živočíšnej bunke).

Nachádza sa v živočíšnych i v rastlinných bunkách.

Vákuoly

Nachádzajú sa len v rastlinných bunkách. Na jej povrchu je membrána – tonoplast, ktorá je semipermeabilná. Obsahuje bunkovú šťavu, ktorá ovplyvňuje vnútorný tlak v bunke – turgor.

Funkcie: 1. zásobná funkcia – obsahuje sacharidy

1. obsahuje lytické (rozkladné) enzýmy

Bunková šťava obsahuje vodu, minerálne látky, sacharidy, aminokyseliny, triesloviny, farbivá – antokyány (likvidujú rakovinotvorné bunky). V mladých bunkách je väčší počet menších vákuol, ktoré sa s vekom bunky spájajú, až nakoniec je v bunke 1 veľká centrálna vákuola – vákuolizácia buniek. Vákuoly nájdeme aj u živočíchov – u prvokov a majú tam svoje osobitné a špecifické funkcie, napr.: pulzujúce, tráviace a vylučovacie vákuoly.

 Ribozómy

Nie sú pravé bunkové organely. Ich funkcia je syntéza bielkovín. Môžu byť viazané na endoplazmatické retikulum alebo voľné v cytoplazme. Je to submikroskopická štruktúra, ktorá sa nachádza aj v prokaryotických aj v eukaryotických bunkách.

Lyzozómy

 Nachádzajú sa len v živočíšnych bunkách. Ich istá obdoba sú vákuoly. Prítomnosť hydrolytických enzýmov (štiepia nepotrebné látky) zabezpečuje vnútrobunkové trávenie.

1. Fibrilárne štruktúry buniek

- základom sú vlákna (fibrily)

- cytoskelet, mitotický aparát, chromozómy

Cytoskelet

- označovaný ako dynamická kostra bunky a pozostáva z:

1. a) mikrofilamentov – sú najtenšie vlákna (4 - 7 nm), skracujú a naťahujú sa, čím realizujú pohyb cytoplazmy, zabezpečujú pohyb vo vnútri bunky aj pohyb bunky vzhľadom na okolie (napr. meňavkovitý pohyb)
2. b) intermediálnych filamentov – sú hrubšie (6 - 13 nm) sú nekontraktibilné, majú spevňujúcu funkciu, sú odolné voči tlaku a ťahu
3. c) mikrotubúl – ide o trubicovité útvary pri povrchu bunky, sú najhrubšie (20 - 40 nm), bez kontrakcie. Hlavná funkcia je spevňujúca, kontrolujú všetky zmeny tvaru bunky a zúčastňujú sa na každom pohybe. Sú súčasťou deliaceho vretienka.

Funkcie : - mechanická – dáva bunke tvar a zabezpečuje jej mechanickú pevnosť

- podporná – umožňuje priestorové rozloženie bunkových štruktúr

- pohybová - realizuje všetky druhy pohybov bunky a v bunke

Chromozómy

V chromozómoch je uložená genetická informácia. Sú to štruktúry, ktoré sa diferencujú počas mitotického delenia bunky procesom skracovania a špiralizácie z chromatínu. Ich morfológia a štruktúra preto závisí na fáze mitózy. Najlepšie pozorovateľné sú v metafáze.

Uplatňuje sa pri delení bunky a zabezpečuje presné rozdelenie chromozómov do dcérskych buniek. Vytvára sa len počas bunkového delenia.

Stavba mitotického aparátu:

- centrioly – párové teliesko často označované aj ako diplozóm. Každý centriol je tvorený 9 trojicami mikrotubulárnych štruktúr usporiadaných kruhovito okolo stredu.

- centrosféra – okolie centrioly

- miktotubuly deliaceho vretienka – umožňujú prichytenie chromozómov v mieste centrioly.

Úloha č. 3

Bioenergetika bunky

Metabolizmus je súbor reakcií prebiehajúcich v bunke (organizme) zabezpečujúci premenu látok pri (i.) získavaní energie, (ii.) tvorbe potrebných látok a (iii.) odbúravaní nepotrebných látok, (iv.) výmene látok s okolím, (v.) raste a (vi.) rozmnožovaní. Nie je chaotický a náhodný proces, ale časovo a priestorovo zosúladený sled reakcií. Podstatou metabolizmu je regulovaná vysoko-špecifická katalýza biochemických reakcií. Druh katalyzátora a priebeh katalýzy závisí od úrovne organizácie živej hmoty a od druhu organizmu: úroveň bunky = enzýmy, vyššia úroveň = hormóny, nervová a imunitná regulácia.

• Rozlišujeme dva základné stupne metabolizmu:

Primárny metabolizmus je súbor metabolických procesov rozhodujúcich pri získavaní energie (oxidácia sacharidov a lipidov) a pri reprodukcii základných stavebných zložiek bunky (replikácia nukleových kyselín, proteosyntéza, biosyntéza bunkovej steny).

Sekundárny metabolizmus je súbor metabolických procesov, ktoré nadväzujú na primárny metabolizmus (metabolizmus antibiotík, pigmentov, alkaloidov).

• Podľa toho, či pri metabolizme dochádza k rozkladným alebo syntetickým reakciám, rozlišujeme dva deje:

Katabolizmus (disimilácia) zahŕňa reakcie, pri ktorých dochádza k štiepeniu látok. Pri tomto procese prebiehajú exergonické reakcie, pri ktorých sa energia uvolňuje. Patrí sem napr. trávenie (rozklad zložitých látok na jednoduchšie) a dýchanie.

Anabolizmus (asimilácia) zahŕňa reakcie, pri ktorých sa tvoria zložitejšie látky z látok jednoduchších. Tieto procesy vyžadujú prísun energie, jedná sa teda o endergonické reakcie. Patria sem deje spojené s fotosyntézou (tvorba cukru z CO2), proteosyntézou (tvorba bielkovín z aminokyselín).

• Každý organizmus a každá bunka uskutočňuje dva základné druhy metabolizmu:

Látkový metabolizmus zahŕňa príjem, premenu a výdaj látok. Z tohto hľadiska je najdôležitejšie, aký zdroj živín, resp. uhlíka organizmus využíva pre svoj život.

Energetický metabolizmus zahŕňa príjem energie, jej spracovanie na využiteľnú formu a výdaj nespotrebovanej energie. Bunka vie pre svoje potreby využívať iba chemickú energiu, ktorú vie transformovať na iné formy energie (napr. teplo, kinetickú energiu, svetelnú energiu - bioluminiscencia).

ATP

Získaná energia sa akumuluje v makroergických väzbách (označujú sa vlnovkou), najčastejšie fosfátových väzbách v niektorých látkách (makroergické substráty). Najbežnejší je ATP (adenozíntrifosfát, adenozín-3P) a jeho analógy GTP (guanozín-3P), CTP (cytidín-3P), TTP (tymidín-3P) a UTP (uridín-3P). Skladajú sa z troch zložiek: dusíkatej bázy (A, G, C, T alebo U), ribózy a troch zvyškov kyseliny trihydrogénfosforečnej. Takže môžeme napísať:

NTP = N – Ribóza – P ~ P ~ P

ATP sa nazýva aj "energetická konzerva" alebo "univerzálne energetické platidlo". Tvorí sa v mitochondriách, kde prebieha citrátový cyklus (cyklus kyseliny octovej, Krebsov cyklus) a oxidácia mastných kyselín. Spotrebúva sa na rôznych miestach bunky. ATP nemôže prechádzať z bunky do bunky. Na dlhodobé uskladnenie energie slúžia tuky a cukry (škrob u rastlín, u živočíchov glykogén).

Energia sa z ATP uvoľňuje hydrolytickým štiepením.

ATP + H2O = ADP + H3PO4 + 50 kJ (energia)

Chemickou reakciou fosforyláciou dochádza opačnému procesu - zvyšovaniu počtu zvyškov kys. trihydrogénfosforečnej. Zásoby ATP sa dopĺňajú substrátovou a oxidatívnou fosforyláciou (spojené s dýchaním) alebo fotofosforyláciou (fotosyntéza).

Časť chemickej energie, ktorá sa pri premene ATP uvoľní a bunka je schopná ju využiť (konať prácu) sa nazýva voľná energia. Pri každej premene sa časť premení na teplo, ktoré bunka vyžaruje do prostredia.

Totipotencia a diferenciácia buniek

Každá bunka organizmu vzniká delením už existujúcej bunky. Keby sme sa pozerali retrospektívne na delenie buniek, došli by sme až k zygote. Čiže každá bunka organizmu má rovnakú genetickú informáciu ako zygota. Toto sa nazýva totipotencia. Dá sa povedať, že je to akýsi potenciál, ktorý majú všetky bunky rovnaký. Čiže teoreticky by mali byť všetky bunky tela rovnaké. Bunky mnohobunkového organizmu sú však typické svojou funkčnou špecializáciou a morfologickou diferenciáciou. Je to dané dnes ešte nie celkom dobre pochopenými regulačnými mechanizmami riadiacimi prepisovanie len časti genetickej informácie. Z energetického hľadiska je to výhodnejšie, akoby každá bunka mala "vystrihovať" všetku pre ňu nepotrebnú časť DNA.

Faktory ovplyvňujúce diferenciáciu sú:

- vzájomný vplyv jadra a cytoplazmy

- vonkajšie prostredie

- embryonálna indukcia - vzájomný vplyv buniek v rámci zárodku

- kontaktná inhibícia - vzájomný dotyk buniek zamedzí ich rast a delenie

- pôsobenie hormónov