2013-04-15

1

PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI

(Bt323)

BIOLOGIAgr. bíos‘Ŝycie’; lógos‘słowo’, ‘nauka’

2) na określenie dynamicznego procesu, który pojawił się na Ziemi ok. 3,8 mld lat temu, obejmującego pochodzące od jednej formy wyjściowej wszystkie istniejące w przeszłości i Ŝyjące obecnie organizmy wraz z wszelkimi wzajemnymi relacjami i zaleŜnościami oraz ich wpływem na środowisko.

Encyklopedia PWN:

śycie: zjawisko biologiczne złoŜone i wielowymiarowe,którego nie moŜna opisać za pomocą jednej prostej definicji.

Znane dotychczas wyłącznie z Ziemi i w tym kontekście definiowane w odniesieniu do 2 podstawowych znaczeń:

1) na określenie stanu materii (nazywanej organizmem) trwającego od pojawienia się (narodzin) organizmu do zakończenia jego bytu osobniczego, w większości kończącego się śmiercią (biol.);

2013-04-15

2

Komórka

Podstawowa jednostka

strukturalna i funkcjonalna wszystkich organizmów Ŝywych

Encyklopedia PWN:

komórka -najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do Ŝycia, samoodtwarzająca się struktura o złoŜonej organizacji.

PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI

• Wprowadzenie do biologii komórki

• Składniki chemiczne i podstawy molekularnej organizacji

komórki

• Budowa błon biologicznych

• Mechanizmy transportu przez błony

• Kompartmentalizacja komórki eukariotycznej:

organizacja cytoplazmy

• Organizacja i rola cytoszkieletu :

filamenty aktynowe, filamenty pośrednie, mikrotubule

• Budowa jądra komórkowego

2013-04-15

3

PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI

• Budowa i funkcje ER i aparatu Golgiego

• Transport pęcherzykowy - endosomy, lizosomy

• Mitochondria, ich struktura i funkcja

• Chloroplasty- przekształcanie energii

• Peroksysomy

• Organizacja komórek w tkanki:

połączenia międzykomórkowe, substancja

międzykomórkowa

• Rodzaje tkanek ssaków

1 temat moŜe być realizowany na 1 wykładzie (+/- 0,5)

Egzamin pisemny:I. testII. odpowiedzi pisemne - wstawiania brakujących wyrazów- dopasowania- wyjaśnianie pojęć- prawda / nieprawda ?- podpisy (schematów, rysunków, zdjęć)

Zaliczenie kursu

– materiał podany na wykładach

egzamin:

2013-04-15

4

B. Alberts i wsp. - Podstawy biologii komórki, PWN 2005

W. Kilarski - Strukturalne podstawy biologii komórki

red. B Alberts et al. - Molecular biology of the cell, 2009 (V)

T. Pollard i W. Earnshaw – Cell biology, 2nd ed., 2008

internet

Wykłady

PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI

dydaktyka / kursy/wbt323

www.zbk.wbbib.uj.edu.pl

opiswarunki zaliczeniamateriały: wykłady (.pdf) – na końcu semestru

2013-04-15

5

WPROWADZENIE DO BIOLOGII KOMÓRKI

�Krótka historia odkrycia i badań komórek

�Krótka historia badań nad pochodzeniem Ŝycia na Ziemi

�Jedność podstawowych mechanizmów Ŝycia

�RóŜnorodność komórek

�Organizmy modelowe w badaniach biologii komórki

wywodzi się z CYTOLOGII (XIXw)

gr. kýtos ‘wydrąŜenie; naczynie; komórka’

BIOLOGIA KOMÓRKI

jako dyscyplina naukowa ???

„cytologia biol.

- nauka o budowie i czynnościach komórek

roślinnych i zwierzęcych”.

Encyklopedia PWN:

2013-04-15

6

�wielowiekowe obserwacje i teoretyczne przemyślenia nad budową Ŝywej materii

KOMÓRKA - historia bada ń

Arystoteles (384-322 p.n.e.)

gr. filozof, twórca biologii

rośliny i zwierzęta są zbudowane z niewielkiej liczby typów cząstek wielokrotnie się powtarzających

Galen (Claudius Galenus) (130-200)rzym. lekarz, anatom

�skonstruowanie mikroskopu

Mikroskop złoŜony – ok. 1590 r

postęp nauki jest w duŜej mierze wynikiem postępu technicznego

Zachariasz i Hans Janssenowie

? do XVII w

Powiększenie: ok.10x;mechanizm teleskopowy

Mikroskopy proste – XVI w

2013-04-15

7

�udoskonalanie mikroskopu

XVII w.Powiększenie: ok.30x

1665- zebranie Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie:

pojęcie „komórka” ( łać. cellulae)

„korek zbudowany jest z przedziałów

- komórek (cells)”

Robert Hookeang. fizyk

1635 - 1703

Rysunek z ksiąŜki R. Hooke'a "Micrographia"

2013-04-15

8

Antoni van Leeuwenhoekhol. przedsiębiorca i przyrodnik

skonstruował prosty mikroskopo powiększeniu 270x, rozdzielczości 1µm(soczewki polerowane, „dmuchane”)

Opisał:

� pierwotniaki (1667-1674)

� bakterie (1683)

� erytrocyty

� plemniki

� włókna mięśni poprzecznie-prąŜkowanych

� jądra w erytrocytach łososia (1700)

1632 - 1723

�obserwacje pod mikroskopem tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.)

XVIII i XIX w - mikroskop instrumentem „niezwykłym”

- poznawanie budowy roślin i zwierząt- poznawanie struktury pojedynczych komórek

2013-04-15

9

Robert Brown ang. botanik

1831- opisał jądra w komórkach roślin

- ruch protoplazmy w komórkach roślin 1773 -1858

Rudolf Albert Köllikerszwajc. fizjolog

1857-opisał mitochondria w komórkach mięśni1817 -1905

obserwacje pod mikroskopem podziału komórek1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl

1898 zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu

(aparat Golgiego)

1844 -1926

Camillo Golgiwł. lekarz i histolog

metoda barwienia komóreki włókien nerwowych z wykorzystaniem soli srebra

Mała kontrastowość preparatów biologicznych

Przez dalsze pół wieku nie poznano nowych struktur wewnątrzkomórkowych ?Mozliwości mikroskopów świetlnych

2013-04-15

10

Powiększenie całkowite mikroskopu

Zdolność rozdzielcza mikroskopu najmniejsza odległość dzieląca 2 punkty, które w obrazie mikroskopowym dostrzegane są oddzielnie

obiektyw x okular (x układ pośredni) ~ od 10 do 1500x ( max 3500x)

d = około 0,2 µm (λ /2)

Mozliwości mikroskopów świetlnych

1954 H.E. Huxley zobaczył układ filamentów

w mięśniu - cytoszkielet

1957 J.D. Robertsonopisał dwuwarstwową strukturę

błony komórkowej

Ernst August Ruskaniem. fizyk

1931skonstruował pierwszy mikroskop elektronowy (50nm)

zdolność rozdzielcza ME: d praktyczna = od 0,2 do 1nm

Palade, Porter i Sjοstrand1952 rozwinęli metody mikroskopii elektronowej

2013-04-15

11

obserwacje mikroskopowe tkanek roślin i zwierząt(XVIII i XIXw.)

1824 H. Dutrochet – fr. botanik - obecność drobnych „globuli” w tkankach wszystkich roślin

Teza: komórka jest fundamentalną

jednostką Ŝywych organizmów

�badanie struktury tkanek i komórek

�poznanie, Ŝe komórka to podstawowy element Ŝycia

- wszystkich organizmów obecnie i w przeszłości

Theodor Schwannniem. zoolog

Matthias Jacob Schleiden niem. botanik

1804 -1881

1838-1839 –Teoria komórkowa1810 -1882

Wszystkie organizmy Ŝywe – rośliny, zwierzęta i bakterie

są zbudowane z komórek, które są ich podstawowymi

jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi

Początek cytologii jako dyscypliny naukowej

2013-04-15

12

�komórka to podstawowy element

- wszystkich organizmów współcześnie Ŝyjących

�obserwacje pod mikroskopem podziału komórek1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl

1879 Walther Flemmingopisał zachowanie chromosomów podczas mitozy

Rudolf Virchowniem. anatomopatolog

1821 -1902

postulat:1855 -komórki powstają tylko przez podział

(omnis cellula e cellula)

Ŝycie w istniejących warunkach nie moŜe powstać spontanicznie

- zaprzeczenie teorii samorództwa - brak dowodów

2013-04-15

13

teraźniejszość ? przeszłość

ostatecznie obalił teorię samorództwadoświadczalny dowód, Ŝe komórki wywodzą się tylko z juŜ

istniejących organizmów

Ludwik Pasteurfr. chemik (mikrobiolog)

1822-1895

1859 - teoria ewolucjiklucz do zrozumienia historii rozwoju organizmów

Karol Darwinang. biolog

1809-1882

August Weismannniem. biolog i genetyk

1880- wszystkie komórki wywodzą się od przodków Ŝyjących w zamierzchłych czasach

?? - dowód wspólnego pochodzenia organizmów

1834-1914

Pierwszy:• wyróŜnił substancję dziedziczną (plazmę) i ciało (somę)• przewidział, Ŝe chromosomy są odpowiedzialne za dziedziczenie• dziedziczone są jedynie te załoŜenia genetyczne,

które są zawarte w tzw. plazmie zarodkowej komórek rozrodczych

2013-04-15

14

1902 - chromosomowa teoria dziedzicznościkomórki powstają tylko z komórek dziedzicząc po nich swoje cechy,które są uwarunkowane przez genyznajdujące się w chromosomach

Theodor Boveriniem. biolog

Walter Suttonam. genetyk

1862-1915

1877-1916

za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy

powiązanie praw dziedziczenia Mendla z chromosomami na poziomie komórkowym

do właściwego rozwoju embrionalnego niezbędna jest pełna liczba chromosomów

ugruntowanie chromosomowej teorii dziedziczności

Thomas Hunt Morganam. biolog, genetyk

(Laureat Nagrody Nobla w 1933)

nośnikami genów są chromosomy;

1866-1945

tzw. sprzęŜenie genów; zjawisko crossing-over

2013-04-15

15

Jedność i róŜnorodność komórek(organizmów)

Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka

Prakomórka musiała zawierać prototyp uniwersalnej maszynerii wszelkich

form Ŝycia istniejących dziś na Ziemi

zmienność i dobór naturalny

EwolucjamutacjezróŜnicowanie komórek

Historia Ŝycia

• skamieniałości (zalety, wady)• eksperyment Stanley’a Millera• badania genetyczne współczesnych organizmów

??? źródła wiedzy ?

Drzewo filogenetyczne

ostatni uniwersalny wspólny przodek( 3.7 x 109 lat)

chemoautotrofDNA, RNAsynteza białekmetabolizm (kataliza enzymatyczna)

Powstanie eukariontów2,1 mld(3mld) ?

2013-04-15

16

badania genetyczne współczesnych organizmów

Drzewo filogenetyczne wyprowadzone z porównania sekwencji nukleotydów rRNA(długość linii – ilo ść róŜnic w sekwencji nukleotydów w rRNA)

3 cesarstwa

KaŜda z wyŜej wymienionych grup posiada cechy specyficzne tylko dla siebie,

i kaŜde dwie z tych grup posiadają teŜ cechy, których nie ma trzecia.

DNA w nici nukleosomowej; introny; polimeraza RNA

Prokarioty(gr. pro = przed)

(karyon=ziarno, jądro)

Bacteria(bakterie właściwe)

ORGANIZMY WSPÓŁCZESNEArchaeaarcheany

archeowce(bakterie pierwotne)

Eukaryota(eukarionty, jądrowce)

(gr. eu = prawdziwie)

kompartmentalizacja cytoplazmy

Błona komórkowa fosfolipidowo-białkowa

błona komórkowa-estry kwasów tłuszczowych

ściana komórkowa z mureiny(peptydoglikan)

2013-04-15

17

Pochodzenie eukariontów

Kompartmentalizacja komórki eukariotycznej

Ewolucja eukariontówPochodzenie mitochondriów i chloroplastów–

endosymbioza prakomórki eukariotycznej z prabakterią

purpurową lub pracyjanobakterią

Lynn Margulis(am. biolog)1970- teoria

endosymbiozy

2013-04-15

18

termofilne, beztlenowce (w gorących kwaśnych wodach np.bakterie siarkowe)

halofilne, beztlenowce (w wodach ekstremalnie zasolonych)

mutanogeniczne, beztlenowce redukujące CO2 do metanu (osady głębinowe, przewód pokarmowy)

bakterie gram dodatniebakterie gram ujemnebakterie purpurowezielone bakterie fotosyntetycznecyjanobakterie

ProtistyGrzybyRoślinyZwierzęta

RóŜnorodność organizmów

ponad 10 mln gatunków

organizmów(wszystkie

środowiska Ŝycia)

KOMÓRKA

samodzielny organizm

część składowa zespołu komórek

spełnia wszystkie czynności Ŝyciowe

komórka zróŜnicowanawyspecjalizowana

RóŜnorodność komórek

większa niŜ organizmów

2013-04-15

19

RóŜnice wielkości komórek:Prokaryota(1 - 10 µm) przeciętna wielkość komórek

0,3 µm mykoplazma ( masa: 10-14 g)

Eukaryota(10 - 100 µm) przeciętna wielkość komórek

10 µm – 1mm komórki pierwotniaków

100 µm ludzka komórka jajowa2 mm komórka jajowa Ŝaby

kilka cm komórki jajowe ptaków, gadów (20cm)

„duŜe” komórki

1,5 m wypustki neuronów

RóŜnice kształtu komórek

Prokaryota(bakterie)

Eukaryota

komórki roślinne: równowymiarowe (kuliste, wielokątne)wydłuŜone

komórki zwierzęce:róŜnorodne

2013-04-15

20

Kształt komórek - pierwotniaki

A,B,E,F,I - orzęski

10µm

10µm

10µm

10µm

10µm

Bruzdnica

Słonecznica

Euglena

Ameba

Największa róŜnorodność kształtu

pierwotniaki

1,5 m wypustki neuronów

RóŜna ruchliwość komórek

Komórki pełzające

Komórki nieruchome (pozornie)

Komórki pływające (wici lub rzęsek)

2013-04-15

21

RóŜne wymogi co do warunków Ŝycia• wymagające tlenu / beztlenowce

• wymagające tylko związków nieorganicznych

Methanonococcus (Archaea) -wykorzystuje gazowy H2, N2 i CO2

• wymagające złoŜonej mieszaniny związków organicznych

Ruchliwość komórekKomórki nieruchome (pozornie)

Komórki pływające:

wici bakteryjne

wici komórek eukariotycznych

rzęski komórek eukariotycznych

Komórki pełzające

RóŜnorodność komórek

Wymogi co do warunków Ŝycia• wymagające tlenu / beztlenowce

• wymagające tylko związków nieorganicznych/ wymagające złoŜonej mieszaniny związków organicznych

2013-04-15

22

Jedność wszystkich organizmów

� funkcje Ŝyciowe oparte na podobnych podstawowych procesach chemicznych

�instrukcje genetyczne (geny) zapisane są tym samym kodem

�DNA kieruje syntezą białek

�białka zbudowane z takich samych aminokwasów

�funkcje Ŝyciowe (wzrost, podział, reakcja na bodźce )

�budowa komórkowa