Úvod > Buňka - obecné schéma

Buňka - obecné schéma

12.11.2015 10:30

Buňka je nejmenší známý útvar, který je schopný všech životních projevů. K tomu je potřeba několik základních komponent, které sdílí všechny buňky nezávisle na strukturálním typu: deoxyribonukleová kyselina (DNA) a na ni napojený enzymový aparát pro uchování a přenos genetické informace, plazmatická membrána pro zachování vnitřního prostředí buňky, metabolický aparát pro zpracování živin. V závislosti na jejich vnitřní struktuře je možné rozlišit buňky prokaryotické a eukaryotické - více v kapitole Základní strukturální typy živých soustav. Následující text se věnuje popisu buňky v obecné rovině.

CHEMICKÉ SLOŽENÍ BUŇKY

biogenní prvky – podle obsahu v buňce se dělí na makrobiogenní (hodně) a mikrobiogenní (málo), hranice mezi nimi není ostrá

makrobiogenní: vodík, kyslík, uhlík, dusík, fosfor, síra, draslík, sodík, chlór, hořčík, vápník, železo (voda, proteiny, nukleové kyseliny, cukry, buněčné lipidy, ionizovaná forma)

mikrobiogenní: zinek, mangan, kobalt, měď, molybden, selen, bór

voda – tvoří většinu hmoty buňky, ve vodném prostředí probíhá většina reakcí (nutná kapalná voda), fyzikálněchemické vlastnosti vody dány strukturou jejích molekul (elektrická asymetrie + tvorba vodíkových můstků)

nízkomolekulární organické látky – molekuly do relativní molekulové hmotnosti 1000 (jednoduché cukry, glykosidy, organické kyseliny, aminokyseliny a jejich deriváty, peptidy, alkaloidy, nukleotidy, uhlovodíky, tuky, membránové lipidy)

vysokomolekulární organické látky – relativní molekulová hmotnost řádově 104–106

polysacharidy: škrob, glykogen, celulóza, agar...

proteiny: více o nich v kapitole ***Proteiny

nukleové kyseliny: deoxyribonukleová kyselina (DNA), ribonukleová kyselina (RNA) – uchování, realizace a přenos genetické informace

stavba nukleových kyselin – základní jednotkou nukleotid:

pentóza – deoxyribóza v DNA nebo ribóza v RNA

fosfát – zbytek kyseliny fosforečné

dusíkatá báze – purinové (adenin a guanin), pyrimidinové (cytosin, uracil – v RNA, tymin – v DNA); párování nukleotidů: A/T, resp. A/U, C/G

STRUKTURA BUŇKY

prokaryotický a eukaryotický genom

prokaryotický chromozóm: jediná molekula kruhové DNA (tzv. nukleoid, nemá volný konec), jediný replikační počátek, v některých buňkách se vyskytují malé kružnicové DNA – tzv. plazmidy (nejsou nezbtné pro existenci buňky, mohou však nést některou výhodnou vlastnost – např. rezistenci k antibiotikům)

eukaryotický chromozóm: lineární molekula DNA (2 volné konce) navázaná na histony (bazické bílkoviny) – tak vznikají nukleosomy, většina DNA svinuta do šroubovice vyššího řádu (tzv. solenoid), existuje více replikačních počátků, více v kapitole ***Chromosomy

biologické membrány

biologické membrány jsou (v drtivé většině) tvořené lipidovou dvojvrstvou nepropustnou pro polární molekuly (model membrány)

funkce membrány: udržet nízkou entropii (neuspořádanost) systému, izolovat jednotlivá specifická prostředí buňky (kompartmentalizace), interface s prostředím (buněčná komunikace, transport, připojení do mezibuněčné hmoty)

struktura membrány:

membránové (fosfo)lipidy jsou amfipatické molekuly (= mají polární a nepolární část)

nepolární (hydrofobní) část (dlouhé řetězce mastných kyselin) směřuje dovnitř dvojvrstvy a je příčinou nepropustnosti membrány pro polární látky

polární část (glycerolfosfátová „čepička“) je v kontaktu s okolním vodným prostředním

membránové proteiny buď prochází skrz membránu (integrální membránové proteiny) nebo jsou k ní pouze z jedné strany připojeny (povrchové membránové proteiny)

funkce: strukturální proteiny, transportní proteiny (kanály, přenašeče), receptorové proteiny (přenos signálu), metabolické komplexy (dýchací řetězec)

membrány dále obsahují cholesterol (strukturní funkce), glykoproteiny (antigenní vlastnosti), glykolipidy (v rostlinách)

biologické membrány jsou asymetrické, tzn. že se liší složení vnitřního a vnějšího listu membrány

vnější list obsahuje např. fosfatidylcholin a sfingomyelin

vnitřní list obsahuje např. fosfatidylinositol, fosfatidylserin a fosfatidyletanolamin

chování biologické membrány popisuje model tekuté mozaiky (Singer a Nicolson, 1972 – animace)

zdá se, že od plazmatické membrány lze odvodit všechny další membránové struktury, které v buňkách nacházíme: mezozomy bakterií (vchlípeniny) a membánové organely eukaryot (viz dále)

membránové organely

bohatší členění membrány nacházíme u prokaryotických organismů pouze výjimečně u fotoautotrofů

u eukaryot rozeznáváme mnoho membránových organel různého původu a s různou funkcí:

organely sekreční dráhy – odvozeny od plazmatické membrány buňky

semiautonomní organely – endosymbiotický původ (vlastní kruhová DNA a proteosyntetický aparát – podobné bakteriálním předkům, ovšem došlo k transferu části genů do jádra hostitelské buňky, množí se pouze binárním dělením – nevznikají de novo)

endoplazmatické retikulum (zkr. ER)

syntéza membránových lipidů a proteinů pro ostatní organely

cisterny uloženy většinou koncentricky kolem jádra ve vnitřní cytoplazmě

dva typy: (1) drsné/hrubé ER – na povrch přisedají ribozomy, syntéza bílkovin, (2) hladké ER – bez ribozomů, např. syntéza steroidních hormonů

jaderný obal (angl. nuclear envelope)

kulovitá cisterna přímo spojená s hrubým endoplasmatickým retikulem

dvořený dvěma dvojvrstvami fosfolipidů (tedy dvojitá membrána, celkem čtyři vrstvy fosfolipidů)

vnější membrána nese ribozómy, vnitřní je hladká a asociovaná s jadernými laminy (intermediální filamenta, viz dále)

komunikaci jádra s cytoplazmou zajišťují jaderné póry „vyztužené“ proteinovým „košíčkem“ (viz obrázky na Wikipedii)

Golgiho komplex (Golgiho aparát, zkr. GA)

funkčně a někdy i fyzicky navazuje na endoplazmatické retikulum

systém plochých, za sebou uložených cisteren, které nikdy nenesou ribozomy (tzv. diktyozomy)

membránové váčky

různý původ a funkce: lyzozomy obsahují hydrolytické trávicí enzymy, rostlinné vakuoly regulující homeostázu cytoplasmy (jejich membrána se nazývá tonoplast), v peroxizomech vzniká z kyslíku peroxid vodíku, glykosomy jsou specializované organely krevních stadií afrických trypanosom, v nichž probíhá glykolýza (ano, glykolýza tu má výjimečně organelovou lokalizaci)

přechodnými útvary jsou sekreční endocytické, resp. exocytické váčky, které vznikají odškrcením od cytoplazmatické membrány, resp. s ní splývají

mitochondrie – semiautonomní organely

přítomné prakticky ve všech eukaryotických buňkách (alespoň v redukované či pozměněné podobě)

velikost řádově v jednotkách mikrometrů v počtu až stovek na jednu buňku

vnější membrána hladká a dobře propustná (póry), vnitřní membrána zřasena množstvím záhybů (mitochondriální kristy)

na vnitřní membráně se nachází transmembránové komplexy dýchacího řetězce a ATP-syntázy (viz kapitolu Buněčný metabolismus), uvnitř je mitochondriální matrix a v ní enzymy dalších metabolických drah

plastidy – semiautonomní organely

větší než mitochondrie, řádově asi první desítky mikrometrů

vnější membrána propustná, podobná vnější membráně mitochondrií

vnitřní membrána obklopuje základní hmotu, tzv. stroma obsahující enzymy druhé fáze fotosyntézy

ve stromatu jsou ploché membránové měchýřky, tzv. tylakoidy obsahující aparát pro první fázi fotosyntézy (např. fotosyntetické pigmenty)

hlavní složkou membrán chloroplastů jsou namísto fosfolipidů glykolipidy s hlavní cukernou složkou galaktózou

různé typy: chloroplasty (zelené, fotosyntetizují), chromoplasty (obsahují karoteny a xantofyly, způsobují zbarvení květů a plodů, bez fotosyntézy), leukoplasty (zásobní funkce, bez barviv)

ribozomy

ribozomy jsou ribonukleoproteinové partikule tvořené rRNA a proteiny

nejde o buněčné organely, ale o nadmolekulární struktury sloužící k biosyntéze proteinů v procesu translace

skládají se ze dvou podjednotek, až po jejich spojení jsou funkční (malá a velká podjednotka, liší se u prokaryot a eukaryot)

cytoskelet

soustava struktur s opěrnou a pohybovou funkcí přítomná u všech eukaryot

vláknité struktury různé tloušťky tvořené nekovalentně spojenými molekulami proteinů

rozeznáváme tři typy cytoskeletálních útvarů: mikrotubuly, mikrofilamenta, intermediální filamenta

mikrotubuly a mikrofilamenta jsou asociována s molekulárními motory

více v kapitole ***Cytoskelet eukaryot a molekulární motory

povrchové struktury

cytoplazmatická membrána je velmi jemná struktura, která neposkytuje výraznou mechanickou oporu

proto buňky vně sebe produkují ještě další ochranné vrstvy:

bakterie – buněčná stěna (peptidoglykan, u gramnegativních lipopolysacharidy, u grampozitivních kyselina teikoová), glykokalyx (lepkavý povrch tvořený cukernými řetězci), slizovitá pochva u sinic, fimbrie (syn. pilus, uplatňují se při bakteriální konjugaci)

archea – buněčná stěna (pseudopeptidoglykan)

houby – buněčná stěna (hlavní složkou chitin × u kvasinek glukan a manan)

rostliny – buněčná stěna (hlavní složkou celulóza založená na glukóze, dále hemicelulózy a pektiny v dřevnatějících částech i lignin)

do povrchových struktur je také kotven bičík, který slouží jako orgán pohybu

bakteriální bičík je tvořený proteinem flagelinem a poháněný jest proudem protonů

eukaryotický bičík je mikrotubulární strukturou s typickým vzorcem 9×2 + 2 vlákna, prakticky jde o prodlouženou cilii (brvu)

Prokaryotická buňka

- velikost: řádově jednotky mikrometrů

- vývoj začal cca před 3,5 mld. let (eukaryota před 1,8–1,5 mld. let)

Eukaryotická buňka

- velikost: řádově desítky mikrometrů

- vývoj začal cca před 1,8–1,5 mld. let (prokaryota před 3,5 mld. let)