biologia - Zakład Biologii Komórki

2014-03-06
PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI
(Bt323)
BIOLOGIA
gr. bíos ‘Ŝycie’; lógos ‘słowo’, ‘nauka’
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.);
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.
1
2014-03-06
Komórka
Encyklopedia PWN:
komórka -najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do Ŝycia,
samoodtwarzająca się struktura o złoŜonej organizacji.
Podstawowa
jednostka
strukturalna i
funkcjonalna
wszystkich
organizmów
Ŝywych
PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI
•
Wprowadzenie do biologii komórki
•
Wybrane współczesne metody badań komórek
•
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
2
2014-03-06
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 nie zawsze będzie realizowany na 1 wykładzie
Zaliczenie kursu
egzamin:
– materiał podany na wykładach
Egzamin pisemny:
I. test
II. odpowiedzi pisemne
- wstawiania brakujących wyrazów
- dopasowania
- wyjaśnianie pojęć
- prawda / nieprawda ?
- podpisy (schematów, rysunków, zdjęć)
3
2014-03-06
Wykłady
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
www.zbk.wbbib.uj.edu.pl
dydaktyka / kursy/wbt323
PODSTAWY BIOLOGII KOMÓRKI
opis
warunki zaliczenia
materiały: wykłady (.pdf) – na końcu semestru
4
2014-03-06
WPROWADZENIE DO BIOLOGII KOMÓRKI
Krótka historia odkrycia i badań komórek
Krótka historia badań nad pochodzeniem Ŝycia na Ziemi
Jedność podstawowych mechanizmów Ŝycia
RóŜnorodność komórek
BIOLOGIA KOMÓRKI
jako dyscyplina naukowa ???
wywodzi się z CYTOLOGII
(XIXw)
gr. kýtos ‘wydrąŜenie; naczynie;
komórka’
Encyklopedia PWN:
„cytologia biol.
- nauka o budowie i czynnościach komórek
roślinnych i zwierzęcych”.
5
2014-03-06
KOMÓRKA - historia badań
wielowiekowe obserwacje
i teoretyczne przemyślenia
nad budową Ŝywej materii
Arystoteles
(384-322 p.n.e.)
gr. filozof, twórca biologii
Galen (Claudius Galenus) (130-200)
rzym. lekarz, anatom
rośliny i zwierzęta są zbudowane
z niewielkiej liczby typów cząstek
wielokrotnie się powtarzających
?
do XVII w
postęp nauki jest w duŜej mierze wynikiem
postępu technicznego
skonstruowanie mikroskopu
Mikroskopy proste – XVI w
Mikroskop złoŜony – ok. 1590 r
Zachariasz i Hans
Janssenowie
Powiększenie: ok.10x;
mechanizm teleskopowy
6
2014-03-06
udoskonalanie mikroskopu
XVII w.
Powiększenie: ok.30x
Robert Hooke
ang. fizyk
1635 - 1703
1665 - zebranie Królewskiego
Towarzystwa Naukowego w Londynie:
„korek zbudowany jest z
przedziałów
- komórek (cells)”
pojęcie „komórka” ( łać. cellulae)
Rysunek z ksiąŜki R. Hooke'a
"Micrographia"
7
2014-03-06
Antoni van Leeuwenhoek
hol. przedsiębiorca i przyrodnik
skonstruował prosty mikroskop
o powiększeniu 270x, rozdzielczości 1µm
(soczewki polerowane, „dmuchane”)
Opisał:
1632 - 1723
pierwotniaki (1667-1674)
bakterie (1683)
erytrocyty
plemniki
włókna mięśni poprzecznie-prąŜkowanych
jądra w erytrocytach łososia (1700)
XVIII i XIX w - mikroskop instrumentem „niezwykłym”
obserwacje pod mikroskopem
tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.)
I - poznawanie struktury pojedynczych komórek
II - poznawanie budowy roślin i zwierząt
(uniwersalność budowy komórkowej)
8
2014-03-06
Ad. I
Robert Brown
ang. botanik
1831 - opisał jądra w komórkach roślin
1773 -1858
- ruch protoplazmy w komórkach roślin
Rudolf Albert Kölliker
1817 -1905
szwajc. fizjolog
1857- opisał mitochondria w komórkach mięśni
Przez dalsze pół wieku nie poznano nowych struktur
wewnątrzkomórkowych
?
Mozliwości mikroskopów świetlnych
Mała kontrastowość preparatów biologicznych
Camillo Golgi
wł. lekarz i histolog
metoda barwienia komórek i włókien nerwowych
z wykorzystaniem soli srebra
1844 -1926
1898 zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu
(aparat Golgiego)
9
2014-03-06
Mozliwości mikroskopów świetlnych
Powiększenie
całkowite mikroskopu
obiektyw x okular (x układ pośredni)
~ od 10 do 1500x ( max 3500x)
Zdolność rozdzielcza
mikroskopu
najmniejsza odległość dzieląca 2 punkty,
które w obrazie mikroskopowym
dostrzegane są oddzielnie
d = około 0,2 µm (λ /2)
Ernst August Ruska
niem. fizyk
1931 skonstruował pierwszy mikroskop elektronowy (50nm)
Palade, Porter i Sjοstrand
1952 rozwinęli metody mikroskopii elektronowej
zdolność rozdzielcza ME: d praktyczna = od 0,2 do 1nm
1954 H.E. Huxley zobaczył układ filamentów
w mięśniu - cytoszkielet
1957 J.D. Robertson
opisał dwuwarstwową strukturę
błony komórkowej
10
2014-03-06
Ad. II
obserwacje mikroskopowe tkanek roślin i zwierząt (XVIII i XIXw.)
poznanie, Ŝe komórka to podstawowy element Ŝycia
- wszystkich organizmów (obecnie i w przeszłości)
H. Dutrochet – fr. botanik
1824 - obecność drobnych „globuli” w tkankach wszystkich roślin
Teza: komórka jest fundamentalną
jednostką Ŝywych organizmów
Matthias Jacob Schleiden
niem. botanik
1804 -1881
Theodor Schwann
niem. zoolog
1810 -1882
1838-1839 –Teoria komórkowa
Wszystkie organizmy Ŝywe – rośliny, zwierzęta i bakterie
są zbudowane z komórek, które są ich podstawowymi
jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi
Początek cytologii jako dyscypliny naukowej
11
2014-03-06
komórka to podstawowy element
- wszystkich organizmów współcześnie Ŝyjących
obserwacje pod mikroskopem podziału komórek
1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl
1879 Walther Flemming
opisał zachowanie chromosomów podczas mitozy
Rudolf Virchow
niem. 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
12
2014-03-06
Ludwik Pasteur
fr. chemik (mikrobiolog)
1822-1895
ostatecznie obalił teorię samorództwa
doświadczalny dowód, Ŝe komórki wywodzą się tylko z juŜ
istniejących organizmów
teraźniejszość
? przeszłość
Karol Darwin
ang. biolog
1809-1882
1859 - teoria ewolucji
klucz do zrozumienia historii rozwoju organizmów
August Weismann
niem. biolog i genetyk
1834-1914
1880 - wszystkie komórki wywodzą się od przodków
Ŝyjących w zamierzchłych czasach
?? - dowód wspólnego pochodzenia organizmów
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
13
2014-03-06
za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy
do właściwego rozwoju
embrionalnego niezbędna jest
pełna liczba chromosomów
Theodor Boveri
niem. biolog
1862-1915
Walter Sutton
am. genetyk
powiązanie praw dziedziczenia
Mendla z chromosomami na
poziomie komórkowym
1877-1916
1902 - chromosomowa teoria dziedziczności
komórki powstają tylko z komórek
dziedzicząc po nich swoje cechy,
które są uwarunkowane przez geny
znajdujące się w chromosomach
ugruntowanie chromosomowej teorii dziedziczności
Thomas Hunt Morgan
am. biolog, genetyk
(Laureat Nagrody Nobla w 1933)
1866-1945
nośnikami genów są chromosomy;
tzw. sprzęŜenie genów;
zjawisko crossing-over
14
2014-03-06
Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka
Prakomórka musiała zawierać prototyp
uniwersalnej maszynerii wszelkich
form Ŝycia istniejących dziś na Ziemi
Ewolucja
zmienność i dobór
naturalny
mutacje
zróŜnicowanie komórek
Jedność i róŜnorodność komórek
(organizmów)
Historia Ŝycia
???
źródła wiedzy ?
• skamieniałości (zalety, wady)
• eksperyment Stanley’a Millera
• badania genetyczne współczesnych organizmów
Powstanie
eukariontów
2,1 mld
(3mld) ?
chemoautotrof
DNA, RNA
synteza białek
metabolizm (kataliza
enzymatyczna)
ostatni uniwersalny
wspólny przodek
( 3.7 x 109 lat)
Drzewo filogenetyczne
15
2014-03-06
badania genetyczne współczesnych organizmów
3 cesarstwa
Drzewo filogenetyczne wyprowadzone z porównania sekwencji nukleotydów rRNA
(długość linii – ilość róŜnic w sekwencji nukleotydów w rRNA)
KaŜda z wyŜej wymienionych grup posiada cechy specyficzne tylko dla siebie,
i kaŜde dwie z tych grup posiadają teŜ cechy, których nie ma trzecia.
ORGANIZMY WSPÓŁCZESNE
Prokarioty
(gr. pro = przed)
(karyon=ziarno, jądro)
Bacteria
(bakterie
właściwe)
ściana komórkowa z mureiny
(peptydoglikan)
Archaea
błona komórkowa
-estry kwasów tłuszczowych
archeany
archeowce
(bakterie pierwotne)
DNA w nici
nukleosomowej;
introny;
polimeraza RNA
Eukaryota
(eukarionty, jądrowce)
(gr. eu = prawdziwie)
kompartmentalizacja cytoplazmy
Błona komórkowa
fosfolipidowo-białkowa
16
2014-03-06
RóŜnorodność organizmów
ponad 10 mln
gatunków
organizmów
(wszystkie
środowiska Ŝycia)
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)
Protisty
Grzyby
Rośliny
Zwierzęta
bakterie gram dodatnie
bakterie gram ujemne
bakterie purpurowe
zielone bakterie fotosyntetyczne
cyjanobakterie
RóŜnorodność komórek
większa niŜ organizmów
KOMÓRKA
samodzielny
organizm
spełnia wszystkie
czynności Ŝyciowe
część składowa zespołu
komórek
komórka zróŜnicowana
wyspecjalizowana
17
2014-03-06
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
„duŜe” komórki
100 µm ludzka komórka jajowa
2 mm komórka jajowa Ŝaby
kilka cm komórki jajowe ptaków, gadów (20cm)
1,5 m wypustki neuronów
RóŜnice kształtu komórek
Prokaryota
(bakterie)
Eukaryota
komórki roślinne:
równowymiarowe (kuliste, wielokątne)
wydłuŜone
komórki zwierzęce:
róŜnorodne
18
2014-03-06
Największa róŜnorodność kształtu
pierwotniaki
10µm
Kształt komórek - pierwotniaki
Euglena
10µm
10µm
10µm
Bruzdnica
1,5 m wypustki neuronów
10µm
Słonecznica
A,B,E,F,I - orzęski
Ameba
RóŜnorodność komórek
Ruchliwość komórek
Komórki nieruchome (pozornie)
Komórki pływające:
wici bakteryjne
wici komórek eukariotycznych
rzęski komórek eukariotycznych
Komórki pełzające
Wymogi co do warunków Ŝycia
• wymagające tlenu / beztlenowce
• wymagające tylko związków nieorganicznych
/ wymagające złoŜonej mieszaniny związków organicznych
19
2014-03-06
Jedność wszystkich organizmów
budowa komórkowa
funkcje Ŝyciowe (wzrost, podział, reakcja na bodźce )
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
20