2. Buňka a její základní funkce

a) Buněčné teorie – historie a výzkum
b) Chemické složení buněk, význam vody, anorganické a organické látky
c) Obecná stavba buňky
d) Srovnání prokaryontní a eukaryotní buňky
e) Srovnání rostlinné a živočišné buňky
f) Základní funkce buňek

Buněčné teorie – historie a výzkum
Buňka =
1. základní stavební a funkční jednotka živých organismů.
2. Je to nejmenší živý útvar schopný samostatné existence a rozmnožování. Každá buňka má svůj vlastní genetický a proteosyntetický aparát a metabolický systém, umožňující vytvářet a využít energii.
3. Je vždy ohraničena membránou, která reguluje pronikání látek dovnitř a ven
4. Všechny buňky mají podobné chemické složení a provádějí podobné metabolické děje

HISTORIE
1. Buněčná teorie (19. Století) : základem živých organismů je buňka – Schwann + Schleider; Hook = 1. Pozoroval buňky korku (1655);
2. Purkyně zkoumal mikroorganismy
3. Rudolf Wirchoff – omnis cellula et cellula
Sestrojení světelného mikroskopu : holandští brusiči skla bratři Jansenové (1590), první mikroskop ke studiu živé přírody a odhalení mikrosvěta použil Anthony van Leeuwenhoek

Chemické složení buněk, význam vody, anorganické a organické látky
Chemické složení:
• Voda – 60%-80%, rozpouštědlo, disociuje soli, dopravní funkce (rozvod živin), termoregulace, umožňuje chemické reakce, velká měrná kapacita -> funkce akumulátoru velké energie
• Sušina – 20%-30%
o Anorganické látky (biogenní, stopové)
o Organické látky (tuky, cukry, bílkoviny, nukleové kyseliny)
• Biogenní prvky

Obecná stavba buňky
Každá buňka má něco jako jádro, cytoplazmu (hmota uvnitř buňky, v ní plavou organely, buněčné povrchy), cytoplazmatickou membránu
• Buněčná stěna – tuhý obal udělující buňce tvar, zajišťuje pevnost, mechanicky ji ochraňuje před vnějšími vlivy; rostlinná z celulózy, živočišná není, houby ji mají z chitinu. Je permeabilní = propustná
o Impregnace – nasycená organickými látkami
o Inkrustace – nasycená anorganickými látkami
o Plazmodesmy – umožňuje vzájemnou komunikaci s ostatními buňkami

• Cytoplazmatická membrána (biomembrána) – izoluje vnitřní prostředí od vnějšího, je selektivně propustná = semipermeabilní (propustná pouze pro ionty a molekuly některých látek – vody), je složena z dvojvrstvy fosfolipidů uspořádaných tak, že řetězce mastných kyselin = hydrofobní konce – směřují k sobe a fosfátové = hydrofilní – od sebe. Molekula bílkoviny přenáší látky = bipolární fosfolipidový film

• Jádro (nukleus, karyon) – ohraničeno od okolní cytoplazmy dvojitou jadernou membránou s póry, vnitřek je vyplněn polotekutou hmotou (karyoplazma), v níž se nacházejí vláknité útvary – chromozomy obsahující DNA; v jádře se nacházejí jadérka = nukleolus, tvoří se v něm ribozomy.

• Nukleoid – u prokaryontní buňky volně v cytoplazmě, neohraničená obalem, tvořená jednou šroubovicí DNA (1 chromozom)
o Funkce = řídit centrum buňky
o Chromatin = hmota tvořená bílkovinou, obalena, molekula DNA

• Cytoplazma : viskózní, koncentrovaný roztok obsahující molekuly organických a anorganických látek, vyplňuje celý obsah buňky, často obsahuje kapénky, krystalky odpadních a zásobních látek = buněčné inkluze – kapénky tuku, škrobová zrnka, silice, pryskyřice… Prokaryontní buňka – Plazmidy = malé, do kruhu uzavřené dvojřetězcové molekuly DNA

• Mitochondrie – tyčinkovité až vláknité útvary s vlastní DNA proteosyntetickým aparátem, jsou opatřeny dvěma biomembránami, vnitřní membrána obklopuje prostor vyplněný hmotou matrix a tvoří záhyby = kristy, na nichž se uskutečňuje buněčné dýchání a uvolňování energie. Do mitochondrie vstupují organické látky (živiny) + vzduch + fosfát + ADP => ATP (energie)

• Vakuoly – měchýřky obalené jednou membránou – tonoplastem, vnitřek vakuol je naplněn nejrůznějšími látkami (odpadní látky, enzymy, minerální látky, vody), tzv. buněčná šťáva, mladá rostlina hodně malých vakuol X stará jedna obrovská

• Endoplazmatické retikulum – zahrnuje membránový systém plochých váčků a kanálků, membrány e. r. navazují na obal jádra (je jeho součástí), drsné e. r. má na některých svých membránách připojeny ribozomy a je místem syntézy bílkovin, hladké e. r. je bez ribozomů a syntetizují se v něm glykolipidy. Funkce – syntéza látek, biomembrány, transport látek

• Golgiho aparát – soustava měchýřků propojených kanálky, ve kterých probíhají biochem. reakce upravující látky vytvořené v e. r., syntetizují se zde některé komponenty buněčné stěny, slouží k tvorbě a transportu důležitých látek.

• Lysozomy – měchýřky tvořené biomembránou, obsahují trávicí (aktivní) enzymy, u rostlin funkce vakuol, slouží k destrukci buňky

• Cytoskelet – tvoří kostru buňky, složen z vlákének – mikrofilament a trubiček – mikrotubuly, v buňce tvoří svazky, které se mohou zkracovat a prodlužovat a umožňují tak pohyb struktur uvnitř buňky, jeho součástí je jaderný mikrotubulární aparát (dělící vřeténko – centriola)

• Ribozomy – bílkovinná tělíska obsahující ribozomovou RNA, existují volně nebo vázané na e. r., jsou složeny ze dvou nestejných podjednotek, účastní se syntézy bílkovin. P. b.- Fimbrie – krátká, rovná, jemná, křehká vlákna na povrchu buňky

• Bičíky – ústrojí pohybu

• Chromozom – dlouhý, zapletený řetězec, uzavřený do kruhu, molekula DNA

• Plastidy – oválná tělíska uzavřená obalem ze dvou membrán, patří mezi ně zelené chloroplasty, barevné chromoplasty a bezbarvé leukoplasty.
o Chloroplasty: uvnitř bílkovinná plazma – stroma (matrix), v ní je síť váčků – tylakoidy, stupňovitě na sebe uložené tylakoidy tvoří grána obsahující zelený chlorofyl
o Chromoplasty: obsahují červená a žlutá barviva – karotenoidy a xantofyly, hojně obsaženy v červeých, žlutých a oranžových plodech, květech a listech
o Leukoplasty: nacházejí se zvláště v neosvětlených částech rostlin (kořen, oddenek, vnitřní část rostlin), hromadí se v nich zásobní látky (škrob, bílkoviny, lipidy)
o Chloroplasty, mitochondrie, vakuoly, jádro, EPR, Golgiho aparát – mají membránu (vznik endosymbiózou)

Srovnání prokaryotní a eukaryotní buňky
Prokaryotní buňka nemá soustavu vnitřních membrán – má pouze cytoplazmatickou membránu. Endosymbiotická teorie = vznik eukaryoty (velká prokaryota pohltila sinici -> chloroplast, bakterii -> mitochondrie)

Srovnání rostlinné a živočišné buňky
• Rozdíl ve způsobu výživy = fyziologický rozdíl
• Rostliny – autotrofní X živočichové – heterotrofní
• Živočichové nemají vakuoly, buněčnou stěnu, zásobní látka: glykogen
• Rostliny: zásobní látka – škrob
• Houby: zásobní látka – glykogen, olejové kapky, nemají chloroplasty, buněčná stěna z chitinu

Základní funkce buněk:
• Metabolismus (anabolismus X katabolismus) :
= soubor všech reakcí probíhajících v živých organismech, zahrnující přeměnu látek i energie
o Katabolické (rozkladné), při kterých se za uvolnění energie štěpí složitější látky na jednodušší -děje exergonické, probíhají jako oxidace substrátu
o Anabolické (syntetické), při kterých za spotřebování energie vznikají z jednodušších látek složitější – děje endergonické, probíhají jako redukce substrátu, energie se ukládá
Přeměna látek v buňce se uskutečňuje soubory na sebe navazujících reakcí – metabolické dráhy, reakce jsou urychlovány a usnadňovány enzymy, anabolika pomáhají stavět
Dělení organismů podle charakteru metabolismu
o heterotrofní – C ve formě organických látek (živočichové, houby)
o autotrofní – C ve formě CO2, z anorganických látek – organické, získání energie:světelná energie – fotoautotrofní, producenti biomasy
o chemoautotrofní – oxidací anorganických látek

• Příjem a výdej látek :
příjem vody – buněčná stěna – propustná:
Pasivní:
o difúze – fyzikální pochod, při kterém probíhá transport částic z míst vyšší koncentrace do míst s nižší koncentrací částic
o osmóza – zvláštní případ difúze, kdy molekuly rozpouštědla (vody) pronikají do roztoku polopropustnou membránou (propustná pro vodu, ale nepouští molekuly rozpuštěných látek)
– Hypertonické prostředí = vně buňky – vyšší koncentrace => buňka vydává vodu, protoplast – díky silné buněčné stěně se smršťuje pouze buněčný obsah – plazmolýza (u živočichů -smršťuje se celá buňka = plazmorýza)
– Hypotonické prostředí = vně buňky nižší koncentrace, uvnitř vyšší koncentrace => nabírá vodu až praskne = plazmolýza
– Izotonické – koncentrace uvnitř i vně buňky je stejné
– Endocytóza – pinocytóza = přenos látek, nejčastěji koloidní roztoky bílkovin, tuků, vnuknutím a uzavřením malého váčku z cytoplazmatické membrány, ten se odškrtí do cytoplazmy, zde se váček rozpustí a látka uniká ven, malá změna tvaru
– Fagocytóza = příjem celých částeček buňkou – měňavka, krvinky, změna tvaru celé b.
– Exocytóza – opak endocytózy – látky vylučovány do okolí
Aktivní (řízená) : přenos látek – prostřednictvím bílkovinných přenašečů – specificky na sebe navážou látku, i přenos iontů. Energeticky náročné.

Rozmnožování a buněčný cyklus:
• Bunňka vzniká z buňky již existující

• Nejdříve se dělí jádro, poté zbytek
Buněčný cyklus – sled dějů probíhajících v buňce od jejího vzniku rozdělením; trvání cyklu = generační doba
Cytokineze – vlastní oddělení buněk
G1 fáze – buňka roste, vyzrává, tvoří organely
hlavní kontrolní uzel – dopadne-li to špatně – G0 fáze = klidové stádium
když dobře dopadne ->S fáze – syntéza – vznik NK, replikace DNA na dvojnásobné
množství
G2 fáze – buňka se připravuje na M fázi = na dělení – mitóza

Každá buňka vzniká z buňky již existující. Než se dělí buňka, dělí se jádro – Jaderné dělení:
• Amitóza = přímé, nepřesné dělení – rychlé, genetická informace se nepřesně kopíruje, typické u rakovinných buněk
• Mitóza nepřímé dělení – probíhá u většiny buněk, dokonalé rozdělení genetického materiálu mezi dceřiné buňky – čtyři fáze:
o Profáze – mizí jaderná membrána, chromozomy se spiralizují, rozdělí se centrozom a dva vzniklé centrioly se stěhují k opačným pólům buňky, začínají se tvořit mikrotubuly dělícího vřeténka
o Metafáze – mikrotubuly dělícího vřeténka se jedním koncem připojují na centromery jednotlivých chromozomů a druhým koncem k centriolám, chromozomy se řadí ve středu buňky do ekvatoriální roviny, metafázové chromozomy jsou již zdvojené (tvořené dvěma chromatidami), ale spojené společnou centromerou
o Anafáze – mikrotubuly dělícího vřeténka se zkracují, rodělí se centromery chromozomů, chromozomy se rozestupují a každý se pohybuje k opačným pólům
o Telofáze – mizí dělící vřeténko, despiralizují se chromozomy, kolem obou nově vzniklých dceřiných jader vzniká jaderný obal. Výsledkem jsou dvě diploidní buňky následuje dělení cytoplazmy – u rostlin – buněčná stěna roste od středu k povrchu,u živočichů – plazmatická membrána se tvoří směrem z obvodu dovnitř
• Meióza = redukční dělení, vznik pohlavních buněk dvě dělení jádra a buňky, ale jediné dělení chromozomů. Výsledkem jsou čtyři haploidní buňky
• Redukční dělení = heterotypické : 4 fáze
o Profáze:
– leptotene = chromozomy se zviditelňují, spiralizují
– zygotene = homologické chromozomy + bílkovina = synapse tvorba bivalentů
– pachytene = překřížení nesesterských chromatid (=chiazma),změna vlastností, genetické informace = crossing over
– diplotene = synapse se uvolní, začnou se oddalovat
– diakineze = jaderná blána se rozpouští, vytváří se dělící vřeténko
o Metafáze – bivalenty se začnou rovnat do ekvatoriální roviny, mikrotibuly dělícího vřeténka se přichycují na homologické chromozomy ještě v párech
o Anafáze – k pólům dělícího vřeténka se rozcházejí jednotlivé, dvouchromatidové chromozomy z bivalentů
o Telofáze – kolem vzniklých chromozomů vzniká jaderná blána -> cytokineze
• Redukční dělení = homeotypické : probíhá jako mitóza, ale zúčastní se ho v každém jádře jen haploidní počet chromozomů

Přeměny energie = energetický metabolismus
• AUTOTROFIE: Fotosyntéza (asimilace) = chemická reakce, kdy se C02 a H20 mění za přítomnosti světla v glukózu a kyslík. Je to syntetická reakce, kdy z jednodušších anorganických látek vznikají složité organické látky. Rovnice fotosyntézy:
12 H20 + 6 C02 » chlorofyl sluneční záření » C6H1206 + 6 02 + 6 H20
Probíhá na chloroplastech -> složení – dvojitá membrána (vznikla endosymbiózou), tylakoidy -granové, stromové, stroma.

Faktory ovlivňující fotosyntézu:
Vnější – světlo (složení světelného spektra, intenzita, doba)
teplota (optimální 15 – 25°C, nižší – zpomaluje, více – nefotosyntetizuje)
množství C02 (ve sklenících)
voda (při nedostatku – uzavírá průduchy) Vnitřní – množství chlorofylu, stáří listů, parazité, minerální výživa

• HETEROTROFIE: Dýchání = respirace, disimilace, opak fotosyntézy, reakce, kdy ze složitých, organických látek vznikají jednodušší, anorganické látky. Uvolňuje se energie – nejdůležitější význam:
Glukóza ► H20 + C02

o Kvašení: nevýhoda kvašení – výsledkem jsou stále složité látky, ve kterých zůstává hodně energie, uvolní se pouze 2 ATP
– anaerobní: Alkoholové (vznik alkoholu), Mléčné (kyselina mléčná (svaly)), Máselné (kyselina máselná
– aerobní = nepravé kvašení: Octové kvašení (vzniká kyselina octová), Citrónové kvašení (kyselina citrónová)
o Úplná biologická oxidace – látky se rozkládají až na H20, C02 , uvolní se mnohem více energie – 1 molekula glukózy = 38 ATP
– Glykolýza: C6 -» C3 + C3 kyselina pyrohroznová
– Anaerobní dekarboxylace kyseliny pyrohroznové (uvolní se CO2 a acetylkoenzym A
– Cyklus kyseliny citrónové = Krebsův cyklus C2 -> CO2
– Konečná oxidace v dýchacím řetězci -> tvorba ATP, výsledkem dýchání je H20, C02

Syntéza důležitých látek
Nukleové kyseliny = makromolekulami sloučeniny skládající se z cukru (pentóza), kyseliny fosforečné, dusíkatých bází – purinových (adenin a guanin) a pyrimidinových (cytozin, tymin, uracyl). Dusíkaté báze jsou vázány vodíkovými můstky. Nesou genetickou informaci
Princip komplementarity: A+T (u RNA A+U) G+C
Struktura NK – polynukleotidové řetězce

• DNA (deoxyribonukleová kyselina) – tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci – je dvouvláknová, stočená do pravotočivé šroubovice.
Obsažena v jádrech všech eukaryotických buněk (u prokaryot volně v cytoplazmě), základní genetický materiál sloužící k uchování genetické informace. Úsek DNA, kde je zapsána informace pro jeden znak = gen
(DNA u eukaryotických buněk uložena i v chloroplastech, mitochondriích; prokaryora – plazmidy)

• RNA (ribonukleová kyselina) – tvořena jedním polynukleotidovým řetězcem, jednovláknová. Zajišťuje přenos genetické informace z DNA do struktury bílkovin, v organismech je přítomna v několika typech: m – RNA, r – RNA, t – RNA… tvoří se v jádře, přechází do cytoplazmy
o m – RNA (mediátorová RNA) – přenáší genetickou informaci od DNA na bílkovinu, tvoří matrici pro bílkovinu, pracuje jako děrná páska, prochází ribozómem, nese na sobě trojici bází – kodón (čárkové kódy = triplet), na r – RNA triplet – antikodon
o r – RNA (ribozomální) – stavební součástí ribozómů, v nichž probíhá proteosyntéza
o t – RNA (transferová) přenáší aminokyselinu z cytoplazmy na místo syntézy bílkovin (ribozomy), kde jsou spojovány do polypeptidických řetězců, pro každou aminokyselinu existuje alespoň jedna t – RNA
Funkce NK – přenos genetické informace z mateřské buňky do dceřiné = replikace – rozvinutí a uvolnění jednotlivých řetězců dvoušroubovice DNA – zanikají vodíkové vazby mezi bázemi nukleotidových párů. Polynukleotidové řetězce slouží jako vzory – matrice, které na základě komplementarity přiřazují volné nukleotidy spojují se vazbami a tvoří nový řetězec. Základní nutným enzymem pro replikaci je DNA – polymeráza. Replikace probíhá v S fázi, metafázi.
Proteosyntéza – ve dvou fázích:
• Transkripce = informace z DNA se přepíše do m – RNA, probíhá v buněčném jádře, nebo v mitochondriích. Nejprve se uvolní šroubovice DNA – jeden řetězec slouží jako matrice, k jednotlivým nukleotidům DNA se na základě komplementarity přiřazují volné nukleotidy RNA -> spojeny vazbami, vytváří se souvislý polyribonukleotidový řetězec, který se prodlužuje a postupně se odděluje od DNA, opouští jádro a napojuje se na ribozómy. Pro průběh transkripce je nezbytné působení enzymu RNA – polymeráza.
• Translace – převedení genetické informace z pořadí nukleotidů (dvojic dusíkatých bází) do pořadí aminokyselin v polypeptidickém řetězci (bílkovině) pomocí genetického kódu (syntéza bílkovin podle informace v m – RNA. Aminokyseliny jsou na místo syntézy transporto vány pomocí t -RNA, druh aminokyseliny určuje kodón, k němuž je komplementární antikodón.
fáze: ribozom se posouvá po m – RNA, (napojuje na sebe další ribozomy -> polyribozom) připojí se aminokyselina (v jadérku se vytvoří r – RNA – ribozom (sněhuláček), tím proniká m – RNA (děrná páska), kde jsou kodóny – triplety. V jádře se dále tvoří t – RNA – trojlístek, na který se naváže příslušná aminokyselina, která postupně vytváří polypeptidový řetězec – bílkovina = základní stavební látka, součást enzymů)

Diferenciace buněk do tkání a pletiv
• Jednobuněční – liší se tvarem, různé schránky (Ca, Si) pohybový aparát (bičík, panožky, brvy), specifické rozmnožování, různé životní cykly
• Mnohobuněční – jednobuněční tvoří kolonie
• Soubor buněk stejných funkcí a tvaru = tkáň, pletivo
Princip diferenciace eukaryotické buňky v rámci mnohobuněčného jedince – všechny buňky mají stejnou genetickou informaci, ale realizovat se může jen část
Řízení diferenciace
o embrionální indukce – závisí na poloze buněk, zemská přitažlivost
o kontaktní inhibice – kontakt s ostatními buňkami způsobuje realizaci stejné části genetické informace
o hormonální regulace
Maligní transformace – buňky se nediferencují -> stále se dělí -> vznik nádoru