biologia komórki - Zakład Biologii Komórki

KURS WBt336
BIOLOGIA KOMÓRKI
- DLA BIOCHEMIKÓW
DR MARTA MICHALIK
PROF. DR HAB. ZBIGNIEW MADEJA
30 godzin wykładów
60 godzin ćwiczeń
BIOLOGIA KOMÓRKI
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.
Komórka
Encyklopedia PWN:
komórka -najmniejsza występująca w przyrodzie, zdolna do Ŝycia,
samoodtwarzająca się struktura o złoŜonej organizacji.
Kurs Biologia komórki:
najwaŜniejsze wiadomości o Ŝyciu
podstawowych jednostek
strukturalnych i funkcjonalnych
wszystkich organizmów Ŝywych
(komórek)
Film 3T3
WBt336- BIOLOGI KOMÓRKI – kurs dla biochemików
30 godzin wykładów
•
Wprowadzenie do biologii komórki
•
Budowa błon biologicznych
•
Transport przez błony plazmatyczne
•
Kompartmentalizacja komórki eukariotycznej:
- budowa jądra komórkowego
- organizacja cytoplazmy
•
Budowa i funkcje ER i aparatu Golgiego
•
Transport pęcherzykowy - endosomy, lizosomy
•
Transformatory energii w komórce (mitochondria, chloroplasty)
WBt336- BIOLOGI KOMÓRKI – kurs dla biochemików
•
Sygnalizacja wewnątrzkomórkowa
•
Organizacja i rola cytoszkieletu aktynowego i mikrotubul
•
Mechanizmy ruchu komórek
•
Hodowle komórkowe
•
Komórki macierzyste (stem cells)
•
Komórki nowotworowe
•
Cykl komórkowy
Egzamin:
test (wykłady)
Zaliczenie ćwiczeń
Ocena z kursu:
ocena z egzaminu - 80%
ocena z ćwiczeń - 20%
ĆWICZENIA:
sala ćwiczeń - C110;
harmonogram – tablica ogłoszeń
strona www. ZBK
http://biotka.mol.uj.edu.pl/zbk
//dydaktyka // kursy//kurs
WBt336 Biologia komórki dla biochemików
MATERIAŁY:
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
WPROWADZENIE DO BIOLOGII KOMÓRKI
Krótka historia odkrycia i badań komórek
RóŜnorodność komórek
Jedność podstawowych mechanizmów Ŝycia
Organizmy modelowe w badaniach biologii komórki
KOMÓRKA – krótka historia badań
wielowiekowe obserwacje
i teoretyczne przemyślenia
nad budową Ŝywej materii
Arystoteles
(384-322 p.n.e.)
gr. filozof, twórca biologii
stworzył pierwszy układ systematyczny zwierząt i roślin
„rośliny i zwierzęta są zbudowane
z niewielkiej liczby typów cząstek
wielokrotnie się powtarzających”
genialna intuicja – brak danych empirycznych
?
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
udoskonalanie mikroskopu
XVII w.
Powiększenie: ok.30x
Robert Hooke
ang. fizyk, matematyk, botanik
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"
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.)
• poznawanie budowy roślin i zwierząt
• poznawanie struktury pojedynczych komórek
Robert Brown
ang. botanik
1831 - opisał jądra w komórkach roślin
- ruch protoplazmy w komórkach roślin
1773 -1858
Rudolf Albert Kölliker
szwajc. fizjolog
1817 -1905
1857- opisał mitochondria w komórkach mięśni
Przez dalsze pół wieku nie poznano nowych struktur
wewnątrzkomórkowych
?
Mała kontrastowość preparatów biologicznych
Ograniczone moŜliwości mikroskopów świetlnych
Camillo Golgi
wł. lekarz i histolog
1844 -1926
metoda barwienia komórek i włókien nerwowych
z wykorzystaniem soli srebra
1898 zobaczył aparat siateczkowy wokół jądra neuronu
(aparat Golgiego)
1879 Walther Flemming
opisał zachowanie chromosomów podczas mitozy
Ograniczone moŜliwości mikroskopów świetlnych
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
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
poznanie, Ŝe komórka to podstawowy element
- wszystkich organizmów współcześnie Ŝyjących
obserwacje pod mikroskopem podziału komórek
1827 A. Broniart; 1835 E. Meyen; 1835 H. von Mohl
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
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
Pierwszy:
• wyróŜnił substancję dziedziczną (plazmę) i ciało (somę)
• przewidział, Ŝe chromosomy są odpowiedzialne za dziedziczenie
odkrycie
za proces dziedziczenia odpowiedzialne są chromosomy
Theodor Boveri
niem. biolog
1862-1915
Walter Sutton
am. genetyk
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
Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka
Prakomórka musiała zawierać prototyp
uniwersalnej maszynerii wszelkich
form Ŝycia istniejących dziś na Ziemi
Ewolucja
mutacje
dobór naturalny
Jedność organizmów (komórek)
RóŜnorodność organizmów
Pochodzenie organizmów od wspólnego przodka
???
Historia Ŝycia
źródła wiedzy ?
• skamieniałości
• opisy i porównanie istniejących 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
• 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
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
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
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
RóŜna ruchliwość komórek
Komórki nieruchome (pozornie)
Komórki pływające (wici lub rzęsek)
Komórki pełzające
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
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
Organizmy modelowe w badaniach
Cecha
Zalety
małe rozmiary
i proste poŜywienie
hodowla nie wymaga duŜo miejsca,
jest łatwa i tania w utrzymaniu
duŜa liczba potomstwa
pozwala na wiarygodną analizę
statystyczną wzorów dziedziczenia
krótki cykl Ŝyciowy
umoŜliwia obserwację wzorów
dziedziczenia w kolejnych pokoleniach
mały genom
duŜe chromosomy
mała ilość DNA do analizy;
łatwiej badać chromosomy w mikroskopie
świetlnym
dostępność informacji i
technik badawczych
wiele genetycznych mutantów jest
dostępnych do analiz
Organizmy modelowe -Prokarionty
Escherichia coli (pałaczka okręŜnicy)
(Enterobacteriaceae)
Gram-ujemna bakteria
flora bakteryjna jelita grubego
symbiont
podział co 20min
Poznanie mechanizmów
replikacji, transkrypcji i
translacji
2µm; 0,8µm
1 kolista cząsteczka DNA
4,6 mln par zasad; 4300 białek
od 15 tys. do 30 tys. rybosomów
Organizmy modelowe -Eukarionty
Organizmy jednokomórkowe
Saccharomyces cerevisiae - droŜdŜe piekarskie
DNA 12,1 mln par zasad (2,5 x więcej)
6 275 genów (5800 funkcjonalnych)
23% genomu droŜdŜy - jak u ludzi
kompletna sekwencja genomu
Poznanie mechanizmów
cyklu podziałowego
komórki
Rośliny modelowe
bliskie pokrewieństwo ewolucyjne roślin
kwiatowych (200mln lat)
z 300 000 gatunków
Arabidopis thaliana
- rzodkiewnik pospolity
5-30 cm
Łatwość hodowli
w szklarniach
hydroponiczna
Genom -110 mln par zasad, znana sekwencja
Badania mechanizmów rozwoju i róŜnicowania roślin kwiatowych
Zwierzęta modelowe
Caenorhabditis elegans - nicień
Genom
97 mln par zasad
19 000 genów
sekwencja znana
959 komórek
70% białek człowieka ma
odpowiedniki u C. elegans
Poznanie
mechanizmów rozwoju
embrionalnego i
działania wielu genów (
apoptozy)
Drosophila melanogaster - muszka owocowa
genom (4 chromosomy)
185 mln par zasad
Samiec i samica
13 000 białek
Poznanie podstaw
genetyki klasycznej
i mechanizmów rozwoju
zarodkowego i
larwalnego
Kręgowce modelowe
Danio rerio – Danio pręgowany (ryby)
Genom
1,527,000,581par zasad
17 330 genów białek
sekwencja znana
Szybki rozwój
Łatwość uzyskiwania
mutantów
Poznanie
mechanizmów rozwoju
embrionalnego i
działania wielu genów
kręgowców
Mus musculus – Mysz domowa (ssaki)
Prosta i tania hodowla
DuŜa liczba potomstwa
Zarodki myszy moŜna łatwo hodować in vitro
Zarodki hodowane in vitro moŜna poddawać
licznym manipulacjom np. nokauty genowe
Uzyskiwanie myszy transgenicznych
(z ekspresją obcego genu)
Linie myszy z mutacjami genowymi lub
skonstruowanymi genami
Izolacja i hodowla in vitro komórek ES
Genom: sekwencja poznana
mysz ma 2,7 mld par zasad,
człowiek ok. 3,1 mld par zasad,
mysz ma 20 par chromosomów,
człowiek - 23 pary
Poznanie mechanizmów
działania wielu genów na
poziomie komórki i
całego organizmu
Homo sapiens – człowiek (ssaki)
Badania na róŜnorodnych komórkach ludzkich w hodowlach in vitro
( defekt w genie kit - komórki barwnikowe)
PoniewaŜ geny człowieka mają ścisłe odpowiedniki u organizmów
prostszych , to badania tych organizmów (modelowych) mogą być
kluczem do zrozumienia jak skonstruowane są i jak funkcjonują
organizmy zwierzęce i organizm człowieka.