sylabus

BIOLOGIE BUŇKY
Význam a metodologie buněčné biologie.
Význam a souvislosti
Buněčná biologie (biologie buňky) - biologická disciplina s orientací na problematiku
strukturních, funkčních, biochemických, fyzikálně – chemických a dalších aspektů funkce a
organizace biologického prostoru (kompartmentu), který je strukturálně vymezen (separován)
a univerzálně nazván termínem „buňka“ (cell, Hooke-1674). Společný základ faktografie této
discipliny tvoří , mimo jiné:
►Buněčná teorie (Schleiden a Schwann-1838) první poznatkové shrnutí, které konstatuje:
buněčný základ makroorganismu, odlišnost buněčného typu, buněčnou diferenciaci, rozlišení
jádra a cytosolu a buněčnou reprodukci (buňky nevznikají de novo), a vytváří základ dalších
obecných charakteristik buňky jako stavební jednotky i jednobuněčného organismu.
►Společné rysy buněčné organizace, základních buněčných procesů, „molekulární
ekonomie“ i fylogenetického a ontogenetického (buněčného) vývoje.
►Universální chápání buňky jako otevřeného systému, který ve všech svých částech (v
daném čase) udržuje stejnou teplotu a tlak.
►Obecná ilustrace buňky – jednobuněčného organismu – jako organizmální formy schopné:
autoregulace / adaptace, autoreprodukce, autopravy a funkční a tvarové diferenciace.
►Charakteristiky, které vymezují buněčný typ prokaryotní a eukaryotní.
►Společné rysy rámcové buněčné kompozice.
►Společná molekulová biologie.
Metodologie a experimentální přístupy
Buněčná biologie - experimentální vědní disciplina s hlavní orientací na buněčnou strukturu,
funkci, komposici, hlavní buněčné procesy, dílčí biochemické procesy a fyzikálně – chemické
procesy.
Hlavní směry interpretace poznatků: vztah buněčné struktury a funkce; regulace a integrace
buněčných procesů; mechanismu a koordinace buněčných procesů; buněčný transport;
buněčný metabolizmus; mezibuněčné vztahy a interaktivní chování buňky (jednobuněčných
organismů); buněčný cyklus a buněčná smrt.
Buněčný typ jako experimentální model buněčné cytologie.
Studium individuální buňky a buněčné populace. Nástroje buněčné biologie:
►Mikroskopie;
►Pod-buněčná frakcionace;
►Cyto-analytické přístupy.
Experimentální význam buněčné reprodukce a (buněčných) klidových stavů.
Buněčná biologie vs molekulová biologie.
Molekulová biologie – experimentální vědní disciplina s hlavní orientací na strukturu a
interakce bio-makromolekul a jejich vztah (primárně) k buněčným funkcím a vlastnostem.
Molekulová biologie vs molekulová genetika
Buněčná evoluce
Vznik společného předka současných buněčných typů
Charakteristika pravděpodobných podmínek vzniku organických molekul; (prebiotická
atmosféra Země; prebiotická syntéza HCN, aldehydů, aminokyselin, aminokyselin,
organických bazí, ribonukleotidů a fosfolipidů)
Experimentální verifikace:
1920 a dále - organická molekula může vzniknout a polymerizovat za podmínek simulujících
předpokládané podmínky prebiotické.
1950 a dále – experimentální zpřesnění simulovaných podmínek pro širší škálu organických
molekul.
Spontánní syntéza organických molekul a vznik makromolekul.
Informační makromolekuly a jejich úloha v evoluci reprodukčního procesu.
Prebiotická úloha anorganických polymerů. Kovalentně vázané komplexy poly-kationtových
a poly-aniontových polymerů
Evoluční úloha fosfolipidů – primární biologická membrána.
Evoluční úloha biologické membrány - vznik primárního buněčného kompartmentu „první“
buňky
Evoluční význam uzavření a prostorové separace auto-replikativní formy RNA.
Vznik jednotky schopné autoreprodukce a dalších evolučních kroků.
Metabolizmus
Evoluce buněčného metabolizmu vs metabolizmu energetického. Evoluce energeticky
závislých procesů.
Význam odbourání organických molekul v nepřítomnosti kyslíku. Evoluce glykolýzy a její
význam v buněčné evoluci.
Fotosyntéza – následný (hlavní ) evoluční krok. Význam a časová poloha oxidativního
metabolizmu.
DNA
Důvody vzniku a evoluční význam DNA; genetická informace; toky genetické informace;
evolučně nejstarší enzymy.
Vznik progenotů – začátek biologické evoluce.
Význam vzniku buněčných sub-kompartmentů
Evoluční význam buněčné kompartmentace.
Základní představa teorie endosymbiosy – vznik eukaryotního buněčného typu.
Buněčná diverzita
Společné znaky různých buněčných typů.
Význam procesní a strukturální univerzality všech buněčných typů.
Komplementarita buněčných typů.
Buňka vs virová částice
Znaky vnitrobuněčného parazitizmu.
Evoluce vnitrobuněčného parazitizmu
Buněčný typ
Buněčné funkční a organizační principy nezávislé na buněčném typu
Buňka – systém s cílovým chováním.
Integrita buněčného systému vs dynamika buněčných procesů.
Autonomie buněčného sytému vs rozsah vlastní genetické informace.
Autoregulace buněčných procesů. Autonomie katabolického a anabolického metabolismu.
Vztah k mimobuněčnému prostředí – látkový, energetický a informační tok.
Reakce na krátkodobé a dlouhodobé změny prostředí.
Funkční organizace – principy strukturní organizace a koordinace klíčových buněčných
procesů. Funkce základních buněčných komponentů.
Existence buňky v čase
Závislost na zdroji uhlíku, dusíku a fosforu. Aparát absorpce a transformace energie. Využití
volné energie v procesech endergonických.
Informační závislost a nezávislost buňky. Informace určující účelné chování. Autonomie
celkové genetické informace. Vnější informace nutné k zachování integrity makroorganismu.
Strukturní a prostorová organizace – komplexy membránové, fibrilární, koloidní.
Rozlišení buněčného typu z hlediska strukturální organizace a buněčného (fylogenetického)
vývoje.
Buněčný typ prokaryotní – popis na základě:
Strukturní jednoduchosti.
Stavby a diferenciace buněčné stěny. Vnitřní a vnější fibrilární struktury stěny.
Membránového systému a jeho derivátů
Charakteru uložení jaderné a mimojaderné DNA. Prokaryotního genoforu.
Rychlosti fyziologické adaptace vs stavby prokaryotního genoforu.
Buněčný typ eukaryotní – popis na základě strukturní složitosti (vs buněčný typ
prokaryotní):
Vnitrobuněčného prostorového členění; soustavy buněčných kompartmentů.
Charakteru uložení jaderné a mimojaderné DNA. Stavby genofor eukaryotní buňky.
Základní charakteristiky stavby a funkce cytoskeletu.
Ilustrativní (komparativní) charakteristiky buňky kvasinkové, rostlinné a živočišné.
Základní charakteristiky a funkce struktury glykokalyxu buňky živočišné.
Mezibuněčná spojení
Význam mezibuněčné komunikace pletiv a tkání. Diferenciace buněčných povrchů.
Nadbuněčné celky jednobuněčných organismů.
Buněčný protoplast
Příprava a experimentální použitelnost buněčných forem s odstraněnou buněčnou stěnou.
Stupeň odstranění buněčné stěny. Struktura sféroplastu.
Podmínky a proces re-syntézy buněčné stěny.
Molekulová kompozice buňky
Chemické složení buňky
Chemické komponenty anorganické a organické. Funkce vody a minerálních iontů. Funkce a
chemický typ organických molekul. Prvkové složení vs buněčný typ, funkční stav a vliv
prostředí.
Základní charakteristika a funkce cytosolu.
Voda jako dispersní medium koloidního systému cytosolu (protoplasmy). Volná a vázaná
voda. Molekula vody jako dipól. Voda jako sorbent tepla.
Buněčný deposit minerálů.
Universální přítomnost monosacharidů, mastných kyselin, aminokyselin, lipidů a dusíkatých
bazí a odvozených makromolekul a nadmolekulárních struktur.
Typy mezimolekulárních (nekovalentních ) interakcí.
Komparativní ilustrace chemického složení buněk různých typů.
Variabilita molekulové komposice buňky ve vztahu k jejímu ontogenetickému vývoji a
buněčné adaptaci. Asymetrie a abnormalita v molekulové komposici buňky.
Vnitrobuněčný deposit nutričně významných molekul.
Chemické složení buněčné stěny. „Síťování“ makromolekul vnější vrstvy buněčné stěny.
Subjednotková stavba nadmolekulárních útvarů.
Proteinový aparát buňky
Proteiny: katalytické, strukturální, transportní, genetické, regulační, kontraktilní, imunoproteiny.
Klasifikace podle tvaru molekuly. Proteiny jednoduché, konjugované a odvozené.
Typy a funkce konjugovaných proteinů: nukleoproteinů, mukoproteinů, chromoproteinů,
fosfoproteidů, lipoproteidů a mataloproteinů.
Multiproteinové komplexy. Autoorganizace proteinových subjednotek.
Nukleoproteinové komplexy.
Vazba protein – ligand.
Vnitrobuněčná imobilizace proteinů.
Proteinová složka buněčné stěny. Mimobuněčně vázané proteiny
Receptorové proteiny.
Indukované změny molekulové kompozice
Buněčná odpověď na vliv stresových podmínek.
Kompoziční změny indukované procesem buněčné smrti.
Stav a analýza buněčného proteomu.
Struktura buněčného genomu
Buněčné jádro prokaryot
Model bakteriální buňky.
Prokaryotický ekvivalent jádra – nukleoid.
Jediný chromozom (genofor ) – molekula dvDNA. Uzavřenost molekuly DNA.
Jaderný genom: „nepostradatelná“ genetická informace, životní funkce, tRNA, rRNA
Proteinová složka nukleotidu. HLP – proteiny. Proteiny nepistonového typu.
Isolace nukleoidu.
Kontakt nukleoidu s cytoplasmatickou membránou.
Uložení jaderné DNA v konformaci nadšroubovice. Alternativní stavy uložení.
Základní rysy replikace prokaryotického chromozomu. Termín replikon.
Vizualizace nukleoidu.
Prokaryotický mimojaderný genom
Bakteriální plazmidy. Uzavřenost plazmidové dvDNA.
Plazmidový replikon.
Zaměření mimojaderné genetické informace.
Membránový kontakt plazmidového replikonu.
Stabilita plazmidové DNA. Význam počtu kopií plazmidové DNA.
Mezibuněčný přenos bakteriálních plazmidů a jeho význam. Rizika horizontálního přenosu.
Buněčné jádro eukaryot.
Komposice kompartmentu buněčného jádra. Morfologie jaderného kompartmentu
Jaderná membrána. Perinukleární prostor. Porozita jaderného kompartmentu.
Nukleoplasma. Nízkomolekulové organické komponenty jaderného kompartmentu.
Strukturní a kompoziční znaky chromatinu. Upoutání chromatinu.
Základní stavy chromatinu. Vizualizace chromatinu.
Genetická aktivita chromatinu. Bílkovinná složka chromatinu.
Morfologie eukaryotického chromozomu. Karyotyp.
Lineární molekula dvDNA eukaryotického chromozomu. Genové a další repetice DNA.
Funkční složky eukaryotického chromozomu.
Topologie uložení jaderné DNA.
Struktura funkce jadérka.
Cyklické změny jaderného kompartmentu.
Izolace, biochemická a cytologická analýza jaderného kompartmentu.
Eukaryotický mimojaderný genom
Společné znaky a individualita mitochondriového genoforu modelových buněčných typů.
Individualita a strukturní variabilita (ds) mt DNA.
Charakteristika chloroplastového genoforu – (dv) ctDNA.
Buněčné membrány
Lokalizace vs funkce
Prokaryotní a eukaryotní membránový systém. Universalita a diferenciace funkce biologické
membrány.
Obecná funkce a diferenciace cytoplasmatické membrány. Elektronoptický obraz
cytoplasmatické membrány.
Izolace membránového systému prokaryotní a eukaryotní buňky různého buněčného typu.
„Red cell ghost“. Základní analytické přístupy.
Kompozice biologické membrány
Poměr obsahu membránových proteinů / lipidů. Typový a funkční význam tohoto poměru.
Zastoupení dalších komponentů. Fyziologická variabilita komponentů biologické membrány.
Funkce membránových komponentů
Proteiny transportní, katalytické, strukturální a receptorové. Individualita jejich vlastností.
Solubilizace membránových proteinů. Periferní a integrální proteiny. Asymetrie uložení
membránových proteinů. Membránové polypeptidy Základní vlastnosti periferních a
integrálních proteinů. Funkce a typy glykoproteidů. Sialoglykopeptidy. Membránová
enzymová aktivita.
Funkce fosfolipidů. Přítomnost glykolipidů.
Funkce a typy sterolů vs buněčný typ.
Modely membránové architektury.
Membránová vlastnost a charakteristika jako faktor určující primární představy o stavbě
biologické membrány. Univerzalita membránové stavby.
Historický přehled vývoje individuálních modelů (Danielli-Davson, Robertson, Green)
Model tekuté mozaiky. Interakce mezi proteiny a lipidy. Význam hydrofilních a hydrofobních
molekulových zón. Teplota vs uspořádaný a neuspořádaný stav.Význam membránové
fluidity. Membránová reaktivita v závislosti na interakci lipid/lipid, protein/protein,
lipid/protein. Pohyb integrálních proteinů. Membránová spojení – desmozom.
Funkce biologické membrány.
Úloha membrány v základních buněčných procesech. Aditivní membránové struktury
prokaryotní buňky (mesozom, thylakoid). Uložení respiračního aparátu prokaryotní buňky.
Funkce semipermeabilní bariéry. Premeabilizace.
Úloha v mezibuněčných interakcích eukaryotních buněk makroorganismu. Funkce v buněčné
adherenci.
Úloha v mezibuněčném rozpoznání podobného a diferencovaného buněčného typu.
Uložení a funkce aparátu příjmu a přenosu informace (chemického signálu).
Úloha v morfogenezi vnitřního membránového systému – buněčné kompartmentaci.
Úloha v regulaci a vlastním procesu buněčných transportů.
Nosič a prostředí biochemických procesů.
Základní úloha v procesu endocytózy a exocytózy.
Úloha v přenosu nervového vzruchu.
Funkce mechanické, izolační, v buněčném pohybu, v upoutání ribozomů.
Buněčná autoreprodukce
Základní aspekty buněčné reprodukce
Individualita buněčné (auto)reprodukce prokaryotního a eukaryotního buněčného typu.
Biologické požadavky buněčné reprodukce.
„Identita“ dceřinných buněk.
Reprodukce buněčných populací pletiv a tkání.
Populace monokolniového izolátu. Buněčný klon a buněčná linie.
Proces buněčné reprodukce
Dělení buněčné vs dělení jaderné. Obecné požadavky distribuce jaderné a mimojaderné
genetické informace. Koordinace obou procesů. Časové vztahy obou procesů.
Poruchy vertikální distribuce genetické informace.
Dělení fyzické a fyziologické. Buněčné dělení jako vyvrcholení buněčného cyklu.
Proces cytokineze – vývoj a základní charakteristiky vzniku transverzálního septa.
Morfologie buněčné reprodukce prokaryotní a eukaryotní buńky.
Buněčná symetrie a asymetrie cytokineze. Abnormalita a poruchy cytokineze.
Úloha buněčné stěny v procesu cytokineze. (Rozdíly v případě grampozitivních a
gramnegativních bakterií).
Dělení buněčných protoplastů. Sledování a experimentální podmínky.
Specifické a nespecifické procesy buněčného dělení.
Experimentální význam inhibitorů buněčného dělení. Důsledky inhibice replikace DNA, a
specifické inhibice jaderného dělení.
Řízení buněčné reprodukce
Regulační úloha malých a velkých molekul.
Regulační úloha buněčné velkosti.
Kontaktní inhibice buněčné reprodukce.
Regulační úloha syntézy buněčné stěny – stěnového materiálu.
Regulační úloha cytoplazmatické membrány. Změna membránové konfigurace.
Gentická determinace
Genom buněčného dělení. Experimentální význam specifických mutantů. Význam
termosenzitivních mutantů.
Mitóza
Model procesu mitózy savčí buňky. Funkce a základní charakteristika kinetochoru.
Experimentální přístupy studia procesu mitózy.
Buněčný pohyb
Modely buněčného pohybu. Modely vnitrobuněčného pohybu.
Význam buněčného pohybu diferencovaných buněk makroorganismu.
Význam pohybu jednobuněčného organismu.
Lokomoční orgány prokaryotické a eukaryotické buňky. Vlastní pohyb vs buněčný pohyb.
Regenerace a auto-organizace orgánů buněčného pohybu.
Amoeboidní pohyb
Změna pohybu – taxe (model chemotaxe)
Základní význam, princip a komponenty chemosensorického systému (model
jednobuněčného prokaryotního organismu.
Excitace – adaptace systému. Strategie změny směru a rychlosti rotace orgánu pohybu –
dráhy pohybu. Spřažení mechanického pohybu se zdrojem energie.
Buněčné vnímání atraktantu a repelentu . Prostorový mechanismus kontroly směru
bakteriálního pohybu. Časový (paměťový) mechanismus.
Magnetotaktické chování
Model magnetotaktického chování bakteriální buňky. Schopnost buněčné geomagnetické
orientace. Vnitrobuněčný magnetický dipól. Ilustrace problematiky buněčné biologie
v kontextu mikrobiologie, nanobiotechnolgie, biogeochemie a magnetosensoriky
makroorganismů.
Morfologická variabilita magnetotaktických buněk. Multibuněčné typy.
Variabilita orgánů pohybu magnetotaktických bakterií.
Magnetotaxe vs buněčné chování v magnetickém poli.
Struktura magnetozomu, kompartment magnetozomu, uložení Fe3O4 , Fe3S4.
Chování a uspořádání krystalového komponentu magnetozomu.
Membránové proteiny magnetozomu.
Pohyb cytosolu
Vnitrobuněčný pohyb cytosolu (protoplasmy) prokaryotní a eukaryotní buňky.
Statické vrstvy cytosolu. Cyklóza cytosolu rostlinné buňky.
Pohyb cytosolu a buněčných kompartmentů.
Mechanická funkce vnitrobuněčných struktur.
Buněčné kontraktilní komponenty
Mikrofibrilární aparát. Základní charakteristika myosinu.
Asociované bílkoviny. Prostorová interakce filament.
Energetický zdroj kontrakce.. Úloha Ca2+;
Buněčná excitace
Model neuronu. Axoplasma. Membrána neuronu. Excitační potenciál. Klidová stadia.
Iontový gradient. (Na+-K+, ATPasa). Membránová polarita.
Přenos nervového vzruchu. Charakteristika synapse. Pre-synaptické oblasti.
Excitační a inhibiční synapse.
Buněčný povrch
Buněčný povrch – komplex povrchových struktur buněčného kompartmentu.
Buněčný povrch jako struktura vymezující:prostor vnitrobuněčný, mimobuněčný a
mezibuněčný.
Základní makrostruktury komplexu povrchový struktur. Prostor periplazmatický.
Význam interakce buněčného povrchu s povrchy biotickými a abiotickými.
Aditivní vrstvy buněčného povrchu vs buněčný typ.
Buněčná stěna prokaryot a rostlinné buňky vs glykokalyx buňky živočišné. Obecný význam a
individualita stavby obou struktur.
Povrchově vázaný a uvolňovaný mimobuněčný materiál. Vztah jeho složení a funkce.
Vnější „mikro-prostředí“ buňky. Mikroprostředí suspenzní a upoutané buňky. Kompoziční
variabilita. Fyziologické působení tohoto hypotetického prostoru.
Obecný vztah struktury a funkce buněčné stěny. Obecný model buněčné stěny.
Individualita rigidní části buněčné stěny.
Kontakt buněčné stěny a cytoplazmatické membrány vs buněčný typ.
Hypotetické funkce periplazmatického prostoru. Experimetální dostupnost periplazmatického
prostoru.
Obecné principy morfogeneze buněčné stěny.
Metodologie studia růstu buněčné stěny.
Enzymový aparát buněčné stěny.
Cílená degradace buněčné stěny. Cílená aplikace hydrolyticých enzymů vs další metodické
přístupy.
Osmotická fragilita a skladování protoplastů.
Funkce a vlastnosti buněčného povrchu
Obecné funkce buněčné stěny: determinace buněčného tvaru
fyzikálně – chemická a mechanická protekce
molekulové interakce
mezibuněčné interakce
úloha v procesu buněčného růstu, pohybu a reprodukci
specifická a nespecifická účast v buněčném transportu
specifické vazebné interakce (virová částice, protilátka atd.)
vazebné interakce v procesu upoutání celé buňky.
Elektrokinetiké vlastnosti buněčného povrchu. Povrchový náboj a potenciál.
Úloha a funkce bakteriálních fimbrií. Typy fimbrií.
Úloha buněčného povrchu ve specifické buněčné rezistenci.
Stárnutí buněčného povrchu.
Poruchy stavby a morfogeneze buněčného povrchu.
Experimentální přístupnost buněčného povrchu.
Význam poměru buněčného povrchu k buněčnému objemu
Specifický povrch vs kontakt buňky a prostředí.
Funkce podbuněčných struktur
Prokaryotní buňka
Vznik struktury mesozomu. Experimentální dostupnost mesozomu.
Pravděpodobný funkční význam mesozomu jako prokarytního „pseudo“ kompartmentu.
Význam četnosti a varaibility mesozomálních struktur. Stavy umožňující isolaci.
Význam zvýšení objemu buěčné membrány.
Eukaryotní buňka
Strukturně – organizační úroveň ve srovnání s buńkou prokaryotní. Význam vnitrobuněčného
členění. “Viditelné a neviditelné” kompartmenty.
Struktury vnitrobuněčného depozitu.
Aparát organel
Mitochondrie: Základní koncepce stavby a strukturní variabilta, podopbnost s prokaryotní
buňkou, četnost, základní (obecné) biochemické funkce, proteoszntetický aparát, mt DNA.
REprodukce mitochondrií.
Semi-autonomie mitochondrií.
Golgiho aparát: Základní koncepce stavby. Diktyozom vs Golgiho complex. Funkce
biochemické afunkce v aparátu buněčných procesů. Komunikace a sekreční funkce Golgiho
aparátu. Funkční polarita diktyozomu.
Endoplazmatické reticulum: Základní koncepce stavby. Granulované a hladké ER.
Sarkoplamatické reticulum svalové buňky. Funkce v proteosyntéze a post-syntetické
modifikaci proteinů. Funkce transportní. Zdroj buněčné membrány.
Lysozom: Stavba a obecné vymezení biodegrdační funkce. Enzymový aparát. Stadia
ontogenetického vývoje (primární – terciální lysozom). Aparát multivezikulárních těles.
Vakuola rostlinné buňky: Základní funkce v lytických procesech buňky. Variabilita velikosti.
Komposice vakuolární matrix. Vakuolární inkluze.
Plastidy rostlinné buňky: Chloroplasty - vztah organizace a funkce. Struktura tylakoidů
Stručné vymezení nomenklatury dalších plastidů. Polyfunkční platidy.
Izolace a experimentální použitelnost individálních buněčných organel.
Cytologický obraz organel jako diagnostický znak.
Recyklace membrán buněčných organel.
Buněčný transport
Evoluční vývoj transportních mechanizmů v kontaktu buňka – vnější prostředí z hlediska:
vstupu použitelných i potenciálních živin, selektivního uvolňování metabolitů / biopolymerů a
stabilizace (udržování) iontové rovnováhy.
Nespecifický transmembránový pohyb organických molekul
Jednoduchá difúze. Nespecifický , energeticky nezávislý pohyb malých a velkých molekul,
vody. Preference látek rozpustných v membránových lipidech. Vstup xenobiotik. Ilustrace
transportu prostřednictvím rozpuštění v membránových lipidech, zachycením roztoků
v rychle migrujících řetězcích hydrofilních mastných kyselin a pohybu hydrofilními póry
v blízkosti pohyblivých membránových bílkovin.
Omezený význam.
.
Specifické transportní systémy
Interakce molekuly solutu se specifickou membránovou bílkovinou. Univerzální model:
vazba – translokace – uvolnění (analogie interakce enzym – substrát)
Usnadněná (zprostředkovaná) difúze. Interakce se specifickou membránovou bílkovinou,
nevyžadující dodání energie. Neexistuje transportní rovnováha, tedy transport proti
koncentračnímu gradientu. Vztah k buněčnému typu: četnost u buňky živočišné vs transport
monosacharidů kvasinkovou buňkou.
Iontový symport – aktivní sekundární transport. Energeticky závislý transport proti
koncentračnímu gradientu. Úloha rozdílu elektrochemického potenciálu, který je formován
pro H+ nebo Na+ funkcí membránové pumpy.
Transport s účastí vazebné bílkoviny. Modelově transport mikroorganismů. Nezávislost na
elektrochemickém gradientu, ale na štěpení ATP. Periferní a integrální membránová
lokalizace vazebné bílkoviny.
Systém skupinové translokace. Chemická modifikace transportovaného substrátu. Přenašeč
vybaven enzymovou funkcí (přenos + fosforylace).
Transport iontů
Složitost a specifita systémů přenášejících kationty. Energetická závislost. Spojení s
oxidačními a fotochemickými reakcemi. Úloha specifických ATPas.
Vazebné bílkoviny pro anionty.
Regulace transportní activity.
Regulace syntézy a aktivity transportních bílkovin. Význam degradace těchto bílkovin.
Rámcová podobnost s principem induce syntézy enzymu. Kostitutivní transportní
mechanizmy. Individualita poločasu transportních bílkovin. Buněčná lokalizace aparátu
degradujícího eukaryotní transportní bílkoviny.
Faktory ovlivňující aktuální aktivitu transportních mechanizmů. Vliv pH, specifických a
nespecifických inhibitorů, indukovaných změn v membránovém složení, vnitrobuněčné
koncentrace transportovaného substrátu.
Buněčná diferenciace
Buněčný genotyp a fenotyp
Vztah buněčného fenotypu a buněčného genotypu v kontextu
jejich individuální
proměnlivosti. Schopnost buňky reagovat na změnu mimobuněčného i vnitrobuněčného
prostředí. Rychlost buněčné odpovědi vs buněčný typ. Faktory, které ovlivňují rychlost
genového vyjádření. Variabilita strategie genového vyjádření téhož genotypu.
Buněčná diferenciace
Proměnlivost buněčného fenotypu na pozadí stávajícího (nezměněného) stavu genotypu.
Fyziologický význam diferenciace jednobuněčných organismů. Fyziologická adaptace
jednobuněčného organismu jako aktuální buněčná diferenciace.
Buněčná diferenciace v populaci buněk makroorganismu.
Buněčná diferenciace vs regulace syntézy a aktivity genového produktu.
„Dědičný“ charakter diferenciace - kontinuita fenotypu v potomstvu diferencované buňky, v
podmínkách, které již vyžadují jinou strategii genového vyjádření.
Buněčná diferenciace v ontogenezi populace jednobuněčného organismu.
Diferenciace jako diagnostický znak. Diferenciace „biochemická“ a „morfologická“
Diferenciace jako součást „genetického programu“ buňky.
Diferenciace cytologického obrazu buňky prokaryotní a eukaryotní..
Vnitrobuněčná a mimobuněčná indukce diferenciace.
Diferenciace buněk makroorganismu
Stav zygoty a „finální“ stavy následné populace somatických buněk. Identita genotypu
somatických (diferencovaných) buněk.
Ne-diferencované kmenové buňky. buněčná totipotence.
Dráhy diferenciace somatických buněk a jejich vnitrobuněčná a mimobuněčná stimulace.
Ilustrace modelu diferenciační proliferace kmenové buňky do stavu erytrocytu.
Podstata a smysl „terapeutického“ klonování
Úrovně buněčné diferenciace.
Buněčná úroveň. Progresivní morfologické a biochemické změny v čase difernciačního
procesu. Charakter finálního fenotypu diferencované-specializované-somatické buňky.
Individualita proteomu diferencované somatické buňky.
Úloha „paměťových“ buněk v diferenciačním procesu.
Úroveň buněčné sub-populace. Vliv mimobuněčných faktorů v individuálním stádiu
diferenciačního procesu buněčné populace.
Nevratnost diferencovaného stavu somatické buňky.
Patobiologie buňky
Problematika buněčného stavu a buněčných funkcí za kvalitativně / kvantitativně odlišných
vnitrobuněčných i mimbuněčných podmínek, nebo makro-organizmálních chorobných stavů.
Disciplina spojující buněčnou biologii s „fyziologickou chemií“, specificky integrující
buněčnou a molekulární biologii s biochemií abnormálních buněčných stavů a procesů.
Patologická buněčná změna
Konfrontace poznané buněčné anomálie se symptomy chorobného stavu makroorganismu je
cestou k poznání jeho podstaty.
Ilustrace: Změna / analýza struktury organel živočišné buňky.
Kompartment buněčného jádra. Změna hustoty a agregace karyoplazmy. Destrukce
karyoplazmy vznik pseudo- vakuolárního aparátu. Denaturace a enzymové odbourání DNA a
jaderných bílkovin. V znik specifických jaderných inkluzí. Formy jaderného rozpadu
(karyoexie). Hypertrofie jadérka. Anomální zvýšení syntézy RNA a ribonukleoproteinů.
Změna porozity jaderné membrány. Destrukce jaderné membrány.
Granulované endoplazmatické retikulum. Změna v aparátu polyzomů. Uvolňování vázaných
ribozomů. Dilatace tubulů retikula. Celková morfologická změna granulovaného retikula.
Porozita povrchové membrány. Vznik amorfních a krystalických inkluzí. Vznik vnitřních
tubulárních struktur.
Hladké endoplazmatické retikulum. Hypertrofie (tři fáze: indukce, rovnovážný stav,
dekompenzace). Změna enzymového aparátu. Změna schopnosti odbourávat některá
xenobiotika a sekundární metabolity. Individuální vztah mezi zvýšením objemu této
organely a její buněčnou funkcí.
Golgiho aparát. Anomální změny mohou být výrazně spojeny s funkční diferenciací buňky
(např. buňky s regulovanou a neregulovanou sekrecí). Poruchy ve vývoji a uvolňování
transportních membránových struktur (vesikulárního aparátu).
Mitochondrie. Výrazné změny v počtu a velikosti individuálních mitochondrií. Změny
velikosti prostoru mezi vnější a vnitřní membránou. Tvarové změny mitochondriálních krist.
Změny enzymového aparátu a biochemických funkcí. Vznik intra-mitochodriálních inkluzí.
Nadměrný depozit vápníku.
Lysozomy. Indukovaná destrukce povrchové membrány s následným uvolněním
hydrolytického aparátu kompartmentu lysozomu. Širší škála induktorů této membránové
destrukce (např. vliv stresorů, steroidních hormonů atd.). Zvýšení účasti lysozomů
v autodestrukci buněčných struktur (stavy buněčné intoxikace). Fúze se sekrečními vezikuly
spojená s pohlcením a destrukcí vlastního cytosolu. Porucha ve vývoji fagolysozomů
potlačující vitálně důležitou funkci fagocytosy (resitence k vntrobuněčnému bakteriálnímu
parasitizmu). Hypertrofie objemu kompartmentu lysozomu.
Změny buněčné pigmentace. Akumulace pigmentové složky. Změny v uložení a barevné
změny. Chemická modifikace pigmentu.
Akumulace železa. Agregované formy feritinu a apoferitinu (bílkovinný konjugát).
Akumulace v podobě hemosiderinových granul.
Buněčné stárnutí / buněčná smrt
Proces buněčného stárnutí - podstata ontogenetického vývoje buňky, vývojová vlastnost
metabolizmu. Obecné znaky změn základních buněčných funkcí: snižování metabolické
aktivity, snižování výkonu energetického metabolizmu, redukce mitochondriálního aparátu,
postupné snižovní aktivity buněčného genomu (postupné omezování vyjádření genetické
informace), akumulace mutací buněčného genomu, postupné snižování schopnosti
fyziologické adaptace, snižování schopnosti buněčné recepce (redukce celkové hladiny
receptorových bílkovin). Problematika času zahájení procesu stárnutí somatických buněk.
Ilustrativní dílčí znaky stárnutí: Změny v molekule DNA. Změny morfologie jaderného
kompartmentu. Chromozomální aberace. Snížení aktivity membránových ATPas s následnou
změnou závislých membranových funkcí. Vnitrobuněčná akumulace některých pigmentů.
Tvarové a funkční změny buněčných orgnel. Redukce celkového počtu ribozomů. Degenerace
a snižování celkového počtu mitochondrií. Vlastnost semi-permeability membány se mění
v neselektivní propustnost.
Typ buněčné smrti
Smrt fyziologická. Výsledek postupného procesu buněčného stárnutí. Závislost
intervalu individuálního života buňky na buněčném typu a dalších fyziologicky
působících faktorech.
Smrt náhlá (patologická). Výsledek aktuální buněčné odpovědi na interferující faktory
fyzikální, chemické nebo biologické, včetně jejich kombinace.
Smrt degenerativní. Výsledek dlouhodobého působení interfrujícího faktoru(ů).
Znaky buněčné smrti (příklady): Zástava enrgeticko-metabolické funkce mitochondrií /
inhibice produkce ATP. Ztráta základních membránových funkcí. Potlačení anabolického
metabolizmu. Zahájení autolytických procesů. Destrukce buněčných struktur. Diagnostika
předletálních stavů.
Buněčná adaptace / programovaná smrt
Dvě buněčné odpovědi na vliv stresového faktoru, fyzikálně chemické inaktivace a vliv
buněčné interferencie s biologickým agens.
Adaptace. V daném kontextu buněčná schopnost opravy nebo stabilizace terčové struktury,
popř. schopnost cílené destrukce (eliminace) poškozené (terčové) struktury. Cytodiferenciace
buňky jako forma buněčné adaptace.
Programovaná smrt (apoptóza). Indukce programu buněčné smrti jako nástroje geneticky
determinované (řízené), seletivní eliminace některých (poškozených) buněk nebo tkání,
jejichž další přítomnost je pro makroorganismus přímo či nepřímo ohrožující. Aktivace
proteolytické kaskády – nevratný krok procesu programované buněčné smrti.
Sporulace bakteriální buňky
Model buněčné (cyto)diferenciace ilustrující buněčný zánik spojený se vznikem nové formy
(konverze vegetativní buňky ve spóru). Asymetrické fyziolgické rozdělení buňky, sekvenční
indukce jednotlivých kroků sporogeneze. Morfologie a cytologie finální spóry. Uvolnění
spóry autolytickým procesem buňky. Konverze spóry ve vegetativní buňku.
Jednobuněčný organismus jako systém
Organizace buněčné funkce
Základní ilustrace buňky jako živé soustavy. Relativní stabilita a dynamický
charakterbuněčné soustavy. Buněčná autonomie a její genetická determinace. Integrita
buněčné soustavy a úloha regulačního principu zpětné vazby. Základní charakteristika
buněčné komunikace. Změna buněčné struktury a buněčných vlastností z hlediska vlivu
krátkodobých a dlouhodobých změn v mimobuněčnému prostředí.
Strukturní organizace buňky – principy určující buněčnou stavbu.
Funkční organizace buňky – principy určující žádanou funkci a časoprostorovou lokalizaci
buněčných procesů. Existence buňky v čase. Organizace buněčné funkce jednobuněčných
organismů.
Hiearchizovaný systém strukturní buněčné organizace
Jednobuněčný organismus – biologický objekt – experimentálním přístupem poznatelný
pouze ve své části. Individuální časti této reality jsou jejími prvky. Množina těchto prvků s
odhaleným vztahem interakce tvoří určitý systém. Takto je v biologickém systému
experimentálními přístupy obecně definována řada systémů (subsystémů) a poznáván jejich
hierarchizovaný vztah a uspořádání. Jednobuněčný organismu – hierarchicky uspořádaný
sytém, jehož prvky jsou subsystémy nižších řádů. Nadřazenost a podřízení subsystémů.
Klasifikace (sub)systémů pomocí představy o buněčné morfogenezi.
Systémy prvého řádu – polymery malých molekul, které mohou vytvářet nadmolekulové
útvary (konstrukty) – systémy druhého řádu. Tyto mohou na stejném principu dále tvořit
sytém vyššího řádu.
Rozlišení z hlediska zavislosti vlastností systému:
Systém kolektivní (meristický) - vlastnosti systému nejsou závislé na počtu prvků, který
systém tvoří. (Např. vlastnosti lineárního polysacharidu)
Systém distributivní (holistický - vlastnosti systému jsou závislé na počtu prvků a jejich
uspořádání (Např. polypeptidický řetězec)
Ilustrace modelů (sub)systémů kolektivních,druhého řádu a (sub)systémů distributivních,
druhého – vyššího řádu. Význam vazebných , intermolekulárních interakcí.
Genetická determinace buněčné morfogeneze.
Genetická determinace biosyntézy nebílkovinného a bílkovinného stavebního materiálu.
Zdánlivá nedostatečnost takto determinované (celkové) morfogeneze .buňky –
jednobuněčného organismu. Závislost přesnosti morfogeneze systémů kolektivních,
distributivních, nižších a vyšších řádů. Závislost správných vazebných (kontaktních) interakcí
na počtu prvků.
Epigenetická informace
V dané souvislosti „sekundární“ informace určující obecně správné prostorové uspořádání
distributivních systémů prostřednictvím úlohy „matricové“ molekuly. Regulace vyjádření
genu determinujícího „matricový“ protein. Epigenetická paměť.
Regulace buněčného cyklu
Koncepce buněčného cyklu
Požadavek časové (časoprostorové) lokalizace buněčných procesů. Vymezení intervalu
individuálního života buňky. Kategorizace buněčných procesů, jejich integrace a význam pro
průběh buněčného cyklu. Procesy bez pevné a s pevnou časovou vazbou. Podmínky uzavření
(vyvrcholení) buněčného cyklu.
Mapa základních událostí buněčného cyklu.
Časová lokalizace fází b.c. (G1, S, G2, M,C). Diagnostické znaky buněčného
cyklu.Charakteristika programu jednotlivých fází vs „program cyklické reprodukce“. Stav G0.
Buněčný cyklus buňky prokaryotní a eukaryotní. (Ilustrace typů). Vliv
rozdílnéhomechanizmu karyokineze. Překryvné cykly. Disociace karyokinese a cytokinese –
cykly typu Gn. Růst buněčného povrchu v průběhu buněčného cyklu. Buněčný růst a hlavní
syntézy.
Regulace buněčného cyklu.
Genetická determinace „ideálního intervalu“ buněčného cyklu. Regulace vnitřním a vnějšími
faktory. Automatický průběh. Hierarchie regulačních mechanismů. Vztah buněčné velikosti,
délky intervalu buněčného cyklu a buněčné syntetické kapacity. Význam přesnosti
časoprostorové lokalizace buněčných procesů. Význam schopnosti fyziologické adaptace.
Obecný a specifický význam regulace syntéz a aktivity. Rozdíly u jednobuněčných organismů
prokaryotických a eukaryotických. Význam proteolytické inaktivace. Koordinace buněčných
procesů. První a druhá „uzlová“ kontrola vs časová variabilita G1 a G2 fáze. Význam a
mechanismus iniciace replikace jaderné DNA.
Model úlohy cyklin-dependentní (kvasinkové) kinasy. Charakteristika cyklinů G1 a G2 fáze
(mitotické cykliny).
Úloha komponentu Ap3A a Ap4A. Regulační funkce nukleotidu s předpokládanou funkcí
„alarmonu“ . Regulace buněčného cyklu v situaci buněčného stresu.
Hypotetický, regulující vliv celkové koncentrace bílkovin, ribozomů; a buněčného objemu.
Regulace biogeneze organel v průběhu buněčného cyklu (model kvasinkového
mitochondriálního aparátu)
Metodologie studia buněčného cyklu
Metody synchronizační. Populace asynchronní a synchronizované. Experimentální význam
křivky synchronizované reprodukce. Metody selekční. Metody indukční. (inhibice syntézy
DNA, deficience esenciální živiny atd). Stabilita stavu synchronizované reprodukce.
Použitelnost inhibičních pulsů.
Genetické metody. Problematika analýzy genomu buněčného cyklu. Funkční analýza.
Experimentální použitelnost mutantů s podmíněným vyjádřením fenotypu – mutanty
termosenzitivní.
Mezibuněčné interakce mikroorganismů
Mikrobní společenstva
Problematika homogenity a heterogenity mezibuněčných vztahů v tzv. čistých a smíšených
populacích. Vývoj fenotypové a genotypově odlišných sub-populací. Stabilita
monoklonálních (mikrobních ) společenstev.
Přirozená mikrobní společenstva z hlediska buněčné individuality, prostorové distribuce,
specifických fyziologických vlivů osídleného prostředí. Situace prostorových,
mnohobuněčných konstrukt, vznikajících lokálně koncentrovanou buněčnou reprodukcí.
Bariery mezibuněčného přenosu chemického signálu.
Selekční tlak určující prostorovou funkci buněčné (sub)populace. Význam gradientu
ubývajících živin a akumulovaných (toxických )metabolitů.
Biomechanická buněčná diferenciace v kontextu morfogeneze buněčné kolonie (buněčného
konsorcia).
Obecná kategorizace mezibuněčných interakcí
Aparát teoretických mezibuněčných interakcí (vztahů), který možné situace pouze rámcově
třídí. Problém metodologie, a dále variability a nereprodukovatelnosti velkého množství
faktorů, přímo či nepřímo určujících finální obraz vzájemného, mezibuněčného působení a
jeho stabilitu. Význam informace o způsobu získání a ontogenezi sledovaného společenstva,
v těchto souvislostech:
a) smíšené buněčné populace: cíleně připravené kombinací dvou a více taxonů známého
fenotypu.
b) smíšené buněčné populace: získané izolací z přirozeného prostředí s následnou stimulací
preferované reprodukce taxonu(ů) určitého fenotypu.
c) Smíšené buněčné populace: s taxonomickým profilem, který byl dlouhodobě selektován v
podmínkách in situ a existencí takto stabilizované funkce. Obecné kategorie negativních a
pozitivních mezibuněčných vztahů:
a) Konkurence: Obecná představa „konkurence“ převedena do vztahu dvou a více
(sub)populací usilujících o totéž;
b) Amenzalizmus – antibióza: (sub)populace jednoho taxonu potlačuje specifickým
prostředkem vývoj (sub)populace druhého;
c) Predace: asymetrický negativní vztah pro jednu ze (sub)populací nezbytný, pro druhou
nežádoucí;
d) Neutralita: nepředpokládaný (hypotetický) vztah s teoretickým významem;
e) Mutualizmus: pozitivní vztah, doložený jako vzájemně prospěšný pro přítomné
(sub)populace;
f) Komenzalizmus - metabiózas: pozitivní vztah, doložený jako jednosměrně prospěšný
pro jednu ze (sub)populací;
Uvedená kategorizace chápe mezibuněčné vztahy nejen jako vzájemné působení chemických
signálů, ale také jako působení funkcí individuálních (sub)populací, které stabilizují /
destabilizují mikrobní společenstvo.