V voj a r ozmanitost bu e n ho ivota
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 45

V ývoj a r ozmanitost (buňečného) života PowerPoint PPT Presentation


  • 57 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

V ývoj a r ozmanitost (buňečného) života. Roman Sobotka. Rozmanitost ž ivota. živočichové a rostliny. Protonov ý gradient je principem buněčné energetiky. Univerzální mechanismus pro všechny formy života. Baterie versus živá buňka.

Download Presentation

V ývoj a r ozmanitost (buňečného) života

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Vývoj a rozmanitost (buňečného) života

Roman Sobotka


Rozmanitost života

živočichové a rostliny


Protonový gradient je principem buněčné energetiky

Univerzální mechanismus pro všechny formy života...

Baterie versus živá buňka

Gradient protonů v buňce se vytváří (nejčastěji) za spotřeby energie elektronů ->

oxidací chemických sloučenin


Rozmanitost metabolismu

Různé formy života se odlišují ve strategii:

Co je primárním zdroji energie -> jak buňka získává ‘horké‘ elektrony

pro generování protonového gradientu?

Jak získat uhlík a ostatní stavební prvky (dusík, fosfor, železo..) ?->

použitelné pouze v redukované formě (CHx, NHx, Fe2+...)


Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku


Rozmanitost metabolismu

Z čeho elektrony brát (co je oxidováno)------> a kam je poté “vyhořelé“ elektrony

odevzdat (za vzniku čeho)

Fotoautotrofní

H2O (+ energie fotonů)----> O2 (H2O) - aerobně

H2S (+ energie fotonů) -----> Organická hmota - anaerobně

Chemolitotrofní

Fe2+, H2S, ... ------> CO2 (CH4)

H2 ------------------> CO2 (CH4)

CO (za vzniku CO2) ---------------> CO2 (CH4)

Fe2+ (za vzniku Fe2O3) ---------------> O2 (H2O)

Fotoheterotrofní

Organická hmota (+ energie fotonů) --------------> Organická hmota

Chemoheterotrofní

Organická hmota -------------------> O2 (H2O)

Organická hmota -------------------> CO2 (CH4)

Organická hmota -------------------> H+ (H2)

Organická hmota -------------------> Organická hmota (e.g. butanol)


Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA

Je možné rozpoznat tři domény života – Bacteria, Archea a Eukarya (Eukaryota)

LUCA

Last Universal Common Ancestor


Konstrukce stromu života na základě16S (18S) rRNA

Variabilní oblasti v případě 16S (18S) rRNA z malé podjednotky ribozomu.


Konstrukce stromu života – sekvence celého genomu

Počítáno na základě úplných

sekvencí genomů v roce 2006


‘Evoluce’ stromu života

Počátek byl asi hodně zamotaný (horizontální přenos DNA?) -> nelze rekonstruovat

Moderní modely se nesnaží strom “zakořenit“


Jak vznikla buňka (život)?

Před ~ 4 miliardami let

Vysoká koncentrace CO2, H2, NH3, metan,H2S, oceány, prakticky žádný kyslík

Oceány mírně kyselé, vyšší teplota, rozpuštěny vysoké koncentrace redukovaných kovů, síry, fosforu


Současné teorie původu buňky (života)

  • Prvotní život potřeboval stabilní přísun velkého množství energie – primitivní “metabolismus“ velmi málo efektivní

  • Nutná vysoká koncentrace organických látek, dlouhodobá izolace od okolního prostředí

  • Otisk nejstaršího metabolismu je pravděpodobně pyruvát <-> citrátový cyklus achemoosmotický potenciál (protonový gradient)

  • Nejstarší život obsahoval také dusíkaté báze, cukry a aminokyseliny a minerální katalyzátory jako FeS klastry, železo, fosfor, molybden...,

  • katalytické RNA jako následný krok

  • Není konzistentní s historickou (zažitou) „prapolévkovou“ teorií vzniku života

  • Všechny komponenty příliš naředěné, nestabilní prostředí

  • Jak se vytvoří lipidové kapičky?

  • UV záření nemůže fungovat jako zdroj energie – nestabilní, slabý zdroj, život ničí


Vznikl život v hydrotermálních systémech?

“White smokers“- Alkalické průduchy na

mořském dně

Vznikají reakcí slané vody s podložím

Porózní struktura sopouchu, mikrometrové komůrky probublávané H2, teplota do 70°C

V kyselém oceánu přirozený gradient protonů

(chemoosmotický potenciál)

V současnosti porézní struktury bohatě obydlené Archea a Bacteria

Autor hypotézy je Michael Russell (NASA)

Reakcí CO2 s H2 vzniká celé spektrum organických látek; extrémně vysoká koncentrace nukleotidů vsimulovaných podmínkách hydrotermálních pórů


Vznikl život v hydrotermálních systémech?

Chemoosmotický potenciál (protonový

gradient) je základní a univerzální způsob,

jak buňky generují energii


pyruvát

Krebsův (citrátový)

cyklus


LUCA

Last Universal Common Ancestor


Bacteria

Prokaryotní mikroorganismy (Prokaryota), všudypřítomné

Velikost několik mikrometrů, kulovité, válcovité, spirály..

Biomasa bakterií na Zemi je větší než biomasa všech ostatních forem života

Bakterie mají pouze jednu, případně dvě buněčné membrány

(Gram-negativní). Ale sinice ... viz. později

Chráněni buněčnou stěnou

~ 2mm

Nemají vnitřní membránové organely ani jádro .... ale obsahují dva buněčné kompartmenty (prostory) oddělené membránou – cytoplasma a periplasma

Rozmnožují se dělením – asexuální rozmnožování, ale praktikují určitou formu sexu

Pohyb umožněn bičíky a/nebo pili


Buněčná stěna bakterií

Kapsule – rozměrná struktura, pouze některé kmeny bakterií, často virulentní, kapsule

většinou tvořená polysacharidy, ale i polypetidy. Ochrana, zásobárna vody, přilnavost k

povrchům, např. k zubům

Peptidoglykan – polymery cukrů, síťovitá struktura, mechanická ochrana, pružnost –

syntézapeptidoglykanu blokovaná penicilínem


Gram-pozitivní bakterie

Peptidoglykan


Gram-negativní bakterie – mají dvě membrány

Periplasma je klíčová pro energetiku prokaryotní buňky


Organizace genomové DNA prokaryot

Většinou cirkulární chromozóm, několikmilionů páru bazí = 1-2 mm délka (buňka 1-2 mM)

Chromozóm je kondenzován ve středu buňky, ale obsahuje flexibilní kličky, které dosahují k plasmatické membráně.


Organizace genomové DNA prokaryot

Genomová DNA prokaryot kondenzovaná uprostřed buňky

Duplikace DNA předchází dělení buňky

Ribozómy jsou v oblasti, kde není DNA

ribozom

1x chromozóm


Bakterie

Eukaryota

Bakteriální cytoskelet

  • Cytoskelet je často prezentován jako unikátní struktura eukaryotních buněk

  • Během posledních 10 let byla přítomnost podobných struktur nalezena i u prokaryot

  • vlákna evolučně příbuzná k aktinovým vláknům a tubulinům

Aktinová vlákna v eukaryotní buňce


Spiroplasma

Bakteriální cytoskelet

Potvrzena funkce cytoskeletu v udržení tvaru buněk, nepochybně mnohem širší paleta funkcí ..

Bacillus subtilis


Bakteriální flagela (bičík)

Bičík má u gram-pozitivních 2 rotory (v cytoplazmatické membráně).

U gram-negativních jsou 2 rotory v cytoplasmatické mambráně a 2 v periplazmě.

Vlastní bičík složen z proteinu flagelinu.

Bakterie se pohybuje změnou rychlosti rotace – je daná rozdílem v koncentraci protonů v

periplasmě a v cytoplasmě (protonovým gradientem)

Periplasma

Peptidoglykan


DNA

Vir pilus

Bakteriální pili

  • Vlasové struktury na povrchu buněk

  • Kromě pohybu buňky po povrchu sepili účastní sekrece a přenosu DNA (transformace a konjugace – sex pilus)

  • Důležité pro virulenci bakterií

  • Řada stavebních komponent podobná u pilů a bičíku

  • Pohyb umožněn zkracováním a prodlužováním pilu

  • Specializovaný pilus – sekrece z buňky (často toxiny), DNA –>Vir pilus Agrobacterium –infekce rostlinných buněk, využívané v genovém inženýrství rostlin


Horizontální přenos DNA mezi bakteriemi

Bakterie jsou jednobuněčné organismy, ale tvoří agregáty, kolonie a čile interagují

Jsou schopné mezi sebou míchat genetickou informaci pomocí konjugace

– z definice se jedná o sex

Další formy získání cizorodé DNA:

Transformace – přijmutí a zabudování cizorodé DNA z prostředí, např. z mrtvých buněk

Transdukce – DNA se dostane do bakterie pomocí bakteriálních virů (fágů)

Každá bakterie je GMO ...


Konjugace – bakteriální forma sexu

Bakterie se propojí a přitáhnou pomocí specializovaného pilu – sex pilu, dojde k těsnému

kontaktu

Pomocí pilu dojde k přenosu cirkulární (plasmidové)DNA – výrazně kratší než genomová DNA

Plasmidy obsahují často “užitečné geny“ jako je rezistence k antibiotikům, speciální enzymy atd.

Geny mohou být později integrovány do genomu

Sex pilus


Sinice - Cyanobacteria

  • Fotoautotrofní bakterie s oxygenní fotosyntézou

  • - produkují kyslík – odpad metabolismu

  • mají speciální membrány (thylakoidy) s fotosyntetickým aparátem

  • (fotosystém 1 a fotosystém 2)

  • obsahují chlorofyl

  • Přítomné na Zemi před >3.0 miliardami let

  • První mnohobuněčné organismy se specializovanými buňkami - heterocysty, kde dochází k fixaci vzdušného dusíku (redukce N2 -> NH4)

thylakoidy

heterocysta


Sinice a obsah kyslíku v atmosféře

Sinice formovaly atmosféru a geologické podmínky na Zemi, určovaly vývoj dalších forem života


DoménaArchaea

  • Jednobuněčné organismy, podobají se bakteriím (jedná se o prokaryota), ale mají

  • nezávislou evoluční historii.

  • Poprvé rozpoznány jako samostatná skupina v 1977 pomocí sekvencí rRNA genů

  • Archea od “archaické” – znaky nejstarších forem života

  • Archeavšudypřítomní podobně jako bakterie, ale navíc převládají v extrémních podmínkách

  • extrémní teploty, salinita, pH (jak kyselé, tak zásadité)


Kde žijí (téměř pouze) Archaea

Salt lake, Utah salinita až 27%

Soda lake, Egypt, pH 11

Grand Prismatic Spring,

Yellowstone National Park, 70°C

Rio Tinto, Španělsko, odtok z dolů, pH < 4


Archaea nemají fotosyntézu, ale ..

mají bakteriorhodopsin, halorhodopsin

  • Podobný protein (rhodopsin) jako v oku savců

  • Dokumentuje, že rhodopsinový receptor je evolučně velmi starý vynález – měla už LUCA

  • Využití jako světlem poháněná protonová pumpa, nebo jako receptor na světlo


Metanogenní Archeae

Produkují methan jako odpadní produkt metabolismu

Častý typ metabolismu u Archea

Striktně anaerobní – nesnášejí kyslík, abundantní uvnitř “bílých kuřáků“

Methanocaldococcus jannaschii je modelová Archea

~1700 genů, cirkulární genom, 1.7 milionu bazí

~50% unikátních genů, které nejsou u Eukaryota a Bacteria

Geny pro metabolické dráhy – příbuznější k Bacteria

Geny pro transkripci a translaci - příbuznější k Eukaryota


Metanogenní Archea


Metanogenní

metabolismus

CO2 zabudováno do organických

molekul přes Acetyl-Koezym A


Eukaryota

Chemické pozůstatky eukaryot staré 2.7 miliardy let

Nejstarší mikrofosílie - 1.5 miliardy let

>10 000x větší objem buňky než prokaryota (bakterie a archea)

Mají vlastní elektrárny –> mitochondrie, systém vakuolárního transportu,

složitý cytoskelet, rozsáhlý genom rozdělený na chromozómy a uložený v jádře

Fotosyntetické eukaryota (řasy, rostliny) mají chloroplasty – zabudované sinice

Vyšší hladina kyslíku v atmosféře pravděpodobně nezbytná pro vznik eukaryot


ProkaryotaversusEukaryota


Eukaryota - fylogeneze

photoautotrofní


Protista jsou +/- jednobuněční eukaryota

Historické členění, parafyletická skupina

Řasy – protisté podobní rostlinám

Prvoci – protisté podobní živočichům


Původ eukaryot

Eukaryotní buňka se jeví jako chiméra baktérie a archea

Všechny eukaryotní buňky mají pravděpodobně původ v jediné takové chiméře

Měla původní “archea“ jádro? K čemu?


Chimerický původ eukaryot

ATP syntáza typ IV – pouze Archea a Eukaryota

DNA asociovaná s histony - pouze Archea a Eukaryota

Sekreční systém podobný u Archea a Eukaroya


řasa

Volvox

měňavka

Dictyostelium

Mnohobuněčnost a diferenciace

~ před 2 miliardy let

Veškerý komplexní mnohobuněčný život (Metazoan) složen z eukaryotních buněk

(> 2mild let)Nejstarší fosílie mnohobuněčného eukaryotního

organismu? Grypania Spiralis - možná řasa, ale ...

~ 500 mil let – Ediakarní fauna


Modelové organismy pro studium mnohobuněčnosti

  • sinice Anabenna

  • měňavka Dictyostelium

  • hlístice háďátko Caenorhabditis elegans

  • moucha octomilka Drosophila melanogaster

  • rostlina Arabidopsis thaliana

  • žába (Xenopus), kuře a myš


  • Login