ŽIVOTNÍ FUNKCE NA ÚROVNI BUŇKY

Tok látek: Buňka je z fyzikálního hlediska otevřený systém – dochází k výměně látek i energie s prostředím. Látky, které do buňky vstupují, jsou nutné pro krytí energetické potřeby, ke stavbě buněčných struktur, pro normální chod metabolických procesů a pro regulační činnosti. Mohou do ní však také vstupovat látky, které pro ni namají žádný význam nebo ji poškozují. Buňka naopak vydává látky, které jsou pro ni zbytečné nebo škodlivé, látky užitečné pro jiné buňky v organismu, látky ochranné. Buňka může z okolí přijímat nebo do okolí vydávat plyny, ionty, malé molekuly organických látek, makromolekuly a některé buňky i mikroskopické částice. Pro příjem a výdej těchto látek se v průběhu fylogeneze vyvinuly různé buněčné, fyzikální a chemické mechanismy.
Při vstupu do buňky fungují určité fyzikální mechanismy, z nichž nejvýznamější jsou difúze a osmóza – pasivní transport.

DIFÚZE: Difúze je volné prolínání látek přes cytoplazmatickou membránu. Prolínat mohou molekuly velikosti vody nebo menší (zejména neelektrolyty – alkohol, močovina – některá barviva, jedy léčiva). Rychlost difúze je přímo závislá na koncentračním spádu a teplotě a nepřímo závislá na velikosti difundujících molekul a viskozitě prostředí, ve kterém probíhá. Buňka nemůže ovlivnit směr a rychlost prolínání látek. Koncentrace těchto látek uvnitř buňky je tedy závislá na jejich koncentraci vně buňky. Teoreticky tedy difúze probíhá dokud se koncentrace látky vně a uvnitř buňky nevyrovnají. V praxi však buňka většinou přijaté látky dál zpracovává, a proto se dufúze děje neustále.
Zvláštní typ difúze je difúze přes bílkovinný kanál cytoplazmatické membrány. Tento kanál umožňuje pronikání látek větších než molekula vody. Tento transport je náročnější na energii a buňka ho může ovlivnit tím, že zablokuje bílkovinný kanál.

OSMÓZA: Osmóza je vlastně zvláštní případ difúze vody. Velkou roli zde hraje osmotický tlak – , který musí být v obou prostředích stejný – vyrovnaný = izotonické prostředí. Toto prostředí je nutné pro přežití buňky, která musí udržovat stálost vnitřního prostředí – homeostáza. Není-li osm. tlak vyrovnaný, musí ho buňka vyrovnat. Jelikož ale částečky rozpuštěných látek nemohou membránou projít, vyrovnává se tak, že se jedno, nebo druhé protředí ředí vodou – voda proniká do buňky nebo z buňky. Rychlost průchodu vody přes membránu je závislá na velikosti rozdílu koncentrací prostředí. V případě nevyrovnanosti osmotického tlaku dochází ke dvoum osmotickýpm jevům
– hypotonické prostředí – p b – voda jde z buňky, dochází k plasmolýze (buňka je postupně odvodňována až vyschne a úplně se scvrkne).

Další forma transportu látek přes membránu je TRANSPORT POMOCÍ BÍLKOVINNÉHO PŘENAŠEČE -aktivní transport: Bílkovinný přenašeč naváže látku. pro kterou je uzpůsoben, otočí se s ní v cytoplazmatické membráně a vypustí ji na druhé straně. Tento transport je náročný na energii, ale buňka může ovlivňovat rychlost i směr transportu – může působit proti koncentračnímu spádu.

Jinou formu transportu látek do vnitřního prostředí buňky přestavuje ENDOCYTÓZA, která se ještě rozděluje na fygocytózu a pinocytózu. Touto formou jsou transportovány především makromolekuly a molekulární komplexy. Oba procesy jsou náročné na energii, ale buňka může ovlivnit směr tranportu.

FAGOCYTÓZA: Přijímání látek tímto způsobem je omezeno pouze na některé buňky – někteří prvoci (měňavky), bílé krvinky a některé jiné tkáňové buňky. Prvoci takto přijímají potravu, fagocytární schopnost bílých krvinek je velmi důležitá při ochraně organismu.
Fagocytózou jsou přijímány větší tuhé částice. Buňka vysílá kolem částeček cytoplazmatické výběžky – panožky, které nakonec částečku zcela obklopí, a tak uzavřou uvnitř. Tím se odštěpí cytoplazmatická membrána, která se uvnitř postupně rozpustí. Na vysílání panožek se podílí kontraktilní bílkoviny cytoplazmy.

PINOCYTÓZA: Přijímat látky pinocytózou umí prakticky všechny buňky. Při pinocytóze se na povrchu buňky vyvtvoří vchlípením cytopazmatické membrány malá jamka, která se prohlubuje až v dlouhý chobot. Tato vchlípená část se později v úrovni povrchu buňky odšktí a vzniká tzv. pinocytosový měchýřek, který se již nachází uvnitř buňky. Velikost těchto měchýřků je různá od několika – m až do sta °A. Obsah měchýřku potom přechází do cytoplazmy.

Buňka se také aktivně podílí na transportu látek přes membránu opačným směrem – ven. Tyto výdeje látek buňkou se obecně nazývají EXTRUSE. Extrusi můžeme rozdělit na tři základní typy – rekreci – vylučují se látky, které buňka přijala nezměněné (ionty, voda…), – exkreci – vylučují se nepotřebné nebo škodlivé produkty metabolismu buňky, – sekreci – vylučují se látky zužitkované, či nezbytné pro jiné buňky téhož organismu. Exkrece se může dít několika způsoby, které jsou v podstatě obrácené postupům přijímacím – DIFÚZE, OSMÓZA, BÍLKOVINNÝ PŘENAŠEČ, OBRÁCENÁ PINOCYTÓZA = EXOCYTÓZA. Zvláštní roli při exocytóza hraje Golgiho komplex, který vytváří měchýřek, ve kterém jsou uzavírány látky určené k transportu. Speciálním útvarem provylučování jsou u některých buňek vakuoly.

CYTOPLAZMATICKÁ MEMBRÁNA: Cytoplazmatická membrána, někdy nazývaná biomembrána, ohraničuje buňku od okolí. Pomocí ní se uskutečňuje výměna látek a energií a jsou přijímány životně důležité signály. U prokaryotních organismů je biomembrána jedinou membránovou strukturou. Biomembrány eukaryotních buněk obvykle obsahují steroid cholesterol, který se u prokaryot nevyskytuje. Struktura biomembrán obou typů buněk je velmi podobná, což svědčí o tom, že princip organizace biomembrán je velmi starý.
Hlavní stavební složkou biomembrán jsou fosfolipidy. Molekuly fosfolipidů jsou uloženy ve dvou vrstvách. Každá molekula má nepolární – hydrofobní – část tvořenou uhlíkovým řetězcem mastné kyseliny a polární – hydrofilní – tvořenou karboxylem s estericky vázanžm glycerolem, kyselinou trihydrigenfosforečnou a cholinem. Fosfolipidy jsou v membráně uspořádány tak,že jejich hydrofilní části jsou na okrajích membrány a jejich hydrofobní části směřují dovnitř. Další složkou membrán jsou cukry a glykoproteiny, které plní fci receptorů , a signální molekuly, které plní dorozumívací fci. Dále membrána obsahuje bílkoviny, které slouží k transpotu. Biomembrána je propustná provodu a částice v ní obsažené, které nepřesahují velikost molekuly vody – je semipermeabilní.

Tok energie: Nerušený chod buněčného metabolismu vyžaduje neustálý přívod energie V buňce energie ani navzniká ani nemizí, pouze se přeměňuje energie chemických vazeb na jinou – vytváří tedy energii pomocí chemických reakcí. Tyto reakce rozdělujeme na dva základní typy. Reakce endergonické, tj. reakce, ktré proběhnou pouze tehdy, je-li jim dodáno potřebné množství energie, a reakce exergonické, tj. reakce, které naopak energii uvolňují. Samovolně, tedy spontálně, probíhajípouze reakce exergonické. Všechny buňky, až na malou skupinu organismů, získávají energii štěpením organických látek, nejčatěji glukosy. Podle toho, jak tyto látky získávají, rozeznáváme tři skupiny organismů:

PROTOTROFNÍ: Prototrofní organismy mohou růst, je-li přítomen CO2, voda a oxidabilní sloučenina nabo prvek. Oxid uhličitý je tedy jediný zdroj uhlíku a energie k jeho využití je dodávána z oxidace prvků nebo anorganických sloučenin. Touto látkou mohou být plynný vodík, síra, soli železa a manganu,nitrity, čpavek, sirovodík, metan, formaldehyd… Efektivnost tohoto způsobu získávání energie je velmi malá. Prototrofie je omezena pouze na některé druhy bakterií. Tyto bakterie se nazývají zpravidla podle toho, jaký substrát oxidují – sirné, uhlíkové, metanové… Prototrofie je fylogeneticky velmi starý způsob přijímání energie. Prototrofní organismy bývají někdy nazývány chemolitotrofní.

AUTOTROFIE: Autotrofní organismy si samy vytvářejí z neorganických látek látky organické, primárně glukosu. V rostlinné buňce se glukosa vytváří z vody a CO2, při čemž je jako energie využívána energie světelná. Tento proces se nazývá fotosyntéza. K autotrofním organismům patří některé bakterie (tzv. fotosyntetické), někteří prvoci, sinice, řasy a všechny zelené rostliny.
rovnice fotosyntézy: 6 CO2 + 6 H2O energie > C6H12O6 + 6 O2

HETEROTROFIE: Heterotrofní organismy nemají schopnost transformovat světelnou energii do chemických vazeb, nemohou si tedy vytvořit látky bohaté na energii a jsou odkázány na jejich přísun zvenčí. Tyto organické látky pocházejí primárně vždy z buněk rostlinných a sekundárně také z buněk živočišných. K heterotrofním organismům patří většina bakterií, houby, nezelené parazitující rostliny a celá živočišná říše.

UVOLŇOVÁNÍ ENERGIE BUŇKOU: Všechny buňky uvolňují energii chemických vazeb v podstatě stejným způsobem. Tato transformace ale nemůže proběhnout jednorázově, protože by se uvolnilo velké množství tepla, které by zničilo buněčné struktury. Energie z organických látek se proto uvolňuje postupným štěpením vazeb. Uvolňování energie z glukosy může probáhat dvěma způsoby: jednak rozštepením uhlíkového řetězce za nepřístupu kyslíku – anaerobní glykolýzou – jednak postupnou oxidací vodíku odňatého sobstrátu na vodu – oxidativní fosforylací.

ANAEROBNÍ GLYKOLÝZA: Při anaerobní glykolýze se molekula glukosy postupně rozštěpí na dvě molekuly kyseliny pyrohroznové. Štěpení se účastní osm enzymatických reakcí v přesném sledu. Uvolněná energie je ukládána do makroenergetických vazeb fosfátových – vazby kyseliny adenosintrifosforečné – ATP. Při tomto štěpení se uvolní dvě molekuly ATP, každá s energetickou hodnotou 50 KJ = 100 KJ.
Anaerobní glykolýzou mohou získávat energii takřka všechny buňky. Je pravděpodobné, že anaerobní glykolýza představuje fylogeneticky primitivní způsob uvolňování energie. U většiny buněk se vedle tohoto způsobu vyvinul ještě další, mnohem účinější –

OXIDATIVNÍ FOSFORYLACE: Mechanismus oxidativní fosforylace spočívá v oxidaci vodíku. Vodíky nejsou ovšem odnímány přímo glukose, ale jedodušším látkám, které vznikají jejím odbouráváním. Čtyři vodíky jsou odňaty již při anaerobní glykolýze při vzniku kys. pyrohroznové. Ta je v buňce dále přeměňována a produkty vstupují navázány na acetyl-CoA do Krebsova cyklu (cyklus kyseliny citronové). Během tohoto cyklu dochází k dalším dehydrigenacím a dekarboxylacím, takže nakonec celá molekula glikosy může být v dýchacím řetězci vzdučným kyslíkem oxidována oxid uhličitý a vodu.Přitom se uvolní značné množství energie, které se ukládá do molekul ATP. Při jednom cyklu oxidativní fosforylace se uvolní 36 molekul ATP.

Molekuly ATP jsou univerzálními přenašeči energie u všech buněk. Jelikož jsou relativně malé, mohou snadno difundovat. Dýchací řetězec probíhá v lipidové dvojvrstvě vniřtní membrány mitochondrie odkud přechází docytoplazmy a dalších buněčných struktur. Tamje podle potřeby uvolňována a vzniklá ADP přechází zpět do mitochondrií a celý proces se opakuje. Na druhou stranu je ale molekula ATP příliš velká na přechod přes cytoplazmatickou membránu, a proto veškerou energii, kterou si buňka vyrobí, musí také sama spotřebovat.

Tok informací: Nejdůležitější funkci co se týče přenosu a uchování biologických informací mají jednoznačně nukleové kyseliny. Víme, že neexistuje živá soustava, která by neobsahovala nukleové kyseliny. Jsou to makromolekulární látky, které jsou tvořeny mnoha monomery nazývanými nukleotidy. Nukleotidy jsou tvořeny dvěma složkami – nukleosidem a fosfátovou skupinou. Nukleosid je tvořen několika komponenty – monosacharidem pentosou a dusíkatou bází. Pentosa může být buď 2-desoxyribosa (DNA), nebo ribosa (RNA). Dusíkaté báze jsou deriváty dvou cyklických molekul – purinu a pyrimidinu. Deriváty purinu jsou adenin a guanin, deriváty pyrimidinu jsou cytosin, uracyl a tymin. Nukleové kyseliny jsou tedy tvořeny uhlíkem, vodíkem, kyslíkem, dusíkem a fosforem. Mezi dusákatou bází a pantosou je vazba 1 a fosfátová skupina je připojena k pátému uhlíku pentosy.

DNA: Desoxyribonukleová kyselina. Molekula DNA je tvořena desoxyribosou, fosfátovou skupinou, adeninem, guaninem, cytosinem a tyminem. V roce 1953 Watson a Crick objevili, že struktura DNA je tvořena dvěma komplementárními vlákny, která jsou spojena pomocí vodíkových můstků mezi bázemi a tvoří dohromady dvoušroubovici. Komplementárními vlákny se rozumí, že jsou navzájem opačně polarizovaná a jejich báze se doplňují podle systému: adenin – tymin a guanin – cytosin, přičemž mezi A y T jsou dva H můstky a mezi G a C jsou tři H můstky. Vlákna jsou ve šroubovici uspořádána tak, že na okraji jsou vazby fosfát – pentosa a doprostřed vyčnívají báze, které jsou propojeny H můstky.

IDENTICKÁ REPLIKACE: Proces identické replikace, tj. syntézy DNA, probíhá především v jádře buňky před jejím dělením, protože se tak přenáší genetická informace. Replikace je identická, protože dojde v vytvoření dvou shodných molekul DNA se stejnou genetickou informací.

Dvoušroubovice DNA je enzymaticky štěpena na dvě koplementární vlákna. Ke každému vláknu se z postředí ihned pomocí H můstků připojují nové komplementární nukleotidy. Jejich propojení v polynukleotidový řetězec zajišťuje enzym DNApolymeráza. Výsledkem procesu jsou dvě zcela identické molekuly. Vlákna z původní DNA, která sloužila jako vzor, se nazývají matrice.

RNA: Ribonukleová kyselina. Molekula RNA má v podstatě stejnou strukturu jako molekula DNA s tím rozdílem, že je tvořena pouze jedním polynukleotidovým řetězcem a místo tyminu obsahuje uracyl. Rozeznáváme několik typů RNA:
mRNA – messenger RNA, informační, zprostředkovává přenos genetické informace z DNA na bílkoviny, má jednovláknovou strukturu
rRNA – ribosomální RNA, stavební složka ribosomů, u prokaryot nacházíme tři různé velikosti rRNA, u eukaryot až čtyři, struktura je málo prozkoumána, je jednovláknová, určité části molekuly mají strukturu dvojité šroubovice
tRNA – transferová, přenosová, přenášejí aktivované amonikyseliny při proteosyntéze z cytoplazmy do místa proteosyntézy – na ribosom, v buňce existuje nejméně tolik tRNa, kolik je aminikyselin v bílkovinách – každá tRNA přenáší jen jeden druh amonikyseliny; struktura: tvar jetelového listu, molekula se skládá ze tří konstantích a jedné menší (variabilní) smyčky, na začátku tRNA je akceptorové místo pro aminokyselinu, antikodonová smyška obsahuje antikodon – triplet, který při proteosyntéze navazuje na příslušný kodon v molekula mRNA

TRANSKRIPCE: Syntéza RNA. Probíhá v jádru a v mitochondriích. Proces podobný replikaci. Dvoušroubovice DNA se v určitém místě rozpojí – obnažení nukleotidů. K obnaženým nukleotidům se komplementárně připojí nukleotidy RNA, které jsou pospojovány v polynukleotidový řetězec RNApolymerázou. Takto vzniklá RNA se oddělí od matrice DNA a ta se opětovně spojí ve dvoušroubovici.. Vznikne tak přesná kopie vlákna DNA.

PROTEOSYNTÉZA: Syntéza bílkovin. Tato syntéza je v buňce v těsné závislosti na nukleových kyselinách. Bílkoviny jsou enzymy zajisťující všechny procesy probíhající v buňce, jejich vlastnosti jsou dané poředím aminokyselin, které je tvoří. Přesný sled aminokyselin určuje matricový princip. Jako matrice pro otiskování bílkovinných molekul slouží mRNA. Pozice jedné aminokyseliny je určena kombinací tří po sobě jdoucích nukleotidů – triplet, kodon. Tento sled také určuje poředí nukleotidů tRNA, která aminokyseliny přenáší do místa proteosyntézy – ribosom. Proto tRNA obsahuje trojici komplementárních bází ke kodonu – antikodon.
tRNA se naváže na aminokyselinu aktivovanou ATP. mRNA se posouvá na akceptorovém místě ribosomu (jako magnet. pásek), postupně jsou čteny triplety a připojují se antikodony. Mezi amonikyselinami se utvoří peptidická vazba. Takto spojené aminokyseliny tvoří molekulu bílkoviny. Posunutím mRNA mimo ribosom se uvolní tRNA od mRNA i od přinesené aminokyseliny a proces je skončen.

Metabolismus: Metabolismus buněk můžeme rozdělit na dva základní druhy – anabolismus – proces, při kterém buňka syntetizuje látky přijaté zvenčí na látky energeticky bohaté – asimiláty (škrob…), tento druh matebolismu spotřebovává energii – endergonický děj, – katabolismus – soubor reakcí, při kterých dochází k odbourávání asimilátů na jednodušší sloučeniny a zároveň k uvolnění energie – exergonický děj. Všechny reakce, které v buňce probíhají, probíhají pod kontrolou enzymů.

Enzymy jsou bílkoviny, které katalyzují chemické reakce, které probíhají v buňkách. Molekula aktivního enzymu se vždy skládá z bílkovinné složky – apoenzym, a někdy i ze složky nebílkovinné – koenzym. Každý enzym má svou substrátovou specifitu – je specializovaný pouze na jeden konkrétní substrát – výchozí látku. Díky této specifitě má speciálně přizpůsobenou část – aktivní centrum, která má tvar kopie substrátu a prostřednictvím které substrát připojuje. Dále má každý enzym funkční specifitu. Buňka může enzymatické reakce ovlivňovat několika způsoby – řízení syntézy enzymů – může je přestat vyrábět – ovlivnění aktivního centra – mění tvar aktivního centra pomocí inhibitorů nebo pouze spojí koenzym a apoenzym dohromady a nevytvoří aktivní centrum, v případě potřeby aktivní centrum aktivuje pomocí aktivátoru – využití chemické rovnováhy –
Může probíhat několik reakcí za sebou – řetězec na sebe navazujících reakcí – metabolická dráha. Aby reakce proběhly, musí být v pořádku všechny enzymy. Pokud se některý enzym poškodí, řetězec se u jeho reakce zastaví a dále nepokračuje. Toto poškození může být pro buňku nebezpečné v případě, že výsledný meziprodukt je pro ni jedovatý – poškození buňky.

Reprodukce: Reprodukce je složitý morfologický a fyziologický proces, se kterým se setkáváme u všech organismů. Biologický význam reprodukčního procesu spočívá hlavně ve třech směrech: neustálým vytvářením nových jedinců se zachovává určitý druh organismů, při reprodukci se přenášejí dědičné vlastnosti z rodičovských organismů na potomky, proces rozmnožování má výzman pro mechanismus evoluce a při vzniku nových forem organického světa. V podstatě můžeme rozlišit dva druhy rozmnožování – nepohlavní – agamonogonie a pohlavní – gametogonie. Buňky jako takové vznikají dnes vždy autureprodukcí – rozdělením již existující buňky. Rozeznáváme několik základních typů dělení buňky – mitóza, meióza a amitosa. Viz dělení buněk, gametogeneze.