biologija stanice

1

Biologija stanice (2+3)

dr. sc. Nenad Jasprica, izv. prof.

2

Što je biologija?

• Bios - život

• Logos - znanost

• Biologija - znanost koja proučava zakonitosti nastanka,

postojanja i održanja živih bića. Znanost o životu.

• a) zoologija -znanost o životinjskom svijetu;

• b) antropologija - znanost o čovjeku;

• c) botanika - znanost o bilju.

• Primjena novih, tehničkih savršenijih metoda

(elektronska mikroskopija, protočna citometrija, proba

u molekularnoj biologiji, genetici itd.)

3

Sustav bioloških znanosti (Vouk, 1971)

4

C i t o l o g i j a

(gr. Cyto - šupljina, stanica)

Biološka znanstvena disciplina (dio

molekularne biologije) koja

proučava finu građu stanice, njezine

oblike, strukturu, organizaciju i

životne aktivnosti.

5

C i t o l o g i j a (gr. Cyto - šupljina, stanica)

• Citogenetika – genetička disciplina koja se bavi istraživanjem pojava

nasljednosti na razini staničnih struktura

• Citofiziologija – fiziologija stanice, znanost o životnim pojavama stanice (ujedno dio fiziologije bilja i životinja)

• Citosistematika, citotaksonomija – sistematika/taksonomija temeljena na rezultatima citologije

• i dr.

6

Živa i neživa tvar

• Dvije plinovite tvari, npr. H2 + O = voda (nova

svojstva) - trajno mrtva tvar

• Živi sistem (sustav) - više je nego samo zbroj

svojih dijelova. To je integrirana cijelina, koja u

odnosu na okolinu, predstavlja jasno ograničenu

jedinku.

• Svojstva: a) obličje; b) izmjena tvari (asimilacija,

disanje); c) produktivnost (rast i razmnožavanje);

d) podražljivost (sposobnost reagiranja na

promjene vanjskih i unutarnjih životnih uvjeta).

7

Biljka i životinja

• klorofil

• autotrofne

• iskorištavanje Sunčeve

energije

• proizvođači

• neograničeni rast

• “otvoreni” oblik

• pričvršćene biljke

• krute stanične stijenke

• klorofila nema

• heterotrofne

• dobivanje energije

hranom

• potrošači

• ograničeni rast

• “zatvoreni” oblik

• pokretljive

• stanice većinom bez s.

8

Podrijetlo života, darvinizam

• Hipoteze (pretpostavke)

• Aristotel (384-322 pr.n. e.) ---- do danas

• Prva živa bića (jednostanični prokarioti) na

Zemlji pred više od 3 milijarde godina.

• Bila su vrlo jednostavno organizirana.

• Charles Darwin (1809-1882), «Postanak

vrsta putem prirodnog odabira ili očuvanje

povlaštenih rasa u borbi za život» (London,

1859)

9

Geološka razdoblja i pojava života na Zemlji

10

TAKSONOMSKA PODJELA ŽIVOGA SVIJETA

(Whittaker, 1969; Margulius & Schwartz, 1999) Whittaker, R. H.,1969. New concepts of kingdoms of organisms. Science 163, 150-160.

Margulius, L., Schwartz, K.V., 1999. Five kingdoms: An illustrated guide to the phyla of life

in Earth. W. H. Freeman & Co., New York.

Nadcarstvo PROCARYONTA (PROCARYOTA)

1) Monera (prokarioti, jednostanični ili višestanični, heterotrofi ili autotrofi – arhebakterije, prave bakterije, cijanobakterije (ex. modrozelene alge, proklorofita)

Nadcarstvo EUCARYONTA (EUCARYOTA)

2) Protoctista – protoktista (eukarioti, jednostanični, kolonijalni ili višestanični; autotrofni, miksotrofni ili heterotrofni organizmi čije tijelo ne izgrađuje tkiva, alge)

3) Mycota (Funghi) – jednostanični i višestanični; heterotrofni organizmi, čije tijelo ne izgrađuju tkiva, od protoktista se razlikuju po kem. sastavu st. stijenke, rezervnim tvarima itd.) + Lichenes (lišajevi, simbioza alga i gljiva)

4) Plantae (biljke) – višestanični, autotrofni organizmi čije tijelo izgrađuju tkiva (Bryophyta, Pteridophyta, Magnoliophyta)

5) Animalia (životinje) - višestanični, heterotrofni organizmi čije tijelo izgrađuju tkiva.

Prokariotska stanica

bakterija

• DNA in free cytoplasm

• Smallest of all cells

• Most have a cell wall

• Polysaccharides cover cell wall of many species

– Contributes to pathogenicity

• No membrane-bound organelles

• Flagella lack 9+2 array of microtubules

Bakterijska

stanica

Virusi- Acelularni organizmi

Bakteriofagi

Cyanobacteria (ex.modrozelene alge)- oblici stanica

Struktura eukariotskih stanica

Biljna Životinjska

Prokarioti, Eukarioti

Kratki povijesni pregled

17. st. - otkriće mikroskopa

Otkriće stanice Robert Hook (1667), Marcello Malpighi (1675) i

Nehemiah Graw (1682)

18. st. - slabije se razvija - Linne

19. st. obnova biljne anatomije. Stanična stijenka nije najbitniji dio

st., već sluzava stanična sadržina-protoplazma. 1831. - Robert

Brown otkrio st. jezgru.

Stanice kao samostalne tvorevine, nisu ovisne jedna o drugoj

(“STANIČNA TEORIJA”)

Pojedine stanice vrše posebne funkcije koje služe organizmu kao

cjelini (“ORGANIZMIČKA TEORIJA”, Tangl 1879. - otkrio

plazmodezmije - fine protoplazmatske niti koje prolaze kroz

stijenku susjednih stanica)

Kratki povijesni pregled

Otkriće diobe stanice (mitoze) - njemački

istraživač Strasburger 1876.

Usavršavanje mikroskopske tehnike

Pronalaženje novih metoda

Microscopes

• A - Light microscope

• B - Transmission Electron Microscope

• C - Scanning Electron Microscope

Prochlorophyta - brojanje

Protočni citometar

= flow cytometer

Kratki povijesni pregled istraživanja stanice

Biljne stanice su otkrivene prije životinjskih

Hook “Mikrographia” (1667) - prvi nacrtao biljne

plutene stanice, nije zapazio protoplazmatski sadržaj,

protoplazma (plazma), protoplast (živo tijelo u stanici

obavijeno staničnom stijenkom).

Stanična stijenka - važna, nakon ugibanja protoplasta

vrši važne funkcije (npr. 1. stanice u drvu - provodnja

vode i min. soli - provode sok u neživu stanju; 2.

mehaničke stanice - učvršćuju biljku - odrasle stanice

iako bez protoplasta obavljaju funkciju)

Biljne stanice bez stijenke (rasplodne - spolne - stanice)

Oblik i

veličina stanice

Promjenljivi:

Kugla

(najjednostavniji

- rijetko)

Izodijametrični (promjer u svim

dijelovima približno

jednak)

Kubični

Poliedrični

protoplazma.

Veličina i oblik stanica

• Površina: Volumen

• Volumen raste brže nego površina stanice

• Smanjenje veličine i oblika

Energida

• Polienergidno

vegetacijsko tijelo -

stanice s mnogo jezgara

• količina nukleproteida

znatno manja, raspored

primitivniji, jezgrina

ovojnica nedostaje

• protoplasti bez jasnih

morfoloških granica

Uvod

• All organisms are composed of cells

• The cell is the basic unit of life

• All cells have a double-layered plasma membrane

• Membranes consist largely of phospholipid and

protein molecules

Uvod

• Organelles are membrane-bound compartments

inside eukaryotic cells

• Prokaryotic cells do not have organelles

• When cells grow, they increase faster in volume

than in surface area

• Different microscopes modify light rays or

accelerated beams of electrons that allow small

images to be observed

Basic Aspects of Cell Structure and

Function

• Plasma membrane

• Lipid bilayer

• Proteins

– Channels, transport, pumps, receptors

• DNA-containing region

• Cytoplasm

• Eukaryotic vs Prokaryotic cells

Stanica

Stanica kao građevna jedinica

Glavni sastavni dijelovi stanice

Stijenka i protoplazma.

Protoplazma = citoplazma + jezgra (nucleus)

“stanični organi” - stanični organeli

Jezgra - lećasta ili okrugla. U njoj se nalazi mnogo

nukleoproteida koji se boje raznim bazičnim bojama i

izgrađuju nitaste tvorbe koje nazivamo kromatin

(=nosilac nasljednih svojstava)

Nukleoli

Jezgrina membrana s porama

Jezgru nemaju bakterije, cijanobakterije i proklorofita

Ukratko

• Sva tijela (jezgra, plastidi i druga) okružena su sa svih strana OSNOVNOM CITOPLAZMOM (netopivost u vodi, bubrenje, plastičnost, itd.).

• Najvažniji dijelovi stanice:

1. Protoplazma :

a) osnova citoplazma; b) jezgra; c) plastidi; d) mitohodnriji; e ) ER; f) diktiosomi; g) ribosomi

2. Ergastičke tvorevine

3. Stanični sok

4. Stanična stijenka ili stanična membrana

Biljna stanica

Tipovi biljnih stanica

• Protocite - protoplazma slabije diferencirana,

nema jezgre ni plastida (bakterije, cijanobakterije)

• Eucite - stanice “viših” biljaka, diferencirani stanični organeli - najčešći tip biljnih stanica

• Monadocite - stanice bičaša, sadrže flagele i kontraktilne vakuole. Na bazi biča nalazi se blefaroplast (=bazalno tijelo) - modificirani centrosom.

• Cenocite - stanice s više jezgara (zelena alga Cladophora, Rhizoclonium)

Vakuola

• Za razliku od životinjske vakuole, biljne stanice u

razvijenom stanju imaju vrlo velike vakuole

• Vakuole su neživi dio stanice

• Zapremaju veći dio stanice

• Vakuole nisu prazne (suprotno nazivu)

• Ispunjene su vodenastom tekućinom-Staničnim

sokom

Jezgra

• Citoplazma (kemijska, fizičko-

kemijska svojstva)

• Membrane

• Jezgra

• Nukleinske kiseline

CITOPLAZMA

• Osnovna tvar protoplazme - u njoj su uloženi drugi

protoplazmatski dijelovi (jezgra, plastidi)

• Kemijski sastav: vodenasta smjesa raznih tvari (alkalno

reagira)

• Analiza elemenata : 10 “klasičnih” elemenata: C, O, H, N,

S, P, K, Ca, Mg i Fe + elementi u tragovima

Citoplazma

• Izgradnja suhe tvari:

• 50% jednostavni organski spojevi s relat. mol.

masa <500 ( u protoplastu mijenjaju agregatno

stanje)

• 50% goleme makromolekule (r.m.m. >10000-

nekoliko milijuna).

Citoplazma

• Suha tvar: proteini (bjelančevine)

• Proteini (jednostavne bjelančevine)

• Proteidi (sastavljene bjelančevine, spoj proteina s drugim tvarima koje ne pripadaju bjelančevinama; Proteinski dio + neproteinski dio (prostetička grupa))

• Proteid=protein+prostetička grupa

• Jednostavne bjelančevine ne sadrže strane komponente (albumini, globulini, prolamini, glutelini)

• Sastavljene bjelančevine (fosfoproteidi - spojevi bjelančevina s fosfornom kiselinom-kazein iz mlijeka; nukleoproteidi - spojevi bjelančevina s nukleinskim kiselinama - obilno se nalaze u jezgri; kromoproteidi - u plastidima - bjelančevine s raznim bojama /fikocijan (modar) u alga, fikoeritrin (crven)/

Citoplazma

• Enzimi (fermenti) - pospješuju reakcije u plazmi

• masti - su rezervne tvari u stanici. Kem.sastav - esteri

trovalentnog alkohola glicerina i masnih kiselina, od kojih su

navažnije: stearinska (C17H35COOH); palmitinska

(C15H31COOH) i uljna kiselina (C17H33COOH). Za jednu

molekulu glicerina uvijek se vežu tri molekule masnih kiselina

• Lipoidi - uvijek se nalaze u protoplazmi, obično u malim

količinama, u vodi netopljivi ili slabo topljivi (lipoidski spojevi

bez dušika - sterini (kolesterin kod životinja, fitosterini)

Fizičko-kemijska svojstva citoplazme

• Koloidna otopina: otapalo (disperzno sredstvo - voda) i otopljene

čestice (disperzna faza- čestice bjelančevina, lipoida i dr.)

• Tvari koje se koloidski otapaju, prema afiniteteu k vodi:

• Hidrofilni koloidi (bjelančevine, protoplazma)

• Hidrofobni koloidi (neke metalne soli itd.)

• Protoplazma mijenja koloidno stanje (plazma-gel npr. u suhim

sjemenkama; plazma-sol - stanice bogate vodom)

• velika viskoznost ili žilavost (posebno jezgra i plastidi)

• elastičnost

• Ctiplazmatska strujanja 1) primarna strujanja - trajno u stanicama

neovisno o promjenama vanjskih uvjeta 2) sekundarna strujanja -

nastaju tek djelovanjem vanjskih faktora.

Fizičko-kemijska svojstva citoplazme • Cirkulacijsko strujanje plazme - u stanicama bogatim plazmatskim

nitima, plazma cirkulira u raznim pravcima

• Rotacijsko gibanje - u stanicama s jednolično debelim oblogom

plazme uz staničnu stiejnku i s jednom središnjom vakuolom, kroz

koju ne prolaze plazmatske niti. Ulazna i silazna struja plazme koja se

pomiče uzduž stanične stijenke.

Membrane

Membrane

• Lipoidi imaju polarnu građu. Na jednom kraju je hidrofilna skupina (npr.- OH), a na drugom lipofilna skupina (-CH3)

• - hidoriflni pol; suprotni pol - lipofilni.

• Hidrofilni polovi se okreću prema hidrofilnoj citoplazmi, vakuoli ili nekom drugom dijelu stanice koji je bogat vodom, dok njihovi lipofilni polovi potraže istoimene krajeve drugih lipoidskih molekula. Na taj način se stvaraju bimolekularne membrane u kojima su lipofilni

krajevi okrenuti jedni prrema dugima.

• Elementarna membrana (lipoproteidska m., deb. 7-10 nm) . U živoj citoplazmi se nalaze lipodiske kožice na koje se naslanjaju molekule bjelančevina - odvajaju osnovnu citoplazmu od drugih dijelova stanice (ER- odvojen od o.c. 1 e. membr., plastidi i imothodnriji s 2)

• Uloga: ograđjuju prostor u stanici gdje se odvijaju određene rekacije. Neke e.m. se nalaze u unutrašnjosti staničnih organela (mitohondrija)

Struktura membrane

• Phospholipids, Cholesterol and Lipids in water

Fluid Mosaic Model

• Specialized proteins and enzymes embedded in the

membrane

How Substances Cross

Cell Membranes

• Diffusion

– Movement of substance from a region where it is more

concentrated to a region where it is less concentrated

Diffusion Across Cell Membranes

• Water soluble substances and water diffuse

through channel proteins

– Passive and Active Transport

Factors Influencing the Rate and

Direction of Diffusion

• Concentration gradient

– Until equilibrium is reached

• Molecular size

– Small molecules move faster

• Temperature

– Faster at higher temperatures

• Electric or Pressure gradient

– Electrical charge difference across membrane

– Pressure differences

Mechanisms By Which Solutes Cross

Cell Membranes

• Diffusion of small non-polar molecules and water

• Passive transport

– Facilitated diffusion

• Polar substance transport through proteins

• Active transport

– Movement of substance against the concentration

gradient

– Needs ATP

– Examples: Exocytosis and Endocytosis

Mechanisms By Which Solutes Cross

Cell Membranes

• Exocytosis and Endocytosis

Exocytosis and Endocytosis

• Exocytosis

– Vesicle moves to cell

surface and fuses with

plasma membrane

• Endocytosis

– Substances move in

when plasma

membrane balloons

inward

Directional Movement of Water

Across Membranes • Osmosis

– Diffusion of water in due to a water concentration

gradient between two regions that are separated by a

selectively permeable membrane

• Osmotic movement

– Dependent on concentration of solutes in the water

– Side with more solutes has a lower concentration of

water

Osmoza

Effect of solute concentration on water movement

Effects of Tonicity

• The solute concentrations

of two fluids

– Hypotonic

• Water diffuses in

• Cell swells

– Hypertonic

• Water diffuses out

• Cell shrinks

– Isotonic

• No net change

Protein Mediated Transport

• Passive transport

– Allow polar molecules to move from one side of

membrane to the other

Phagocytosis

• Form of endocytosis

– Cell engulfs microbes, large particles, and cellular debris

• Amoebas and white blood cell

Jezgra

• Veličina 1-600 µm (avg. 5-25 µm)

• Medju najvećim jezgrama do 3 mm u rizoidima alge Chara

• Promjena položaja jezgre u stanici ( u mladim stanicama u sredini, a u stanicam s perifernim oblogom protoplazme smješta se uz st. stijenku)

• Obično jedna jezgra (osim u nekih Cladophora i gljiva, energide-stanice s više jezgara)

• Jezgrina membrana

• Nukoleoli

• Ostali dio jezgre: 1. jezgrin sok (kariolimfa) 2. kromatin - kromatinska zrnca (galertasta komponenta koja se boji raznim bazičnim bojama)

• Znantna količina nukleoproteida (složene bjelančevine), ali ih ima i u drugim dijelovima protoplasta. Nukleoproteidi imaju kao prostetičku grupu nukleinske kiseline.

Nukleinske kiseline

• Važnost - velika za životne procese u stanici.

• Sudjeluju u izgradnji kromosoma

• Dijelovi nukl. kis. nalaze se kao prostetičke grupe u mnogim

enzimima

• Uloga u reprodukciji žive supstancije

• To su makromolekule /r.m.m. 10.000 - 20 milijuna)

• Kem. sastav - sastavni dijelovi pripadaju različitim spojevima

• Tijekom hidrolize (razgradnja uz uzimanje vode) nukleinskih k.

dobivaju se 3 vrste spojeva:

• 1. šećeri (gradja pentoza)

• 2. fosforna kiselina

• 3. purinske odnosno pirimidinske baze.

Nukleinske kiseline

• 1. Šećeri - riboza (C5H10O5), dezoksiriboza (C5H10O4) - važni jer

izgrađuju bitne dijelove žive tvari (ostali šećeri npr. fruktoza- glukoza

- predstvaljau materijal za dobivanje energije)

• 2. DUŠIČNE BAZE - koje se odvode od dvaju prstenastih sistema

Tzv. PIRIMIDINSKOG I PURINSKOG PRSTENA.

Nukleinske kiseline

• Pirimidinski prsten - šesteročlani karakter ( 4 atoma C,

2 atoma N)

• U sastav NK ne ulazi pririmidin već deravti (citosin,

uracil, timin)

• Purinski prsten - pirimidin+imidazol (3 C i 2 N

atoma). U NK u formi derivata : adenina i gvanina

Nukleinske kiseline • Svi sastavni dijelovi poredani po odredjenoj pravilnosti

• NK su građene od velikog broja gradjevnih jedinica - nukleotida.

• U svakom nukleotidu se nalazi po 1 purinska ili pirimidinska baza,

jedna pentoza i jedna ostatak fosforne kiseline. U Molekuli NK ima

mnogo nukleotida - polinukleotid. Nukelotidi su povezani tako da se

f.k. jednog nukleotida veže za pentozu drugog nukleotida:

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline

• DNK, RNK razlikuju se po pentozama

• a) DNK ima važnu ulogu u reprodukciji genetičkih

informacija; b) RNK u sintezi bjelančevina.

• Razmnožavanje DNK

• Funkcije jezgre

• Kromosomi

• Dioba stanica

• Mitoza

• Mejoza

• Poliploidija

Funkcija jezgre

• Jezgra se nalazi obično blizu mjesta rasta, npr. kod stanica koje rastu

samo jednim svojim dijelom.

• Jednostanični organizmi - ako stanicu razdijelimo na dva dijela (jedan

dio s jezgrom, drugi bez nje) - dio bez jezgre će nakon nekog vremena

uginuti, dok će dijelovi j jezgrom često izgraditi izgubljen dijelove.

• Jezgra je središte gena tj. faktora nasljeđivanja, koji se sastoje od

DNK i određuju oblik i svojstva organizma (geni).

• Jezgra određuje oblik organizma.

Kromosomi

Kromosomi • Za vrijeme diobe jezgre nastaju iz kromatinskih niti produžena

tijela - kromosomi (ili u mirovanju u obliku vrlo dugih kromatinskih niti). Zbog velike dužine ne može se vidjeti da niti predstavljaju odvojena tijela. Tek za vrijeme diobe kromatinske niti se značajno skrate, pa se zapaža da se radi o većem broju posebnih produženih tijela koje nazivamo KROMOSOMIMA.

• Broj i oblik kromosoma u somatičkim stanicama i njezinim dijelovima - jedne biljne vrste je jednak. Broj kromosoma kod raznih vrsta unutar istog doda može varirati.

• Najmanji broj kromosoma u somatičkim stanicama viših biljka je 6 (Crepis capillaris), papratnjače > 200 kromosoma.

• Kod biljaka (spolno razmnožavanje) somatičke stanice imaju po dva kromosoma koji su po obliku jednaki.

• Crepis capillaris ima tri različita kromosoma, sveukupan broj 6, svaki od tih kromosoma ima sebi po obliku odgovarajućeg partnera.

Kromosomi • Dvostruk - diploidan

• Jednostruk - haploidan

• Poliploidija

• Kromomere

• Matriks

Mitoza

Mejoza

mitoza-mejoza

Glavne stanične komponente

• Jezgra

• Ribosomi

• Endoplazmatski retikulum

– Glatki i hrapavi

• Golđijevo tijelo

• Različite vezikule

• Mitohondriji

• Citoskeleton

Jezgra

• Eukaryotic DNA resides in the nucleus

• Chromosomes

• Chromatin

• Nucleolus

• Nucleoplasm

• Nuclear membrane controls exchange of

substances between nucleus and cytoplasm

The Nuclear Envelope

• Double - membrane system

– Two-lipid bilayer

– Surrounds nucleoplasm

• Pores allow exchange

The Cytomembrane System

• Organelles in which lipids are assembled and

Proteins are produced and modified

– The Endoplasmic reticulum

– Golgi bodies

– Vesicles

The Endoplasmic Reticulum

• Rough and Smooth

– Presence or absence of ribosomes

– Rough: Proteins

– Smooth: Lipids

Rough ER Smooth ER

Golgi Bodies

• Enzymatic finishes on

proteins and lipids,

and packaging in

vesicles

• Vesicles

– Lysosomes

– Peroxisomes

– Transport

Mitochondria

• Production of ATP

• Double-membrane

system

– Two distinct compartment

• Have their own DNA

• Divide on their own

• Have ribosomes

Chloroplast

• Photosynthetic eukaryotes

• Two outer membrane

layers

• Stroma (inner)

• Chlorophyll

• Carotenoids

Components of the Cytoskeleton

• Internal organization,

shape, and motility

• Microtubules

– Cell division and shape

• Microfilaments

– Movement

Microtubules and Microfilaments

• Tubulin and Actin

• Myosin and Dynein

• Intermediate

Filaments

– Only in animal cells of

specific tissues

Structural Basis of Cell Motility

• Three Mechanisms

– Length of microtubule

can change

– Parallel microtubules

slide in opposite

directions

– Shunting of organelles

Sliding mechanism for

beating of flagella

Cell Surface Specializations

• Eukaryotic Cell Walls

A single-celled

protist

Cell Wall

• Cell secretions form lamella

– Plasmodesmata (channels)

– Primary and Secondary walls

Cell Walls

• Deposition of layers

inside primary wall

– Stiffen wall

– Maintain shape

Cell-to Cell Junctions

• Plants

– Plasmodesma

• Animals

– Tight Junctions

– Adhering Junctions

– Gap Junctions

In Conclusion

• The cell theory states

– That all living cells are composed of cells

– The cell is the smallest unit of life

– New cells arise only from pre-existing cells

• Cells have a plasma membrane, cytoplasm,

and a region of DNA

• The plasma membrane maintains the cell as

a separate entity

In Conclusion

• The cytoplasm is all the fluids, ribosomes and

organelles in eukaryotic cells between the

nucleus and plasma membrane

• Membranes consist of a bilayer of lipids and

proteins embedded in the bilayer or attached

to the surface.

• Proteins carry out most of cell membrane

functions

In Conclusion

• Membranes divide functional compartments into

organelles

• Prokaryotes do not have organelles

• Organelle membranes separate metabolic reactions

• developed by N. Jasprica

biologija stanice

Documents