v ývoj a r ozmanitost (buňečného) života
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Vývoj a rozmanitost (buňečného) života
Roman Sobotka
Rozmanitost života
živočichové a rostliny
Protonový gradient je principem buněčné energetikyUniverzální 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
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+...)
Různé formy života se odlišují ve strategii:
Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku
ChemoheterotrofníOrganická hmota -------------------> O2 (H2O)Organická hmota -------------------> CO2 (CH4)Organická hmota -------------------> H+ (H2)Organická hmota -------------------> Organická hmota (e.g. butanol)
Rozmanitost metabolismuZ čeho elektrony brát (co je oxidováno) ------> a kam je poté “vyhořelé“ elektrony odevzdat (za vzniku čeho)
FotoautotrofníH2O (+ energie fotonů) ----> O2 (H2O) - aerobněH2S (+ energie fotonů) -----> Organická hmota - anaerobně
ChemolitotrofníFe2+, H2S, ... ------> CO2 (CH4)H2 ------------------> CO2 (CH4)CO (za vzniku CO2) ---------------> CO2 (CH4) Fe2+ (za vzniku Fe2O3) ---------------> O2 (H2O)
FotoheterotrofníOrganická hmota (+ energie fotonů) --------------> Organická hmota
Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA
LUCALast Universal Common Ancestor
Je možné rozpoznat tři domény života – Bacteria, Archea a Eukarya (Eukaryota)
Variabilní oblasti v případě 16S (18S) rRNA z malé podjednotky ribozomu.
Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA
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 rekonstruovatModerní 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 a chemoosmotický 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?
Autor hypotézy je Michael Russell (NASA) “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
Reakcí CO2 s H2 vzniká celé spektrum organických látek; extrémně vysoká koncentrace nukleotidů v simulovaných podmínkách hydrotermálních pórů
Vznikl život v hydrotermálních systémech?
Chemoosmotický potenciál (protonový gradient) je základní a univerzální způsob, jak buňky generují energii
Krebsův (citrátový) cyklus
pyruvát
LUCALast Universal Common Ancestor
Prokaryotní mikroorganismy (Prokaryota), všudypřítomnéVelikost 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
Bacteria
~ 2m
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 – syntéza peptidoglykanu blokovaná penicilínem
Gram-pozitivní bakterie
Peptidoglykan
Gram-negativní bakterie – mají dvě membrány
Periplasma je klíčová pro energetiku prokaryotní buňky
Většinou cirkulární chromozóm, několik milionů páru bazí = 1-2 mm délka (buňka 1-2 M)
Chromozóm je kondenzován ve středu buňky, ale obsahuje flexibilní kličky, které dosahují k plasmatické membráně.
Organizace genomové DNA prokaryot
Organizace genomové DNA prokaryot
Genomová DNA prokaryot kondenzovaná uprostřed buňkyDuplikace DNA předchází dělení buňkyRibozómy jsou v oblasti, kde není DNA
1x chromozómribozom
Bakteriální cytoskelet
Cytoskelet je často prezentován jako unikátní struktura eukaryotních buněkBěhem posledních 10 let byla přítomnost podobných struktur nalezena i u prokaryot-vlákna evolučně příbuzná k aktinovým vláknům a tubulinům
Eukaryota Bakterie
Aktinová vlákna v eukaryotní buňce
Bacillus subtilis
Spiroplasma
Bakteriální cytoskeletPotvrzena funkce cytoskeletu v udržení tvaru buněk, nepochybně mnohem širší paleta funkcí ..
Bakteriální flagela (bičík)
Peptidoglykan
Perip
lasm
a
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)
Bakteriální pili • Vlasové struktury na povrchu buněk• Kromě pohybu buňky po povrchu se pili 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
DNA
Vir pilus
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 buněkTransdukce – DNA se dostane do bakterie pomocí bakteriálních virů (fágů)
Každá bakterie je GMO ...
Sex pilus
Konjugace – bakteriální forma sexuBakterie se propojí a přitáhnou pomocí specializovaného pilu – sex pilu, dojde k těsnémukontaktu
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
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 letPrvní mnohobuněčné organismy se specializovanými buňkami - heterocysty, kde dochází k fixaci vzdušného dusíku (redukce N2 -> NH4)
heterocysta
thylakoidy
Sinice a obsah kyslíku v atmosféře
Sinice formovaly atmosféru a geologické podmínky na Zemi, určovaly vývoj dalších forem života
Doména Archaea
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
Archea všudypřítomní podobně jako bakterie, ale navíc převládají v extrémních podmínkách
- extrémní teploty, salinita, pH (jak kyselé, tak zásadité)
Soda lake, Egypt, pH 11
Salt lake, Utah salinita až 27%
Kde žijí (téměř pouze) Archaea
Rio Tinto, Španělsko, odtok z dolů, pH < 4 Grand Prismatic Spring, Yellowstone National Park, 70°C
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
Archaea nemají fotosyntézu, ale ..
Metanogenní ArcheaeProdukují methan jako odpadní produkt metabolismuČastý typ metabolismu u ArcheaStriktně 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 BacteriaGeny pro transkripci a translaci - příbuznější k Eukaryota
Metanogenní Archea
Metanogenní metabolismus
CO2 zabudováno do organickýchmolekul přes Acetyl-Koezym A
Eukaryota
>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
Chemické pozůstatky eukaryot staré 2.7 miliardy let
Nejstarší mikrofosílie - 1.5 miliardy let
Prokaryota versus Eukaryota
Eukaryota - fylogenezephotoautotrofní
Historické členění, parafyletická skupina
Řasy – protisté podobní rostlinámPrvoci – protisté podobní živočichům
Protista jsou +/- jednobuněční eukaryota
Původ eukaryotEukaryotní buňka se jeví jako chiméra baktérie a archea
Všechny eukaryotní buňky mají pravděpodobně původ v jediné takové chiméře
Měla původní “archea“ jádro? K čemu?
ATP syntáza typ IV – pouze Archea a EukaryotaDNA asociovaná s histony - pouze Archea a EukaryotaSekreční systém podobný u Archea a Eukaroya
Chimerický původ eukaryot
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
měňavka Dictyostelium
řasaVolvox
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