Vývoj života na Zemi a prokaryotické organismy HEN Vývoj života na Zemi Tradičně dělíme organismy do pěti říší Tradičně dělíme organismy do pěti říší Tradičně dělíme organismy do pěti říší Tradičně dělíme organismy do pěti říší Rozdělení na tři domény („nadříše“) Rozdělení na tři domény („nadříše“) Rozdělení na tři domény Většina buněk má velikost 1μm- 100μm 1m = 1000 mm 1mm = 1000μm 1μm = 1000 nm 1nm = 10^-3μm = 10^-9 m Prokaryotická x eukaryotická buňka - Rozdíly Prokaryotické buňky (pro=před; karyon=jádro) — DNA je v oblasti zvané nukleoid a není ohraničena membránou vůči buněčnému obsahu — organely ohraničené membránami chybí — buňka v obvykle v rozmezí 1μm - 5(10)μm Eukaryotické buňky (eu=pravý; karyon=jádro) — Chromosomy jsou v jádře, které je ohraničeno dvěma membránami — v cytoplazmě jsou organely, ohraničené membránami — buňka je obvykle mnohem větší (10μm - 100μm) než u prokaryot Prokaryontní buňka Prokaryota x Eukaryota základní rozdíly — PROKARYOTA ¡ vždy jednobuněční ¡ buňka velikosti 1μm – 10 μm ¡ jádro neexistuje, jediná kruhová DNA chráněná proteiny tvoří tzv. nukleoid volně ložený v cytoplasmě — EUKARYOTA ¡ jednobuněční i mnohobuněční ¡ buňka velikosti 10 μm – 100 μm ¡ jádro obaleno membránami obsahující různý počet chromosomů. Každý chromosom tvoří samostatnou molekulu DNA Velikost prokaryot — malá velikost je způsobena nepřítomností kompartmentalizace — baktérie se musí spolehnout pouze na fyzikální procesy - difúzi ¡ buňka tedy nebývá tlustší než 1 µm Prokaryota x Eukaryota základní rozdíly — PROKARYOTA ¡ buněčné dělení: binární štěpení. Sex neexistuje. Přesto si baktérie jsou schopny nepravidelně předávat části DNA — EUKARYOTA ¡ buněčné dělení: mitóza, při které vzniká dělící vřeténko z mikrotubulů Prokaryota x Eukaryota základní rozdíly — PROKARYOTA ¡ kompartmentalizace: z organel existují jen ribosómy, jinak organely zcela chybí. Chybí cytoskelet — EUKARYOTA ¡ kompartmentalizace: přítomny endosymbiotické organely (mitochondrie, plastidy), ER, Golgiho aparát, vnitřní rozčlenění buňky na různé prostory, přítomen cytoskelet Prokaryota x Eukaryota základní rozdíly — PROKARYOTA ¡ bičíky: tvořeny jedním vláknem proteinu flagellinu. Pracují na principu lodního šroubu — EUKARYOTA ¡ bičíky: komplexní stavby podle schématu „9+2“, jsou z mikrotubulů (protein tubulin). Pracují na principu biče. Prokaryota x Eukaryota základní rozdíly — PROKARYOTA ¡ metabolismus: pokud fotosyntetizují, pak existují různé typy fotosyntézy, je uvolňován kyslík nebo síra nebo sulfát. Prokaryota mohou být rovněž chemoautotrofní — EUKARYOTA ¡ metabolismus: pokud fotosyntetizují, pak je uvolňován pouze kyslík. Jsou též heterotrofové. Jsou všude! — jejich biomasa je 10 x větší než biomasa všech eukaryot — v hrsti hlíny je víc baktérií než je lidí co kdy žili na Zemi ¡ a tyto baktérie v hrsti hlíny tvoří cca 10 000 druhů — úspěšnost prokaryot je do značné míry dána rychlostí množení, v příhodných podmínkách i každých 20 minut (většinou však 1 – 3 hodiny) Bakteriální buňka Escherichia coli Základní charakteristika — doposud popsáno asi 5 000 druhů ¡ odhaduje se, že jich je několik tisíckrát více — jsou již obsaženy v nejstarších dochovaných horninách, nejstarší fosílie kolem 3,5 miliardy let — existovaly miliardu let před vznikem eukaryot — jsou všudypřítomná a obývají i prostředí, ve kterých žádný jiný organismus není schopen přežít ¡ horké prameny, okolí hydrotermálních komínů v mořích, extrémně slaná prostředí atd. Základní charakteristika — velikost buňky je obvykle 1 μm – 5 μm (eukaryota 10 – 100 μm) — ve slaném prostředí dochází – jako ostatně u všech buněk – k plazmolýze; v mírně slaném prostředí dochází k zastavení rozmnožování ¡ z tohoto důvodu nasolenéné potraviny lépe vydrží — dnes dělíme na dvě velké skupiny - domény ¡ Archea ( dříve Archebaktérie ) ¡ Eubakterie Endospory — za nepříznivých podmínek mohou vytvářet endospory ¡ bakterie zreplikuje chromosom a obalí jej pevnou stěnou, která bude obalem endospory ¡ z endospory se vyčerpá voda a metabolismus se stáhne na minimum ¡ zbytek buňky se následně rozpadne — endospory vydrží var ve vodě ¡ pro jejich zabití je potřeba vařit při 121 ^oC za vysokého tlaku Endospory — endospory mohou přežít stovky let Základní charakteristika — podle tvaru dělíme na: ¡ coccus ¡ bacillus ¡ spirillum Základní charakteristika — bacily a koky ¡ mohou tvořit kolonie tak, že po rozdělení zůstávají baktérie u sebe ¡ cytoplasmy jednotlivých baktérií spolu ale nekomunikují (tak jak je běžné u eukaryot) ¡ spirily ¡ netvoří kolonie ¡ tvar často připomíná vývrtku; rotačním pohybem se baktérie pohybuje vpřed Genom — obvykle menší než 10 Mb ¡ Bacillus megaterium má ale genom 30 Mb ¡ jiné mají několik cirkulárních nebo několik lineárních chromosomů ¡ jiné mají směsku lineárních a cirkulárních chromosomů Pohyblivost — asi polovina druhů je schopna se řízeně pohybovat — některé druhy až rychlostí 50 μm/s, což je 50 délek těla za vteřinu! — bakteriální bičík – jen 1/10 tloušťky jako eukaryotický, není pokrytý plasmatickou membránou Archaea x Eubakterie — ARCHEA ¡ v plasmatické membráně odlišné typy lipidů ¡ v buněčné stěně chybí peptidoglykan! ¡ ribosomy a RNA polymerasa podobné eukaryotům ¡ alespoň u některých genů jsou introny ¡ žádná z archeí nezpůsobuje člověku nemoc — EUBAKTRIE ¡ v plasmatické membráně odlišné typy lipidů ¡ v buněčné stěně je přítomen peptidoglykan ¡ ribosomy a RNA polymerasa značně odlišná od eukaryot ¡ introny nepřítomny Peptidoglykan — = síť polysacharidových molekul spojených polypeptidovými řetězci Peptidoglykan mají pouze eubaktérie — Gram pozitivní baktérie ¡ mají silnou vrstvu peptidogylkanu ¡ Gramovým barvivem se barví do fialova — Gram negativní baktérie ¡ slabá vrstva peptidoglykanu je umístěna mezi dvěma plasmatickými membránami ¡ Gramovým barvivem se barví do červena Gram pozitivní baktérie Gram negativní baktérie Gram pozitivní a Gram negativní baktérie Penicilín — zabraňuje správné tvorbě peptidoglykanu, proto je účinný zejména na Gram pozitivní baktérie Bakteriální buňka — mnoho baktérií má plasmatickou membránu různým způsobem vchlípenou dovnitř, čímž se vytváří prostor pro respiraci a fotosyntézu Bakteriální buňka — baktérie nemají jádro. Mají jednu kruhovou molekulu DNA, která se nachází v jedné oblasti buňky, zvané nukleoid — krom nukleoidu obsahuje řada baktérií ještě i další menší kruhovou molekulu DNA zvanou plasmid. Bakteriální buňka — ribosomy – jsou mírně menší než ribosomy eukaryotických buněk. ¡ Antibiotika tetracyklin, erythromycin a chloramfenikol blokují funkci prokaryotických ribosomů, ale neváží se na eukaryotické ribosomy Plasmidy — Plasmid = malá, kruhovitá molekula DNA. Obsahuje jen málo genů, žádný z nich není nezbytně nutný pro přežití. Mnohé plasmidové geny ale mohou být velmi užitečné, neboť obsahují např. geny pro rezistenci k různým antibiotikům — plasmidy snad kdysi vznikly jako vystřižený kus bakteriálního genomu Plasmidy — R plasmidy – nesou rezistenci proti antibiotikům Klasifikace baktérií — dva kmeny Escherichia coli se od sebe liší víc než člověk a ptakopysk Metabolismus baktérií — organismy dělíme podle toho, odkud získávají energii a odkud čerpají uhlík — fototrofové = energii získávají ze světla — chemotrofové = energii získávají rozkladem chemických látek — autotrofové získávají uhlík z anorganickcýh látek (CO[2]) — heterotrofové získávají uhlík z organických látek (např. z glukosy) Metabolismus baktérií — fotoautotrofové = uhlík získávají z anorganických látek (CO[2]),energii ze světla ¡ sinice, zelené řasy, rostliny — chemoautotrofové = uhlík získávají z anorganickcýh látek, energii z oxidací anorganických látek (např.H[2]S,NH[3],Fe^++) ¡ některá prokaryota, např. Sulfolobus — fotoheterotrofové = získávají uhlík z organických látek a energii ze světla ¡ řada mořských prokaryot,např. Rhodobacter, Chloroflexus — chemoheterotrofové = získávají uhlík z organických látek a energii oxidací organických látek ¡ mnoho prokaryot (nepř. Clostridium),protista, fungi, živočichové, některé nezelené rostliny Metabolismus baktérií — sinice Anabaena má sice geny kódující jak proteiny pořebné k fotosyntéze a k fixaci dusíku, avšak jediná buňka v jedné chvíli buď fotosyntetizuje, nebo poutá dusík. — odpadním produktem fotosyntézy je totiž kyslík, který blokuje enzymy potřebné k fixaci dusíku — Anabaena řeší problé tím, že žije ve filamentózních koloniích, kde většina buněk fotosyntetizuje, zatímco některé specializované buňky, zvané heterocysty, provádí fixaci dusíku — heterocysty mají silnou buněčnou stěnu, která brání průnku kyslíku z okolních fotosyntetizujících buněk Metabolismus baktérií sinice rodu Anabaena Biofilm — biofilm je struktura, kterou tvoří některá prokaryota — buňky vylučují proteiny, které fixují buňku k povrchu a ke druhým buňkám — časté např. na povrchu zubů Metabolismus vzhledem ke kyslíku — obligátní aerobové = nemohou růst bez kyslíku — fakultativní anaerobové = mohou žít jak za přítomnosti, tak i za nepřítomnosti kyslíku — obligátní anaerobové = rostou jen v nepřítomnosti kyslíku Nemoci způsobované baktériemi Nemoci způsobované baktériemi Nemoci způsobované baktériemi Nemoci způsobované baktériemi Horizontální přenos genů — transformace – přijetí čisté DNA z okolního prostředí — transdukce – přijetí DNA pomocí bakteriofága — konjugace – přenos DNA z baktérie na baktérii plasmidem Baktérie a prostředí — dekompozice – po naší smrti se díky baktériím a houbám uhlík, dusík, fosfor, síra a další atomy našich těl uvolní zpět do prostředí [— ]fixace – díky sinicím (a zeleným rostlinám) je fixován CO[2 ]ze vzduchu za vzniku cukrů. Z těchto cukrů se vytvářejí části rostlin. Odpadním produktem reakce je kyslík. Všichni živočichové (...a lidé) se živí buď rostlinami nebo organismy, které se rostlinami živí a dýcháme kyslík, které sinice a rostliny kdysi vyprodukovaly[] Baktérie a prostředí — podobně některé baktérie (sinice) fixují vzdušný dusík. V molekule dusíku N[2] je trojná vazba, kterou není jednoduché rozbít. Některé baktérie toto dokážou a dusík redukují na amoniak NH[3], který je potom dále používán pro tvorbu aminokyselin a dalších důležitých molekul. — sinice jsou nejsamostatnější organismy na Zemi: k životu potřebují jen světlo, CO[2], N[2], vodu a několik minerálů Baktérie a prostředí — když organismus zemře, jiné baktérie (tzv. denitrifikační baktérie) dusík z těla uvolní zpět do atmosféry, čímž dokončí celý cyklus (viz bod „dekompozice“) Mutualismus — na kořenech bobovitých rostlin jsou nitrifikační baktérie, které fixují vzdušný dusík, oplátkou získávají od rostlin živiny z fotosyntézy — Krávy a další býložravci nejsou schopni trávit celulosu. Mají proto ve svém žaludku baktérie, které produkují enzym celulázu — podobně baktérie v našem tlustém střevu produkují vitamíny K a B[12], které si sami vytvořit neumíme Další formy symbiózy — komenzalismus = některé baktérie žijí na povrchu těl živočichů, aniž by jim prospívaly nebo škodily — parasitismus = mnohé baktérie způsobují onemocnění Baktérie a genetické inženýrství — Bacillus thuringiensis se po genetických úpravách používá k účinnému boji proti škodlivému hmyzu — jiné geneticky upravené baktérie produkují lidský insulin — jiné geneticky upravené baktérie se používají k odstraňování ropných skvrn. Tyto baktérie se živí ropnými uhlovodíky Výzkum evoluce bakterií — od roku 1988 se pěstuje kolonie E. coli, která dnes má již 20 000 generací — vzorky jsou neustále zamražovány a následně je zkoumán genom, mutace, atd. — např. se zjistilo, že dnešní kolonie rostou o 60 % rychleji než kolonie roku 1988 Mutualismus Mutualismus +/+ Bioterorismus — z baktérií se používá zejména baktérie způsobující anthrax ¡ program biozbraní skončil v USA v r. 1969, v Rusku oficiálně až v 90. letech — v roce 2001 případy bioterorismu v USA, použit anthrax