Informace

12.3.2: Složky a struktura - biologie


Rozvoj dovedností

  • Porozumět modelu tekuté mozaiky buněčných membrán
  • Popište funkce fosfolipidů, bílkovin a sacharidů v membránách
  • Diskutujte o tekutosti membrány

Plazmatická membrána buňky definuje buňku, vymezuje její hranice a určuje povahu její interakce s prostředím (shrnutí viz tabulka 5.1.1). Buňky vylučují některé látky, jiné přijímají a další vylučují, vše v kontrolovaných množstvích. Plazmatická membrána musí být velmi flexibilní, aby umožnila určitým buňkám, jako jsou červené krvinky a bílé krvinky, změnit tvar při průchodu úzkými kapilárami. To jsou zřetelnější funkce plazmatické membrány. Povrch plazmatické membrány navíc nese markery, které umožňují buňkám navzájem se rozpoznávat, což je životně důležité pro tvorbu tkání a orgánů během raného vývoje a které později hraje roli v rozlišení „já“ oproti „ne-já“ imunitní odpověď.

Mezi nejpropracovanější funkce plazmatické membrány patří schopnost přenášet signály pomocí komplexních integrálních proteinů známých jako receptory. Tyto proteiny působí jak jako přijímače extracelulárních vstupů, tak jako aktivátory intracelulárních procesů. Tyto membránové receptory poskytují extracelulární připojovací místa pro efektory, jako jsou hormony a růstové faktory, a aktivují kaskády intracelulární odezvy, když jsou jejich efektory vázány. Občas jsou receptory uneseny viry (HIV, virus lidské imunodeficience, je jedním z příkladů), které je využívají k získání vstupu do buněk, a někdy se stanou mutované geny kódující receptory, což způsobí poruchu procesu transdukce signálu s katastrofálními důsledky.

Tekutý mozaikový model

Existence plazmatické membrány byla identifikována v 90. letech 19. století a její chemické složky byly identifikovány v roce 1915. Hlavními složkami identifikovanými v té době byly lipidy a proteiny. První široce přijímaný model struktury plazmatické membrány navrhli v roce 1935 Hugh Davson a James Danielli; bylo založeno na vzhledu „železniční trati“ plazmatické membrány v raných elektronových mikrografech. Oni se domnívali, že struktura plazmatické membrány připomíná sendvič, přičemž protein je analogický s chlebem a lipidy jsou analogické s náplní. V 50. letech 20. století pokroky v mikroskopii, zejména transmisní elektronová mikroskopie (TEM), umožnily vědcům vidět, že jádro plazmatické membrány se skládá z dvojité, nikoli z jedné vrstvy. Nový model, který lépe vysvětluje jak mikroskopická pozorování, tak funkci této plazmatické membrány, navrhl S.J. Singer a Garth L. Nicolson v roce 1972.

Vysvětlení navržené Singerem a Nicolsonem se nazývá model tekuté mozaiky. Model se v průběhu času poněkud vyvinul, ale stále nejlépe odpovídá struktuře a funkcím plazmatické membrány, jak je nyní chápeme. Model tekuté mozaiky popisuje strukturu plazmatické membrány jako mozaiku složek - včetně fosfolipidů, cholesterolu, bílkovin a uhlovodanů - která dodává membráně tekutý charakter. Plazmatické membrány mají tloušťku od 5 do 10 nm. Pro srovnání jsou lidské červené krvinky viditelné světelnou mikroskopií přibližně 8 µm široké nebo přibližně 1 000krát širší než plazmatická membrána. Membrána vypadá trochu jako sendvič (obrázek ( PageIndex {1} )).

Hlavními složkami plazmatické membrány jsou lipidy (fosfolipidy a cholesterol), proteiny a sacharidy připojené k některým lipidům a některým proteinům. Fosfolipid je molekula sestávající z glycerolu, dvou mastných kyselin a hlavní skupiny spojené s fosfáty. Cholesterol, další lipid složený ze čtyř kondenzovaných uhlíkových kruhů, se nachází vedle fosfolipidů v jádru membrány. Podíly proteinů, lipidů a uhlohydrátů v plazmatické membráně se liší podle buněčného typu, ale pro typickou lidskou buňku tvoří protein přibližně 50 procent hmotnosti, lipidy (všech typů) asi 40 procent hmotové kompozice, přičemž zbývajících 10 procent hmotnostních kompozice jsou uhlohydráty. Koncentrace proteinů a lipidů se však liší u různých buněčných membrán. Například myelin, výrůstek membrány specializovaných buněk, který izoluje axony periferních nervů, obsahuje pouze 18 procent bílkovin a 76 procent lipidů. Mitochondriální vnitřní membrána obsahuje 76 procent bílkovin a pouze 24 procent lipidů. Plazmatická membrána lidských červených krvinek je 30 procent lipidů. Sacharidy jsou přítomny pouze na vnějším povrchu plazmatické membrány a jsou připojeny k proteinům za vzniku glykoproteinů nebo jsou připojeny k lipidům za vzniku glykolipidů.

Fosfolipidy

Hlavní tkanina membrány je složena z amfifilních, fosfolipidových molekul. Hydrofilní nebo „vodu milující“ oblasti těchto molekul (které v uměleckém podání modelu vypadají jako sbírka kuliček) (obrázek ( PageIndex {1} )) jsou v kontaktu s vodní tekutinou jak uvnitř, tak mimo celu. Hydrofobní molekuly nebo molekuly nesnášející vodu bývají nepolární. Při chemických reakcích interagují s jinými nepolárními molekulami, ale obecně neinteragují s polárními molekulami. Když jsou hydrofobní molekuly umístěny do vody, mají tendenci tvořit kouli nebo shluk. Hydrofilní oblasti fosfolipidů mají tendenci vytvářet vodíkové vazby s vodou a dalšími polárními molekulami na vnější i vnitřní straně buňky. Povrchy membrány, které směřují dovnitř a ven z buňky, jsou tedy hydrofilní. Naproti tomu vnitřek buněčné membrány je hydrofobní a nebude interagovat s vodou. Fosfolipidy proto tvoří vynikající dvouvrstvou buněčnou membránu, která odděluje tekutinu uvnitř buňky od tekutiny mimo buňku.

Molekula fosfolipidu (obrázek ( PageIndex {2} )) se skládá ze základního řetězce glycerolu se třemi uhlíky se dvěma molekulami mastných kyselin připojených k uhlíkům 1 a 2 a skupiny obsahující fosfát připojené k třetímu uhlíku. Toto uspořádání dává celkové molekule oblast popsanou jako její hlava (skupina obsahující fosfát), která má polární charakter nebo negativní náboj, a oblast nazývanou ocas (mastné kyseliny), která nemá žádný náboj. Hlava může vytvářet vodíkové vazby, ale ocas ne. Molekula s tímto uspořádáním pozitivně nebo negativně nabité oblasti a nenabité nebo nepolární oblasti je označována jako amfifilní nebo „dvojilující“.

Tato charakteristika je životně důležitá pro strukturu plazmatické membrány, protože ve vodě mají fosfolipidy tendenci být uspořádány tak, aby jejich hydrofobní ocasy směřovaly k sobě a jejich hydrofilní hlavy směřovaly ven. Tímto způsobem tvoří lipidovou dvojvrstvu - bariéru složenou z dvojité vrstvy fosfolipidů, která odděluje vodu a další materiály na jedné straně bariéry od vody a dalších materiálů na druhé straně. Fosfolipidy zahřívané ve vodném roztoku mají ve skutečnosti tendenci spontánně vytvářet malé kuličky nebo kapičky (nazývané micely nebo lipozomy), přičemž jejich hydrofilní hlavy tvoří zevnějšek a jejich hydrofobní ocasy uvnitř (obrázek ( PageIndex {3} )) .

Bílkoviny

Bílkoviny tvoří druhou hlavní složku plazmatických membrán. Integrální proteiny (některé specializované typy se nazývají integriny) jsou, jak naznačuje jejich název, zcela integrovány do membránové struktury a jejich hydrofobní oblasti pokrývající membránu interagují s hydrofobní oblastí fosfolipidové dvojvrstvy (obrázek ( PageIndex {1} )). Jednoprůchodové integrální membránové proteiny mají obvykle hydrofobní transmembránový segment, který se skládá z 20–25 aminokyselin. Některé pokrývají pouze část membrány - sdružující se s jednou vrstvou - zatímco jiné se táhnou z jedné strany membrány na druhou a jsou odkryté na obou stranách. Některé komplexní proteiny se skládají až z 12 segmentů jednoho proteinu, které jsou rozsáhle složeny a vloženy do membrány (obrázek ( PageIndex {4} )). Tento typ proteinu má hydrofilní oblast nebo oblasti a jednu nebo několik mírně hydrofobních oblastí. Toto uspořádání oblastí proteinu má tendenci orientovat protein podél fosfolipidů, přičemž hydrofobní oblast proteinu sousedí s ocasy fosfolipidů a hydrofilní oblast nebo oblasti proteinu vyčnívající z membrány a v kontaktu s cytosolem nebo extracelulární tekutina.

Periferní proteiny se nacházejí na vnějším a vnitřním povrchu membrán, připojené buď k integrálním proteinům, nebo k fosfolipidům. Periferní proteiny, spolu s integrálními proteiny, mohou sloužit jako enzymy, jako strukturální připojení pro vlákna cytoskeletu nebo jako součást rozpoznávacích míst buňky. Někdy jsou označovány jako „buněčně specifické“ proteiny. Tělo rozpoznává vlastní proteiny a útočí na cizí proteiny spojené s invazivními patogeny.

Sacharidy

Sacharidy jsou třetí hlavní složkou plazmatických membrán. Vždy se nacházejí na vnějším povrchu buněk a jsou vázány buď na proteiny (tvořící glykoproteiny), nebo na lipidy (tvořící glykolipidy) (obrázek ( PageIndex {1} )). Tyto uhlohydrátové řetězce mohou obsahovat 2–60 monosacharidových jednotek a mohou být přímé nebo rozvětvené. Spolu s periferními proteiny tvoří sacharidy specializovaná místa na buněčném povrchu, která umožňují buňkám vzájemné rozpoznávání. Tato místa mají jedinečné vzory, které umožňují rozpoznání buňky, a to způsobem, který umožňuje rozpoznání rysů obličeje jedinečných pro každou osobu. Tato rozpoznávací funkce je pro buňky velmi důležitá, protože umožňuje imunitnímu systému rozlišovat mezi tělními buňkami (nazývanými „já“) a cizími buňkami nebo tkáněmi (nazývanými „ne-já“). Podobné typy glykoproteinů a glykolipidů se nacházejí na povrchu virů a mohou se často měnit, což brání imunitním buňkám v jejich rozpoznání a napadení.

Tyto sacharidy na vnějším povrchu buňky - sacharidové složky glykoproteinů a glykolipidů - jsou souhrnně označovány jako glykokalyx (což znamená „cukerný povlak“). Glykokalyx je vysoce hydrofilní a přitahuje velké množství vody na povrch buňky. To pomáhá interakci buňky s jejím vodním prostředím a schopnosti buňky získávat látky rozpuštěné ve vodě. Jak je diskutováno výše, glykokalyx je také důležitý pro identifikaci buněk, sebe/ne-sebeurčení a embryonální vývoj a používá se v přílohách buňka-buňka k tvorbě tkání.

Evoluční připojení

Jak viry infikují specifické orgány Glykoproteinové a glykolipidové vzory na povrchu buněk dávají mnoha virům příležitost k infekci. Viry HIV a hepatitidy infikují pouze specifické orgány nebo buňky v lidském těle. HIV je schopen proniknout do plazmatických membrán podtypu lymfocytů nazývaných pomocné buňky T, jakož i některých monocytů a buněk centrálního nervového systému. Virus hepatitidy napadá jaterní buňky.

Tyto viry jsou schopné napadnout tyto buňky, protože buňky mají na svém povrchu vazebná místa, která jsou specifická a kompatibilní s určitými viry (obrázek ( PageIndex {5} )). Další rozpoznávací místa na povrchu viru interagují s lidským imunitním systémem, což přimělo tělo k produkci protilátek. Protilátky se vyrábějí v reakci na antigeny nebo proteiny spojené s invazivními patogeny nebo v reakci na cizí buňky, k čemuž může dojít při transplantaci orgánu. Tato stejná místa slouží jako místa pro přichycení protilátek a zničení nebo inhibici aktivity viru. Bohužel se tato rozpoznávací místa na HIV rychle mění v důsledku mutací, což velmi komplikuje produkci účinné vakcíny proti viru, jak se virus vyvíjí a přizpůsobuje. Osoba infikovaná HIV rychle vytvoří různé populace nebo varianty viru, které se vyznačují rozdíly v těchto rozpoznávacích místech. Tato rychlá změna povrchových markerů snižuje účinnost imunitního systému člověka při útoku na virus, protože protilátky nerozpoznávají nové variace povrchových vzorů. V případě HIV je problém umocněn skutečností, že virus specificky infikuje a ničí buňky zapojené do imunitní odpovědi, což dále zneschopňuje hostitele.

Mozaika charakteristická pro membránu, popsaná v modelu tekuté mozaiky, pomáhá ilustrovat její povahu. Integrální proteiny a lipidy existují v membráně jako oddělené, ale volně připojené molekuly. Ty připomínají oddělené vícebarevné dlaždice mozaikového obrázku a vznášejí se, přičemž se vůči sobě poněkud pohybují. Membrána však není jako balón, který se může roztahovat a smršťovat; je spíše poměrně tuhý a může prasknout, pokud pronikne nebo pokud buňka nasaje příliš mnoho vody. Kvůli své mozaikové povaze však velmi jemná jehla může snadno proniknout do plazmatické membrány, aniž by způsobila její prasknutí, a membrána bude po vytažení jehly proudit a sama se uzavřít.

Charakteristiky mozaiky membrány vysvětlují její tekutost, ale ne celou. Existují dva další faktory, které pomáhají udržovat tuto charakteristiku tekutiny. Jedním z faktorů je povaha samotných fosfolipidů. Ve své nasycené formě jsou mastné kyseliny ve fosfolipidových koncích nasyceny vázanými atomy vodíku. Mezi sousedními atomy uhlíku nejsou žádné dvojné vazby. Výsledkem jsou relativně rovné ocasy. Naproti tomu nenasycené mastné kyseliny neobsahují maximální počet atomů vodíku, ale obsahují některé dvojné vazby mezi sousedními atomy uhlíku; dvojná vazba má za následek ohyb řetězce uhlíků přibližně o 30 stupňů (obrázek ( PageIndex {2} )).

Pokud jsou tedy nasycené mastné kyseliny se svými rovnými ocasy stlačeny klesajícími teplotami, tlačí na sebe a vytvářejí hustou a poměrně tuhou membránu. Pokud jsou nenasycené mastné kyseliny stlačeny, „zalomení“ v jejich ocasech lokty sousedí s molekulami fosfolipidů, přičemž mezi molekulami fosfolipidů zůstává určitý prostor. Tato „loketní místnost“ pomáhá udržovat tekutost v membráně při teplotách, při nichž by membrány s nasycenými zbytky mastných kyselin ve svých fosfolipidech „zamrzly“ nebo ztuhly. Relativní tekutost membrány je zvláště důležitá v chladném prostředí. Chladné prostředí má tendenci stlačovat membrány složené převážně z nasycených mastných kyselin, což je činí méně tekutými a náchylnějšími k prasknutí. Mnoho organismů (příkladem jsou ryby) je schopno se přizpůsobit chladnému prostředí změnou podílu nenasycených mastných kyselin v jejich membránách v reakci na snížení teploty.

Odkaz na učení

Navštivte tento web a podívejte se na animace tekutosti a kvality mozaiky membrán.

Zvířata mají další membránovou složku, která pomáhá udržovat tekutost. Cholesterol, který leží vedle fosfolipidů v membráně, má tendenci tlumit účinky teploty na membránu. Tento lipid tedy funguje jako pufr, který brání nižším teplotám v inhibici tekutosti a brání zvýšeným teplotám v přílišném zvyšování tekutosti. Cholesterol tedy v obou směrech prodlužuje rozsah teplot, ve kterých je membrána vhodně tekutá a následně funkční. Cholesterol plní i další funkce, například organizuje shluky transmembránových proteinů do lipidových raftů.

Tabulka ( PageIndex {1} ): Komponenty a funkce plazmatické membrány.
KomponentUmístění
FosfolipidHlavní tkanina membrány
CholesterolPřipojeno mezi fosfolipidy a mezi dvě vrstvy fosfolipidů
Integrální proteiny (například integriny)Vložené do fosfolipidové vrstvy (vrstev). Může nebo nemusí pronikat skrz obě vrstvy
Periferní proteinyNa vnitřním nebo vnějším povrchu fosfolipidové dvojvrstvy; nejsou vloženy do fosfolipidů
Sacharidy (složky glykoproteinů a glykolipidů)Obecně se váže na proteiny na vnější membránové vrstvě

Spojení kariéry: imunolog

Variace v periferních proteinech a sacharidech, které ovlivňují rozpoznávací místa buňky, jsou v imunologii prvořadým zájmem. Tyto změny jsou brány v úvahu při vývoji vakcíny. Mnoho infekčních chorob, jako jsou neštovice, dětská obrna, záškrt a tetanus, bylo překonáno použitím vakcín.

Imunologové jsou lékaři a vědci, kteří zkoumají a vyvíjejí vakcíny a také léčí a studují alergie nebo jiné imunitní problémy. Někteří imunologové studují a léčí autoimunitní problémy (onemocnění, při nichž imunitní systém člověka napadá jeho vlastní buňky nebo tkáně, jako je lupus) a imunodeficience, ať již získané (jako syndrom získané imunodeficience nebo AIDS) nebo dědičné (jako závažné kombinované imunodeficience nebo SCID). K léčbě pacientů s transplantací orgánů jsou povoláni imunologové, kteří musí mít potlačený imunitní systém, aby jejich těla transplantovaný orgán neodmítla. Někteří imunologové se snaží porozumět přirozené imunitě a vlivům prostředí člověka na ni. Jiní pracují na otázkách, jak imunitní systém ovlivňuje nemoci, jako je rakovina. Dříve nebyl význam zdravého imunitního systému při prevenci rakoviny vůbec chápán.

K práci imunologa je nutný doktorát nebo MD. Imunologové navíc absolvují minimálně 2–3 roky výcviku v akreditovaném programu a musí složit zkoušku Americké rady pro alergii a imunologii. Imunologové musí mít znalosti o funkcích lidského těla, které se týkají záležitostí mimo imunizaci, a znalosti farmakologie a lékařské technologie, jako jsou léky, terapie, testovací materiály a chirurgické postupy.

je třeba na stránku přidat šablonu „AutoNum“ (nejlépe na konci).

Souhrn

Moderní chápání plazmatické membrány se označuje jako model tekuté mozaiky. Plazmatická membrána se skládá z dvojvrstvy fosfolipidů, přičemž jejich hydrofobní zbytky mastných kyselin jsou ve vzájemném kontaktu. Krajina membrány je poseta proteiny, z nichž některé pokrývají membránu. Některé z těchto proteinů slouží k transportu materiálů do nebo ven z buňky. Sacharidy jsou připojeny k některým proteinům a lipidům na povrchu membrány směřujícím ven a vytvářejí komplexy, které fungují k identifikaci buňky s jinými buňkami. Tekutá povaha membrány je dána teplotou, konfigurací konců mastných kyselin (některé jsou zalomené dvojnými vazbami), přítomností cholesterolu vloženého do membrány a mozaikovou povahou proteinů a kombinací proteinů a sacharidů, které jsou není pevně na svém místě. Plazmatické membrány uzavírají a definují hranice buněk, ale nejsou statickým vakem, jsou dynamické a neustále se mění.

amfifilní
molekula mající polární nebo nabitou oblast a nepolární nebo nenabitou oblast schopná interakce s hydrofilním i hydrofobním prostředím
model tekuté mozaiky
popisuje strukturu plazmatické membrány jako mozaiku složek zahrnujících fosfolipidy, cholesterol, proteiny, glykoproteiny a glykolipidy (cukerné řetězce připojené k proteinům, respektive lipidům), což má za následek tekutý charakter (tekutost)
glykolipid
kombinace sacharidů a lipidů
glykoprotein
kombinace sacharidů a bílkovin
hydrofilní
molekula se schopností spojit se s vodou; “Milující vodu”
hydrofobní
molekula, která nemá schopnost vazby s vodou; „Nenávidět vodu“
integrální protein
protein integrovaný do membránové struktury, který značně interaguje s uhlovodíkovými řetězci membránových lipidů a často překlenuje membránu; tyto proteiny lze odstranit pouze narušením membrány detergenty
periferní protein
protein nacházející se na povrchu plazmatické membrány buď na její vnější nebo vnitřní straně; tyto proteiny lze odstranit (smýt z membrány) promytím s vysokým obsahem soli

Ribozomy - vyrobit bílkoviny pro použití v organismu
Cytoplazma - rosolovitá kaše na vnitřní straně cely
DNA - genetický materiál
Cytoskeleton - vnitřní rámec buňky
Buněčná membrána - vnější hranice buňky, některé věci mohou překročit buněčnou membránu.

Prokaryotické buňky

Prokaryoty jsou velmi jednoduché buňky, pravděpodobně první, které obývaly Zemi.
Prokaryotické buňky neobsahují jádro vázané na membránu.
Bakterie jsou prokaryoty.
DNA bakterií je kruhová.

Slovo „prokaryot“ znamená „před jádrem“

Další funkce nalezené v některých bakteriích:

Flagella - slouží k pohybu
Pilus - malé chlupaté struktury používané k připojení k jiným buňkám
Kapsle - odolná vnější vrstva, která chrání bakterie, často spojená se škodlivými bakteriemi


Struktura, anatomie a morfologie zralých semen: modelové druhy v biologii semen

Rodina (clade) Příklady Popis
Endospermická semena
Cucurbitaceae
- Jádro Eudicots
- Růžový kladu
muškátový oříšek (Cucumis melo ) V semenu muškátu je embryo obklopeno obalem perispermu/endospermu. Depozice kallosy (& szlig-1,3-glukan) v této obálce je zodpovědná za apoplastickou semipermeabilitu semen muškátu. Obal perispermu/endospermu je oslaben před dokončením klíčení.
Fabaceae
- Jádro Eudicots
- Růžový kladu
pískavice řecké (Trigonella foenum-graecum)
karmínová jetel (Trifolium incarnatum)
vojtěška (Medicago sativa)
Pouze některá semena luštěnin (Fabaceae) jsou endospermická, většina luštěninových semen je neendospermická.
Euphorbiaceae
- Jádro Eudicots
- Růžový kladu
ricin fazole (Ricinus communis) Semena ricinových bobů (Malpighiales) jsou klasickým systémem semen ke studiu rozpadu rezerv endospermu.
Brassicaceae
- Jádro Eudicots
- Růžový kladu
řeřicha zahradní (Lepidium sativum)
řeřicha myší (Arabidopsis thaliana)
Pouze některá semena Brassicaceae jsou endospermická, většina semen Brassicaceae je neendospermická. Zralá semena Lepidium mají 1-2 buněčné vrstvy endospermu, zatímco Arabidopsis má jednu vrstvu buněk endospermu. Tyto dva druhy vykazují jako tabák a dvoukrokové klíčení (zřetelná ruptura testa a prasknutí endospermu). Našli jsme to Lepidium je slibný modelový systém pro oslabení endospermu M & uumlller et al. 2006).
Solanaceae
- Jádro Eudicots
- Asteridský kladu
Podskupina Cestroideae:
tabák (Nicotiana tabacum)
jiný Nicotiana-druh
petúnie (Petunia hybrida)

Cestroideae podskupina Solanaceae (tabák, petúnie):
Rovná nebo mírně ohnutá embrya a prizmatická až subglobózní semena, dvoustupňové klíčení (zřetelná ruptura testa a ruptura endospermu), obvykle kapsle jako ovoce.


Jednota

Všechny živé organismy, bez ohledu na jejich jedinečnost, mají určité společné biologické, chemické a fyzikální vlastnosti. Všechny jsou například složeny ze základních jednotek známých jako buňky a ze stejných chemických látek, které při analýze vykazují pozoruhodné podobnosti, a to i v tak rozdílných organizmech, jako jsou bakterie a lidé. Kromě toho, protože působení jakéhokoli organismu je určeno způsobem, jakým interagují jeho buňky, a protože všechny buňky interagují stejným způsobem, je základní fungování všech organismů také podobné.

Existuje nejen jednota základní živé podstaty a fungování, ale také jednota původu všech živých věcí. Podle teorie navržené v roce 1855 německým patologem Rudolfem Virchowem „všechny živé buňky pocházejí z již existujících živých buněk“. Tato teorie se zdá být pravdivá pro všechny živé věci v současné době za stávajících podmínek prostředí. Pokud by však život v minulosti na Zemi vznikl více než jednou, zdálo by se, že skutečnost, že všechny organismy mají stejnou základní strukturu, složení a funkci, naznačuje, že uspěl pouze jeden původní typ.

Společný původ života by vysvětloval, proč u lidí nebo bakterií - a ve všech životních formách mezi nimi - stejná chemická látka, kyselina deoxyribonukleová (DNA), ve formě genů, odpovídá za schopnost veškeré živé hmoty přesně se replikovat a přenášet genetické informace z rodičů na potomky. Mechanismy pro tento přenos se navíc řídí vzorem, který je ve všech organismech stejný.

Kdykoli dojde ke změně genu (mutace), dojde v organismu, který gen obsahuje, k nějaké změně. Právě tento univerzální fenomén vyvolává rozdíly (variace) v populacích organismů, z nichž si příroda vybírá k přežití ty, které se nejlépe dokážou vyrovnat s měnícími se podmínkami v prostředí.


Přehled síťování a modifikace proteinů

Řada technik pro studium struktury a interakce proteinů, jakož i pro manipulaci s proteiny pro použití v afinitních purifikačních nebo detekčních postupech závisí na metodách chemického zesíťování, modifikace nebo značení proteinů.

Zesíťování je proces chemického spojení dvou nebo více molekul kovalentní vazbou. Modifikace zahrnuje připojení nebo štěpení chemických skupin za účelem změny rozpustnosti nebo jiných vlastností původní molekuly. "Značení" obecně označuje jakoukoli formu zesítění nebo modifikaci, jejímž účelem je připojit chemickou skupinu (např. Fluorescenční molekulu), aby napomohla detekci molekuly, a je popsána v jiných článcích.

Celý soubor metod zesíťování a modifikace pro použití s ​​proteiny a jinými biomolekulami v biologickém výzkumu se často nazývá „bioconjugation“ nebo „bioconjugate“ technologie. (Konjugace je synonymem pro síťování.)

Obsah stránky

Zobrazit a vybrat produkty

Kovalentní modifikace a zesíťování proteinů závisí na dostupnosti konkrétních chemikálií, které jsou schopné reagovat se specifickými druhy funkčních skupin, které v proteinech existují. Kromě toho jsou funkce a struktura proteinu buď přímým zaměřením studia, nebo musí být zachovány, pokud má být modifikovaný protein v technice užitečný. Proto je třeba vzít v úvahu složení a strukturu proteinů a potenciální účinky modifikačních činidel na strukturu a funkci proteinů.

Bílkoviny mají čtyři úrovně struktury. Sekvence jejích aminokyselin je primární strukturou. Tato sekvence je vždy zapsána z amino konce (N-konec) na karboxylový konec (C-konec). Sekundární struktura proteinu se týká běžných opakujících se prvků přítomných v proteinech. Existují dvě základní složky sekundární struktury: alfa šroubovice a beta skládaný list. Alfa helixy jsou těsné struktury ve tvaru vývrtky tvořené jednotlivými polypeptidovými řetězci. Beta-skládané archy jsou buď paralelní nebo antiparalelní uspořádání polypeptidových vláken stabilizovaných vodíkovými vazbami mezi sousedními skupinami –NH a –CO. Paralelní beta listy mají sousední vlákna, která běží ve stejném směru (tj. N-konce vedle sebe), zatímco anti-paralelní beta listy mají sousední vlákna, která probíhají v opačných směrech (tj. N-konec jednoho vlákna uspořádaného směrem C-konec sousedního vlákna). Beta skládaná fólie může obsahovat dva až pět paralelních nebo antiparalelních vláken.

Terciární struktura je úplná trojrozměrná skládaná struktura polypeptidového řetězce a je závislá na sadě spontánních a termodynamicky stabilních interakcí mezi postranními řetězci aminokyselin. Disulfidové vazby, stejně jako iontové a hydrofobní interakce, mají velký dopad na terciární strukturu. Kvartérní struktura se týká prostorového uspořádání dvou nebo více polypeptidových řetězců. Tato struktura může být monomer, dimer, trimer atd. Polypeptidové řetězce skládající se z kvartérní struktury proteinu mohou být identické (např. Homodimer) nebo různé (např. Heterodimer).

Čtyři úrovně proteinové struktury. Sekvence aminokyselin, reprezentovaná modrými tečkami, spojená peptidovými vazbami, tvoří primární strukturu. Vlastnosti základních aminokyselin v kontextu buněčného prostředí do značné míry určují spontánní tvorbu struktury vyšší úrovně, která je nezbytná pro funkci bílkovin.


Neurony jsou organizovány do obvodů

U složitých mnohobuněčných živočichů, jako je hmyz a savci, tvoří různé typy neuronů signální obvody. V jednoduchém typu obvodu nazývaného a reflexní oblouk, interneurony spojují více senzorických a motorických neuronů, což umožňuje jednomu senzorickému neuronu ovlivnit více motorických neuronů a jeden motorický neuron být ovlivněn více senzorickými neurony tímto způsobem interneurony integrují a posilují reflexy. Například reflex u kolena u lidí zahrnuje komplexní reflexní oblouk, ve kterém je jeden sval stimulován ke kontrakci, zatímco jinému je bráněno v kontrakci (obrázek 21-5). Takové obvody umožňují organismu reagovat na smyslové vstupy koordinovaným působením svalových svazků, které společně dosahují jediného účelu. Takové jednoduché nervové systémy však přímo nevysvětlují mozkové funkce vyššího řádu, jako je uvažování a počítání.

Obrázek 21-5

Reflexní oblouk v koleni u člověka. Polohování a pohyb kolenního kloubu zajišťují dva svaly, které mají opačné akce: Kontrakce čtyřhlavého svalu narovnává nohu, zatímco kontrakce bicepsového svalu ohýbá (více.)

Senzorické a motorické neurony obvodů, jako je například reflex kolenem, jsou obsaženy v periferním nervovém systému (obrázek 21-6). Tyto obvody odesílají informace a přijímají informace z centrálního nervového systému (CNS), který zahrnuje mozek a míchu a je složen převážně z interneuronů. Vysoce specializované buňky senzorických receptorů, které reagují na specifické podněty prostředí, posílají své výstupy buď přímo do mozku (např. receptory chuti a vonných látek), nebo do periferních senzorických neuronů (např. receptory bolesti a protahování). Periferní nervový systém obsahuje dvě široké třídy motorických neuronů. The somatické motorické neurony stimulujte dobrovolné svaly, jako jsou ty v pažích, nohou a krku, buněčná těla těchto neuronů se nacházejí uvnitř centrálního nervového systému, buď v mozku nebo míše. The autonomní motorické neurony inervují žlázy, srdeční sval a hladké svaly, které nejsou pod vědomou kontrolou, jako jsou svaly obklopující střevo a další orgány gastrointestinálního traktu. Dvě třídy autonomních motorických neuronů, soucitný a parasympatikus, obecně mají opačné účinky: jedna třída stimuluje sval nebo žlázu a druhá ji brzdí. Somatickým senzorickým neuronům, které přenášejí informace do centrálního nervového systému, jsou jejich buněčná těla seskupena ganglia, masy nervové tkáně, které leží těsně mimo míchu. V gangliích leží také buněčná těla motorických neuronů autonomního nervového systému. Každý periferní nerv je ve skutečnosti svazek axonů, některé jsou součástí motorických neuronů, jiné jsou součástí senzorických neuronů.

Obrázek 21-6

Vysoce schematický diagram nervového systému obratlovců. Centrální nervový systém (CNS) zahrnuje mozek a míchu. Přijímá přímý senzorický vstup z očí, nosu, jazyka a uší. Periferní nervový systém (PNS) obsahuje tři (více.)

Having surveyed the general features of neuron structure, interactions, and simple circuits, let us turn to the mechanism by which a neuron generates and conducts electric impulses.


Obsah

Some studies of plant anatomy use a systems approach, organized on the basis of the plant's activities, such as nutrient transport, flowering, pollination, embryogenesis or seed development. [4] Others are more classically [5] divided into the following structural categories:

About 300 BC Theophrastus wrote a number of plant treatises, only two of which survive, Enquiry into Plants (Περὶ φυτῶν ἱστορία), and On the Causes of Plants (Περὶ φυτῶν αἰτιῶν). He developed concepts of plant morphology and classification, which did not withstand the scientific scrutiny of the Renaissance.

A Swiss physician and botanist, Gaspard Bauhin, introduced binomial nomenclature into plant taxonomy. He published Pinax theatri botanici in 1596, which was the first to use this convention for naming of species. His criteria for classification included natural relationships, or 'affinities', which in many cases were structural.

It was in the late 1600s that plant anatomy became refined into a modern science. Italian doctor and microscopist, Marcello Malpighi, was one of the two founders of plant anatomy. In 1671 he published his Anatomia Plantarum, the first major advance in plant physiogamy since Aristotle. The other founder was the British doctor Nehemiah Grew. He published An Idea of a Philosophical History of Plants in 1672 and The Anatomy of Plants in 1682. Grew is credited with the recognition of plant cells, although he called them 'vesicles' and 'bladders'. He correctly identified and described the sexual organs of plants (flowers) and their parts. [6]

In the eighteenth century, Carl Linnaeus established taxonomy based on structure, and his early work was with plant anatomy. While the exact structural level which is to be considered to be scientifically valid for comparison and differentiation has changed with the growth of knowledge, the basic principles were established by Linnaeus. He published his master work, Species Plantarum in 1753.

In 1802, French botanist Charles-François Brisseau de Mirbel, published Traité d'anatomie et de physiologie végétale (Treatise on Plant Anatomy and Physiology) establishing the beginnings of the science of plant cytology.

In 1812, Johann Jacob Paul Moldenhawer published Beyträge zur Anatomie der Pflanzen, describing microscopic studies of plant tissues.

In 1813 a Swiss botanist, Augustin Pyrame de Candolle, published Théorie élémentaire de la botanique, in which he argued that plant anatomy, not physiology, ought to be the sole basis for plant classification. Using a scientific basis, he established structural criteria for defining and separating plant genera.

In 1830, Franz Meyen published Phytotomie, the first comprehensive review of plant anatomy.

In 1838 German botanist Matthias Jakob Schleiden, published Contributions to Phytogenesis, stating, "the lower plants all consist of one cell, while the higher plants are composed of (many) individual cells" thus confirming and continuing Mirbel's work.

A German-Polish botanist, Eduard Strasburger, described the mitotic process in plant cells and further demonstrated that new cell nuclei can only arise from the division of other pre-existing nuclei. Jeho Studien über Protoplasma was published in 1876.

Gottlieb Haberlandt, a German botanist, studied plant physiology and classified plant tissue based upon function. On this basis, in 1884 he published Physiologische Pflanzenanatomie (Physiological Plant Anatomy) in which he described twelve types of tissue systems (absorptive, mechanical, photosynthetic, etc.).

British paleobotanists Dunkinfield Henry Scott and William Crawford Williamson described the structures of fossilized plants at the end of the nineteenth century. Scott's Studies in Fossil Botany was published in 1900.

Following Charles Darwin's Původ druhů a Canadian botanist, Edward Charles Jeffrey, who was studying the comparative anatomy and phylogeny of different vascular plant groups, applied the theory to plants using the form and structure of plants to establish a number of evolutionary lines. He published his The Anatomy of Woody Plants in 1917.

The growth of comparative plant anatomy was spearheaded by British botanist Agnes Arber. She published Water Plants: A Study of Aquatic Angiosperms in 1920, Monocotyledons: A Morphological Study in 1925, and The Gramineae: A Study of Cereal, Bamboo and Grass in 1934. [7]

Following World War II, Katherine Esau published, Plant Anatomy (1953), which became the definitive textbook on plant structure in North American universities and elsewhere, it was still in print as of 2006. [8] She followed up with her Anatomy of seed plants v roce 1960.


Obsah

Two-component systems accomplish signal transduction through the phosphorylation of a response regulator (RR) by a histidine kinase (HK). Histidine kinases are typically homodimeric transmembrane proteins containing a histidine phosphotransfer domain and an ATP binding domain, though there are reported examples of histidine kinases in the atypical HWE and HisKA2 families that are not homodimers. [4] Response regulators may consist only of a receiver domain, but usually are multi-domain proteins with a receiver domain and at least one effector or output domain, often involved in DNA binding. [3] Upon detecting a particular change in the extracellular environment, the HK performs an autophosphorylation reaction, transferring a phosphoryl group from adenosine triphosphate (ATP) to a specific histidine residue. The cognate response regulator (RR) then catalyzes the transfer of the phosphoryl group to an aspartate residue on the response regulator's receiver domain. [5] [6] This typically triggers a conformational change that activates the RR's effector domain, which in turn produces the cellular response to the signal, usually by stimulating (or repressing) expression of target genes. [3]

Many HKs are bifunctional and possess phosphatase activity against their cognate response regulators, so that their signaling output reflects a balance between their kinase and phosphatase activities. Many response regulators also auto-dephosphorylate, [7] and the relatively labile phosphoaspartate can also be hydrolyzed non-enzymatically. [1] The overall level of phosphorylation of the response regulator ultimately controls its activity. [1] [8]

Phosphorelays Edit

Some histidine kinases are hybrids that contain an internal receiver domain. In these cases, a hybrid HK autophosphorylates and then transfers the phosphoryl group to its own internal receiver domain, rather than to a separate RR protein. The phosphoryl group is then shuttled to histidine phosphotransferase (HPT) and subsequently to a terminal RR, which can evoke the desired response. [9] [10] This system is called a phosphorelay. Almost 25% of bacterial HKs are of the hybrid type, as are the large majority of eukaryotic HKs. [3]

Two-component signal transduction systems enable bacteria to sense, respond, and adapt to a wide range of environments, stressors, and growth conditions. [11] These pathways have been adapted to respond to a wide variety of stimuli, including nutrients, cellular redox state, changes in osmolarity, quorum signals, antibiotics, temperature, chemoattractants, pH and more. [12] [13] The average number of two-component systems in a bacterial genome has been estimated as around 30, [14] or about 1–2% of a prokaryote's genome. [15] A few bacteria have none at all – typically endosymbionts and pathogens – and others contain over 200. [16] [17] All such systems must be closely regulated to prevent cross-talk, which is rare in vivo. [18]

v Escherichia coli, the osmoregulatory EnvZ/OmpR two-component system controls the differential expression of the outer membrane porin proteins OmpF and OmpC. [19] The KdpD sensor kinase proteins regulate the kdpFABC operon responsible for potassium transport in bacteria including E-coli a Clostridium acetobutylicum. [20] The N-terminal domain of this protein forms part of the cytoplasmic region of the protein, which may be the sensor domain responsible for sensing turgor pressure. [21]

Signal transducing histidine kinases are the key elements in two-component signal transduction systems. [22] [23] Examples of histidine kinases are EnvZ, which plays a central role in osmoregulation, [24] and CheA, which plays a central role in the chemotaxis system. [25] Histidine kinases usually have an N-terminal ligand-binding domain and a C-terminal kinase domain, but other domains may also be present. The kinase domain is responsible for the autophosphorylation of the histidine with ATP, the phosphotransfer from the kinase to an aspartate of the response regulator, and (with bifunctional enzymes) the phosphotransfer from aspartyl phosphate to water. [26] The kinase core has a unique fold, distinct from that of the Ser/Thr/Tyr kinase superfamily.

HKs can be roughly divided into two classes: orthodox and hybrid kinases. [27] [28] Most orthodox HKs, typified by the E-coli EnvZ protein, function as periplasmic membrane receptors and have a signal peptide and transmembrane segment(s) that separate the protein into a periplasmic N-terminal sensing domain and a highly conserved cytoplasmic C-terminal kinase core. Members of this family, however, have an integral membrane sensor domain. Not all orthodox kinases are membrane bound, e.g., the nitrogen regulatory kinase NtrB (GlnL) is a soluble cytoplasmic HK. [6] Hybrid kinases contain multiple phosphodonor and phosphoacceptor sites and use multi-step phospho-relay schemes instead of promoting a single phosphoryl transfer. In addition to the sensor domain and kinase core, they contain a CheY-like receiver domain and a His-containing phosphotransfer (HPt) domain.

The number of two-component systems present in a bacterial genome is highly correlated with genome size as well as ecological niche bacteria that occupy niches with frequent environmental fluctuations possess more histidine kinases and response regulators. [3] [29] New two-component systems may arise by gene duplication or by lateral gene transfer, and the relative rates of each process vary dramatically across bacterial species. [30] In most cases, response regulator genes are located in the same operon as their cognate histidine kinase [3] lateral gene transfers are more likely to preserve operon structure than gene duplications. [30]

Two-component systems are rare in eukaryotes. They appear in yeasts, filamentous fungi, and slime molds, and are relatively common in plants, but have been described as "conspicuously absent" from animals. [3] Two-component systems in eukaryotes likely originate from lateral gene transfer, often from endosymbiotic organelles, and are typically of the hybrid kinase phosphorelay type. [3] For example, in the yeast Candida albicans, genes found in the nuclear genome likely originated from endosymbiosis and remain targeted to the mitochondria. [31] Two-component systems are well-integrated into developmental signaling pathways in plants, but the genes probably originated from lateral gene transfer from chloroplasts. [3] An example is the chloroplast sensor kinase (CSK) gene in Arabidopsis thaliana, derived from chloroplasts but now integrated into the nuclear genome. CSK function provides a redox-based regulatory system that couples photosynthesis to chloroplast gene expression this observation has been described as a key prediction of the CoRR hypothesis, which aims to explain the retention of genes encoded by endosymbiotic organelles. [32] [33]

It is unclear why canonical two-component systems are rare in eukaryotes, with many similar functions having been taken over by signaling systems based on serine, threonine, or tyrosine kinases it has been speculated that the chemical instability of phosphoaspartate is responsible, and that increased stability is needed to transduce signals in the more complex eukaryotic cell. [3] Notably, cross-talk between signaling mechanisms is very common in eukaryotic signaling systems but rare in bacterial two-component systems. [34]

Because of their sequence similarity and operon structure, many two-component systems – particularly histidine kinases – are relatively easy to identify through bioinformatics analysis. (By contrast, eukaryotic kinases are typically easily identified, but they are not easily paired with their substrates.) [3] A database of prokaryotic two-component systems called P2CS has been compiled to document and classify known examples, and in some cases to make predictions about the cognates of "orphan" histidine kinase or response regulator proteins that are genetically unlinked to a partner. [35] [36]


Sacharidy

The first class of biomolecules we will discuss are the carbohydrates. These molecules are comprised of the elements carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O). Commonly, these molecules are known as sugars. Carbohydrates can range in size from very small to very large. Like all the other biomolecules, carbohydrates are often built into long chains by stringing together smaller units. This works like adding beads to a bracelet to make it longer. The general term for a single unit or bead is a monomer . The term for a long string of monomers is a polymer .

Examples of carbohydrates include the sugars found in milk (lactose) and table sugar (sucrose). Depicted below is the structure of the monomer sugar glucose, a major source of energy for our body.

Carbohydrates have several functions in cells. They are an excellent source of energy for the many different activities going on in our cells. Some carbohydrates may have a structural function. For example, the material that makes plants stand tall and gives wood its tough properties is a polymer form of glucose known as cellulose . Other types of sugar polymers make up the stored forms of energy known as starch and glycogen . Starch is found in plant products such as potatoes and glycogen is found in animals. A short molecule of glycogen is shown below. You can manipulate the molecule yourself to take a good look.

Carbohydrates are essential for cells to communicate with each other. They also help cells adhere to each other and the material surrounding the cells in the body. The ability of the body to defend itself against invading microbes and the removal of foreign material from the body (such as the capture of dust and pollen by the mucus in our nose and throat) is also dependent on the properties of carbohydrates.


1.2 Themes and Concepts of Biology

Na konci této části budete moci provést následující:

  • Identify and describe the properties of life
  • Describe the levels of organization among living things
  • Recognize and interpret a phylogenetic tree
  • List examples of different subdisciplines in biology

Biology is the science that studies life, but what exactly is life? This may sound like a silly question with an obvious response, but it is not always easy to define life. Například biologický obor zvaný virologie studuje viry, které vykazují některé vlastnosti živých entit, ale jiné postrádají. Although viruses can attack living organisms, cause diseases, and even reproduce, they do not meet the criteria that biologists use to define life. Consequently, virologists are not biologists, strictly speaking. Similarly, some biologists study the early molecular evolution that gave rise to life. Since the events that preceded life are not biological events, these scientists are also excluded from biology in the strict sense of the term.

From its earliest beginnings, biology has wrestled with three questions: What are the shared properties that make something “alive”? Once we know something is alive, how do we find meaningful levels of organization in its structure? Finally, when faced with the remarkable diversity of life, how do we organize the different kinds of organisms so that we can better understand them? As scientists discover new organisms every day, biologists continue to seek answers to these and other questions.

Vlastnosti života

All living organisms share several key characteristics or functions: order, sensitivity or response to the environment, reproduction, adaptation, growth and development, regulation/homeostasis, energy processing, and evolution. Při společném pohledu slouží těchto osm charakteristik k definování života.

Objednat

Organisms are highly organized, coordinated structures that consist of one or more cells. Even very simple, single-celled organisms are remarkably complex: inside each cell, atoms comprise molecules. These in turn comprise cell organelles and other cellular inclusions. In multicellular organisms (Figure 1.10), similar cells form tissues. Tissues, in turn, collaborate to create organs (body structures with a distinct function). Organs work together to form organ systems.

Citlivost nebo reakce na podněty

Organismy reagují na různé podněty. For example, plants can bend toward a source of light, climb on fences and walls, or respond to touch (Figure 1.11). Even tiny bacteria can move toward or away from chemicals (a process called chemotaxe) or light (fototaxe). Movement toward a stimulus is a positive response, while movement away from a stimulus is a negative response.

Odkaz na učení

Watch this video to see how plants respond to a stimulus—from opening to light, to wrapping a tendril around a branch, to capturing prey.

Reprodukce

Single-celled organisms reproduce by first duplicating their DNA, and then dividing it equally as the cell prepares to divide to form two new cells. Multicellular organisms often produce specialized reproductive cells—gametes and oocyte and sperm cells. After fertilization (the fusion of an oocyte and a sperm cell), a new individual develops. When reproduction occurs, DNA containing genes are passed along to an organism’s offspring. These genes ensure that the offspring will belong to the same species and will have similar characteristics, such as size and shape.

Přizpůsobování

Všechny živé organismy vykazují „přizpůsobení“ svému prostředí. Biologists refer to this fit as adaptation, and it is a consequence of evolution by natural selection, which operates in every lineage of reproducing organisms. Examples of adaptations are diverse and unique, from heat-resistant Archaea that live in boiling hotsprings to the tongue length of a nectar-feeding moth that matches the size of the flower from which it feeds. Adaptations enhance the reproductive potential of the individuals exhibiting them, including their ability to survive to reproduce. Adaptace nejsou konstantní. Jak se mění prostředí, přirozený výběr způsobuje, že charakteristiky jednotlivců v populaci tyto změny sledují.

Growth and Development

Organisms grow and develop as a result of genes providing specific instructions that will direct cellular growth and development. This ensures that a species’ young (Figure 1.12) will grow up to exhibit many of the same characteristics as its parents.

Regulation/Homeostasis

Even the smallest organisms are complex and require multiple regulatory mechanisms to coordinate internal functions, respond to stimuli, and cope with environmental stresses. Two examples of internal functions regulated in an organism are nutrient transport and blood flow. Organs (groups of tissues working together) perform specific functions, such as carrying oxygen throughout the body, removing wastes, delivering nutrients to every cell, and cooling the body.

In order to function properly, cells require appropriate conditions such as proper temperature, pH, and appropriate concentration of diverse chemicals. Tyto podmínky se však mohou z jednoho okamžiku na druhý změnit. Organisms are able to maintain internal conditions within a narrow range almost constantly, despite environmental changes, through homeostasis (literally, “steady state”). For example, an organism needs to regulate body temperature through the thermoregulation process. Organisms that live in cold climates, such as the polar bear (Figure 1.13), have body structures that help them withstand low temperatures and conserve body heat. Structures that aid in this type of insulation include fur, feathers, blubber, and fat. V horkém podnebí mají organismy metody (jako je pocení u lidí nebo lapání po dechu u psů), které jim pomáhají uvolňovat přebytečné tělesné teplo.

Energetické zpracování

All organisms use a source of energy for their metabolic activities. Some organisms capture energy from the sun and convert it into chemical energy in food. Others use chemical energy in molecules they take in as food (Figure 1.14).

Vývoj

The diversity of life on Earth is a result of mutations, or random changes in hereditary material over time. These mutations allow the possibility for organisms to adapt to a changing environment. An organism that evolves characteristics fit for the environment will have greater reproductive success, subject to the forces of natural selection.

Úrovně organizace živých věcí

Living things are highly organized and structured, following a hierarchy that we can examine on a scale from small to large. The atom is the smallest and most fundamental unit of matter that retains the properties of an element. Skládá se z jádra obklopeného elektrony. Atomy tvoří molekuly. Molekula je chemická struktura skládající se alespoň ze dvou atomů držených pohromadě jednou nebo více chemickými vazbami. Many molecules that are biologically important are macromolecules , large molecules that are typically formed by polymerization (a polymer is a large molecule that is made by combining smaller units called monomers, which are simpler than macromolecules). An example of a macromolecule is deoxyribonucleic acid (DNA) (Figure 1.15), which contains the instructions for the structure and functioning of all living organisms.

Odkaz na učení

Watch this video that animates the three-dimensional structure of the DNA molecule in Figure 1.15.

Some cells contain aggregates of macromolecules surrounded by membranes. We call these organelles . Organely jsou malé struktury, které existují v buňkách. Mezi příklady organel patří mitochondrie a chloroplasty, které vykonávají nepostradatelné funkce: mitochondrie produkují energii k napájení buňky, zatímco chloroplasty umožňují zeleným rostlinám využívat energii ve slunečním světle k výrobě cukrů. All living things are made of cells. The cell itself is the smallest fundamental unit of structure and function in living organisms. (This requirement is why scientists do not consider viruses living: they are not made of cells. To make new viruses, they have to invade and hijack the reproductive mechanism of a living cell. Only then can they obtain the materials they need to reproduce.) Some organisms consist of a single cell and others are multicellular. Scientists classify cells as prokaryotic or eukaryotic. Prokaryotes are single-celled or colonial organisms that do not have membrane-bound nuclei. In contrast, the cells of eukaryotes do have membrane-bound organelles and a membrane-bound nucleus.

In larger organisms, cells combine to make tissues , which are groups of similar cells carrying out similar or related functions. Organs are collections of tissues grouped together performing a common function. Orgány jsou přítomny nejen u zvířat, ale i v rostlinách. Orgánový systém je vyšší úroveň organizace, která se skládá z funkčně příbuzných orgánů. Savci mají mnoho orgánových systémů. For instance, the circulatory system transports blood through the body and to and from the lungs. It includes organs such as the heart and blood vessels. Organismy jsou individuální živé bytosti. Například každý strom v lese je organismus. Single-celled prokaryotes and single-celled eukaryotes are also organisms, which biologists typically call microorganisms.

Biologists collectively call all the individuals of a species living within a specific area a population . For example, a forest may include many pine trees, which represent the population of pine trees in this forest. Různé populace mohou žít ve stejné specifické oblasti. For example, the forest with the pine trees includes populations of flowering plants, insects, and microbial populations. A community is the sum of populations inhabiting a particular area. Například všechny stromy, květiny, hmyz a další populace v lese tvoří lesní komunitu. Samotný les je ekosystém. An ecosystem consists of all the living things in a particular area together with the abiotic, nonliving parts of that environment such as nitrogen in the soil or rain water. At the highest level of organization (Figure 1.16), the biosphere is the collection of all ecosystems, and it represents the zones of life on Earth. Zahrnuje do jisté míry pevninu, vodu a dokonce i atmosféru.

Vizuální připojení

Které z následujících tvrzení je nepravdivé?

  1. Tkáně existují v orgánech, které existují v orgánových systémech.
  2. Komunity existují v populacích, které existují v ekosystémech.
  3. Organely existují v buňkách, které existují v tkáních.
  4. Komunity existují v ekosystémech, které existují v biosféře.

Rozmanitost života

The fact that biology, as a science, has such a broad scope has to do with the tremendous diversity of life on earth. The source of this diversity is evolution , the process of gradual change in a population or species over time. Evolutionary biologists study the evolution of living things in everything from the microscopic world to ecosystems.

A phylogenetic tree (Figure 1.17) can summarize the evolution of various life forms on Earth. It is a diagram showing the evolutionary relationships among biological species based on similarities and differences in genetic or physical traits or both. Nodes and branches comprise a phylogenetic tree. The internal nodes represent ancestors and are points in evolution when, based on scientific evidence, researchers believe an ancestor has diverged to form two new species. The length of each branch is proportional to the time elapsed since the split.

Evoluční připojení

Carl Woese and the Phylogenetic Tree

V minulosti biologové seskupovali živé organismy do pěti království: zvířata, rostliny, houby, prvoky a bakterie. They based the organizational scheme mainly on physical features, as opposed to physiology, biochemistry, or molecular biology, all of which modern systematics use. American microbiologist Carl Woese's pioneering work in the early 1970s has shown, however, that life on Earth has evolved along three lineages, now called domains—Bacteria, Archaea, and Eukarya. The first two are prokaryotic cells with microbes that lack membrane-enclosed nuclei and organelles. The third domain contains the eukaryotes and includes unicellular microorganisms (protists), together with the three remaining kingdoms (fungi, plants, and animals). Woese defined Archaea as a new domain, and this resulted in a new taxonomic tree (Figure 1.17). Mnoho organismů patřících do domény Archaea žije v extrémních podmínkách a nazývá se extremofily. Ke konstrukci svého stromu použil Woese spíše genetické vztahy než podobnosti založené na morfologii (tvaru).

Woese constructed his tree from universally distributed comparative gene sequencing that are present in every organism, and conserved (meaning that these genes have remained essentially unchanged throughout evolution). Woese’s approach was revolutionary because comparing physical features are insufficient to differentiate between the prokaryotes that appear fairly similar in spite of their tremendous biochemical diversity and genetic variability (Figure 1.18). Comparing rRNA sequences provided Woese with a sensitive device that revealed the extensive variability of prokaryotes, and which justified separating the prokaryotes into two domains: bacteria and archaea.

Větve biologické studie

The scope of biology is broad and therefore contains many branches and subdisciplines. Biologists may pursue one of those subdisciplines and work in a more focused field. Molekulární biologie a biochemie například studují biologické procesy na molekulární a chemické úrovni, včetně interakcí mezi molekulami, jako je DNA, RNA a proteiny, a také způsobu jejich regulace. Microbiology , the study of microorganisms, is the study of the structure and function of single-celled organisms. Je to docela široký obor a v závislosti na předmětu studia existují mimo jiné také mikrobiální fyziologové, ekologové a genetici.

Kariérní připojení

Forensic Scientist

Forenzní věda je aplikace vědy k zodpovězení otázek souvisejících se zákonem. Biologové i chemici a biochemici mohou být kriminalisté. Kriminalisté poskytují vědecké důkazy pro použití u soudů a jejich práce zahrnuje zkoumání stopových materiálů spojených se zločiny. Zájem o forenzní vědu se v posledních letech zvýšil, možná kvůli populárním televizním pořadům, které mají kriminalisty v práci. Also, developing molecular techniques and establishing DNA databases have expanded the types of work that forensic scientists can do. Jejich pracovní činnosti souvisejí především se zločiny proti lidem, jako je vražda, znásilnění a napadení. Their work involves analyzing samples such as hair, blood, and other body fluids and also processing DNA (Figure 1.19) found in many different environments and materials. Kriminalisté analyzují také další biologické důkazy zanechané na místech činu, jako jsou larvy hmyzu nebo pylová zrna. Students who want to pursue careers in forensic science will most likely have to take chemistry and biology courses as well as some intensive math courses.

Another field of biological study, neurobiology , studies the biology of the nervous system, and although it is a branch of biology, it is also an interdisciplinary field of study known as neuroscience. Because of its interdisciplinary nature, this subdiscipline studies different nervous system functions using molecular, cellular, developmental, medical, and computational approaches.

Paleontology , another branch of biology, uses fossils to study life’s history (Figure 1.20). Zoologie a botanika jsou studiem zvířat a rostlin. Biologové se mohou také specializovat jako biotechnologové, ekologové nebo fyziologové, abychom jmenovali jen několik oblastí. Toto je jen malý vzorek z mnoha oborů, kterým se biologové mohou věnovat.

Biologie je vrcholem úspěchů přírodních věd od jejich vzniku až po současnost. Excitingly, it is the cradle of emerging sciences, such as the biology of brain activity, genetic engineering of custom organisms, and the biology of evolution that uses the laboratory tools of molecular biology to retrace the earliest stages of life on Earth. A scan of news headlines—whether reporting on immunizations, a newly discovered species, sports doping, or a genetically-modified food—demonstrates the way biology is active in and important to our everyday world.

Jako Amazon Associate vyděláváme na kvalifikovaných nákupech.

Chcete tuto knihu citovat, sdílet nebo upravit? Tato kniha je Creative Commons Attribution License 4.0 a musíte přiřadit OpenStax.

    Pokud redistribuujete celou nebo část této knihy v tištěné podobě, musíte na každou fyzickou stránku uvést následující uvedení:

  • K vygenerování citace použijte níže uvedené informace. Doporučujeme použít citační nástroj, jako je tento.
    • Autoři: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Vydavatel/web: OpenStax
    • Název knihy: Biologie 2e
    • Datum vydání: 28. března 2018
    • Místo: Houston, Texas
    • URL knihy: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-2-themes-and-concepts-of-biology

    © 7. ledna 2021 OpenStax. Obsah učebnic vytvořený společností OpenStax je licencován pod licencí Creative Commons Attribution License 4.0. Název OpenStax, logo OpenStax, obálky knih OpenStax, název OpenStax CNX a logo OpenStax CNX nepodléhají licenci Creative Commons a nesmí být reprodukovány bez předchozího a výslovného písemného souhlasu Rice University.


    Podívejte se na video: Построение и анализ подземных структур в 3D. Леонов А., Esri CIS (Listopad 2021).