Transcript Stáhnout
Vývoj a rozmanitost (buňečného) života
Roman Sobotka
Rozmanitost života
živočichové a rostliny
Protonový gradient je principem buněčné energetiky
Univerzální 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
Různé formy života se odlišují ve strategii:
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+...)
Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku
Rozmanitost metabolismu
Z čeho elektrony brát (co je oxidováno) ------> a kam je poté “vyhořelé“ elektrony
odevzdat (za vzniku čeho)
Fotoautotrofní
H2O (+ energie fotonů) ----> O2 (H2O) - aerobně
H2S (+ energie fotonů) -----> Organická hmota - anaerobně
Chemolitotrofní
Fe2+, H2S, ... ------> CO2 (CH4)
H2 ------------------> CO2 (CH4)
CO (za vzniku CO2) ---------------> CO2 (CH4)
Fe2+ (za vzniku Fe2O3) ---------------> O2 (H2O)
Fotoheterotrofní
Organická hmota (+ energie fotonů) --------------> Organická hmota
Chemoheterotrofní
Organická hmota -------------------> O2 (H2O)
Organická hmota -------------------> CO2 (CH4)
Organická hmota -------------------> H+ (H2)
Organická hmota -------------------> Organická hmota (e.g. butanol)
Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA
Je možné rozpoznat tři domény života – Bacteria, Archea a Eukarya (Eukaryota)
LUCA
Last Universal Common Ancestor
Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA
Variabilní oblasti v případě 16S (18S)
rRNA z malé podjednotky ribozomu.
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 rekonstruovat
Moderní 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
pyruvát
Krebsův (citrátový)
cyklus
LUCA
Last Universal Common Ancestor
Bacteria
Prokaryotní mikroorganismy (Prokaryota), všudypřítomné
Velikost několik mikrometrů, kulovité, válcovité, spirály..
Biomasa bakterií na Zemi je větší než biomasa všech ostatních
forem života
~ 2mm
Bakterie mají pouze jednu, případně dvě buněčné membrány
(Gram-negativní). Ale sinice ... viz. později
Chráněni buněčnou stěnou
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
Organizace genomové DNA prokaryot
Většinou cirkulární chromozóm, několik milionů páru bazí = 1-2 mm délka (buňka
1-2 mM)
Chromozóm je kondenzován ve středu buňky, ale obsahuje flexibilní kličky, které
dosahují k plasmatické membráně.
Organizace genomové DNA prokaryot
Genomová DNA prokaryot kondenzovaná uprostřed buňky
Duplikace DNA předchází dělení buňky
Ribozómy jsou v oblasti, kde není DNA
ribozom
1x chromozóm
Bakteriální cytoskelet
Cytoskelet je často prezentován jako unikátní struktura eukaryotních buněk
Během posledních 10 let byla přítomnost podobných struktur nalezena i u prokaryot
-vlákna evolučně příbuzná k aktinovým vláknům a tubulinům
Aktinová vlákna v eukaryotní buňce
Eukaryota
Bakterie
Bakteriální cytoskelet
Potvrzena funkce cytoskeletu v udržení tvaru buněk, nepochybně mnohem širší paleta funkcí ..
Spiroplasma
Bacillus subtilis
Bakteriální flagela (bičík)
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.
Periplasma
Bakterie se pohybuje změnou rychlosti rotace – je daná rozdílem v koncentraci protonů v
periplasmě a v cytoplasmě (protonovým gradientem)
Peptidoglykan
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 buněk
Transdukce – DNA se dostane do bakterie pomocí bakteriálních virů (fágů)
Každá bakterie je GMO ...
Konjugace – bakteriální forma sexu
Bakterie se propojí a přitáhnou pomocí specializovaného pilu – sex pilu, dojde k těsnému
kontaktu
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
Sex pilus
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 let
První mnohobuněčné organismy se specializovanými buňkami - heterocysty, kde
dochází k fixaci vzdušného dusíku (redukce N2 -> NH4)
thylakoidy
heterocysta
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)
Kde žijí (téměř pouze) Archaea
Salt lake, Utah salinita až 27%
Soda lake, Egypt, pH 11
Grand Prismatic Spring,
Yellowstone National Park, 70°C
Rio Tinto, Španělsko, odtok z dolů, pH < 4
Archaea nemají fotosyntézu, ale ..
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
Metanogenní Archeae
Produkují methan jako odpadní produkt metabolismu
Častý typ metabolismu u Archea
Striktně 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 Bacteria
Geny pro transkripci a translaci - příbuznější k Eukaryota
Metanogenní Archea
Metanogenní
metabolismus
CO2 zabudováno do organických
molekul přes Acetyl-Koezym A
Eukaryota
Chemické pozůstatky eukaryot staré 2.7 miliardy let
Nejstarší mikrofosílie - 1.5 miliardy let
>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
Prokaryota versus Eukaryota
Eukaryota - fylogeneze
photoautotrofní
Protista jsou +/- jednobuněční eukaryota
Historické členění, parafyletická skupina
Řasy – protisté podobní rostlinám
Prvoci – protisté podobní živočichům
Původ eukaryot
Eukaryotní buňka se jeví jako chiméra baktérie a archea
Všechny eukaryotní buňky mají pravděpodobně původ v jediné takové chiméře
Měla původní “archea“ jádro? K čemu?
Chimerický původ eukaryot
ATP syntáza typ IV
– pouze Archea a Eukaryota
DNA asociovaná s histony - pouze Archea a Eukaryota
Sekreční systém
podobný u Archea a Eukaroya
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 ...
řasa
Volvox
~ 500 mil let – Ediakarní fauna
měňavka
Dictyostelium
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