MOLEKULARNA I STANICNA OSNOVA

1
MOLEKULARNA I STANICNA OSNOVA ŽIVOTA
(Zoologija)

• Ivica Valpotic i sur.
• ZAVOD ZA BIOLOGIJU
• VETERINARSKI FAKULTET SVEUCILIŠTA U ZAGREBU

2
(No Transcript)
3
MOLEKULARNO PODRIJETLO I EVOLUCIJA STANICA
molekularna biologija stanice temelj je svih
bioloških znanosti (G.M. Cooper i R. E. Hausman,
2004)
Medicina Veterina Poljoprivreda Biotehnologija
STANICA
Slicnosti Razlike
DNA geneticki materijal, membrana, energetski metabolizam. oblici i nacini života, samostalnost ili udruživanje (kvasac, ameba ili covjek) specijaliziranost (bakterija i neuron).
4
PODJELA STANICA
Osobine Prokarioti Eukarioti
jezgra nedostaje Prisutna
promjer tipicne stanice 1 µm 10100 µm
citoskelet nedostaje prisutan
citoplazmatski organeli nedostaje prisutan
sadržaj DNA (parovi baza) 1 106 do 5 106 1,5 107 do 5 109
kromosomi jedna kružna molekula DNA mnoge linearne DNA molekule
5
ZAJEDNICKI PRVOBITNI PREDAK SVIH STANICA
6
Kada se pojavio život, odnosno kada je nastala
prva stanica?

• prije 3,8 mld. god. spekulacija (nedostatak
  dokaza i nemogucnosti rekonstrukcije)
• jednostavne organske mol. spontano polimeriziraju
  u makromolekule (oko 1925)
• prvobitna atmosfera bez O2 , ali sa CO2 i N2 , te
  malo H2, H2S i CO ( reducirajuci uvjeti)
• izvori energije za spontantano formiranje
  organskih mol. (Sunce i elektricitet)

7
NASTANAK ŽIVOTA NA ZEMLJI

• lt 3-3,5 md. god. modrozelene alge (Swaziland)
• lt 2 md. god. meduze (Transvaal)
• lt 700 mn. god. anelidni crvi, spužve i koralji
• lt 550 mn. god. tzv. kambrijska eksplozija

8
Pokus Stenley Miller-a 1950-ih
Slika 1-2. Spontano formiranje organskih
molekula. Vodena para cirkulirala je kroz
atmosferu koja je sadržavala metan, amonijak i
vodik u kojoj je dolazilo do elektricnog
pražnjenja. Produkti reakcije bili su razlicite
organske molekule, ukljucujuci AK (alanin,
asparaginska kiselina, glutaminska kiselina i
glicin)
9

• simuliranje vjerojatnih prebiotickih uvjeta
  zagrijavanje suhe mješavine AK polipeptidi
• makromolekula života sposobnost replikacije -
  omogucuje reprodukciju i daljnju evoluciju
• informacijske makromolekule u današnjim stanicama
  NK i proteini
• Samo NK sinteze vlastitih novih kopija

10
SAMOUMNOŽAVANJE RNA
11

• Ranih 1980-ih S. Altman i T. Cech RNA
  katalizira kemijeke reakcije, ukljucujuci i
  polimerizaciju nukleotida
• sinteza novog lanca RNA prema RNA kalupu kalup
  i katalizator vlastite replikacije
• RNA svijet inicijalni geneticki sustav u
  ranom razdoblju kemijske evolucije
• interakcije izmedu samoreplicirajuce RNA i AK
  evolucija u današnji geneticki kod, a DNA je
  zamijenila RNA kao geneticki materijal
• prva stanica kada se RNA okružila
  fosfolipidnom membranom

12
Ogradivanje samoumnožavajuce RNA fosfolipidnom
membranom
temeljna jedinica života samoreprodukcija (RNA)
i daljnja evolucija (sinteza proteina ovisna o
RNA).
13
EVOLUCIJA STANICNOG METABOLIZMA
Prvobitne stanice Današnje stanice
-hrana i energija izravno iz okoliša (more organskih mol.) ogranicavajuci razvoj - ATP kao svoj izvor ME sinteza dijelova st. i vršenje funkcija
- vlastiti mehanizmi proizvodnje i kontrolirane uporabe metabolicke energije (ME) aktivnosti i evolucija - ATP kao svoj izvor ME sinteza dijelova st. i vršenje funkcija
- razvoj tih mehanizama u tri stupnja glikoliza, fotosinteza i oksidativni metabolizam ( promjene u praatmosferi i tijeku evolucije) - ATP kao svoj izvor ME sinteza dijelova st. i vršenje funkcija
14
Stvaranje metabolicke energije
15

• oblik današnje glikolize anaerobno stvaranje ME
  razlaganjem organskih mol. (glukoza)
• danas glikoliza u svim st., a samo iznimno u
  nekima kao jedini mehanizam stvaranja ME
• slijedeci korak je fotosinteza neovisnost o vec
  oblikovanim organskim molekulam
• prva fotosinteticka bakterija gt 3 mld. god. H2S
  za pretvorbu CO2 u organske mol. (i danas!)
• H2O kao donor elektrona i H2 za pretvorbu CO2 u
  organske spojeve, uz oslobadanje O2 mijenjanje
  praatmosfere (aerobni uvjeti!)
• razvitak oksidativnog metabolizma (tada ili
  prije?) selektivna prednost u evoluciji (36-38
  mol. ATP 2 mol. ATP - efikasniji od glikolize
  !).

16
DANAŠNJI PROKARIOTI
BAKTERIJE (okrugle, štapicaste ili spiralne 1-10 ?m, DNA od 0,6-5 mil. pb, kodiranje oko 5000 proteina na 30000 ribosoma) BAKTERIJE (okrugle, štapicaste ili spiralne 1-10 ?m, DNA od 0,6-5 mil. pb, kodiranje oko 5000 proteina na 30000 ribosoma)
ARHEBAKTERIJE EUBAKTERIJE (Slika 1-6)
- termoacidofilne (u S vrelima na 800C pri lt pH) - uobicajene današnje vrste (u tlu, vodi i drugim organizmima) - fotosinteticke cijanobakterije najveci i najsloženiji prokarioti)
17

PROKARIOTI EUBAKTERIJE BAKTERIJSKA STANICA
18
EUKARIOTSKE STANICEŽivotinjska
19
EUKARIOTSKE STANICEBiljna
20
Najjednostavnije stanice eukariota
evoluirale od simbiontskih zajednica
prokariota najjednostavniji su kvasci (6 ?m, DNA
od 12 mil. pb) i amebe (1mm)
21
Sadržaj DNA u stanicama
mnogi jednostanicni eukarioti sadržavaju DNA kao
i ljudske st.
specijalizirani za mnoge funkcije fotosinteza,
pokretanje, fagocitoza (zeleni bicaš, papucica,
ameba) asocijacije jednostanicnih eukariota
(kolonija zelenih algi) podjela rada razvoj
mnogo vrsta specijaliziranih stanica
22
Evolucija stanica (od prokariotskog pretka)
BILJKE GLJIVE ŽIVOTINJE
razvitak prije 2,7 mld. god. što je oko 1-1,5
mld. god. nakon prokariota od prastanice
zajednickog pretka u tri linije arhebakterije,
eubakterije i eukartioti
23

• važan skok u evoluciji su stanicni organeli
  okruženi membranom (mitohondriji i kloroplasti)
  endosimbioza (prokarioti preci eukariotskih
  st.)
• mitohondriji iz aerobnih bakterija oksidativni
  metabolizam, a kloroplasti iz fotosintetickih
  bakterija fotosinteza (prednost u evolucijskom
  odabiru!).
• fotosinteticke jednostanicne zelene alge

24
RAZVOJ VIŠESTANICNIH ORGANIZAMA

• povecanje stanicne specijalizacije agregati
  prelaze u prave višestanicne organizme
• daljnja podjela rada dovodi do složenosti oblika
  i razlicitosti funkcija st. u današnjih biljaka i
  životinja
• biljke imaju manji broj vrsta stanica (3 glavna
  sustava tkiva osnovno, kožno i provodno) od
  životinja, ali je svaka biljna st.
  specijalizirana za funkcije potrebne cijelom
  organizmu

25
Tipicne biljne stanice
26
Tipicne životinjske stanice
27

• mehanizmi razvitka, rasta, i diferencijacije niza
  specijaliziranih st. koje nastaju od 1 jedine
  oplodene jajne st. izazov suvremenoj stanicnoj
  i molekularnoj biologiji