BUNKOVÁ BIOLÓGIA: HISTÓRIA, ČO ŠTUDUJE, APLIKÁCIE A KONCEPTY - BIOLÓGIE - 2026

Bunková biológia je odvetvie biológie, ktorá študuje všetky aspekty života bunky. To znamená so štruktúrou, funkciou, vývojom a správaním buniek, ktoré tvoria živé bytosti na zemi; inými slovami, všetko spojené s jeho narodením, životom a smrťou.

Je to veda, ktorá integruje veľké množstvo poznatkov, medzi ktorými vynikajú biochémia, biofyzika, molekulárna biológia, počítačové vedy, vývojová a behaviorálna biológia a evolučná biológia, z ktorých každá má svoj vlastný prístup a svoje vlastné experimentálne stratégie na zodpovedanie konkrétnych otázok.

Silueta mikroskopu (Zdroj: Karen Arnold prostredníctvom Wikimedia Commons)

Pretože bunková teória uvádza, že všetky živé bytosti pozostávajú z buniek, bunková biológia nerozlišuje medzi zvieratami, rastlinami, baktériami, archaeami, riasami alebo hubami a môže sa zamerať na jednotlivé bunky alebo na bunky patriace do tkanív a orgánov ten istý mnohobunkový jednotlivec.

Keďže ide o experimentálnu vedu (a nie o opisnú), výskum v tomto odbore biológie závisí od metód dostupných na štúdium bunkovej ultraštruktúry a jej funkcií (mikroskopia, centrifugácia, kultivácia). in vitro atď.)

História bunkovej biológie

Niektorí autori sa domnievajú, že zrod bunkovej biológie sa uskutočnil príchodom bunkovej teórie, ktorú navrhli Schleiden a Schwann v roku 1839.

Je však dôležité vziať do úvahy, že bunky boli opísané a študované pred mnohými rokmi, počínajúc prvými nálezmi Roberta Hooke, ktorý v roku 1665 prvýkrát videl bunky, ktoré tvorili odumreté tkanivo korkového listu; a pokračoval s Antonim van Leeuwenhoekom, ktorý o roky neskôr pozoroval pod mikroskopom vzorky s rôznymi mikroorganizmami.

Portrét Roberta Hooke (Zdroj: Gustav VH, cez Wikimedia Commons)

Po práci Hooke, Leeuwenhoek Schleiden a Schwann sa mnohí autori venovali aj úlohe skúmania buniek, pomocou ktorej boli spresnené podrobnosti o ich vnútornej štruktúre a fungovaní: jadro eukaryotických buniek, DNA a chromozómy, mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex atď.

V polovici 20. storočia došlo v oblasti molekulárnej biológie k výraznému pokroku. To malo vplyv na to, že v 50. rokoch 20. storočia zaznamenala bunková biológia tiež značný rast, pretože počas týchto rokov bolo možné udržiavať a množiť bunky in vitro izolované od živých organizmov.

Pokrok v oblasti mikroskopie, odstreďovania, formulácie kultivačného média, purifikácie proteínov, identifikácie a manipulácie mutantných bunkových línií, experimentovania s chromozómami a nukleovými kyselinami, okrem iného, ​​znamenal precedens pre rýchly pokrok bunkovej biológie na aktuálna éra.

Čo študuješ? (predmet štúdia)

Biológia buniek je zodpovedná za štúdium prokaryotických a eukaryotických buniek; študuje procesy jeho formácie, jeho život a smrť. Zvyčajne sa môže zamerať na signalizačné mechanizmy a štruktúrovanie bunkových membrán, ako aj na organizáciu cytoskeletu a bunkovú polaritu.

Študuje tiež morfogenézu, to znamená mechanizmy, ktoré opisujú, ako sa bunky vyvíjajú morfologicky a ako sa bunky, ktoré „dozrievajú“ a transformujú počas svojho života, menia v priebehu času.

Kvasinkové bunky druhu Saccharomyces cerevisiae.

Bunková biológia zahŕňa témy týkajúce sa metabolizmu mobility a energie, ako aj dynamiky a biogenézy ich vnútorných organel, v prípade eukaryotických buniek (jadro, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, mitochondrie, chloroplasty, lyzozómy, peroxizómy, glykómy, vakuoly, glyoxysómy atď.).

Zahŕňa to aj štúdium genómov, ich organizácie a jadrových funkcií vo všeobecnosti.

V bunkovej biológii sa študuje tvar, veľkosť a funkcia buniek, ktoré tvoria všetky živé organizmy, ako aj chemické procesy, ktoré sa v nich vyskytujú, a interakcia medzi ich cytosolickými zložkami (a ich subcelulárnymi polohami) a bunky s prostredím.

Základné pojmy v bunkovej biológii

Ilustrácia delenia bunky. Zdroj: pixabay.com

Vstup do oblasti bunkovej biológie je pri zohľadnení niektorých základných vedomostí alebo základných pojmov jednoduchou úlohou, pretože s nimi as použitím rozumu je možné dôkladne porozumieť zložitému svetu buniek.

bunky

Schéma dvoch typov buniek v prírode: eukaryoty a prokaryoty. Zobrazené sú hlavné časti, ktoré ukazujú rozdiely medzi nimi (Zdroj: Nebol poskytnutý žiadny strojovo čitateľný autor. Predpokladaný Mortadelo2005 (na základe nárokov na autorské práva). Via Wikimedia Commons)

Medzi základné pojmy, ktoré je potrebné v panoráme zohľadniť, je predstava, že bunky sú základnými jednotkami života, to znamená, že sú to „bloky“, ktoré umožňujú konštrukciu organizmov, ktoré môžeme nazvať „živými“, a že všetky sú oddelené od extracelulárneho prostredia vďaka prítomnosti membrány.

Bez ohľadu na svoju veľkosť, tvar alebo funkciu v špecifickom tkanive vykonávajú všetky bunky rovnaké základné funkcie, ktoré charakterizujú živé veci: rastú, živia sa, interagujú s prostredím a rozmnožujú sa.

DNA

DNA molekula. Zdroj: wikipedia.org

Aj keď existujú eukaryotické bunky a prokaryotické bunky, ktoré sa zásadne líšia, pokiaľ ide o ich cytosolickú organizáciu, bez ohľadu na to, čo má na mysli bunka, všetky majú v sebe bez výnimky kyselinu deoxyribonukleovú (DNA), molekulu, ktorá je domovom " štrukturálne, morfologické a funkčné roviny bunky.

cytosol

Schéma živočíšnej bunky a jej častí. Cytosol je uvedený dole. (Zdroj: Alejandro Porto prostredníctvom Wikimedia Commons)

Eukaryotické bunky majú vo svojom cytosole špecializované organely na rôzne funkcie, ktoré prispievajú k ich životným procesom. Tieto organely uskutočňujú výrobu energie z výživných látok, syntézu, balenie a transport mnohých bunkových proteínov, ako aj dovoz a trávenie veľkých častíc.

cytoskelet

Bunky majú interný cytoskelet, ktorý udržuje tvar, riadi pohyb a transport proteínov a organel, ktoré ich používajú, ako aj napomáha pri pohybe alebo premiestňovaní celej bunky.

Jednobunkové a mnohobunkové organizmy

Existujú jednobunkové a mnohobunkové organizmy (ktorých počet buniek je veľmi variabilný). Štúdie bunkovej biológie sa zvyčajne zameriavajú na „modelové“ organizmy, ktoré boli definované podľa typu bunky (prokaryoty alebo eukaryoty) a podľa typu organizmu (baktérie, zvieratá alebo rastliny).

Gény

Gény sú súčasťou informácií kódovaných v molekulách DNA, ktoré sú prítomné vo všetkých bunkách na Zemi.

Tieto plnia nielen funkcie pri ukladaní a preprave informácií potrebných na určenie sekvencie proteínu, ale tiež vykonávajú dôležité regulačné a štrukturálne funkcie.

Aplikácie bunkovej biológie

Existuje veľké množstvo aplikácií pre bunkovú biológiu v oblastiach ako je medicína, biotechnológia a životné prostredie. Tu je niekoľko aplikácií:

Fluorescenčné in situ farbenie a hybridizácia (FISH) chromozómov môže detegovať chromozomálne translokácie v rakovinových bunkách.

Technológia mikročipov „DNA čipu“ umožňuje poznať kontrolu génovej expresie kvasiniek počas jej rastu. Táto technológia sa používa na pochopenie expresie ľudských génov v rôznych tkanivách a rakovinových bunkách.

Protilátky značené fluorescenciou, špecifické proti intermediárnym vláknovým proteínom, umožňujú poznať tkanivo, z ktorého nádor pochádza. Táto informácia pomáha lekárovi zvoliť najvhodnejšiu liečbu na boj proti nádoru.

Použitie zeleného fluorescenčného proteínu (GFP) na lokalizáciu buniek v tkanive. Použitím technológie rekombinantnej DNA sa gén GFP zavádza do špecifických buniek kompletného zvieraťa.

Príklady nedávneho výskumu v bunkovej biológii

Boli vybrané dva príklady článkov publikovaných v časopise Nature Cell Biology Review. Sú to tieto:

Úloha epigenetického dedičstva u zvierat (Pérez a Ben Lehner, 2019)

Zistilo sa, že ďalšie molekuly, okrem genómovej sekvencie, môžu prenášať informácie medzi generáciami. Tieto informácie môžu byť upravené fyziologickými a environmentálnymi podmienkami predchádzajúcich generácií.

V DNA teda nie sú informácie spojené so sekvenciou (kovalentné modifikácie histónov, metylácia DNA, malé RNA) a informácie nezávislé od genómu (mikrobiómy).

U cicavcov podvýživa alebo dobrá výživa ovplyvňujú metabolizmus glukózy potomstva. Účinky na otca nie sú vždy sprostredkované gamétami, ale môžu pôsobiť nepriamo cez matku.

Baktérie sa môžu dediť matkou cez pôrodný kanál alebo dojčením. U myší vedie strava s nízkym obsahom vlákniny k zníženiu taxonomickej diverzity mikrobiómu počas generácií. Nakoniec dôjde k zániku subpopulácií mikroorganizmov.

Regulácia chromatínu a liečba rakoviny (Valencia a Kadoch, 2019)

V súčasnosti sú známe mechanizmy, ktoré riadia štruktúru chromatínu a jeho úlohu v chorobe. V tomto procese bol vývoj techník, ktoré umožňujú identifikovať expresiu onkogénnych génov a objav terapeutických cieľov, kľúčový.

Niektoré z použitých techník sú imunoprecipitácia chromatínu, po ktorej nasleduje sekvenovanie (ChIP-seq), sekvenovanie RNA (RNA-seq), test na prenos chromatínu pomocou sekvenovania (ATAC-seq).

V budúcnosti bude pri vývoji liečby rakoviny hrať úlohu technológia CRISPR - Cas9 a interferencia RNA.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Esenciálna bunková biológia. Garland Science.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA a Hyams, JS (2011). Cell Biology: krátky kurz. John Wiley a synovia.
3. Cooper, GM a Hausman, RE (2004). Bunka: Molekulárny prístup. Medicinska naklada.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekulárna bunková biológia, 4. vydanie. Národné centrum pre biotechnologické informácie, regál.
5. Solomon, EP, Berg, LR a Martin, DW (2011). Biológia (9. vydanie). Brooks / Cole, Cengage Learning: USA.