Obecná biologie

OBECNÁ BIOLOGIE

BIOLOGIE ROSTLIN

PRO GYMNÁZIA přepracované 3. vydání

omožných příčinách asouvislostech pozorovaných jevů. Jednou sérií pokusů nebo pozorování zpravidla nedojdeme ke konečnému vysvětlení, můžeme však získat podnět pro nové alepší uspořádání další práce, případně navázat na pozorování pokus apod. Takovými soustavnými postupy, kombinací pozorování apokusů se studiem vědecké literatury asintenzivní intelektuální činností postupují vpřed přírodní vědy.

Zajímavý příklad účelné aneúčelné práce ve vědě ukazuje životní historie kvakerského učitele zManchesteru Johna Daltona, který žil na přelomu 18. a19. století. Byl to systematický muž: celých 57 let měřil vManchesteru denně – bez ohledu na počasí – množství srážek ateplotu. Tato pozorování neměla žádný vědecký význam – nepřinesla odpověď na žádnou vědeckou otázku.

Vletech 1803–1808 studoval poměry, ve kterých se slučuje uhlík, vodík akyslík ve sloučeninách jako je voda, metan aoxid uhličitý. Na jasnou otázku získal jasnou odpověď: objevil zákon poměrů slučovacích, který se stal jedním zúhelných kamenů chemie.

1.3.2

Přehled vývoje biologie

Stručný přehled vývoje biologie rozdělíme na dvě etapy. První etapa vyvrcholila vprvní polovině dvacátého století tím, že se biologie rozčlenila na řadu specializovaných oborů, znichž každý měl svou bohatou poznatkovou základnu, svou vlastní soustavu teorií avyužíval zpravidla vlastní, dokonale vypracované metody; současně však byl každý do jisté míry uzavřeným světem amezi sebou si jednotlivé obory neměly mnoho co říci. Druhé období začalo právě kolem poloviny století: biologické poznání se zcela zásadně prohloubilo avdůsledku toho se začaly přehrady mezi obory rozrušovat – biologie se stále více stává jednotnou vědou. Toto období mimořádně bouřlivého aplodného rozvoje biologie dosud trvá.

VZNIK BIOLOGICKÝCH OBORŮ

Jedním zčinů, skterými se spojuje vznik biologie jako vědy, je formulování systému živé přírody, které provedl v18. století švédský biolog Karl Linné. Zavedl dosud užívané tzv.binární názvosloví: každý biologický druh má jméno rodové (psané velkým písmenem), společné snejblíže příbuznými druhy, ajméno druhové (psané malým písmenem): kuna lesní Martes martes akuna skalní Martes foina patří stejnému rodu kuna – Martes. Linné zavedl ivyšší systematické jednotky (taxony) – čeleď, třída. Organismy řadil podle podobnosti; představa opříbuznosti organismů vjeho době neměla smysl, neboť vše živé se pokládalo za výsledek přímého stvoření.

Postupující poznávání vnější ivnitřní stavby organismů ivšeobecné myšlenkové uvolnění koncem 18. století však poskytovalo půdu pro názor, že

podobnost mezi organismy může být výsledkem vývoje ze společných předků. Vsoučasné době pro vznik druhů používáme raději slovo evoluce atermín vývoj (vývin) ponecháváme pro vznik dospělého jedince ze zárodku.

Angličané mají pro tyto dva pojmy termíny evolution adevelopment. Tvrdým oříškem evolučních teorií byla zjevná účelnost stavby achování organismů. První vývojové teorie proto předpokládaly nějaké vnitřní síly, které řídí evoluci ve smyslu přizpůsobování na vnější podmínky. Nejvýznamnější byla Lamarckova teorie (kolem r. 1800), že jednotlivé organismy se při způsobujípodmínkám prostředí vprůběhu vlastního života aže se tato přizpůsobení pak dědičně přenášejí na potomstvo. Cituje se často případ žirafy, která natahuje krk, aby dosáhla na listy stromů; tím se měl její krk prodlužovat, mláďata pak se už sdelším krkem rodí, natahují jej dále až se po mnoha generacích vyvine žirafa stak dlouhým krkem, jak ji dnes známe.

Přizpůsobení organismu na vnější podmínky bezesporu existuje. Opakované cvičení vede kmohutnění svalů akzvyšování tělesné síly; opalováním se zvyšuje množství černého barviva vpokožce azvyšuje se odolnost proti slunečnímu ozáření; otužováním lze dosáhnout schopnost pobývat idelší dobu ve vodě oteplotě blízké bodu mrazu. Jenže zatím chybí obecně uznávaný důkaz, že se takto získané vlastnosti přenášejí na potomstvo.

nějakou vnitřní usměrňující sílu nabídl všedesátých letech 19. století

Řešení problému evoluce účelných struktur achování bez nutnosti předpokládat

7. Charles Darwin

8. Johann Gregor Mendel

ale neustále se tvoří aopět přeměňují vlátky další: jsou to tzv. meziprodukty metabolismu. Vcytoplazmě probíhá totiž trvale přeměna látek – metabolismus. Přeměna látek je provázena vzájemnou přeměnou různých forem energie.

Bílkoviny jsou zhlediska životních projevů nejdůležitější látky vcytoplazmě. Jsou zodpovědny za základní životní projevy buňky: za přeměnu látek, za výměnu látek mezi buňkou aprostředím, za pohyb, dráždivost apod. Tyto schopnosti bílkovin vyplývají ze struktury jejich molekul anelze jim porozumět, když se stouto strukturou aspoň vnejzákladnějších rysech neseznámíme. Bílkoviny jsou velmi složité – jejich molekulová hmotnost má hodnotu desetitisíců až statisíců. Obsahují jako základní prvky vždy C, H, O, N, S. Bílkoviny vznikají slučováním aminokyselin alze je hydrolýzou na aminokyseliny rozložit. Stavebními jednotkami bílkovin může být dvacet druhů aminokyselin. Všechny lze odvodit od nejjednodušší známé aminokyseliny glycinu náhradou jednoho atomu vodíku postranní skupinou, kterou můžeme obecně označit R.

H2N – CH2 – COOH H2N – CH– COOH glycin obecný vzorec aminokyseliny

Skupina Rje urůzných aminokyselin různá atím je dán právě rozdíl mezi jednotlivými aminokyselinami.

Postranní skupina může být tvořena jen atomy CaHaatomy uhlíku mohou tvořit rozvětvený řetěz nebo cyklus. Postranní skupina může také nést charakteristické skupiny –OH, –NH2, –COOH. Tyto skupiny obsahují různě polární vazby amohou být inositeli elektrického náboje –COO–, –NH3+

Jednotlivé aminokyseliny jsou vmolekule bílkoviny pospojovány tzv. peptidovou vazbou, která vzniká reakcí karboxylové skupiny saminoskupinou. Takto vzniklé látky se nazývají peptidy.

H2N – CH2 –C–OH + H2N – CH2 –C–OH = H2N – CH2 –C–NH– CH2 –C–OH– H2O glycin glycin glycylglycin (peptid)

Peptidová vazba je poměrně pevná. Bílkoviny lze hydrolyzovat na aminokyseliny např. silnými kyselinami za vysoké teploty nebo působením biologických katalyzátorů – enzymů.

Enzym hydrolyzující bílkoviny na aminokyseliny jsou např. vtrávicích šťávách živočichů včetně člověka.

Vmolekule bílkoviny jsou jednotlivé zbytky aminokyselin pospojovány vdlouhý řetězec peptidovými vazbami. Bílkovina orelativní molekulové hmotnosti 100 000 je tvořena asi tisícem aminokyselin. Osu bílkovinného řetězce tvoří opakované peptidové vazby (obr. 14).

Postranní skupiny Rse navzájem liší podle typů aminokyselin. Jednotlivé bílkoviny se navzájem liší pořadím jednotlivých typů aminokyselin ve svém řetězci. Tím je druh bílkoviny jednoznačně určen včetně prostorového uspořádání jejího řetězce. Ten je svinut způsobem pro každou bílkovinu charakteristickým atím je dán tvar bílkovinné molekuly (obr. 15), který je udržován velkým množstvím slabých vazeb mezi sousedícími částmi řetězce. Přitom se mohou postranní skupiny aminokyselin, které by byly vrovném řetězci daleko od sebe, dostat do vzájemné blízkosti ado zcela určitých prostorových vztahů.

Při velké rozmanitosti možných druhů bílkovin tím vznikají na bílkovinné molekule místa, která jsou schopna díky prostorovému uspořádání reagovat vněkolika bodech snejrůznějšími typy jiných molekul, neboť si tvarově icharakterem postranních skupin (např. elektrickým nábojem) vzájemně odpovídají jako klíč azámek.

Enzym na obr. 15 je lyzozym, obsažený např. vslzách ave slinách. Štěpí peptidoglykan vbakteriální stěně (str. 58) apomáhá chránit organismus proti bakteriální infekci.

14. Polypeptidový řetězec

přepážku, která původní buňky rozdělí na dvě (obr. 32). Po rozdělení se mohou buňky oddělit, mohou však také zůstat spojené; tak vznikají shluky nebo řetízky buněk. Vrychle rostoucí kultuře bakterií se DNA začne replikovat krátce po předchozím buněčném dělení. Někdy dokonce ještě dříve, než skončí replikace celého chromozómu, začne nová replikace vpočátcích již replikovaných částí. Doba, která uplyne od jednoho buněčného dělení kdruhému, se nazývá generační doba. Urychle rostoucích bakterií je to 20 minut iméně.

Jako zvláštní případ rozmnožování se často uvádí tvorba spór (sporulace). Ve skutečnosti nejde orozmnožování, ale ohl ubokou diferenciaci bakteriální buňky. Spóry jsou vpodstatě tvořeny silně zahuštěnou, prakticky vysušenou protoplazmou, která je obklopena několika obaly. Spóry jsou velmi odolné vůči vysoké teplotě izáření. Živé bakterie hynou během 20 minut při teplotě 80°C(pasteurizace), kusmrcení spór vhorké páře při 120°Cje zapotřebí až několik desítek minut (sterilizace). Vůči suchému teplu jsou spóry ještě odolnější. Vsuchém prostředí mohou spóry přežívat léta idesetiletí.

Při zvlhčení spóra nabobtná, její obaly se rozruší avyklíčí zní bakterie.

Jen některé druhy bakterií mohou vytvářet spóry (např. rody Bacillus a Clostridium). Tvoří se před vyčerpáním živin, při nahromadění produktů metabolismu apod.

33. Počátek vzniku spóry

32. Dělení bakteriální buňky

Tvorba spóry je modifikací buněčného dělení. Po replikaci DNA se vzniklé

buňky oddělí plazmatickou membránou, ne však buněčnou stěnou (obr. 33).

Zjedné buňky vznikne spóra, druhá ji obklopí aobě vytvářejí materiál buněčné stěny, který se stane součástí spóry.

Čím jsou jednoznačně určeny vlastnosti bílkovinné molekuly?

Jaké funkce bílkovin vbuňce znáte?

Co znamená ačím je dána specifičnost enzymů?

Co je metabolická dráha?

Jaké jsou rozdíly mezi katabolismem aanabolismem?

Vkterých reakcích katabolických drah se uvolňuje energie?

Jaké jsou podobnosti aodlišnosti dýchacího řetězu afotosystému?

Jak vzniká při dýchání buňky oxid uhličitý?

Proč asi se vbiologické katalýze uplatnily bílkoviny ane nukleové kyseliny?

Jak vypadá řetěz nukleové kyseliny?

Popište dvoušroubovici DNA!

Jak probíhá replikace DNA?

Jak probíhá replikace prokaryotního chromozómu?

Co jsou plazmidy ajaký mohou mít praktický význam?

Které typy RNA vbuňce znáte ajak vznikají?

Co je to kodón aantikodón?

Co je ribozóm ajakou má funkci?

Jak probíhá syntéza bílkoviny?

Které vlastnosti fosfolipidů jsou důležité pro stavbu avlastnosti plazmatické membrány?

Jaká může být funkce bílkovin vmembráně?

Jakou funkci má buněčná stěna?

Co je peptidoglykan akde se vyskytuje?

Jak se dělí bakteriální buňka?

Jak vzniká spóra, jaké má vlastnosti?

Vytkněte shody arozdíly mezi: a) aerobním aanaerobním metabolismem, b) dýcháním afotosyntézou, c) plazmatickou membránou abuněčnou stěnou.

Jaké složky musí být přítomny, aby mohly proběhnout a) katabolické děje, b) anabolické děje, c) replikace DNA, d) přepis DNA do RNA, e) syntéza bílkovin?

51. Jednobuněčné organismy. A– řasa zlativka se dvěma chloroplasty, obklopenýmy cisternou endoplazmatického retikula. Bičíky nesou postranní vlákna. B– slunivka saxostyly, které jsou bohatě vyztuženy mikrotubuly. C– křemité schránky rozsivky. D– parazitický prvok bičenka poševní nemá mitochondrie; vmembránových váčcích hydrogenozómech vzniká molekulární vodík. E– nálevník trepka sbičíky po celém povrchu těla fagocytuje potravu vmístě buněčných úst, vzniklé potravní vakuoly putují po stálé dráze vbuňce; pulzující vakuoly vylučují přebytečnou vodu

plasmodesmy

buněčná stěna

Teď už můžeme pochopit, oč při vývoji zárodku vjednotlivých buňkách jde: při diferenciaci buněk se musí ztéže zásoby genů (znova si zopakujme, že je ve všech buňkách stejná) přepisovat právě ty, které kódují funkčně specifické bílkoviny. Všechny buňky vnašem těle (avtěle obratlovců) mají gen pro hemoglobin, ale hemoglobin se syntetizuje jen včervených krvinkách. Odhaduje se, že vjádru lidských buněk je asi 50–100 tisíc genů – to je asi stokrát víc, než ujednoduché bakterie. Ale jaderná DNA je vbuňkách savců asi tisíckrát rozměrnější než vbakteriální buňce. Ooněch devadesáti procen[93]

52. Schéma stavby rostlinné buňky

virion

DNA

uvolnění DNA jádro (replikace i transkripce)

kapsid

rozpad kapsidu replikace DNA v jádře virová DNA

vznik kapsidů

nové viriony

transkripce plazmatická membrána

virové bílkoviny translace mRNA

Viry mohou parazitovat na eukaryotních iprokaryotních buňkách. Bakteriální viry se nazývají fágy. Fágy je možno snadno namnožit vbakteriálních kulturách. Jejich nukleová kyselina je velmi jednoduchá – daleko jednodušší než např. bakteriální chromozóm. Proto byly ajsou fágy významným pokusným modelem molekulární biologie.

Jeden znejznámějších fágů má obal ve tvaru mnohostěnu, na nějž nasedá dutý stažitelný krček, zakončený příchytnými vlákny (obr. 54). Najdou-li tato vlákna specifické struktury na povrchu bakteriální buňky, smrští se krček afágová DNA se vstříkne do bakteriální protoplazmy. Všechny bílkovinné složky zůstanou venku – kinfekci buňky tedy stačí virová nukleová kyselina.

Právě ufágů byl zjištěn poprvé jeden důležitý jev. Fágová DNA, která se dostane do protoplazmy bakteriální buňky, někdy nevyvolá vznik fágů anásledný rozpad buňky, ale začlení se do bakteriálního chromozómuasním se replikuje při každém buněčném dělení. Za určitých podmínek –třeba při zvýšení teploty – se však fágová DNA může zchromozómu vyštěpit arozvine se fágová infekce se všemi důsledky.

53. Schéma životního cyklu jednoduchého DNA-viru

Přítomnost fága vchromozómu (tzv. profág) se může projevit ve vlastnostech bakteriální buňky. Např. původce záškrtu Corynebacterium diphtheriae vytváří toxin jen tehdy, má-li ve svém chromozómu fágovou DNA.

Teprve využití jemných postupů molekulární biologie umožnilo prokázat, že i v eukaryotních buňkách se může virová DNA včlenit do chromozomální DNA. Jsou toho schopny některé DNA-viry, uzvláštní skupiny virů, tzv. retrovirů, je toto včlenění nezbytnou součástí životního cyklu viru.

Retroviry jsou RNA-viry, které obsahují zvláštní enzym, tzv. zpětnou (reverzní) transkriptázu, která ihned po vstupu viru do buňky přepíše virovou RNA na DNA. Vzniklá DNA se včlení do chromozómu hostitelské buňky asním se může replikovat. Kromě toho se na ní syntetizují jak molekuly mRNA, nutné pro syntézu nových virionů (včetně zpětné transkriptázy), tak celá virová RNA, nutná pro kompletaci nových virionů.

Nejznámějším azřejmě nejnebezpečnějším retrovirem je virus HIV (Human Immunodeficiency Virus), původce nemoci AIDS (Acquired ImmunoDeficiency Syndrome – syndrom získané nedostatečnosti imunity – obr. 3). Virus napadá jeden druh lymfocytů, které jsou součástí imunitního systému. Tyto lymfocyty byly nazvány pomocné lymfocyty T, mají však ve skutečnosti řídící funkci při rozvoji obranné imunitní reakce organismu.

54. Schéma stavby bakteriofága a vypuzení DNA do buňky

katabolické dráhy 41

kodón 50

Koch Robert 28

komplementarita bází 49

konjugace bakterií 53

kultivace bakterií 62

kvašení 43

Linné Karl 24

Lorenz Konrad 31

lyzozómy 79

meióza 89

Mendel Johann Gregor 27

metabolická dráha 41

metabolismus 14, 37, 81

metan 65, 69, 70

mikrobiologie 62

mikrofilamenty 84

mikrotubuly 83

mitochondrie 80

mitóza 87

molekulární biologie 30

mor 71

Mycobacterium tuberculosis 71

myosin 85

Neisseria gonorrhoeae 71

neolitická revoluce 6

nepohlavní rozmnožování 89

neštovice 99

nitrogenní bakterie 70

nukleotidy 47

nukleové kyseliny 47

nukleozóm 75

paraziti 22

parthenogeneze 90

Pasteur Luis 29

pasteurizace 60

peptidoglykan 58

peptidová vazba 38

plazmatická membrána 37, 54, 81

plazmidy 52

podnět 20

podráždění 20

pohlavní rozmnožování – význam 89

pokus v biologii 25

– kontrolní objekty 23

– pokusné objekty 23

pozorování v biologii 23

profág 97

prokaryotní buňka 37

prokaryotní organismy 36

přenašeče v membráně 56

překlad (RNA � protein) 52

předpis (DNA � RNA) 51

příjice 71

Purkyně Jan Evangelista 27

rakovina 99

replikace DNA 48

– DNA polymeráza 49

– počátek replikace 50

retroviry 97

rezistentní organismy 26

Rickettsia prowazeki 71

RNA(ribonukleová kyselina) 51

– RNA polymeráza 51

– RNA replikáza 95

ribozóm 52

růst organismu 4

Salmonella 71

saprofyti 21

sekrece 79

semiautonomní organely 69

silnice 66, 68

skleníkový efekt 10

snět slezinná 29

solenoid 75

spalničky 99

spirochéty 71

spóry bakterií 60

stafylokoky 71

sterilizace 60, 72

streptokoky 71

Streptomyces 70

substrát 40

svalové buňky 85

syfilis viz příjice

symbióza 22

taxe 20

taxon 24

teloméry 75

– telemeráza 75

thylakoidy 67, 80

toxiny 68, 70

tropismus 20

tukovité látky 16

udržitelný růst 11

Vibrio cholerae 71

viry 95

– viry bakteriální 96 – viry rostlinné 99

– viry živočichů a člověka 97

vodní květ 68

Watson James 47

Yersinia pestis 71

zarděnky 99

zelená revoluce 33

zpětná transkripce 75, 97

Ucelená řada učebnic k výuce biologie ve čtyřletém gymnáziu

Všechny vydané učebnice nesou schvalovací doložku MŠMT ČR a jsou zařazeny do seznamu vydaných učebnic pro gymnázia

� Obecná biologie

� Biologie rostlin

� Biologie živočichů

� Biologie člověka

� Genetika

� Ekologie

176-137

ISBN 978-80-7168-714-6

788071 687146