náhled|Eukaryotická buňka a její struktura. Eukaryotické buňky obsahují buněčné jádro a jsou mnohem složitější než buňky prokaryotické. Mimo jádro obsahují také množství dalších buněčných organel, např. mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát či ribozomy.|478x478bod Buněčná biologie (také cytologie; řecky kytos – buňka + lat. logos – věda) je obor biologie, který studuje strukturu, funkci a chování buněk. Všechny živé organismy se skládají z buněk. Buňka je základní jednotkou života, která je zodpovědná za život a fungování organismů. Buněčná biologie se zabývá studiem strukturních a funkčních jednotek buněk. Buněčná biologie zahrnuje jak prokaryotické, tak eukaryotické buňky a má mnoho dílčích témat, která mohou zahrnovat studium buněčného metabolismu, buněčné komunikace, buněčného cyklu, biochemie a složení buněk. Studium buněk se provádí pomocí několika mikroskopických technik, buněčných kultur a buněčné frakcionace. Tyto techniky umožnily a v současné době se používají k objevům a výzkumu týkajícího se fungování buněk, což v konečném důsledku umožňuje pochopit větší organismy. Znalost složek buněk a jejich fungování je zásadní pro všechny biologické vědy a zároveň je nezbytná pro výzkum v biomedicínských oborech, jako je výzkum nádorových onemonění a další nemoci. Výzkum v oblasti buněčné biologie je propojen s dalšími obory, jako je genetika, molekulární genetika, molekulární biologie, lékařská mikrobiologie, imunologie a cytochemie.
Dějiny náhled|Struktura korku. Robert Hooke pozoroval vzorek korku pod mikroskopem a tvar struktur (tedy buněk) mu připomínal klášterní cely mnichů ("cella"), což ho vedlo k latinskému pojmenování "buňky" jako "cellula" ("malá cella").|260x260pixelů
Obecné dějiny zkoumání buňky Buňky byly poprvé pozorovány v Evropě v 17. století s vynálezem složeného mikroskopu. V roce 1665 označil Robert Hooke stavební prvek všech živých organismů jako "buňky" poté, co si prohlédl kousek korku a pozoroval strukturu podobnou "klášterní cele mnichů" (lat. cella, tedy komora; latinské slovo pro buňku – cellula - pak znamená "malá cela"). Buňky však byly mrtvé a neposkytovaly žádné informace o skutečných celkových složkách buňky. O několik let později, v roce 1674, Antoni Van Leeuwenhoek jako první analyzoval živé buňky při zkoumání řas. Roku 1825 uveřejnil Jan Evangelista Purkyně první popis jádra živočišné buňky. S popisem jádra v rostlinné buňce jej následoval Robert Brown v roce 1831. To vše předcházelo vzniku buněčné teorie, která tvrdí, že vše živé se skládá z buněk a že buňky jsou funkční a strukturní jednotkou organismů. K tomuto závěru nakonec dospěli v roce 1838 rostlinný vědec Matthias Schleiden a živočišný vědec Theodor Schwann, kteří si prohlédli živé buňky v rostlinné, respektive živočišné tkáni. O 19 let později přispěl k teorii buňky Rudolf Virchow, který dodal, že všechny buňky vznikají dělením již existujících buněk. Viry nejsou považovány za součást buněčné biologie – postrádají vlastnosti živé buňky a místo toho jsou studovány v mikrobiologické podtřídě virologie.
Klinická cytologie Základy klinické cytologie položil v roce 1840 Johannes Müller, který rozpoznal a popsal nádorové bujení a dokázal rozlišit sarkom a karcinom. Zhruba v téže době přednesli základní teze buněčné teorie Matthias Schleiden a Theodor Schwann, nezávisle na nich některé tyto zásady objevil a vyslovil i Purkyně. Během 19. a 20. století se prudce rozvíjela mikroskopie, jednak pokud jde o kvalitu, schopnosti a nové typy mikroskopů, jednak pokud jde o její druhou část zabývající se přípravou vzorku – tj. jeho fixací a barvením. Význam cytologie stoupal jak v biologických vědách, tak v medicíně, kde se cytologická vyšetření stala důležitou diagnostickou metodou v mnoha oblastech. Důležitý byl pro cytologii i prudký rozvoj úzce souvisejících vědních oborů, zejména biochemie, biofyziky a molekulární biologie, který umožnil více se zabývat chemickým složením buněk a chemickými procesy v nich.
Typy buněk a jejich struktura Existují dva základní typy buněk: prokaryotické a eukaryotické buňky. Prokaryotické buňky se od eukaryotických odlišují absencí buněčného jádra nebo jiné organely vázané na membránu. Prokaryotické buňky jsou mnohem menší než buňky eukaryotické, což z nich činí nejmenší formu života. Mezi prokaryotické buňky patří bakterie a archea a nemají uzavřené buněčné jádro. Eukaryotické buňky se vyskytují u rostlin, živočichů, hub a prvoků. Jejich průměr se pohybuje od 10 do 100 μm a jejich DNA je obsažena v membránou vázaném jádře.
Prokaryotická buňka náhled|Buňka bakterie. Bakterie je příkladem prokaryotické buňky.|208x208pixelů Bakterie mají několik různých tvarů, i když většina z nich má kulovitý nebo tyčinkovitý tvar. Bakterie lze podle složení buněčné stěny klasifikovat jako grampozitivní nebo gramnegativní. Grampozitivní bakterie mají silnější vrstvu peptidoglykanu než gramnegativní bakterie. Mezi strukturní znaky bakterií patří bičík, který pomáhá buňce v pohybu, ribozomy pro překlad RNA na bílkoviny a nukleoid, který v kruhové struktuře uchovává veškerý genetický materiál. V prokaryotických buňkách byly identifikovány také některé biomolekulární kondenzáty podobné gelovým kapkám se specifickými funkcemi (známější z eukaryotických buněk, někdy řazené mezi buněčné organely), koncentrující proteiny a nukleové kyseliny. V prokaryotických buňkách probíhá mnoho procesů, které jim umožňují přežít. U prokaryot je syntéza mRNA zahájena na promotorové sekvenci na templátu DNA obsahující dvě konsenzuální sekvence, které rekrutují RNA polymerázu. Prokaryotická polymeráza se skládá z jádra enzymu složeného ze čtyř proteinových podjednotek a z proteinu σ, který pomáhá pouze při iniciaci. V procesu označovaném jako konjugace dochází k přenosu DNA na jinou bakterii, což umožňuje přenos rezistence umožňující přežití v určitých prostředích.
náhled|Eukaryotická buňka. Na rozdíl od bakterií obsahují eukaryotické buňky buněčné jádro a další buněčné organely.|241x241pixelů
Eukaryotická buňka Eukaryotické buňky se skládají z mnoha specializovaných organel:
Jádro: Jádro buňky slouží jako úložiště genetické informace buňky (genom) a obsahuje veškerou DNA uspořádanou do podoby chromozomů. Je obklopeno jaderným obalem, který obsahuje jaderné póry umožňující transport proteinů mezi vnitřkem a vnějškem jádra. Je to také místo replikace DNA a přepisu DNA do RNA. Poté je RNA upravena a transportována do cytosolu, kde je přeložena na bílkovinu.
Jadérko: Tato struktura se nachází uvnitř jádra, obvykle je hustá a má kulovitý tvar. Je místem syntézy ribozomální RNA (rRNA), která je potřebná pro sestavení ribozomů.
Endoplazmatické retikulum (ER): Jeho funkcí je syntéza, skladování a vylučování bílkovin do Golgiho aparátu. Strukturálně je endoplazmatické retikulum síť membrán, která se nachází v celé buňce a je spojena s jádrem. Membrány se v jednotlivých buňkách mírně liší a funkce buňky určuje velikost a strukturu ER. Mitochondrie: obecně známá jako "elektrárna buňky" je buněčná organela vázaná na dvojitou membránu. Slouží k výrobě energie neboli ATP v buňce. Konkrétně se jedná o místo, kde probíhá Krebsův cyklus pro výrobu NADH a FADH. Poté jsou tyto produkty použity v rámci elektronového transportního řetězce a oxidativní fosforylace pro konečnou výrobu ATP. Golgiho aparát: Jeho funkcí je další zpracování, balení a vylučování proteinů na místo určení. Proteiny obsahují signální sekvenci, která umožňuje Golgimu aparátu jejich rozpoznání a nasměrovat na správné místo. Golgiho aparát také produkuje glykoproteiny a glykolipidy. Lysozom: Lysozom slouží k rozkladu materiálu přineseného z vnějšku buňky nebo starých organel. Obsahuje mnoho kyselých hydroláz, proteáz, nukleáz a lipáz, které rozkládají různé molekuly. Autofagie je proces degradace prostřednictvím lysozomů, který probíhá tak, že se z ER oddělí váčky, která pohltí materiál a poté se připojí a spojí s lysozomem, aby umožnila degradaci materiálu. Ribozomy: Slouží jako místo syntézy bílkovin. Cytoskelet: Cytoskelet je struktura, která pomáhá udržovat tvar a celkovou organizaci cytoplazmy. Ukotvuje organely v buňkách a tvoří strukturu a stabilitu buňky. Cytoskelet se skládá ze tří hlavních typů proteinových filament: aktinová filamenta, intermediární filamenta a mikrotubuly, které jsou drženy pohromadě a spojeny se subcelulárními organelami a plazmatickou membránou pomocí různých pomocných proteinů. Buněčná membrána: Buněčnou membránu lze popsat jako fosfolipidovou dvojvrstvu, která se rovněž skládá z lipidů a proteinů. Protože vnitřní strana dvojvrstvy je hydrofobní, a aby se molekuly mohly účastnit reakcí v buňce, musí být schopny tuto membránovou vrstvu překonat a dostat se do buňky prostřednictvím osmotického tlaku, difuze, koncentračních gradientů a membránových kanálů. Centrioly: Vřeténková vlákna, která slouží k oddělování chromozomů při dělení buňky. Cilie: Některé buňky mohou být vybaveny i ciliemi, které mohou být použity i ke smyslovým účelům. náhled|Oxidační fosforylace. Mitochondriální komplexy na vnitřní mitochondriální membráně se podílejí na oxidační fosforylaci při aerobním dýchání. Mezi organely se někdy řadí tzv. biomolekulární kondenzáty, vydělené části eukaryotických buněk bez ohraničující membrány koncentrující proteiny a nukleové kyseliny a mající specifické funkce při řízení buněčné biochemie. Mohou se vzájemně spojovat a naopak i rozpadat na části. Některé se vyskytují uvnitř jádra (jadérko, Cajalovo tělísko), většina je volně umístěna v cytoplazmě a některé jsou přidružené k vnitrobuněčným membránám. K roku 2022 bylo popsáno 30 druhů.
Hlavní buněčné funkce
Buněčný metabolismus Buněčný metabolismus je nezbytný pro produkci energie pro buňku, a tedy i pro její přežití, a zahrnuje mnoho dějů. Při buněčném dýchání probíhá v cytoplazmě buňky glykolýza, při níž z glukózy vzniká pyruvát. Pyruvát prochází dekarboxylací pomocí multienzymového komplexu za vzniku acetyl-CoA, který může být snadno využit v Krebsově cyklu k produkci NADH a FADH2. Tyto produkty jsou zapojeny do elektronového transportního řetězce, aby nakonec vytvořily protonový gradient přes vnitřní mitochondriální membránu. Tento gradient pak může pohánět produkci ATP během oxidativní fosforylace. Metabolismus v rostlinných buňkách zahrnuje fotosyntézu, která je víceméně opakem dýchání, protože v konečném důsledku produkuje molekuly glukózy.
Buněčná signalizace Buněčná signalizace neboli buněčná komunikace je důležitá pro regulaci buněk a pro to, aby buňky zpracovávaly informace z okolí a odpovídajícím způsobem na ně reagovaly. K signalizaci může docházet prostřednictvím přímého kontaktu s buňkami nebo endokrinní, parakrinní a autokrinní signalizace. Přímý kontakt buňky s buňkou nastává, když receptor na buňce naváže molekulu, která je připojena k membráně jiné buňky. Endokrinní signalizace probíhá prostřednictvím molekul vylučovaných do krevního oběhu. Parakrinní signalizace využívá ke komunikaci molekuly difundující mezi dvěma buňkami. Autokrinní je buňka, která vysílá signál sama sobě vylučováním molekuly, která se váže na receptor na jejím povrchu. Formy komunikace mohou být prostřednictvím:
Iontové kanály: Mohou být různých typů, například napěťově nebo ligandem řízené iontové kanály. Umožňují transport molekul a iontů. Receptor vázaný na G-protein (GPCR): Obsahují sedm transmembránových domén a na vnitrobuněčné straně membrány asociují s G-proteinem. Po navázání ligandu na extracelulární doménu dojde k produkci sekundárních poslů, jako je cAMP, IP3, DAG a vápník. Tito sekundární poslové fungují jako zesilovače signálů a mohou se vázat na iontové kanály nebo jiné enzymy.