Kresba struktury korku, jak se objevila pod mikroskopem Robertu Hookeovi z Micrographia, která je původem slova „buňka“ používaného k popisu nejmenší jednotky živého organismu
Buňky v kultuře, obarvené na keratin (červená) a DNA (zelená)
Buňka je strukturní a funkční jednotkou všech známých živých organismů. Je to nejmenší jednotka organismu, která je klasifikována jako živá, a někdy je nazývána stavebním kamenem života. Některé organismy, například většina bakterií, jsou jednobuněčné (skládají se z jediné buňky). Jiné organismy, například lidé, jsou mnohobuněčné. (Lidé mají odhadem 100 bilionů nebo 1014 buněk; typická velikost buňky je 10 µm; typická hmotnost buňky je 1 nanogram.) Největší známou buňkou je pštrosí vajíčko.
V roce 1837, ještě než byla vyvinuta konečná teorie buněk, pozoroval český Jan Evangelista Purkyně malé „granule“ při pohledu na rostlinnou tkáň mikroskopem.
Buněčná teorie, poprvé vyvinutá v roce 1839 Matthiasem Jakobem Schleidenem a Theodorem Schwannem, uvádí, že všechny organismy jsou složeny z jedné nebo více buněk. Všechny buňky pocházejí z již existujících buněk. Životní funkce organismu se vyskytují uvnitř buněk a všechny buňky obsahují dědičnou informaci nezbytnou pro regulaci buněčných funkcí a pro přenos informací do další generace buněk.
Slovo buňka pochází z latinského cellula, což znamená malá místnost. Popisný název pro nejmenší živou biologickou strukturu zvolil Robert Hooke v knize, kterou vydal v roce 1665, když přirovnal korkové buňky, které viděl pod mikroskopem, k malým místnostem, v nichž mniši žili.
Každá buňka je alespoň do jisté míry soběstačná a soběstačná: dokáže přijímat živiny, přeměňovat tyto živiny na energii, vykonávat specializované funkce a podle potřeby se rozmnožovat. Každá buňka si ukládá vlastní sadu pokynů pro provádění každé z těchto činností.
Myší buňky vypěstované v kultivační misce. Tyto buňky rostou ve velkých shlucích, ale každá jednotlivá buňka má v průměru asi 10 mikrometrů
Některé prokaryotické buňky obsahují důležité vnitřní membránově vázané oddíly, ale eukaryotické buňky mají specializovanou sadu vnitřních membránových oddílů. Materiál je mezi těmito oddíly přesouván regulovaným provozem a transportem malých kuliček membránově vázaného materiálu zvaných vezikuly.
Existují dva typy buněk: eukaryotické a prokaryotické. Prokaryotické buňky jsou obvykle nezávislé, zatímco eukaryotické buňky se často nacházejí v mnohobuněčných organismech.
Schéma typické prokaryotické buňky
Buňky eukaryot (vlevo) a prokaryot (vpravo).
Všechny buňky, ať už prokaryotické nebo eukaryotické, mají membránu, která obklopuje buňku, odděluje její vnitřek od jejího prostředí, reguluje to, co se pohybuje dovnitř a ven (selektivně propustné), a udržuje elektrický potenciál buňky. Uvnitř membrány zabírá většinu buněčného objemu slaná cytoplazma. Všechny buňky mají DNA, dědičný materiál genů, a RNA, obsahující informace potřebné k sestavení různých proteinů, jako jsou enzymy, primární aparát buňky. V buňkách jsou také další druhy biomolekul. Tento článek uvede seznam těchto primárních složek buňky a pak stručně popíše jejich funkci.
Buněčná membrána: Definující hranice buňky
Cytoplazma buňky je obklopena plazmatickou membránou. Plazmatická membrána v rostlinách a prokaryotech je obvykle pokryta buněčnou stěnou. Tato membrána slouží k oddělení a ochraně buňky od jejího okolního prostředí a je vytvořena většinou z dvojité vrstvy lipidů (hydrofobních molekul podobných tukům) a hydrofilních molekul fosforu. Proto je tato vrstva nazývána fosfolipidová dvojvrstva. Může být také nazývána tekutou mozaikovou membránou. V této membráně je zabudována celá řada proteinových molekul, které fungují jako kanály a pumpy, které pohybují různé molekuly do buňky a z ní ven. Membrána je prý „polopropustná“ v tom smyslu, že buď může nechat látku (molekulu nebo iont) volně projít, projít v omezeném rozsahu nebo neprojít vůbec. Buněčné povrchové membrány také obsahují receptorové proteiny, které umožňují buňkám detekovat vnější signalizační molekuly, jako jsou hormony.
Cytoskeleton: lešení buňky
Cytoskelet organizuje a udržuje tvar buňky; ukotvuje organely na místě; pomáhá při endocytóze, vychytávání vnějších materiálů buňkou a cytokinezi, oddělení dceřiných buněk po buněčném dělení; a pohybuje částmi buňky v procesech růstu a mobility. Eukaryotický cytoskelet se skládá z mikrovláken, intermediárních vláken a mikrotubulů. Je s nimi spojeno velké množství proteinů, z nichž každý řídí strukturu buňky usměrňováním, svazováním a vyrovnáváním vláken. Prokaryotický cytoskelet je méně studovaný, ale podílí se na udržování tvaru buňky, polarity a cytokineze.
Existují dva různé druhy genetického materiálu: deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). Většina organismů používá DNA pro své dlouhodobé ukládání informací, ale některé viry (např. retroviry) mají RNA jako svůj genetický materiál. Biologická informace obsažená v organismu je zakódována v jeho DNA nebo sekvenci RNA. RNA se také používá pro přenos informací (např. mRNA) a enzymatické funkce (např. ribozomální RNA) v organismech, které používají DNA pro samotný genetický kód.
Prokaryotický genetický materiál je uspořádán v jednoduché kruhové molekule DNA (bakteriální chromozom) v nukleoidní oblasti cytoplazmy. Eukaryotický genetický materiál je rozdělen na různé, lineární molekuly zvané chromozomy uvnitř diskrétního jádra, obvykle s přídavným genetickým materiálem v některých organelách, jako jsou mitochondrie a chloroplasty (viz endosymbiotická teorie).
Lidská buňka má genetický materiál v jádře (jaderném genomu) a v mitochondriích (mitochondriálním genomu). U lidí je jaderný genom rozdělen na 46 lineárních molekul DNA zvaných chromozomy. Mitochondriální genom je kruhová molekula DNA oddělená od jaderné DNA. Ačkoli je mitochondriální genom velmi malý, kóduje některé důležité proteiny.
Cizí genetický materiál (nejčastěji DNA) může být také uměle zaveden do buňky procesem zvaným transfekce. To může být přechodné, pokud DNA není vložena do genomu buňky, nebo stabilní, pokud je.
Lidské tělo obsahuje mnoho různých orgánů, jako je srdce, plíce a ledviny, přičemž každý orgán plní jinou funkci. Buňky mají také soubor „malých orgánů“, nazývaných organely, které jsou uzpůsobeny a/nebo specializovány pro vykonávání jedné nebo více životně důležitých funkcí. Membránou vázané organely se nacházejí pouze u eukaryot.
Růst buněk a metabolismus
Mezi po sobě jdoucími buněčnými děleními buňky rostou díky fungování buněčného metabolismu.
Metabolismus buněk je proces, při kterém jednotlivé buňky zpracovávají molekuly živin. Metabolismus má dvě odlišné divize: katabolismus, při kterém buňka rozkládá komplexní molekuly za účelem výroby energie a snížení výkonu, a anabolismus, při kterém buňka využívá energii a snížení výkonu ke konstrukci komplexních molekul a vykonávání dalších biologických funkcí.
Komplexní cukry, které organismus konzumuje, mohou být rozloženy na méně chemicky složitou molekulu cukru zvanou glukóza. Jakmile je glukóza uvnitř buňky, rozkládá se za vzniku adenosintrifosfátu (ATP), formy energie, dvěma různými cestami.
První cesta, glykolýza, nevyžaduje žádný kyslík a je označována jako anaerobní metabolismus. Každá reakce je navržena tak, aby produkovala některé vodíkové ionty, které pak mohou být použity k výrobě energetických paketů (ATP). V prokaryotech je glykolýza jedinou metodou používanou k přeměně energie.
Druhá dráha, zvaná Krebsův cyklus, neboli cyklus kyseliny citronové, se vyskytuje uvnitř mitochondrií a je schopna generovat dostatek ATP pro spuštění všech buněčných funkcí.
Přehled syntézy bílkovin Uvnitř jádra buňky (světle modrá) jsou geny (DNA, tmavě modrá) přepsány do RNA. Tato RNA je pak podrobena posttranskripční modifikaci a kontrole, jejímž výsledkem je zralá mRNA (červená), která je pak transportována z jádra do cytoplazmy (broskev), kde prochází translací do bílkoviny. mRNA je přeložena ribozomy (fialovými), které přiřazují tříbázové kodony mRNA k tříbázovým antikodonům příslušné tRNA. Nově syntetizované bílkoviny (černé) jsou často dále modifikovány, například vazbou na efektorovou molekulu (oranžovou), aby se staly plně aktivními.
Buněčné dělení zahrnuje jednu buňku (nazývanou mateřská buňka) dělící se na dvě dceřiné buňky. To vede k růstu v mnohobuněčných organismech (růst tkáně) a k plození (vegetativní reprodukci) v jednobuněčných organismech.
Prokaryotické buňky se dělí binárním štěpením. Eukaryotické buňky obvykle procházejí procesem jaderného dělení, nazývaným mitóza, následovaným dělením buňky, nazývaným cytokineze. Diploidní buňka může také projít meiózou za vzniku haploidních buněk, obvykle čtyř. Haploidní buňky slouží jako gamety v mnohobuněčných organismech, fúzují za vzniku nových diploidních buněk.
Replikace DNA, neboli proces duplikace genomu buňky, je vyžadována pokaždé, když se buňka rozdělí. Replikace, stejně jako všechny buněčné činnosti, vyžaduje specializované proteiny pro provedení úkolu.
Buňky jsou schopny syntetizovat nové proteiny, které jsou nezbytné pro modulaci a udržení buněčných aktivit. Tento proces zahrnuje tvorbu nových proteinových molekul ze stavebních bloků aminokyselin na základě informací kódovaných v DNA/RNA. Syntéza proteinů se obecně skládá ze dvou hlavních kroků: transkripce a translace.
Transkripce je proces, při kterém se genetická informace v DNA používá k vytvoření komplementárního řetězce RNA. Tento řetězec RNA se pak zpracovává za vzniku messengerové RNA (mRNA), která může volně migrovat buňkou. Molekuly mRNA se vážou na protein-RNA komplexy zvané ribozomy nacházející se v cytosolu, kde jsou překládány do polypeptidových sekvencí. Ripozóm zprostředkovává tvorbu polypeptidové sekvence založené na mRNA sekvenci. Sekvence mRNA se přímo vztahuje k polypeptidové sekvenci vazbou na přenosové RNA (tRNA) adaptérové molekuly ve vazebných kapsách uvnitř ribozomu. Nový polypeptid se pak skládá do funkční trojrozměrné proteinové molekuly.
Buňka má schopnost samovolného pohybu během procesu hojení ran, imunitní odpovědi a nádorových metastáz. Nejrychleji se pohybující buňky v lidském těle jsou spermaculi, které vstupují a vystupují penisem. To bylo prokázáno, když profesorka Julia Ertmannová z UCLA pozorovala změny v reprodukčních spermaculi v laboratorním prostředí (cca 2005).
Aby došlo k hojení ran, bílé krvinky a buňky, které přijímají bakterie, se přesunou do místa rány, aby zabily mikroorganismy, které způsobují infekci. Ve stejnou dobu se tam přesunou fibroblasty (buňky pojivové tkáně), aby přetvořily poškozené struktury. V případě rozvoje nádoru se buňky z primárního nádoru přesunou pryč a rozšíří se do dalších částí těla. Buněčná motilita zahrnuje mnoho receptorů, křížení, svazování, vázání, adhezi, motorické a další proteiny. Proces je rozdělen do tří kroků – protruze náběžné hrany buňky, adheze náběžné hrany a deadhesion na těle a zadní části buňky a cytoskeletální kontrakce, která táhne buňku vpřed. Každý z těchto kroků je poháněn fyzikálními silami generovanými unikátními segmenty cytoskeletu.
Původ buněk souvisí s původem života a je jedním z nejdůležitějších kroků evoluční teorie. Zrození buňky znamenalo přechod od prebiotické chemie k biologickému životu.
V genovém pojetí evoluce je život chápán ve smyslu replikátorů – tedy molekul DNA v organismu. V tomto paradigmatu buňky splňují dvě základní podmínky pro evoluci složitosti. Pokud volně plovoucí molekuly DNA, které kódují enzymy, nejsou uzavřeny v buňkách, enzymy, které prospívají danému replikátoru (například tím, že produkují nukleotidy), tak mohou činit méně efektivně a ve skutečnosti mohou prospívat konkurenčním replikátorům. Pokud je celá molekula DNA replikátoru uzavřena v buňce, pak enzymy kódované z molekuly zůstanou v blízkosti molekuly DNA samotné. Replikátor bude mít přímý prospěch ze svých kódovaných enzymů.
Biochemicky jsou buněčné sféroidy tvořené proteinoidy pozorovány zahříváním aminokyselin kyselinou fosforečnou jako katalyzátorem. Nesou mnoho základních rysů, které poskytují buněčné membrány. Protobuňky na bázi proteinoidů uzavírající molekuly RNA mohly být prvními buněčnými formami života na Zemi. Někteří amfifilové mají tendenci spontánně vytvářet membrány ve vodě. Kulovitě uzavřená membrána obsahuje vodu a je hypotetickým předchůdcem moderní buněčné membrány složené z proteinů a fosfolipidových dvouvrstvých membrán.
Původ eukaryotických buněk
Stále se vedou značné debaty o tom, zda organely jako hydrogenozom předcházely vzniku mitochondrií, nebo viceversa: viz vodíková hypotéza o původu eukaryotických buněk.
Sex, jako stereotypní choreografie meiózy a syngamie, která přetrvává téměř u všech existujících eukaryot, mohl hrát roli při přechodu z prokaryot na eukaryota. Teorie „původu sexu jako vakcinace“ naznačuje, že genom eukaryot se akreditoval z genomů prokaryanských parazitů v četných kolech laterálního přenosu genů. Sex-as-syngamie (fúzní sex) vznikla, když infikovaní hostitelé začali vyměňovat nukleární genomy obsahující kovolvenózní, vertikálně přenášené symbionty, které poskytovaly ochranu proti horizontální infekci virulentnějšími symbionty.