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Biology 1201A
Tom Haffie

Biology 1210 Notes September 9­ Lecture 1 Characteristics of Living Things 1. Organisms tend to be complex and highly organized 2. Living organisms have ability to take energy from environment and change it  from one form to another 3. Organisms tend to be homeostatic ▯ regulate their bodies and other internal  structures to normal parameters 4. Living creatures respond to stimuli 5. Living things reproduce themselves by making copies of themselves 6. Organisms grow and develop 7. Life adapts and evolves in step with external changes in the environment September 11­ Lecture 2  Tour of the Cell Early microscope • Anthony van Leeuwenhoek­ first person to find bacteria • Since he created the microscope, the science world has changed since the  invisible world could be seen Robert Hooke • Created the idea of a cell­ resembled rooms (aka cells) Electron Microscope • Resolution limit of light microscope is 0.2 microns (size of small bacterium) • Magnification limit about 1000x • Electron microscope enabled organelles, viruses, proteins to be seen (imaged) The Transmission Electron Microscope (TEM) • Replaced protons with electrons • Needs lots of energy to form electrons The Scanning Electron Microscope (SEM) • Looks at cell surface • Allows us to get pictures with high resolution Cell Fractionation • Takes cells apart to study components • If you want to know what cells do, must isolate cell parts • Centrifuge used to fractionate cells and separate major organelles  • Heaviest parts go to the bottom The Cell • Cell= simplest collection of matter which has all properties of life • Every cell came from pre­existing cell 1. Lowest hierarchal level which is alive 2. Cell basic unit of life 3. Cell performs all functions necessary to live and reproduce Virus • Occur in virtually every organism • Some wreck chaos causing no disease or outward sign of their presence • Often specific to a host • Can only reproduce when they enter a cell • Wrapped in protein capsule • Very specific • Only in living cells Cells: Two Basic Types 1. Prokaryotic Cells • Pro= before, karyote= nucleus • No nucleus (simple) • Genetic information (DNA) in area called nucleoid • Visible components= plasma membrane, ribosomes, nucleoid, cytoplasm, cell  wall, pili, flagella, mesosomes, photosynthetic membranes • Some have specialized structures 2. Eukaryotic Cells • Eu= true, karyote­ nucleus • Found in four kingdoms o Protista o Fungi o Animalia o Planta • Characteristics o True nucleus (surround with nuclear membrane, contains DNA) o Visible components= plasma membrane, cutoplasm,nucleus, ribosomes,  organelles, endomembrane system, cytoskeleton, cell wall, cell matrix,  some organelles, flagella o Cytoplasm has everything found in it o Chloroplasts only in plants The Nucleus • Eukaryotic cell’s genetic library • Most genes found in nucleus ▯ some found in mitochondria and chloroplasts • Separated from cytoplasm by double membrane o Pore allows large macromolecules and particles to pass through • Nuclear side of envelope lined by nuclear lamina (network of intermediate  filaments that maintain shape of nucleus) • Within nucleus, DNA and proteins organized into chromatin • When cell prepares to divide chromatin fibers coil up to be chromosomes • In nucleus, there is a region of densely stained fibers and granules attaching  chromatin and the nucleolus  • Ribosomal RNA (rRNA) synthesized and assembled with proteins from ribosomal  subunits in the nucleolus • Nucleus directs protein synthesis by synthesizing messenger RNA (mRNA) • NO protein synthesis in nucleus, jut genetic material Cytoplasm • Material between plasma membrane (cell membrane) and nuclear envelope • Variable viscosity • Mainly made up of water (80%), nucleic acids, proteins, lipids, carbohydrates,  pigments) • Everything dissolved in fluid • Cytosol + organelles make up cytoplasm Ribosomes Build • Contain rRNA and protein • Composed of two subunits that combine to carry out protein synthesis • Cell types that synthesize large quantities of proteins have large numbers of  ribosomes and prominent nuclei • Free ribosomes ▯ suspended into cytosol and synthesize proteins that function with   the cytosol • Bound ribosomes ▯ attached to outside endoplasmic reticulum • Can shift between roles Endomembrane System • Many internal membranes in eukaryotic cell part of endomembrane system • Membranes either in direct contact of connected by transfer vesicles (sacs of  membrane) • Includes= nuclear envelope, endoplasmic reticulum, golgi apparatus, lysosomes,  vacuoles, plasma membrane • Two regions of ER that differ in function and structure o Smooth ER ▯looks smooth because lacks ribosomes o Rough ER ▯looks rough because of bound ribosomes attached to outside  including outside nuclear envelope Smooth ER • Rich in enzymes, plays a role in variety of metabolic processes • Synthesize lipids (oils, phospholipids, steroids) • Also catalyzes key steps in mobilization of glucose from stored glycogen in liver • Other enzymes in smooth ER of liver helps to detoxify drugs and poisons • Muscle cells rich in enzymes that pump Ca ions from cytosol to cisternae Rough ER • Abundant in cells that secrete proteins • Secretory proteins are packaged in transport vesicles that carry them to next stage • Also a membrane factory o Membrane bound proteins synthesized directly into membrane o Enzymes in rough ER synthesize phospholipids from precursors in cytosol  o ER membrane expands, parts can be transferred as transport vesicles to  other parts of endomembrane system September 16­ Lecture 3 Golgi Apparatus • Many transport vesicles from ER travel to Golgi body to modify their contents • It’s a center of manufacturing, warehousing, sorting and shipping  • Extensive in cells specialized for secretion • Consists of flattened membranous sacs (cisternae) o Membrane of each cisternae separates its internal space from cytosol o Two sides:  CIS ▯receives materials by fusing with vesicles  TRANS ▯buds off vesicles then travel to other sites • During transit from cis to trans pole, products from ER are modified to reach their  final state • Golgi can also manufacture macromolecules (pectin, non­cellulose  polysaccharides) • Tags, sorts and packages materials into transport vesicles Lysosomes • Membrane bound organelle • Sac of hydrolytic enzymes that digest macromolecules • Lysosomal enzymes ▯ hydrolyze proteins, fats, polysaccharides and nucleic acids • Enzymes work best at pH 5 ▯ most enzymes work at lower pH o Proteins in lysosomal membrane pump hydrogen ions from cytosol to  lumen of lysosomes • Rupturing lysosomes causes enzymes to shoot up • Can cause auto digestion of cell • Transport vesicles heads to cis of golgi apparatus and fuses with it and drops off  proteins • Proteins modified in complex • Can fuse with food vacuoles formed when a food item is brought into the cell by  phagocytosis • White blood cells engulf bacteria to remove from system • Produces food enzyme, dump enzymes, digest food to get the nutrients • Can also fuse to other organelles • Organelles break down, vacuole forms around them, enzymes break it down and  recycle the organelles • Used in development, many things go thorugh metamorphisis like frog starts as  tadpole, tail stores nutrients Vacuoles • Vesicles and vacuoles are membrane­bound sacs with varied functions • Food vacuoles: from phagocytosis, fuse with lysosomes • Contractile vacuoles: water wants to come in by osmosis, vesicles fill up with  water and then pumps excess water out of the cell • Central Vacuoles: found in plant cells Plant Central Vacuole • Membrane surrounding central vacuole is the tonoplast • It is selective in transport of solutes into the central vacuole • Functions o Stock piling proteins o Depositing metabolic byproducts o Storing pigments o Storing defensive compounds • Plasma membrane decides what leaves and enters cell • Endomembrane system plays a key role in synthesis • It composes of everything in the cell that is membrane bound • Related because ti all starts from same place (proteins produced on ER that  eventually move to Golgi complex and are modified) (like assembly line) Mitochondria and Chloroplasts: Cell Energy Transformers Mitochondria and Chloroplasts­main energy transformers of cells • Are organelles that convert energy to forms that cells can use • Mitochondria o Sites of cellular respiration o Generating ATP from catabolism of sugars, fats,  • Chloroplasts o Found in plants and eukaryotic algae o Site of photosynthesis • Mitochondria: o Have inner and outer membrane o Folds called cristae, needed to increase surface area o Enzymes needed are stored on membrane o Liquidy portion like cytosol called matrix o Matrix composed of ribosomes and DNA Plastids • One type is chloroplast for photosynthesis • Amyloplasts­ starch • Chromoplast­ pigments Chloroplast • 2 membranes and inner thylakoids • Thylakoids­ stacks where photosynthesis occurs • Liquidy part called Stroma o Has own ribosomes, enzymes, DNA molecules Mitochondria and Chloroplasts • Have dynamic structures o Shape is plastic and can reproduce themselves • Both are mobile and move around the cell along tracks in cytoskeleton Peroxisomes • Found in plant and animal cell • Single membrane bound  • Enzymes transfer hydrogen from various substances to oxygen • Produces hydrogen peroxide then converted to water Cytoskeleton • Network of fibers extending throughout the cytoplasm • Organizes structures and activities of the cell • Help keep its shape Structural support­ cell motility­ regulation • Anchor organelles in place • Mechanical support and maintains shape of the cell Microtubules • Hollow tubes made of protein tubulin • Cell, shape, cell mobility, chromosome movement, organelle movement • Tracks guide motor proteins carrying organelles to their destination • Keep cytoplasm in movement  Microfilaments • Two strands • Made of protein actin • Intertwined actin strands • Cell shape, muscle contraction, cytoplasmic streaming Intermediate Filaments • Made of fibrous protein • Protein subunit is keratin family • Anchorage of nucleus and organelles Centrosomes and Centrioles • Many cells microtubules grow out of centrosome (located near nucleus, no  membrane around it, made of two centrioles) • In centrosome of animal cell are pair of centrioles (composed of 9 sets of  microtubules) • Not present in plant cells Centrosome • In animal cells, centrosome has pair of centrioles (each with 9 triplets of  microtubules arranged in ring) • During cell division centrioles replicate Cilia • Larger number on the cell surface • Shorter oar like structures • Flagella same width as cilia but larger, move in whip like motion • Many protists covered in cilia, move around Flagella • Move whip like motion • Helps cells move • Made of one protein and do same job Cilia and Flagella have same ultrastructure • Flexible wheel like structure inside • Core of microtubules sheathed by plasma membrane • Nine doublets of microtubules arranged around pair at the center • Outer doublets connected by motor proteins • Anchored in cell by basal body (centriole) Muscle Cells • Actin filaments arranged parallel to one another • Thicker filaments, composed of motor protein, myosin  • Myosin walk along the actin pulling the fibers together and causing cell to shorten Cytoplasmic Streaming • Constant movement • Plant cells, actin myosin interactions transformations drive cytoplasmic streaming Plant Cell Wall • Plant cells have wall around them ▯ allow them to grow so tall and strong • Made up of: o Cellulose o Pectin Plasmodesmata • Things could pass by cell wall • Cell membrane decides what goes in and out • Many plants have a secondary cell wall • Junction­ plasmodesmata • Plasmodesmata­ hole in cell walls, allows cytoplasmic connection between  adjacent cells • Allows signals, hormones, sugars and water to be passed from cell to cell  Intercellular Junctions • Multicellular have different types of junctions that do different jobs • Desmosomes o Anchor junctions o Rivet holds cells together • Tight junction: o Putting something between two adjacent cells to prevent water from  leaking in them (waterproof junction between cells) o Prevent materials from moving between cells • Gap junctions: o Junctions between cells for communication Divide and Conquer  September 18, 2013 • All cells come from preexisting cells What do all cells need to survive? • Complete set of genetic instructions • Produce required molecules • Direct life processes • Genetic instructions are coded in DNA of cells o All genetic instructions are coded in DNA Why do cells divide? • Growth of organisms • Cell repair­ if damaged • Development­ can be quite large changes, animals not so much, but in many  things there are metamorphosis Cell Cycle • Purpose is to reproduce cell number one into two daughter cells • Cell grows, adding more cytoplasmic constituents • DNA is replicated • Cell divides into two identical daughter cells Essential Features of Cell Division • Transmit complete copy of genetic information (DNA) • Transmit materials necessary for cell to survive and use genetic information Prokaryotic Cell • No nucleus­ DNA in cytoplasm • No membrane bound organelles •  BINARY FISSION  ­ cell division Prokaryotic Cell cycle • Prokaryotic chromosomes a circular loop • Chromosomes attaches to one point on plasma membrane • Chromosome replicated o Replicated chromosome attached to plasma membrane at different nearby  point • Cell elongates­ new plasma membrane added between chromosomes, pushing  them towards opposite ends of cell • Plasma membrane grows inward at middle of cell • Parent cell divided into two identical daughter cells Eukaryotic Cell • Membrane bound organelles, including nucleus • DNA contained in nucleus •  MITOTIC CELL DIVISION  ­ cell division of somatic cells Eukaryotic Chromosomes • Contain almost all genetic information • Mitochondria and chloroplasts also have DNA • Mitosis only deals with nuclear chromosomes, division of nucleus Chromosomes • Long thread like structures • Condensed through mitosis • Composed of DNA and proteins • Number of chromosomes vary between species Eukaryotic Chromosome Structure • Strands of linear DNA • Human cells o 46 strands (46 chromosomes) o Each strand coiled up Chromatin • Many proteins bound to molecules • Varied functions (protect, packaging, duplication etc) • Chromatin= DNA + bound protein During non­division phase of cell cycle • DNA molecules in extended, condensed form= chromatin • Cell can only use DNA to produce molecules when in extended state During division phase of cell cycle • DNA molecules condense to form chromosomes prior to division • Each chromosome is a single molecule of DNA • Easier to sort and organize DNA into daughter cells What is Mitotic Cell Division? • Division of somatic cells (non­reproductive cells) in eukaryotic organism • Single cell divides into identical daughter cells (cellular reproduction) Ploidy • Organisms have specific number of sets in diploid and haploid • Mitosis and meiosis lead to different ploidy outcomes Chromosome ploidy of cell • Ploidy­ refers to number of pairs of chromosomes in cells • Haploid­ one copy of each chromosome  o Designated as “n” • Diploid­ two copies (pair) of each chromosome o Designated as “2n” • Triploid­ 3 sets • Polyploidy­ more than two compete sets Eukaryotic Cell Cycle • 2 major phases o Interphase (3 stages)  DNA uncondensed (chromatin) o Mitotic Cell division (5 stages)  DNA condensed (chromosomes) G 1 First Gap • Size increases • Organelles may replicate • Nrmal growth and development S­DNA Synthesis • DNA is replicated, synthesis of proteins associated with DNA • PLOIDY DOES NOT CHANGE G 2 Second Gap • Cell prepares for division • Synthesis of proteins associated with Mitosis cell committed to divide Interphase • Occurs before stages of mitosis • Chromatin= genetic material • DNA replication occurs during this phase • Nucleus defined, nucleoli present • Centrosomes replicated • Microtubules extend from centromeres  • Chromosomes have duplicated but not condensed Mitosis in Eukaryotic Cells has 5 Stages 1. Prophase 2. Prometaphase 3. Metaphase 4. Anaphase 5. Telophase (cytokinesis also occurs during this phase) Prophase • Chromatin fibers become coiled chromosomes
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