1. Biochemická propedeutika KPK/FYO Filip Neuls & Michal Botek

Biochemie zabývá se chemickými pochody v živých organismech studuje strukturu a funkce základních stavebních kamenů živé hmoty, tzv. biomolekul (sacharidy, tuky, bílkoviny, nukleové kyseliny atd.)

Biochemie v kostce

Biogenní prvky makrobiogenní (>1 %): C, H, O, N, Ca, P mikrobiogenní (0,01-1 %): Na, K, S, Cl, Mg stopové (<0,01 %): Fe, Zn, Cu, I, Mn, Mo, Co, Se, Cr, F PrvekZastoupeníPrvekZastoupení Uhlík50 %Draslík1 % Kyslík20 %Síra0,8 % Vodík10 %Sodík0,4 % Dusík8,5 %Chlor0,4 % Vápník4 %Hořčík0,1 % Fosfor2,5 %Železo0,01 % Mangan0,001 % Jod0,00005 %

Organické vs. anorganické sloučeniny každý organismus je přirozeně složen jak z látek organických (jednoznačně převažují), tak anorganických anorganické sloučeniny: obvykle se skládají z atomu nebo skupiny atomů s kladným nábojem (kovu) a atomu nebo skupiny atomů se záporným nábojem (nekovu) – minerály, soli apod. organické sloučeniny: obsahují ve své molekule uhlík, ale nepatří sem oxidy uhlíku (CO 2, CO), kyselina uhličitá (H 2 CO 3 ), uhličitany a hydrogenuhličitany (soli H 2 CO 3 ) apod.

Ionty iont = elektricky nabitá částice (atom nebo molekula) kationt – kladně nabitá částice; odevzdala elektron (e - ) nebo přijala proton (H + ) aniont – záporně nabitá částice; přijala elektron (e - ) či odevzdala proton (H + ) příklady vzniku: ▫rozpouštění soliNaCl → Na + + Cl - ▫hydrolýzaH 2 O → H + + OH -

Příjem látek Organismus přijímá z vnějšího prostředí (potravou) veškeré látky důležité pro život: makronutrienty (cukry, tuky, bílkoviny), vitamíny, minerály a vodu Z těchto látek si různými metabolickými cestami vytváří další látky nezbytné pro chod životních funkcí Některé látky si organismus neumí vytvořit sám, musí je proto bezpodmínečně přijímat v potravě – tzv. esenciální látky (vitamíny, esenciální MK a AK)

Sacharidy (cukry, glycidy) biomolekula obsahuje C, H, O; základní stavební jednotkou je tzv. cukerná jednotka (monosacharid) při nedostatku mohou krátkodobě vznikat z AK nebo glycerolu funkce v lidském organismu: ▫zdroj a zásoba energie (glukóza, glykogen) ▫složky složitějších biomolekul (NK, hormonů, koenzymů; glykolipidy, glykoproteiny, proteoglykany...) dělení dle počtu atomů C v cukerné jednotce: ▫triózy (3C), tetrózy (4C), pentózy (5C), hexózy (6C) atd. dělení dle počtu cukerných jednotek: ▫monosacharidy (1), disacharidy (2), oligosacharidy (do 10), polysacharidy (nad 10)

Příklady sacharidů Monosacharidy ▫glukóza (6C), „hroznový cukr“, „krevní cukr“ ▫fruktóza (6C), „ovocný cukr“ ▫galaktóza (6C), součást mateřského mléka ▫ribóza (5C), součást NK, ATP... Disacharidy ▫sacharóza (glukóza+fruktóza), „řepný cukr“ ▫maltóza (glukóza+glukóza), „sladový cukr“ ▫laktóza (glukóza+galaktóza), „mléčný cukr“ Polysacharidy ▫glykogen (až molekul glukózy), zásobní polysacharid živočichů ▫škrob (amylóza+amylopektin), rostlinná zásobní látka ▫celulóza, stavební polysacharid rostlin, součást vlákniny ▫inulin (polymer fruktózy), rostlinný původ, zdroj E pro symbiotické střevní bakterie, prebiotikum

Sacharidy jako složky jiných molekul proteoglykany – vytvářejí sítě, vážou vodu ▫důležité pro metabolismus kostí a hydrataci tkání glykoproteiny – často vytvářeny sliznicemi ▫např. mucin v trávicím traktu glykolipidy - zejména v buněčných membránách ▫buněčné receptory ▫látky pomáhající zakotvit buňku do okolní tkáně

Glukóza vs. glykogen

Lipidy skládají se z C, H, O; živočišný i rostlinný původ hydrofobní = nerozpustné ve vodě funkce v organismu: ▫součást buněčných membrán (lipidová dvojvrstva) ▫zdroj a zásoba energie (např. v adipocytech) ▫ochrana orgánů, tepelná izolace ▫rozpouštědlo (pro některé vitamíny) ▫signální molekuly

Příklady jednoduchých lipidů Tuky (triacylglyceroly, triglyceridy) ▫v potravě nejběžnější ▫složení: glycerol (3C) + 3 mastné kyseliny (MK) ▫MK mají v řetězci obvykle sudý počet C ▫nasycené/nenasycené (dle dvojných vazeb) ▫esenciální MK (linolová, linolenová, arachidonová) ▫kys. arachidonová důležitá pro syntézu prostaglandinů (hormonům podobných látek s místním účinkem) Steroly (např. cholesterol a jeho deriváty) ▫důležité komponenty membránových lipidů ▫prekurzory pro steroidní hormony, signální molekuly, žlučové kyseliny aj.

Fosfolipidy – hlavní součást membrán s hydrofilní a hydrofobní částí Lipoproteiny – součást membrán, cytoplazmy, krevní plazmy ▫obsahují fosfolipidy, triglyceridy, cholesterol ▫funkce: transport ve vodě nerozpustných lipidů vodním prostředím krve ▫např. chylomikrony, HDL-cholesterol, LDL-cholesterol apod. Příklady složených lipidů

Proteiny (bílkoviny) vysokomolekulární přírodní látky složené z aminokyselin (AK) spojených peptidovou vazbou podstata všech živých organismů oligopeptid (2-10 AK), polypeptid ( AK), protein (více než 100 AK) kromě C, H, O obsahují hlavně N a částečně S všechny bílkoviny vznikají kombinací 20 (21) biogenních AK esenciální AK si lidské tělo nedokáže vytvořit (8) funkce je dána složením polypeptidového řetězce a jeho strukturou (prostorovým uspořádáním) denaturací se ztrácí biologická aktivita (zahřátí, změna pH)

Příklady rozdělení proteinů Dle funkce: ▫strukturní (tvoří stavební složky buněk, kolagen) ▫katalytické, regulační (enzymy, hormony) ▫transportní (hemoglobin, myoglobin) ▫pohybové (aktin, myosin) ▫obranné (protilátky, imunoglobuliny) ▫zásobní (ferritin) ▫senzorické (rhodopsin) ▫výživové (zdroj hmoty k výstavbě a obnově tkání) Dle struktury: ▫globulární (albuminy, globuliny) ▫fibrilární (vláknité – kolagen, elastin, keratin) ▫jednoduché/složené

Nukleové kyseliny DNA (kyselina deoxyribonukleová) RNA (kyselina ribonukleová) funkce: kódování, přenos a exprese genetické informace

obsaženy v každém organismu genetická informace určuje program činnosti buňky a nepřímo i celého organismu struktura: polynukleotidový řetězec nukleová (dusíkatá) báze: purinová + pyrimidinová (párování bází) pentóza: 5C cukr (ribóza/deoxyribóza) Nukleové kyseliny nukleová báze pentózafosfát

DNA makromolekula se strukturou dvoušroubovice v buněčném jádru navinutá na bílkovinu (chromatin tvořící chromozomy) báze: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) cukr: deoxyribóza komplementarita bází: purinová báze se páruje ve šroubovici s pyrimidinovou (A–T, G–C) v genetickém kódu jsou zapsány sekvence všech bílkovin a přeneseně všech biomolekul a buněčných struktur

DNA: genetická informace lokus: pozice, kterou na chromozomu (na DNA) zaujímá jeden nebo více genů (tj. úsek přepisovaný do proteinu) nekódující DNA: část řetězce DNA, která není přepisována do proteinu (např. úseky DNA pro tRNA, rRNA, regulační části, pseudogeny, repetitivní DNA...) – u člověka až 97 % odpadní DNA (junk DNA): až 90 % genomu, nejasná funkce (pozůstatek po evoluci? regulační funkce? ochrana před mutacemi?) mutace typu inserce/delece vyvolávají posun čtecí fáze; v případě zasažení nekódující části DNA je dopad mutace nulový

RNA (mRNA, rRNA, tRNA) makromolekula se strukturou šroubovice báze: uracil (U) místo thyminu cukr: ribóza hlavní funkce: překlad genetického kódu (z „řeči genů“ do „řeči bílkovin“) mRNA – mediátorová RNA (přepisuje DNA) rRNA – ribozomální RNA (vytváří ribozomy) tRNA – transferová RNA (přenáší AK na místo translace)

Nukleové kyseliny v kostce Tzv. centrální dogma molekulární biologie (Francis Crick, 1956)

Replikace proces tvorby kopií molekuly DNA

Transkripce proces, při němž je podle genetické informace zapsané v řetězci DNA vyráběn řetězec mRNA

Translace proces syntézy bílkovin – podle informace zapsané v mRNA je na základě genetického kódu sestaven řetězec AK

Genetický kód

Enzymy bílkoviny s katalytickou aktivitou (-áza) určují povahu i rychlost chemických reakcí a řídí většinu biochemických procesů v těle všech živých organismů specifita – obvykle katalyzují specifickou reakci bílkovinná složka = apoenzym nebílkovinná část = kofaktor (koenzym, prostetická skupina)

Kofaktory, koenzymy Kofaktor – nebílkovinná chemická látka nezbytná pro biologickou aktivitu proteinu, obvykle enzymu anorganické – ionty ▫např. Mg 2+, Cu +, Fe 2+ aj. organické – koenzymy, často tvoří tzv. prostetickou skupinu (koenzym pevně navázaný na apoenzym) ▫např. ATP, NAD, FAD, koenzym A (CoA), koenzym Q 10 atd.

Adenosintrifosfát (ATP) makroergní fosfát, univerzální buněčný přenašeč energie: ATP → ADP + Pi + E energie (E) se využívá téměř ve všech typech buněčných pochodů, např. při biosyntézách, vnitrobuněčném a membránovém transportu, výrobě proteinů, syntéze RNA, svalové kontrakci... rozklad hydrolýzou za pomoci enzymu ATPázy regenerace pomocí myokinázy a energie dodané z rozkladu jiných energeticky bohatých látek (kreatinfosfát, glukóza, glykogen, MK, AK): ADP + Pi + E → ATP

3. fosfát2. fosfát1. fosfátribózaadenin adenosin AMPADPATP

Nikotinamidadenindinukleotid (NAD) koenzym přítomný ve všech živých organismech je zapojený v oxidačně-redukčních reakcích oxidovaná forma: NAD + (přijímá e - ) redukovaná forma: NADH (odevzdává e - ) přenašeč elektronů (e - ) a protonů (H + ) v elektronovém transportním řetězci (v mitochondrii) na oxidaci 1 mol NADH je vázán vznik 3 mol ATP

Flavinadenindinukleotid (FAD) podobná funkce jako NAD oxidovaná forma: FAD redukovaná forma: FADH 2 taktéž schopen přenášet elektrony a vodíkové protony do elektronového transportního řetězce na oxidaci 1 mol FADH 2 je vázán vznik 2 mol ATP

Vitamíny nízkomolekulární organické látky esenciální pro život (organismus je nedokáže syntetizovat v dostatečném množství) obvykle katalyzátory biochemických reakcí v současnosti se uznává 13 vitamínů ▫rozpustné v tucích: A, D, E, K ▫rozpustné ve vodě: C, B1, B2, B3, B5, B6, B7, B9, B12 funkce: ▫regulátory (podobně jako hormony, např. vitamín D) ▫kofaktory (koenzymy) enzymů, části prostetických skupin ▫antioxidanty (vitamín C, E, A, B3) ▫přenašeče chemických skupin, elektronů apod.

Shrnutí, klíčová slova makrobiogenní prvky mikrobiogenní prvky stopové prvky ionty esenciální látky sacharidy glukóza glykogen škrob vláknina lipidy glycerol mastné kyseliny cholesterol proteiny aminokyseliny denaturace bílkovin nukleové kyseliny a genetická informace enzym apoenzym kofaktor/koenzym ATP NAD FAD vitamíny

Samostudium funkce mikrobiogenních a stopových prvků v organismu funkce jednotlivých vitamínů

Doporučená literatura Ganong, W. F. (2005). Přehled lékařské fyziologie. Praha: Galén. Kittnar, O. et al. (2011). Lékařská fyziologie. Praha: Grada. Koolman, J., & Röhm, K.-H. (2012). Barevný atlas biochemie. Praha: Grada. Langmeier, M. et al. (2009). Základy lékařské fyziologie. Praha: Grada. Máček, M., Radvanský, J. et al. (2011). Fyziologie a klinické aspekty pohybové aktivity. Praha: Galén. Rokyta, R. et al. (2000). Fyziologie pro bakalářská studia v medicíně, přírodovědných a tělovýchovných oborech. Praha: ISV. Silbernagl, S., & Despopoulos, A. (2004). Atlas fyziologie člověka. Praha: Grada. Trojan, S. et al. (2003). Lékařská fyziologie. Praha: Grada. e-kniha Lehnert, M. et al. (2014). Kondiční trénink. Olomouc: Univerzita Palackého. (kapitoly 1-6: fyziologické aspekty kondičního tréninku)