Inovace studia molekulární a buněčné biologie Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární a buněčné biologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání Předmět: KBB/BB1P Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Buňka, chemické složení buňky Investice do rozvoje vzdělávání Buňka, chemické složení buňky „Základní kameny“ Boris Cvek Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání Cíl přednášky: Seznámit posluchače se složením buňky po biologické i chemické stránce Klíčová slova: pro/eukaryontní buňka, organely, cytozol, chemické vazby a molekuly v buňkách Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Molecular Biology of the Cell Obrázky v následující prezentaci jsou převzaty z níže uvedené knihy výlučně k výukovým účelům. The illustrations in following lecture are taken from Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, 5th Edition (Garland Science 2008) only and exclusively for the educational purposes. Alberts • Johnson • Lewis • Raff • Roberts • Walter Molecular Biology of the Cell Fifth Edition Copyright © Garland Science 2008

Pro/Eukaryontní buňka organismy, jejichž buňky neobsahují jádro, jsou prokaryota (pro = před, karyon = jádro), dělí se na archebakterie a (eu)bakterie organismy s buňkami s jádrem a jinými organelami se nazývají eukaryota (eu = opravdový, skutečný)

Bakterie archebakterie, ačkoli žijí v extrémních prostředích (sopky, mořské hlubiny, žaludek krávy), jsou na molekulové úrovni blíže člověku než eubakterie bakterie jsou obvykle malé a dělí se přehrádečným dělením (za 11 hodin z 1 bakterie až 109 nových) živí se nejrůzněji: např. anaerobně heterotrofně (Vibrio cholerae), aerobně fototrofně (fotosyntéza – sinice), aerobně chemotrofně (Beggiatoa)

Vibrio cholerae sinice Anabaena cylindrica

Beggiatoa – bakterie žijící v sirném prostředí, kde oxiduje sirovodík na síru a získává tak energii pro fixování uhlíku i ve tmě (žluté kroužky jsou usazeniny produktu oxidace sirovodíku, tj. elementární síry)

Eukaryontní buňka

Původ mitochondrie/chloroplastu

buňka kvasinky (transmisní elektronová mikroskopie)

Struktura eukaryotní buňky jádro je informačním centrem buňky mitochondrie získávají energii z potravy chloroplasty zachycují energii ze slunečního záření další vnitrobuněčné oddíly (endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát, vakuoly…) cytosol je koncentrovaný vodný gel cytoskelet (kostra buňky) zodpovídá za buněčný pohyb Fagocytóza červené krvinky krvinkou bílou.

Velké jednobuněčné organismy Prvok Didinium a jeho „oběd“.

Diferenciace lidských buněk buňky se stejným genomem (v jednom lidském organismu) mohou diferenciovat do různých typů a mít různé funkce buňky epitelu (vnější a vnitřní povrchy těla) pojivová tkáň (fibroblasty, kosti, tukové buňky) nervová tkáň (neurony) krev (červené a bílé krvinky) zárodečné buňky (spermie a vajíčka) sval (buňky kosterního, hladkého a srdečního svalstva) smyslové buňky (vláskové buňky v uchu nebo tyčinky v oční sítnici)

Chemické složení buňky jak vyplynulo z minulé přednášky, buňky lze popsat velmi dobře pomocí chemického složení a chemických reakcí tzv. organických nebo lépe uhlíkatých látek (cukry, tuky, bílkoviny…) veškerý známý život má velmi podobný chemický základ, např. nukleové kyseliny (stejný genetický kód) a bílkoviny (střídání týchž 20-22 základních aminokyselin) všechny buňky se zřejmě vyvinuly ze „stejného předka“, který se objevil na planetě asi před 3-4 miliardami let v průběhu evoluce dochází na úrovni DNA ke změnám a pomocí selekce a přežití nejschopnějších dochází ke vzniku obrovské rozmanitosti biosféry

Biogenní prvky

Kovalentní a iontové vazby

cca 70% hmotnosti buňky je voda celý chemismus buňky lze zjednodušit do této věty: různé látky se chovají ve vodě různě rozpustnost (polární/hydrofilní a nepolární/hydrofobní) nekovalentní (slabé) interakce (van der Waalsovy síly, vodíkové můstky, hydrofobní síly, elektrostatické síly) pH (acidobazické páry, slabé zásady a kyseliny, pufry)

Iontové a polární látky se ve vodě rozpouštějí, protože k sobě přitahují molekuly vody a jsou jimi obklopeny. To vysvětluje, proč je iontová vazba – velmi silná ve vakuu – ve vodě natolik slabá (80 vs. 3 kcal/mol).

Klíčový význam nekovalentních interakcí Kovalentní vazby spojují atomy jeden vedle druhého, jak se ale makromolekula (nukleová kyselina, protein, polysacharid) uspořádá v prostoru, o tom rozhodují nekovalentní (slabé) interakce mezi atomy z různých částí makromolekuly a mezi atomy makromolekuly a atomy rozpouštědla (vody).

Van der Waalsovy síly Také atomy bez chemické vazby a polární/elektrické přitažlivosti mají mezi sebou optimální vzdálenost, v níž je energie systému nejnižší. Ke změně této vzdálenosti je třeba na atomy působit silou, která překoná „touhu“ (tzv. van der Waalsovu sílu) obou atomů zůstat v optimální pozici. Jedná se o síly velmi slabé, ale citelné a účinné.

Vodíkové můstky Parciální kladný náboj na H vázaném na elektronegativní prvek může být přitahován záporným nábojem z jiné molekuly (např. vody) či z jiné části makromolekuly.

Vodíkové můstky určují prostorovou strukturu např Vodíkové můstky určují prostorovou strukturu např. peptidů nebo nukleových kyselin. Vodíkové můstky mezi atomy A a B musí ovšem vždy čelit soutěži s molekulami vody, jež mohou tvořit vodíkové můstky s A i s B.

Elektrostatické síly Kromě H-můstků, které jsou založeny na přitažlivosti parciálního kladného náboje na vodíku a záporných nábojů okolo, existují i jiné přitažlivé síly mezi kladnými a zápornými náboji na různých atomech, jež se obecně nazývají elektrostatické (název „iontové“ je spíše matoucí). Tyto síly stejně jako ostatní nekovalentní interakce hrají klíčovou roli v buněčné chemii, např. mohou umožňovat vazbu substrátu do aktivního místa enzymu.

Hydrofobní síly Dvě hydrofobní molekuly se „cítí lépe“ v hydrofobním prostředí než v polární vodě, a proto když se potkají, vytvoří spolu hydrofobní „oázu“ uprostřed „pouště“ vodného prostředí. Tuto sílu můžeme najít např. v lipofilním nitru biologických membrán.

Hlavní uhlíkaté molekuly v buňce sacharidy (glukóza, ribóza) → disacharidy (sacharóza) → polysacharidy (glykogen, škrob, celulóza); sacharidy představují především zdroj energie mastné kyseliny (kyselina palmitová, olejová…) → triacylglyceroly (tuky, zásoba energie) a fosfolipidy (fosfatidylcholin, lecithin, buněčné membrány) L-aminokyseliny → 20-22 základních aminokyselin tvoří pomocí peptidových vazeb bílkoviny (proteiny) nukleotidy (báze + cukr + fosfát) jsou součástí ATP nebo koenzymu A nebo tvoří makromolekuly, zvané nukleové kyseliny (kódují genetickou informaci)