Biochemie – úvod a opakování Josef Trögl

Organizace výuky doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D. místnost KV-513 tel. 475 284 153 josef.trogl@ujep.cz RNDr. Thu Huong Nguyen Thi, Ph.D. místnost CN-232 tel. 475 283 384 Thu-Huong.Nguyen-Thi@ujep.cz 2

Studijní materiály E-learningový kurz v Moodle http://moodle.fzp.ujep.cz/course/view.php?id=61 3

Organizace výuky Přednášky a cvičení – 3 hodiny týdně Přednášky – teorie Cvičení – praktické procvičování (výpočty, řešení biochemických úloh, struktury biochemických látek apod.) 4

Organizace výuky Zakončeno zápočtem (OH) resp. zp+zk (ACHŽPT) na zápočet 2 testy (psáno současně) z obou částí v posl. týdnu semestru KS – 1 test ve zkouškovém období celkem 100 bodů, nutno získat 60 (z každého 30) opravy ze zk. období 5

Organizace výuky Nepodcenit!!! Znalosti 1BICH budou potřebné při zkoušce 1BIOT (Biotechnologie) – součást některých zkouškových otázek!!! 6

Živé systémy Charakteristika živých systémů uspořádanost, organizovanost rozmnožování metabolismus dědičnost časově omezená existence aktivní vztah k okolí – výměna látek a energie 7

Chemické složení živé hmoty Voda = základ všech organismů až 90% hmotnosti těla Minerální látky – osmotická hladina obvykle disociované vazba kationtů na bílkoviny Organické látky – mnoho různých sacharidy (cukry) lipidy (tuky) aminokyseliny – cca 200 bílkoviny – složeny z dvaceti druhů aminokyselin

hydroxyaldehydy a hydroxyketony Sacharidy hydroxyaldehydy a hydroxyketony monosacharidy – základní stavební jednotky – 3-7 atomů uhlíku glukóza, fruktóza, galaktóza…… disacharidy – 2 jednotky sacharóza, maltóza, laktóza… oligosacharidy – několik jednotek polysacharidy – mnoho jednotek (tisíce) celulóza, škrob, chitin…

Látky obsahující kyselou karboxylovou skupinu a zásaditou aminoskupinu Aminokyseliny Látky obsahující kyselou karboxylovou skupinu a zásaditou aminoskupinu postranní řetězce různé popsány stovky biologických aminokyselin jen 20 tvoří základní strukturu bílkovin – kódované aminokyseliny (jejich pořadí je zakódováno v DNA) H 2 N C 3 O

Biopolymery složené z aminokyselin a nebílkovinných součástí Bílkoviny Biopolymery složené z aminokyselin a nebílkovinných součástí Rozmanité struktury a funkce stavební, katalytická, obranná… Primární struktura většiny bílkovin je zakódována v DNA Aminokyseliny jsou spojené peptidovou vazbou – peptidy peptidy jsou základem bílkovin

Bílkoviny Primární struktura – pořadí aminokyselin Sekundární struktura – uspořádání části peptidu do pravidelného motivu Terciární struktura – prostorové uspořádání peptidu Kvartérní struktura – spojení více peptidů do jednoho funkčního celku

Látky obvykle málo rozpustné ve vodě Mnoho různých chemických struktur Lipidy Látky obvykle málo rozpustné ve vodě Mnoho různých chemických struktur acylglyceroly, vosky, sfingomyeliny… Acylglyceroly = glycerol + mastné kyseliny H 2 C O

Buňky Buňka = základní jednotka živé hmoty nezávislá životaschopnost = jedna buňka může tvořit celý organismus organizovanost = buňka vykazuje a udržuje uspořádaný stav dědičnost = nese informaci o své struktuře a může ji předat potomkům rozmnožování = zachování života metabolismus = biochemické reakce k udržení životních funkcí otevřený systém = buňka si s okolím vyměňuje látky a energii

Obecná charakteristika buněk Všechny živé buňky vykazují společné vlastnosti od okolí ohraničené cytoplazmatickou membránou většina buněk je navíc chráněná pevnou buněčnou stěnou genetická informace je uložena v DNA biochemické reakce jsou katalyzované enzymy (bílkovinné katalyzátory) buňka si udržuje přibližně stálé vnitřní prostředí

Dosud všechny známé živé buňky lze zařadit do dvou základních skupin Rozdělení buněk Dosud všechny známé živé buňky lze zařadit do dvou základních skupin prokaryotické eukaryotické

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Eukaryotické Prokaryotické Buňky Eukaryotické Vnitřní prostor buňky rozdělený membránami Různé organely Jádro oddělené membránou Větší (desítky mm až mm) Obvykle několik chromozómů (až desítky) Větší genetická informace (~108-1010 bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~106-107 bp) Časté plasmidy

Cytoplazmatická membrána Zajišťuje oddělení vnitřního prostoru od vnějšího Často zprohýbaná Polopropustná Fosfolipidová dvojvrstva Fluidně mozaikový model Součástí bílkoviny (až 70%)

R1, R2 – zbytky mastných kyselin X – hydrofilní skupina Fosfolipidy C R 1 O 2 O C H 2 O C H O H C O P O X 2 O R1, R2 – zbytky mastných kyselin X – hydrofilní skupina

Lipidy, mající jednu mastnou kyselinu nahrazenou fosfátem Fosfolipidy Lipidy, mající jednu mastnou kyselinu nahrazenou fosfátem Na fosfátu bývá navázána hydrofilní skupina (cholin, serin…) Fosfolipidy jsou povrchově aktivní látky (tenzidy) část molekuly je hydrofilní (fosfát) část je lipofilní (zbytky mastných kyselin) ve vodném prostředí mají tendenci sdružovat se lipofilními konci a tvořit dvojvrstvu

Propustnost membrán Propustnost závisí na hustotě Hustotu zvyšují nasycené mastné kyseliny (těsnější uspořádání) steroly (cholesterol, ergosterol…) – jen u některých skupin organismů – výplň mezer Přes membránu mohou projít jen malé molekuly bez náboje, lipofilní a ploché molekuly snadněji Pro ostatní látky má buňka specializované bílkovinné přenašeče

Z pevného materiálu, obvykle sacharidu Buněčná stěna Z pevného materiálu, obvykle sacharidu Bakterie, Archea – peptidoglykan Rostliny – celulóza Houby – chitin Živočichové – bez stěny Dává buňce tvar Ochrana před osmotickým šokem, ale jen do určité míry Buňka s odstraněnou stěnou = protoplast

Osmóza Zapříčiněná polopropustností biologických membrán Přes membránu projde voda a malé molekuly bez náboje Ostatní látky neprojdou Snaha dosáhnout rovnováhy = stejné koncentrace látek uvnitř a vně buňky Odlišná koncentrace látek se vyrovnává přesunem vody

Hypotonické prostředí

Hypotonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypotonické prostředí

Hypertonické prostředí

Hypertonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypertonické prostředí

Hypotonické prostředí

Hypotonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypotonické prostředí

Hypertonické prostředí

Hypertonické prostředí H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Hypertonické prostředí

Cytoplasma Polotekutá výplň buňky Bílkoviny, lipidy, sacharidy, minerály, voda, meziprodukty metabolismu… Lokálně uspořádaná

Genetická informace buněk je uložena v DNA 1 molekula DNA = chromozóm V buňce může být více chromozómů bakterie a archea = obvykle jeden chromozóm eukarya = obvykle více chromozómů (i desítky)

Ploidie = počet kopií všech chromozómů Genetická informace Ploidie = počet kopií všech chromozómů haploidní buňka = 1 sada chromozómů diploidní buňka = 2 sady chromozómů (eukarya) Homologní chromozómy – tvoří pár geny pro stejnou věc na stejných místech různá konkrétní forma genu (alela) např. funkční a nefunkční gen, různá barva apod.

Další obecné součásti buněk Bílkoviny enzymy (katalýza biochemických reakcí) stavební funkce (cytoskelet = vnitřní podpora buňky) informační funkce (přenos signálů) obranná funkce (toxiny, protilátky…)

Další obecné součásti buněk Ribozómy – kuličky složené z bílkovin a RNA průměr cca 20 nm zajišťují syntézu polypeptidových řetězců množství kolísá podle potřeby buňky tvořit bílkoviny u prokaryot 102-104

Další obecné součásti buněk Inkluze – váčky obalené membránou Zásobní látky – polysacharidy, lipidy, polykyseliny… Nízkomolekulární látky meziprodukty metabolismu signální látky odpadní látky …

Strom života Rostliny Houby Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek Bacteria Archea Eukarya Rostliny Houby Živočichové

Složení mikrobiálních buněk !!! 3 základní domény života, ale jen 2 základní typy buněk !!! Doména Typ buňky Bacteria Prokaryotická Archea Eukarya Eukaryotická

Prokaryotické buňky

Velikost prokaryotických buněk Značná variabilita ve velikosti nejmenší bakterie 100-200 nm v průměru (Mycoplasma) průměr v řádu mm (0,5-2 x 1-10 mm) největší bakterie délka až 0,5 mm

Pseudomonas fluorescens 2 m m 0,5 m m

Bičík

Bičíky Orgány pohybu bakterií Bičík = flagelum (mn.č. flagela) spirálovité, otáčí se jako lodní šroub Bičík = flagelum (mn.č. flagela) Různý počet bičíků (0-1-desítky) Různá délka, až 20 mm (tj. cca 10x delší než buňka) Bílkovina flagelin – samouspořádání Ukotvené v cytoplazmatické membráně Nejsou viditelné ve světelném mikroskopu, jen v elektronovém

Slizový obal

Slizovitý obal Jen u některých bakterií Obvykle z polysacharidů nebo polypeptidů Dodatečná ochrana buňky proti vysušení proti chemickým látkám pojivo s prostředím popř. ostatními buňkami Pomáhá přijímat živiny

Nukleoid

Nukleoid Nepravé bakteriální „jádro“ Obvykle kruhová DNA malé množství bílkovin obal z polyaminů sperminu a spermidinu Vazba na cytoplasmatickou membránu Bakteriální DNA bývá cca 1000x delší než délka buňky – nutné efektivní smotání

Plazmidy Malé kruhové DNA Obvykle nezávislé na hlavním chromozómu Nejsou pro bakterii nezbytné Nesou geny pro doplňkové metabolické dráhy, rezistenci k antibiotikům apod.

Buněčné inkluze Malé kapénky látek obvykle viditelné ve viditelném mikroskopu po různém obarvení Některé volně v cytoplazmě, jiné obalené membránou Zásobní poly-b-hydroxymáselná kyselina (PHB) granulóza (polysacharid) glykogen zrníčka síry Barviva

Buněčná stěna

Buněčná stěna bakterií Základem tzv. peptidoglykan = murein Dvě základní součásti Polysacharid (N-acetylglukosamin, N-acetylmuramová kyselina) Peptidy – tri- až pentapeptidy - prokřižují sacharidy – pevnější struktura

Organely eukaryotické buňky Jádro – nese genetickou informaci Mitochondrie – buněčná energetika Endoplazmatické retikulum – syntéza polymerů Golgiho aparát (komplex) – kompletace a transport bílkovin Chloroplasty – fotosyntéza Vakuoly – zásobní a odpadní látky

Cytoplasma

Jádro

Ochrana genetické informace Jádro Nucleus Ochrana genetické informace Obalené dvěma membránami s póry pro průchod RNA chromatin = komplex sbalené DNA se specializovanými bílkovinami (histony) v klidovém stavu je chromatin rozptýlený při mitóze kondenzuje do viditelných spiralizovaných chromozómů

Spiralizované chromozómy chromatidy centromera

Lidské chromozómy (páry)

Mitochondrie

V buňce až několik tisíc mitochondrií Mitochondrie „Buněčná elektrárna“ buněčné dýchání, citrátový cyklus, oxidace mastných kyselin, produkce ATP V buňce až několik tisíc mitochondrií Vlastní DNA s neúplnou genetickou informací Rozmnožování dělením Obalená dvěma membránami vnější dost propustná vnitřní velmi nepropustná a hodně zprohýbaná (kristy) Matrix = vnitřní část mitochondrie velmi hustá, mnoho bílkovin (enzymů)

Vnější membrána

Vnitřní membrána

Kristy

Matrix

Endoplasmatické retikulum

Endoplasmatické retikulum Soustava membrán a bílkovin Často propojuje jádro a cytoplazmatickou membránu Produkce látek Drsné ER nese vázané ribozómy syntéza membránových bílkovin Hladké ER nenese ribozómy syntéza lipidů a glykogenu

Golgiho komplex

Golgiho komplex = Golgiho aparát Soustava membrán a membránových váčků Kompletace bílkovin Transport bílkovin na místo určení Výměna látek s ER pomocí membránových váčků

Ribozómy

Vakuoly Velké membránové vaky Zásobní funkce U prvoků i trávení, vylučování atd.

Bílkovinná kostra buňky Soustava vláken (filament) a trubiček (tubulů) Cytoskelet Bílkovinná kostra buňky Soustava vláken (filament) a trubiček (tubulů) Různé funkce opěrná transportní dělení jádra

Chloroplasty – rostlinná fotosyntéza Další organely Chloroplasty – rostlinná fotosyntéza mají také vlastní DNA a syntézu bílkovin rozmnožují se dělením Lysozómy – rozklad bílkovin a fagocytovaných částic

Vznik eukaryotických buněk Eukaryotické buňky jsou nejpokročilejší známé buňky Jen u domény Eukarya Základní znaky stejné jako u prokaryotických buněk  společný původ Společné i odlišné znaky s archeálními buňkami  společný vývoj, později oddělení Endosymbiotická teorie vzniku mitochondrií a chloroplastů

Endosymbiotická teorie Argumenty pro 2 membrány Vlastní DNA podobná prokaryotické Podobná proteosyntéza Porovnání sekvencí rRNA Argumenty proti Součástí organel jsou i bílkoviny kódované v jádře

Endosymbiotická teorie Mitochondrie a chloroplasty se vyvinuly pravděpodobně z bakterií po jejich pohlcení větší buňkou Možná několikrát nezávisle sinice  chloroplast proteobakterie  mitochondrie Druhotný přenos „hotových“ organel v pozdější fázi evoluce mezi eukaryotickými buňkami

Strom života Rostliny Houby Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek Bacteria Archea Eukarya Rostliny Houby Živočichové

Strom života Chloroplast Rostliny Houby Mitochondrie Archea Bacteria Živočichové Eukarya Společný předek

Chemické vazby silné a slabé Vazba – energeticky výhodnější stav – minimum energie Kovalentní – nejpevnější sdílení vazebných elektronů Iontová – vzájemné přitahování + a – (ionty) Slabé polární – částečné + a – v důsledku nerovnoměrného rozložení elektronů v molekule (rozdílná elektronegativita) Vodíková vazba – u vazeb O-H, N-H vysoká elektronegativita O, N vazba odhaleného jádra H na volné elektronové páry Londonovy disperzní síly – v důsledku oscilací (dipól) při větším přiblížení odpuzování 91

Chemické vazby silné a slabé p-p interakce – mezi aromatickými kruhy nad sebou Hydrofóbní interakce – kombinace hydrofobní látky se shlukují spíše navzájem (Van der Walsovy interakce) a polární také (polární interakce) než mezi sebou vzrůst entropie  vzájemně špatná mísitelnost 92