Biochemie – úvod a opakování

Prezentace na téma: "Biochemie – úvod a opakování"— Transkript prezentace:

1 Biochemie – úvod a opakování
Josef Trögl

2 Organizace výuky doc. Ing. Josef Trögl, Ph.D.
místnost KV-513 tel RNDr. Thu Huong Nguyen Thi, Ph.D. místnost CN-232 tel 2

3 Studijní materiály E-learningový kurz v Moodle 3

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

5 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

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

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

8 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

9 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…

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

18 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

19 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

20 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

21 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

22 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

23 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 (~ bp) Obvykle bez plasmidů Prokaryotické Nerozdělený vnitřní prostor buňky Bez organel Neoddělené jádro Menší (jednotky mm) Obvykle jeden chromozóm (molekula DNA) Menší genetická informace (~ bp) Časté plasmidy

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

25

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 Hypotonické prostředí

32 Hypotonické prostředí
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

33 Hypotonické prostředí

34 Hypertonické prostředí

35 Hypertonické prostředí
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

36 Hypertonické prostředí

37 Hypotonické prostředí

38 Hypotonické prostředí
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

39 Hypotonické prostředí

40 Hypertonické prostředí

41 Hypertonické prostředí
H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

42 Hypertonické prostředí

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

44 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)

45 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.

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

47 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

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

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

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

51 Prokaryotické buňky

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

53 Pseudomonas fluorescens
2 m m 0,5 m m

54 Bičík

55 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

56 Slizový obal

57 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

58 Nukleoid

59 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

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

61 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

62 Buněčná stěna

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

64 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

65

66 Cytoplasma

67 Jádro

68 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

69 Spiralizované chromozómy
chromatidy centromera

70 Lidské chromozómy (páry)

71 Mitochondrie

72 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)

73

74 Vnější membrána

75 Vnitřní membrána

76 Kristy

77 Matrix

78 Endoplasmatické retikulum

79 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

80 Golgiho komplex

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

82 Ribozómy

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

84 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

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

86 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

87 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

88 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

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

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

91 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

92 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