Biologie buňky. proteiny, nukleové kyseliny, procesy genom, architekura,funkce, mitoza, buněčná smrt, kmenové buňky, diferenciace

Transkript

1 Biologie buňky Molecules of life Struktura buňky, Buněčný cyklus proteiny, nukleové kyseliny, procesy genom, architekura,funkce, mitoza, buněčná smrt, kmenové buňky, diferenciace Buněčná membrána mezibuněčné interakce Biologie tkání In- vitro In-vivo Speciální aplikace Struktura, fce extracelulární matrix krev Principy laboratorních metod Principy laboratorních metod Krev, cévní náhrady, interakce buněk s materiály

2 Doporučená literatura Alberts B. and coll., 2003, Essential cell biology, New York and London, Garland Science

3 Robert Hook (korek, cellulae = buňka) Cytologie - věda zabývající se studiem buňek Buňka ozákladní funkční a stavební jednotka živých organismů onejmenší známý uspořádaný dynamický otevřený systém schopný udržovat se a rozmnožovat ovelká rozmanitost (tvar, velikost, fce) opro všechny buňky platí: Jsou ohraničené cytoplasmatickou membránou Jde o samostatnou jednotku z hlediska genetické informace a produkce/spotřeby energie

4 3 hlavní skupiny (buňečných) organizmů oeukarya (eukaryota) obacteria (eubakteria, prokarya) oarchea (archebakteria) Figure 1-21, 22 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008)

5 Universal features o Dědičná informace chemický kód - DNA o Přepis genetické informace replikace o Přepis částí DNA do mediátoru RNA, transkripce o Proteiny katalýza procesů v buňce o Synteza proteinů translace RNA o Protein fragment DNA (GEN) o Potřeba Energie o Základní stavební jednotky cukry, nukleotidy, AA, lipidy o CM diversity o Horizontální přenos genetické informace, mutace, konzervativní a variabilní úseky DNA o Biochemická diversita o Zdroje energie, uhlíku (živin)

6 Nové geny vznikají z již existujících genů

7 Figure 1-37 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008)

8 Molekuly v živých systémech - polymery

9 Funkční úloha bílkovin 1. Funkce dynamická transport kontrola metabolismu interakce (komunikace, kontrakce) katalýza chemických přeměn 2. Funkce strukturální architektura orgánů a tkání podpůrné funkce

10 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura oprimární struktura (aminokyseliny, peptidová vazba) osekundární struktura (nevazebné interakce, sekundární struktury) oterciární str. (folding) okavarterní str.

11 AMINOKYSELINY Kódované aminokyseliny (20): -aminokyseliny (kromě prolinu NH 2 skupina zabudována do cyklu) Amfionty obojetné ionty Postranní řetězce - vlastnosti AA skupiny AA (nepolární, polární polární nabitý)

12 Hydrofobní aminokyseliny

13 Polární aminokyseliny

14 Kyselé aminokyseliny

15 Bazické aminokyseliny

16 Figure 3-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

17

18 Stereochemie aminokyselin Chirální molekuly existují ve dvou formách

19

20 Esenciální aminokyseliny přísun z potravy člověk není schopen syntetisovat jejich uhlíkovou kostru Arginin* Histidin* Isoleucin Leucin Valin Lysin Methionin Threonin Phenylalanin Tryptophan * Esenciální pouze u dětí, ne u dospělých

21 Chemická povaha bílkovin Biopolymery Stavební (strukturní) jednotky: aminokyseliny Peptidová vazba Makromolekuly o molekulové hmotnosti > Typický protein má aminokyselin (protein titin z kosterního a srdečního svalu má AK v jednom polypeptidovém řetězci) Primární struktura je zapsána v DNA (gen) Bílkoviny jeví druhovou specifitu (sekvenční homologie). Zákon isopolárních záměn. Polymorfismus bílkovin ("isobílkoviny").

22 Peptidová vazba

23 Primární struktura lineární pořadí aminokyselin N-terminální část je nalevo (volná a-aminoskupina posledního levého amino-kyselinového zbytku). C-terminální část je napravo (volná a-karboxylová skupina posledního pravého aminokyselinového zbytku).

24 Kovalentní struktura bílkovin (primární struktura + posttranslační modifikace) 1. Propojení řetězců kovalentními vazbami 2. Odštěpení částí řetězců 3. Úpravy postranních řetězců aminokyselin 4. Připojení mastných kyselin 5. Glykosylace 6. Fosforylace (dočasné či trvalé) 7. Připojení dalších prosthetických skupin (kofaktory enzymů...) 8. Metaloproteiny (koordinační kovalentní vazby různé síly)

25 >gi ref ZP_ putative Cerebroside-sulfatase [Escherichia coli TA143] MQKTLMASLIGLAVCTGNAFNPVVAAETKQPNLVIIMADDLGYGDLATYGHQIVKTPNIDRLAQEGVKFTDYYAPAPLSSPSRAG LLTGRMPFRTGIRSWIPTGKDVALGRNELTIANLLKAQGYDTAMMGKLHLNAGGDRTDQPQAKDMGFDYSLVNTAGFVTDATLD NAKERPRFGMVYPTGWLRNGQPTPRSDKMSGEYVSSEVVNWLDNKKDSKPFFLYVAFTEVHSPLASPKKYLDMYSQYMSDYQ KQHPDLFYGDWADKPWRGTGEYYANISYLDAQVGKVLDKIKAMGEEDNTIVIFTSDNGPVTREARKVYELNLAGETDGLRGRK DNLWEGGIRVPAIIKYGKHLPKGMVSDTPVYGLDWMPTLANMMNFKLPTDRTFDGESLVPVLENKALKREKPLIFGIDMPFQDD PTDEWAIRDGDWKMIIDRNNKPKYLYNLKTDRFETINQIGKNPDIEKQMYGKFLKYKADIDNDSLMKARGDK PEAVTWG

26 Z primární struktury proteinů lze odvodit: strukturu proteinu mechanismus působení na molekulární úrovni vzájemné vztahy k jiným proteinům v evoluci studium modifikací proteinu

27 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura Sekundární struktura Prostorové uspořádání polypeptidového řetězce (závisí na aminokyselinovém složení) otáčení peptidových vazeb kolem a-uhlíků atomy peptidové vazby se účastní na vzniku vodíkových vazeb -postranní řetězce aminokyselin R se vazeb neúčastní

29 Sekundární struktura Peptidová vazba: rigidní a planární

30

31 Ramachandran Plot

32

33 Pravotočivá šroubovice, stabilizovaná vodíkovými vazbami 3,6 aminokyselinových zbytků na jednu otáčku, R aminokyselin jsou orientovány ven. Všechny C=O a N-H skupiny peptidových vazeb jsou uloženy rovnoběžně s podélnou osou a-helixu. C=O skupina vázána vodíkovou vazbou ke čtvrté N-H skupině Helikální struktura - převážně vláknité bílkoviny (keratiny), svalové proteiny aj.

34

35 Β-struktura (struktura skládaného listu) Segmenty natažených polypeptidových řetězců. Dva segmenty (polypeptidové řetězce) jsou stabilizovány vodíkovými vazbami mezi C=O a N-H skupinami dvou sousedních peptidových vazeb. Sousední polypeptidové řetězce uloženy antiparalelně nebo paralelně. Velký počet vodíkových vazeb udržuje strukturu v nataženém stavu

36

37 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura terciární struktura Trojrozměrné uspořádání polypeptidových jednotek (doklubka nebo vlákna) Vzájemná interakce postranních řetězců aminokyselin.

38 Typy nekovalentních interakcí uplatňujících se v živých systémech

39 Hydrofobní interakce

40 Terciární uspořádání bílkoviny do domén Každá doména má svou funkci (enzymy a katalytické centrum, otáčky transmembránových bílkovin plasmatickou membránou) důležitá pro funkci bílkoviny denaturace vede ke ztrátě funkce

41

42

43 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura Kvarterní struktura Komplex dvou a více polypeptidových řetězců jsou dohromady spojeny nekovalentními vazbami

45 Svinování (folding) - neprobíhá náhodným způsobem - probíhá postupně a) malé dočasné periodické struktury b) supersekundární struktury c) strukturní domény a "roztavená" glubule d) závěrečné úpravy za účasti enzymů - Potřebují bílkoviny ke svinování pomocníky?

46 Vznik nativní struktury biopolymeru nejedná se o náhodný proces Levinthalův paradox řetězec 100 AMK se sbalí za cca 5s pokud by byly náhodně zkoušeny všechny možné konformace rychlostí trvalo by nalezení správné konformace s, stáří vesmíru je jen s...nicméně přesný model sbalování není znám... - energetická bilance procesu

48 Denaturace a opětovné složení Denaturace je ztráta trojrozměrné struktury. Bílkovina ztrácí svoji funkci. Denaturace teplem zcela ruší slabé interakce (primárně narušuje vodíkové vazby). Krajní hodnoty ph mění celkový povrchový náboj, vznikají odpudivé elektrostatické síly a zanikají některé vodíkové vazby. Organická rozpouštědla a detergenty ruší hydrofóbní interakce Renaturace opětovné získání původní přirozené struktury.

49 Ligandové interakce Figure 3-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Enzym-substrát Protilátka-antigen Receptor-signál

50 Figure 3-37b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

51 Dělení bílkovin podle jejich funkce stavební a podpůrné kolageny, elastin, keratiny (fibrilární) bílkoviny cytoskeletu (tubulin, vimentin, též pohyb) nukleoproteiny (histony, ribosomální bílkoviny) transportní a skladovací hemoglobin a myoglobin (O 2 ) transferrin a ferritin (Fe) sérový albumin (mast. kyseliny, bilirubin, hem...) apolipoproteiny (lipidy, cholesterol) cytochrom c (elektrony) bílkoviny zajišťující membránový transport pohyb aktin a myosin (+další) ochranné a obranné imunoglobuliny fibrinogen regulační hormony receptory (membránové a intracelulární) regulační bílkoviny proteosynthesy katalytická enzymy

52 Typy bílkovin Globulární bílkoviny Sféroidní tvar Variabilní molekulová váha Relativně vysoká rozpustnost Různé funkce katalytické, transportní, regulační (metabolismus, genové exprese) Fibrilární bílkoviny Tyčinkovitý tvar Malá rozpustnost Strukturální funkce v organismu Lipoproteiny (Komplexy protein + lipid) Glykoproteiny (Proteiny s kovalentně vázanými cukry)

53 STRUKTURÁLNĚ-FUNKČNÍ VZTAHY

54 Hemoglobin a myoglobin Lidský hemoglobin má několik forem. Složen ze dvou a a dvou b podjednotek, které se liší primární strukturou. Váže čtyři molekuly kyslíku, přenáší kyslík krví z plic do tkání a buněk.

55 Hemoglobin a myoglobin Myoglobin má jeden polypeptidový řetězec, váže jednu molekulu kyslíku. Váže a uvolňuje kyslík v cytoplasmě svalových buněk. Hemoglobin a myoglobin obsahují prostetickou skupinu hem.

56 Protilátky Molekula imunoglobulinu je tetramer dva řetězce těžké H dva řetězce lehké L Třídy imunoglobulinů: IgG IgM IgA IgD IgE

57 Kontraktilní svalové bílkoviny tlustá filamenta myosin tenká filamenta aktin, tropomyosin, troponin G-aktin globulární protein, F-aktin fibrilární protein jednou z důležitých biologických vlastností myosinu je schopnost spojovat se s aktinem za vzniku svalové kontrakce

58 Membránové bílkoviny Integrální membránové proteiny Periferní membránové proteiny Kanály a póry Membrána erytrocytu a-podjednotka napěťově řízeného sodíkového kanálu

59 Enzymy biokatalyzátory každá (metabolická) reakce má svůj enzym Ligand - substrát