BIOCHEMIE. František Vácha.

Transkript

1 BIOCHEMIE František Vácha

2 Doporučená literatura: D.L. Nelson, M.M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry D.J. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt Principles of Biochemistry L. Stryer Biochemistry

3

4 Základní otázky biochemických oborů 1. Jaké jsou chemické vlastnosti a struktura biologických látek 2. Jak mezi sebou tyto biologické látky interagují 3. Jak buňky syntetizují a jak odbourávaní biologické látky 4. Jak je organismy získávána, přeměňována a uchovávána energie potřebná k životu 5. Jaké jsou mechanismy organizace a vzájemné interakce biologických látek Studium biochemie odkrývá principy fungování živých organismů

5 Základní principy a stavba buňky

6 B, F, Al, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Mo, Cd, I, W

7 Základem živých organismů jsou různě velké a složité molekuly tvořené jednoduchými anorganickými molekulami

8

9 Molekulární složení buňky Escherichia coli

10

11

12 Kombinace různých funkčních skupin v jedné biologické makromolekule přináší větší chemickou variabilitu takové molekuly Interakce různých makromolekul s komplementárním uspořádáním funkčních skupin přináší další funkční variabilitu do biologických struktur

13

14 1. Kde se vzal základní materiál pro tvorbu prvních živých struktur? Předpokládá se, že veškeré stavební kameny potřebné pro vznik života, kterými byly různé prvky a molekuly, byly na zemi přítomné. 2. Jak se tyto látky ocitly na zemi? S.Miller- H.Urey experimenty ve 40-tých a 50-tých letech minulého století, elektrický výboj v přítomnosti vody, methanu, vodíku a čpavku Organická polévka A. Oparina a J.B.S. Haldaneho.

15

16 1. Kde se vzal základní material pro tvorbu prvních živých struktur? The early earth is presumed to have provided all of the elements and chemicals needed for life to begin. 2. Jak se tyto látky ocitly na zemi? S.Miller- H.Urey experimenty ve 40-ých a 50-yých letech minulého století, elektrický výboj v přítomnosti vody, methanu, vodíku a čpavku Organická polévka A. Oparina a J.B.S. Haldaneho. 3. Jak vznikly biologické polymery? Polymerizace na jílech, reakce ve vodě rozpuštěných organických sloučenin v blízkosti vulkanické podmořské činnosti, světlem indukovaná fotopolymerizace. 4. Jak se formovaly izolované buňky? Vytváření uzavřených a membránou ohraničených struktur bylo podmínkou vzniku prvních buněk. Molekuly lipidů tvoří ve vodním prostředí samovolně membránové vesikuly, liposomy. 5. Jak probíhaly první formy reprodukce? RNA svět.

17 ~ 3.4 billion year old fossil filamentous bacterial cell from Western Australia

18 Kompartmentace Výhody kompartmentace: Ochrana od okolí Zajištění rozdílných lokalních koncentrací proti difuzi, reaktivita, zásoba látek Oddělení protichůdných reakcí Kontrola transportu Signalizace

19 Buňka Dva typy buněk/organismů Prokaryota Eukaryota (pro before; eu good or true; karyon kernel or nut) Žádné jádro cirkulární DNA Bez organel DNA v jádře organely

20 Prokaryotes

21 Prokaryotes

22

23

24 Vznik organel Endosymbiotická teorie Mitochondrie a chloroplasty vznikly z volně žijících bakterií, které byly pohlceny jiným organismem

25 Vaucheria litorea green alga Elysia chlorotica sea slug

26 Termodynamika v biochemii

27 Spontánnost biochemických reací Gibbsova volná energie ΔG = ΔH TΔS ΔG = ΔG o + RT lnk ΔG o = RT lnk eq ΔH Enthalpie teplo za konstantního tlaku (exotermické, endotermické) T teplota v Kelvinech S Entropie R plynová konstanta K reakčni kvocient K eq rovnovážná konstanta G o Standardni volná energie

28 ΔG < 0 ΔG = 0 ΔG > 0 Spontánní přímá reakce Rovnováha Není spontánní opačná reakce

29 Za biochemických standardních podmínek (1M, ph 7, 298 K, kpa) je možné změnu volné energie vyjádřit pomocí rovnovážné konstanty

30 Rovnovážná konstanta určuje směr chemické reakce

31 Skutečná změna volné energie závisí na aktuální koncentraci reaktantů a produktů Rovnovážná konstanta za standardních podmínek (K eq ) výchozí koncentrace složek reakce jsou 1M To ale není případ látek v živém organismu Právě různá koncentrace metabolitů určuje výsledný směr reakce

32 Lidské erythrocyty ATP = ADP + P i ATP = 2.25 mm ADP = 0.25 mm P i = 1.65 mm T = 37 o C (310 K) DG o = kj/mol DG = - 52 kj/mol

33 Standardní změny volné energie některých biochemických reakcí

34 Vysoká záporná hodnota ΔG nezaručuje to, že reakce proběhne měřitelnou rychlostí Rychost reakce závisí na detailním mechanismu reakce a ne na velikosti ΔG Takřka všechny látky v organismu spolu mohou nějakým způsobem reagovat a mnoho takových reakcí je i termodynamicky výhodných Organismus však může regulovat rychlosti reakcí pomocí úpravy reakčních mechanismů K tomu dochází za pomoci enzymové katalýzy

35 K životu je potřeba energie Živý organismus je tvořen uspořádanými komplexními strukturami Vybudování takových struktur je možné jen za použití energie (snížení entropie systému) Základním zdrojem energie na zemi je slunce

36 Klasifikace organismů podle zdroje energie a podle zdroje uhlíku

37 Zákony termodynamiky aplikované na živé organismy Energie se nedá vytvořit z ničeho ani se nedá na nic přeměnit Organismy mohou pouze přetvářet energii z jedné formy na druhou a obráceně

38 Anorganické látky tvoří komplexní biologické molekuly Kompartmentace a její zásadní úloha a podmínka pro život Rozdíl mezi prokaryoty a eukaryoty Organely a jejich vznik Co musím znát Archaea, Bacteria and Eukaryotes Volná energie, rovnovážná konstanta, spontánnost reakce Zdroj energie v různých typech organismů

39 Voda a nevazebné interakce

40 Biochemické reakce v organismech probíhají převážně ve vodním prostředí Biologické molekuly tak získávají svůj tvar a funkční vlastnosti právě na základě interakce s vodou I sama voda se v mnoha případech účastní biochemických reakcí Unikátní fyzikální a chemické vlastnosti vody zajišťují podmínky pro vznik a existenci života na zemi ~ 70 % hmotnosti člověka je tvořeno vodou

41 Dva atomy vodíku vázané na atom kyslíku v sp 3 hybridizaci Dva rohy čtyřstěnu jsou obsazeny vodíkem dva nevazebnými elektronovými páry

42 Vodíkový můstek klíčová vlastnost vody v biologii Polární molekula: e na kyslíku a e na každém vodíku Vodíková vazba ve vodě ~ 1.9 Å Energie vazby ~ 20 kj. mol -1

43 F H.. :F O H.. :N O H.. :O N H.. :N N H.. :O 155 kj/mol 1.13 Å 29 kj/mol 2.88 Å 21 kj/mol 2.70 Å 13 kj/mol 2.93 Å 8 kj/mol 3.04 Å

44 Vodíkové vazby různých funkčních skupin

45 Voda v pevném skupenství V ledu každá molekula vody může interagovat se čtyřmi dalšími molekulami vody Hustota ledu je nižší než vody (0.92 ve srovnání 1.00 g. ml -1 ) Led plave na vodě a tím mohou organismy přežít ve vodě pod ledem Krystaly ledu narušují buněčné struktury a tím způsobují buněčnou smrt Vysoké latentní teplo vody (334 J. g -1 ) chrání organismy před zmrznutím

46 Voda jako kapalina Pouze asi ~ 85 % vodíkových vazeb ve srovnání s ledem Reorientace jednou za s H-vazby tvoří nerovnoměrnou sít vázaných molekul Vysoká specifická tepelná kapacita vody chrání organismy před přehřátím (75 J. mol -1. K -1 )

47 Nekovalentní vazby slabé vazebné interakce jsou základními vazbami v biologických molekulách Prakticky celý život závisí na slabých nevazebných interakcích

48

49

50 Co musím znát Voda jako základní prostředí živých organismů Vodíková vazba Nevazebné interakce