Obecná biologie - přednášky

Transkript

1 Obecná biologie - přednášky 1) Biogenní prvky H, C, N, O, P, S jsou základem látek nezbytných pro život H, C, O (N) jsou obsaženy v sacharidech H, C, O, (P) jsou obsaženy v lipidech H, C, N, O, S vytvářejí aminokyseliny H, C, N, O, P nukleotidy Sacharidy, lipidy, aminokyseliny a nukleotidy jsou základními stavebními jednotkami biomakromolekul (nadmolekulárních struktur) SACHARIDY Slouží jako zdroj energie pro okamžité využití (monosacharidy) zásoba energie (polysacharidy škrob, glykogen) stavební složka buněčných stěn (celulosa, chitin) Jednoduché Složené

2 Mono- (glukosa, fruktosa, galaktosa, ribosa, deoxyribosa) oligo- (sacharosa, laktosa) polysacharidy (glykogen, škrob, celulosa) Monosacharidy: pentosy (v řetězci 5 uhlíků) a hexosy (6 uhlíků) Oligosacharidy: (obrázky v presentaci) - Chemická struktura škrobu (zásobní polysacharid rostlinných buněk) a glykogenu (živočišné buňky) (obrázky v presentaci) - Chitin (součást buněčných stěn hub) a celulosa (rostlin) - Peptidoglykan součást bakteriálních stěn MASTNÉ KYSELINY - nasycené - nenasycené - Složka lipidů - Skládají se ze dvou odlišných částí o Dlouhý uhlovodíkový řetězec obsahující pouze nepolární C-H vazby o Karboxylovou skupinu COO - - Lipidy o o o o Důležitá zásoba energie Hlavní složka buněčných membrán Hrají důležitou roli v buněčné signalizaci (steroidní hormony, molekuly lipidů přenášející signál z receptoru v buněčné membráně k cílové molekule uvnitř buňky) Tři hlavní skupiny lipidů:

3 o Lipidy = mastné kyseliny + glycerol (obrázky v presentaci) - Mastné kyseliny spolu s glycerolem vytvářejí triacylglyceroly (tuky) o o o Jsou nerozpustné ve vodě Akumulují se ve formě tukových kapének v cytoplasmě V případě potřeby jsou využívány jako zdroj energie - V molekulách tuků je v hmotnostní jednotce uloženo více než dvojnásobné množství energie v porovnání se sacharidy. - Tuky tedy dovolují uložení stejného množství energie jako sacharidy v méně než polovině váhy, což je důležité zejména pro živočichy vzhledem k jejich mobilitě. a. Fosfolipidy - Hlavní komponenty buněčných membrán o Fosfatidylová kyselina o Fosfatidyletanolamin o Fosfatidylcholin o Fosfatidylserin o Fosfatidylinositol o Sfingomyelin - Na glycerolové OH skupiny jsou esterovou vazbou navázány dvě molekuly vyšších mastných kyselin - Na třetí OH skupinu je navázán zbytek kyseliny fosforečné - Sfingomyelin je jediný fosfolipid v membránách, který neobsahuje glycerol v jeho molekule jsou dva uhlovodíkové řetězce spojené s polární fosfátovou skupinou serinem místo glycerolu b. Cholesterol + steroidy - Cholesterol je součástí buněčných membrán - Steroidní hormony jsou deriváty cholesterolu - Lipidy slouží jako signální molekuly uvnitř buněk (steroidy, fosfolipidy) i mezi buňkami (steroidy) - Lipidy vytvářejí membrány buněk a buněčných organel. - Hlavní lipidovou složkou biomembrám jsou fosfolipidy - Kromě nich se tvorby mnoha membrán účastní také glykolipidy a cholesterol

4 AMINOKYSELINY základní stavební jednotky peptidů a proteinů - Základní stavební jednotkou jsou a-aminokyseliny (L-) a-uhlík, váže aminoskupinu NH 2, karboxylovou skupinu COOH, vodík a postranní řetězec R kromě glycinu jsou a-uhlíky aminokyselin opticky aktivní - 22 aminokyselin využívaných při syntéze proteinů translací 1. aminokyseliny s nepolárním zbytkem glycin, alanin, valin, leucin, isoleucin, fenylalanin, tryptofan, metionin, prolin 2. aminokyseliny s polárním zbytkem tyrozin, asparagin, glutamin, serin, treonin, cystein 3. aminokyseliny s kyselým zbytkem kyselina asparagová, kys. glutamová 4. kyseliny se zásaditým zbytkem histidin, arginin, lyzin selenocystein, pyrrolyzin - Aminokyseliny s kyselým zbytkem kyselina asparagová, kys. Glutamová - Aminokyseliny se zásaditým zbytkem histidin, arginin, lyzin

5 - Aminokyseliny s polárním zbytkem tyrozin, asparagin, glutamin, serin, treonin, cystein - Aminokyseliny s nepolárním zbytkem glycin, alanin, valin, leucin, isoleucin, fenylalanin, tryptofan, metionin, prolin

6 BÁZE, NUKLEOSIDY, NUKLEOTIDY Stavební složky nukleových kyselin báze adenin (A), guanin (G), cytozin (C), thymin (T) u DNA adenin (A), guanin (G), cytozin (C), uracil (U) u RNA cukerná složka deoxyribosa u DNA (2-deoxy-b-D-ribosa) ribosa u RNA (b-d-ribosa) kyselina trihydrogenfosforečná cukerná složka spolu s kyselinou fosforečnou tvoří páteř řetězce nukleových kyselin, na (deoxy)ribosu je N-glykosidickou vazbou navázána báze Stavební složky nukleových kyselin báze DNA: RNA: adenin (A) guanin (G) cytozin (C) thymin (T) adenin (A) guanin (G) cytozin (C) uracil (U)

7 PURINOVÉ BÁZE PYRIMIDINOVÉ BÁZE Ribosa - cukerná složka ribonukleových kyselin

8 Deoxyribosa - cukerná složka deoxyribonukleových kyselin Deoxyribonukleosid Obecný vzorec ribonukleotidu

9 Ribonukleotidy Obecný vzorec deoxyribonukleotidu Deoxyribonukleotidy

10 Vzorce NTP, dntp a ddntp Rozdělení organismů podle zdrojů získávání: Uhlíku Energie Autotrofní: jako zdroj uhlíku využívají výhradně CO2. Heterotrofní: jako zdroj uhlíku využívají různé organické látky (soli organických kyselin, sacharidy, lipidy, aminokyseliny, peptidy, bílkoviny). Chemotrofní: energii získávají oxidací anorganických nebo organických látek a přeměňují ji na energii makroergických vazeb, převážně typu ATP. Chemolitotrofní zdroj uhlíku CO2 Chemoorganotrofní organické sloučeniny Fototrofní: získávají energii ze slunečního záření, přeměňují ji na energii ve formě ATP. Fotolitotrofní Fotoorganotrofní Podle vztahu k molekulárnímu kyslíku Obligátně (striktně) aerobní: rostou jen za přístupu kyslíku, energii získávají aerobní respirací. Do této skupiny patří většina chemolitotrofních a chemoorganotrofních organismů. Obligátně (striktně) anaerobní: rostou jen v nepřítomnosti kyslíku, energii získávají kvašením nebo anaerobní respirací. Fakultativně anaerobní: mohou růst jak v přítomnosti, tak i v nepřítomnosti kyslíku, a proto energii mohou získávat kvašením, anaerobní i aerobní respirací.

11 TŘI DOMÉNY ORGANISMŮ Archeální replikace a transkripce je mnohem příbuznější eukaryotické replikaci a transkripci než bakteriální. Translace archeí se vyznačuje jak prvky translace bakteriální, tak eukaryotické. Naopak metabolismus archeí je mnohem podobnější metabolismu bakterií než eukaryot. Podle současného stavu znalostí třídíme živé buněčné organismy do 3 domén: bakterie, archea a eukarya. První dvě domény se vyznačují prokaryotickým typem buněk, třetí eukaryotickým. Archea mají, stejně jako bakterie, prokaryotický typ buněk, evolučně leží mezi bakteriemi a eukaryoty. Bakterie (eubakterie) a archea (archeabakterie) Archea se od bakterií liší v několika základních molekulárních vlastnostech, současně se jimi podobají eukaryotům. Archea jsou vesměs organismy s neobvyklou fyziologií: extrémní halofilové, termoacidofilové a metanogenní organismy. SCHÉMA PROKARYOTICKÉ BUŇKY Prokaryotická buňka neobsahuje jádro ani další buněčné organely. DNA v prokaryotické buňce je spolu s proteiny, které se na ni vážou, organizována do struktury zvané nukleiod. Nukleoid není od ostatní buněčné hmoty oddělen membránou, replikace a transkripce DNA nejsou odděleny od translace jako v eukaryotických buňkách.

12 Schéma živočišné buňky Schéma rostlinné buňky Jádro Endoplasmatické retikulum Golgiho aparát spolu Lysosomy Mitochondrie Chloroplasty Peroxisomy Cytoplasmatická membrána Buněčná stěna Vakuoly a) Buněčné jádro - Obsahuje hlavní buněčnou genetickou výbavu - Probíhá v něm syntéza DNA (replikace) a RNA (transkripce) b) Mitochondrie - Spolu s jádrem a chloroplasty další organela obsahující DNA. - Vyskytuje se jak u rostlinných, tak i u živočišných buněk. - Mitochondrie jsou obklopeny dvojitou membránou.

13 - Tyto organely se úzce specializují na získávání energie procesem oxidační fosforylace, enzymy účastnící se tohoto procesu jsou inkorporovány ve vnitřní membráně mitochondrií. - Výsledkem oxidační fosforylace je tvorba ATP molekula poskytující energii při většině metabolických procesů (podobně v chloroplastech se při fotosyntéze získaná energie skladuje ve formě ATP). - c) Endoplasmatické retikulum - Drsné: vážou se na ně ribosomy syntetizující proteiny, jejichž konečné místo určení (výkonu funkce) je plasmatická membrána, endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát, lysosomy nebo jsou sekretovány ven z buňky. Proteiny, které zůstávají v cytosolu nebo jsou transportovány do jádra, mitochondrií, chloroplastů nebo peroxisomů, jsou syntetizovány na volných ribosomech, které se na ER nevážou. - Hladké: probíhá v něm metabolismus lipidů. Je to hlavní místo, ve kterém jsou syntetizovány membránové lipidy v eukaryotických buňkách (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol). - Lipidy a proteiny jsou z ER transportovány na místo určení ve vezikulách nebo navázané na nosičový protein. - Transport probíhá v transportních vezikulách v několika krocích: Z tranzitního ER do ER-Golgi přechodného prostoru a dále do Golgiho aparátu Transport mezi různými kompartmenty Golgiho aparátu Mezi Golgiho aparátem a lysosomy (plasmatickou membránou) d) Golgiho aparát - Je tvořen zploštělými, membránou obklopenými váčky a asociovanými vezikulami. Striktní orientace. - Golgiho aparát slouží jako mezistanice pro mnoho proteinů, které jsou syntetizovány na drsném ER. - V Golgiho aparátu (komplexu) tyto proteiny procházejí dalšími úpravami a jsou tříděny pro dopravu na požadované místo v buňce. - V Golgiho aparátu také dochází k syntéze glykolipidů a sfingomyelinu. - V rostlinných buňkách jsou v Golgiho aparátu syntetizovány také složené polysacharidy, které tvoří buněčnou stěnu

14 e) Lysosomy - Membránové organely - Lysosomy obsahují různé trávící enzymy (včetně proteáz), které se účastní odbourávání nepotřebných nebo poškozených buněčných struktur. - V lysosomech bylo charakterizováno asi různých degradačních enzymů, které se podílejí na štěpení proteinů, nukleových kyselin, sacharidů a lipidů. - Mutace v genech, které kódují tyto proteiny, jsou odpovědné asi za 30 lidských genetických chorob, nazývaných lysosomálními akumulativními chorobami, protože nedegradované sloučeniny se hromadí uvnitř lysosomů postižených jedinců. f) Peroxisomy - Malé organely s jednoduchou membránou. - Obsahují enzymy katalyzující oxidační reakce. - V peroxisomech probíhají oxidace toxických molekul (kyselina močová, peroxid vodíku, aminokyseliny, puriny, methanol apod.) a odbourávání lipidů. - Podobně jako mitochondrie a chloroplasty se rozmnožují dělením. g) Chloroplast - Vedle jádra a mitochondrie další buněčná organela, která obsahuje DNA. - Vyskytuje se pouze u rostlinných buněk. - Obsahuje geny kódující proteiny účastnící se transkripce, translace, fotosyntézy aj. - Součástí chloroplastů je dvojitá membrána, ve které jsou zabudovány proteiny účastnící se fotosyntézy získávání energie ze slunečního záření. h) Buněčná stěna - Nachází se pouze u rostlin a hub. - Obklopuje, chrání a dává tvar rostlinným buňkám. - Rostlinné buňky zbavené buněčné stěny jsou křehké a snadno zranitelné. To vyplývá ze stavby rostlinné buňky. Její cytoskelet nemá žádnou odolnost vůči tlaku, kterou vykazují živočišné buňky. Proto i malá změna osmotického tlaku v kultivačním médiu může vést k prasknutí rostlinných buněk zbavených buněčné stěny. - Buněčná stěna je pro tyto buňky nezbytná. i) Vakuola - V rostlinných a kvasinkových buňkách vakuoly nahrazují lysosomy. - Slouží k uchování zásobních látek, udržování vnitřního tlaku buňky a osmotické rovnováhy

15 2) Struktura proteinů Molekulární biologie Studuje vztah struktury a interakcí biologických makromolekul k funkcím a vlastnostem živých soustav. Zkoumá vztah mezi dvěma úrovněmi živých soustav, tj. vztah mezi fyzikální a chemickou úrovní (struktura a interakce biologických makromolekul) a biologickou úrovní (funkce a vlastnosti živých soustav). Informační biomakromolekuly proteiny nukleové kyseliny polysacharidy polymer molekula složená z mnoha kovalentně spojených malých molekul (stavební jednotky polymeru) homopolymer stejné stavební jednotky (škrob, glykogen) heteropolymer (kopolymer) různé jednotky Základní stavební jednotkou jsou a-aminokyseliny (L-) a-uhlík, váže aminoskupinu NH2, karboxylovou skupinu COOH, vodík a postranní řetězec R kromě glycinu jsou a-uhlíky aminokyselin opticky aktivní

16 amfolyty, izoelektrický bod 21 aminokyselin využívaných při syntéze proteinů translací Tvorba peptidové vazby Peptidová vazba vazba mezi COOH jedné aminokyseliny a NH2 druhé aminokyseliny Oligopeptidy, polypeptidy, proteiny

17 Struktura proteinů Primární struktura Sekundární struktura Terciární struktura Kvartérní struktura Primární struktura proteinů pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci Biologický význam primární struktury veškerá informace, potřebná pro tvorbu vyšších struktur a pro správnou funkci proteinu, je obsažená v primární struktuře proteinu. Sekundární struktura: a-helix Při vytváření sekundární a terciární struktury proteinů se významně uplatňují nekovalentní interakce proteinů Nekovalentní interakce proteinů - iontová vazba mezi pozitivně nabitými skupinami lyzinu, argininu a histidinu a negativně nabitými skupinami kys. glutamové a asparagové - vodíková vazba mezi CO-skupinou jedné peptidové vazby a NH-skupinou vazby druhé (ve stejném polypeptidovém řetězci nebo mezi různými řetězci)

18 - vodíková vazba mezi hydroxylovou skupinou serinu (tyrozinu) a CO-skupinou peptidové vazby - interakce polárních skupin s vodou - hydrofobní interakce Nekovalentní interakce: ve vodném prostředí mnohem slabší než vazby kovalentní, na druhé straně ke stabilizaci struktury proteinu přispívá velký počet vazeb tohoto druhu. Na strukturu proteinu má vliv rozložení aminokyselin v polypeptidovém řetězci: polární (hydrofilní) aminokyseliny mají tendenci orientovat své postranní řetězce směrem ven, nepolární (hydrofobní) naopak směrem dovnitř. Sbalování proteinů: Vytváření sekundární a terciární struktury Sekundární struktura proteinů a-helix Sekundární struktura proteinů b-skládaný list Orientace spojovaných řetězců může být - paralelní, tj. směr od C-konce k N-konci poskládaných úseků nebo polypeptidových řetězců je stejný - antiparalelní, tj. směr od C-konce k N-konci poskládaných úseků nebo polypeptidových řetězců je protichůdný

19 N-konec peptidu C-konec peptidu

20 Model struktury b-skládaného listu: pohled shora Model struktury b-skládaného listu: pohled z boku Vytváření disulfidické vazby mezi dvěma vzdálenými cysteiny

21 Sbalování proteinů do nativní formy - samosestavování Sbalování proteinů za přítomnosti chaperonů a) Mnoho proteinů ke svému správnému sbalení potřebují asistenci (1) Hsp70, molekulárního chaperonu, který se přechodně váže ke vznikajícímu proteinu, který se vynořuje z ribosomu. Správné sbalení některých proteinů závisí také (2) na komplexu TCiP, komplexu ve tvaru soudku složeného z molekul chaperonu Hsp60 b) GroEL, bakteriální homolog TCiP Komplex ve tvaru soudku se skládá ze 14 identických podjednotek o MW Da. Vlevo: Konformace v nepřítomnosti ATP nebo v přítomnosti ADP je kompaktnější, váže částečně nebo špatně sbalené proteiny. Vpravo: Vazba ATP vede k vytvoření volnější konformace, ze které se uvolňují sbalené proteiny.

22 Proteinové domény Proteinové domény úsek proteinu, který je charakteristický určitou primární, sekundární a terciární strukturou, které určují v rámci proteinu specifickou funkci tohoto úseku vazebná doména Kvartérní struktura týká se oligomerních proteinů, tj. proteinů, které jsou složeny z více řetězců Sestavování oligomerních proteinů a nadmolekulárních struktur Enzymové komplexy, ribozomy, proteinové filamenty, membrány sestavují se v buňce spojováním menších podjednotek hlavně nekovalentními interakcemi vazba povrchu jedné podjednotky na roztažené vlákno smyčky druhé podjednotky vzájemným ovíjením dvou a více a-helixů, z nichž každý je součástí jiné podjednotky (protofibrily keratinů vlasů a kolagenů kůže) spojením komplementárních pevných povrchů dvou různých podjednotek Vazbou dvou podjednotek se obvykle zvýší afinita k třetí, komplex o třech podjednotkách je stabilnější než dvoupodjednotkový komplex atd. dimery filamenty vláknité proteiny, vzniklé z globulárních podjednotek (aktinový filament tvoří cytoskelet eukaryotických buněk) plátové (proteiny v membránách) a tubulární (kapsidy některých virů) proteinové struktury Samosestavování nadmolekulárních struktur bez jakékoli vnější instrukce, jde o spontánní seskupování proteinových podjednotek a jejich spojování nekovalentními interakcemi za vzniku nadmolekulárních proteinových struktur Př. kapsid viru tabákové mozaiky, ribozom

23 Denaturace a renaturace proteinů Denaturace proteinu vlivem vysokých teplot, extrémních hodnot ph, vysokých koncentrací solí atd. ztrácí protein svou sekundární a terciární strukturu. Primární struktura zůstává zachována. V důsledku změn konfirmace protein ztrácí svou biologickou funkci. Renaturace proteinu proces opačný k denaturaci, tj. obnovení původní konformace. Renaturace je obvykle pouze částečná. K úspěšné renaturaci je potřeba, aby denaturace a následná renaturace byla provedena šetrně. RNAasa denaturace vysokými koncentracemi močoviny, po odstranění močoviny dialýzou došlo k obnovení původní struktury i enzymové aktivity. To je jeden z důkazů, že konformace proteinů je určena primární strukturou aminokyselin.