ÚVOD DO STUDIA BIOCHEMIE Distanční text

Transkript

1 Tento produkt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Název projektu Implementace e-learningových technologií do ŠVP Číslo projektu CZ.1.07/1.1.02/ Název příjemce Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65 ÚVOD DO STUDIA BIOCHEMIE Distanční text

2 1 Celkový obraz O modulu Modul je určen pro žáky 4. ročníků oboru Aplikovaná chemie a pro žáky 3. ročníků oborů Přírodovědné lyceum a Analýza potravin jako základní vstupní kapitola pro studium biochemie. Žáci budou seznámeni s předmětem studia biochemie a základními obory biochemie a dále se základními společnými vlastnostmi živých soustav s důrazem na jejich chemické složení a se základním rozdělením živých soustav. Anotace Úvod do studia biochemie Modul je zaměřen na obsah biochemie a její hlavní obory. Dále se zabývá obecnými vlastnostmi živých soustav s důrazem na jejich chemické složení a uvádí jejich základním dělení. Annotation Introduction to Biochemistry The module deals with the studies of biochemistry and its main branches. Further it concentrates on general characteristics and chemical structure of living systems as well as on basic division of living systems. Annotation Einführung in Studium der Biochemie Dieser Modul wird auf den Inhalt der Biochemie und ihre Hauptfächer konzentriert. Er beschäftigt sich mit allgemeinen Eigenschaften der lebenden Systeme mit einem Akzent auf ihren chemischen Aufbau und führt ihre Grundgliederung aus. Pomůcky a nástroje sešit formátu A4, psací potřeby Mareček, A., Honza, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 3. díl.olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2000.(Učebnice není povinná.) Klouda, P.: Základy biochemie. Ostrava: Nakladatelství Pavel Klouda, (Učebnice není povinná.) studijní materiály poskytnuté studentům v elektronické podobě vyučujícím Pravidla a konvence Tato forma studia v žádném případě nenahrazuje formu prezenční a slouží spíše jako doplňující forma výuky Strana 2/16

3 Jednotlivé kapitoly byly zpracovány s využitím zdrojů, které jsou uvedeny v bodu Literatura. Jsou-li do textu vloženy obrázky z internetových stránek, jsou tyto vždy u každého obrázku uvedeny. Uvedené texty nezahrnují všechno učivo, které je probíráno v prezenční výuce. Text psaný modrou barvou je text rozšiřující a není povinný. Cvičení jsou úkoly, které mohou být zadávány jako domácí úlohy. Kontrolní testy obsahují otázky, které se pak mohou objevit v opakovacím písemném testu, který bude zadán v prezenční výuce. Výsledek testu bude započítán do klasifikace předmětu biochemie (obor Aplikovaná chemie, 4. ročník a obor Analýza potravin, 3. ročník) nebo chemie (obor Přírodovědné lyceum, 3. ročník). Autotest procvičí znalosti studentů, které při studiu získají. V autotestu je vždy správná pouze jedna odpověď Strana 3/16

4 2 Obsah 1. Celkový obraz 2 2. Obsah 4 3. Předmět studia biochemie Biochemie a její obory Cvičení Kontrolní otázky Autotest 7 4. Charakteristika a rozdělení živých soustav Obecné znaky živých soustav Základní rozdělení živých soustav Cvičení Kontrolní otázky Autotest Literatura Seznam správných odpovědí na autotesty Rejstřík Strana 4/16

5 3 Předmět studia biochemie Popis lekce: Žáci budou seznámeni pojetím a obsahem biochemie, jejím významem, vztahem k jiným disciplínám a jejími základními obory. Délka lekce: 120 minut Klíčová slova: biochemie, statická a dynamická biochemie, vitalistická teorie, Friedrich Wöhler Motivace: Seznámení se s novým vyučovacím předmětem, opakování učiva z organické chemie a biologie. 3.1 Biochemie a její obory Biochemie je přírodní věda, která se zabývá především chemickým složením živých organismů a chemickými reakcemi, které v nich probíhají. Hlavní obory biochemie: 1) statická biochemie (chemie přírodních látek) zabývá se látkovým složením živé hmoty 2) dynamická biochemie zabývá se vznikem a přeměnami látek v organismech 3) funkční biochemie zabývá se spojitostí chemických dějů s fyziologickými projevy organismů (přenos vzruchů, trávení, svalová činnost ) 4) organizační biochemie (biochemie struktur) zabývá se uspořádáním molekulárních složek (na buněčné úrovni) a lokalizací biochemických procesů Významné speciální obory biochemie: 1) xenobiochemie zabývá se účinkem cizorodých látek (jedů, léčiv) na živé organismy 2) patobiochemie zabývá se abnormálními změnami ve složení organismů a během biochemických procesů Do doby než byly poprvé laboratorně připraveny některé látky, vyskytující se běžně v živých organismech, byla uznávána tzv. vitalistická teorie, již formuloval patrně v 16. století Paracelsus. Podle této teorie mohou organické látky vznikat pouze působením jakési tajemné životní síly (vis vitalis) a nelze je připravit uměle. V roce 1828 připravil Friedrich Wöhlerlaboratorně močovinu izomerizací kyanatanu amonného a dokázal tak, že látky vyskytující se v živých soustavách lze připravit laboratorně Strana 5/16

6 O několik let dříve připravil Wöhler kyselinu šťavelovou z dikyanu. obrázek převzat z: Biochemie jako věda se začala formovat koncem 19. století na pomezí chemie a biologie. Termín biochemie byl poprvé použit v roce Biochemie jako samostatný vědní obor vznikla ve 30. letech 20.století. Ve druhé polovině 20. století se významnou složkou biochemie stalo studium struktury a funkce biologických makromolekul bílkovin a nukleových kyselin které jsou podstatou existence živých soustav a života vůbec. V současnosti biochemie zasahuje do mnoha vědních oborů, například molekulární biologie, biotechnologie, farmakologie, medicíny a mnoha dalších. 3.2 Cvičení 1. Vyhledejte v literatuře nebo na internetu základní informace o těchto látkách: močovina, kyanatan amonný, kyselina šťavelová. Nastudujte vzorce těchto látek. 2. Vyhledejte v literatuře nebo na internetu základní informace o Paracelsovi. 3. Vyhledejte v literatuře nebo na internetu, co jsou to xenobiotika. Který obor biochemie se jimi zabývá? 3.3 Kontrolní otázky 1. Čím se zabývá biochemie a jaké jsou její hlavní obory? Strana 6/16

7 2. Kdo je autorem vitalistické teorie a v čem tato teorie spočívala? 3. Kdo a jak připravil jako první močovinu v laboratorních podmínkách? 3.4 Autotest 4. Močovina byla poprvé laboratorně připravena izomerizací a. thiokyanatanu amonného. b. kyanidu amonného. c. kyanatanu amonného. d. dikyanu. 5. Biochemie struktur je jiný název pro biochemii a. statickou. b. dynamickou. c. organizační. d. funkční. e. 6. Účinkem cizorodých látek na živé organismy se zabývá a. patobiochemie. b. farmakochemie. c. xenobiochemie. d. klinická biochemie. e Strana 7/16

8 4 Charakteristika a rozdělení živých soustav Popis lekce: Lekce je zaměřena na obecné vlastnosti organismů s důrazem na jejich chemické složení, následně je uvedeno základní rozdělení živých soustav z hlediska jejich vlastností. Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: biogenní prvky, biomolekuly, biologické makromolekuly, buňka, organismus, organismy aerobní a anaerobní, autotrofie, heterotrofie Motivace: Opakování učiva a prohloubení znalostí z biologie a organické chemie. 4.1 Obecné znaky živých soustav Veškerá živá hmota je složena z částic jako hmota neživá a platí pro ni i stejné chemické a fyzikální zákony. Rozdíly jsou ve složitosti a organizovanosti. Všechny živé systémy jsou vysoce uspořádané, otevřené (s okolím si vyměňují látky, energii a informace), dynamické, adaptivní (přizpůsobují se a reagují způsobem, který je pro ně výhodný). Všechny živé soustavy mají shodné tyto základní vlastnosti: chemické složení buněčná stavba metabolismus (včetně dýchání) dráždivost přizpůsobivost dědičnost a proměnlivost množivost, růst a vývin pohyb autoregulace časově omezená existence schopnost vývoje (evoluce) Chemické složení živých soustav V organismech jsou obsaženy látky organické i anorganické, všechny jsou složeny z chemických prvků. Prvky obsažené v živé hmotě se označují jako prvky biogenní. Podle procentického obsahu v sušině se dělí na tři skupiny: Strana 8/16

9 1) Makrobiogenní prvky jejich procentický obsah v sušině je 0,1 50% a mají stavební funkci. Základní makrobiogenní prvky, které se vyskytují v každé živé soustavě, jsou čtyři: C, N, O, H, dále pak Na, K, Mg, Ca, P, S, Cl, Fe. 2) Mikrobiogenní prvky jejich procentický obsah v sušině je 0,001 0,1%, mají funkci katalytickou (prvky jsou součástí enzymů a umožňují průběh biochemických reakcí). Zn, Mn, Mo, Co, Cu, I. 3) Stopové prvky jejich procentický obsah v sušině je méně než 0,001%, mají stejně jako mikrobiogenní prvky funkci katalytickou, patří mezi ně Se, V, Ti, Br, Si, F, B, Ni a mnoho dalších. Mikrobiogenní a stopové prvky bývají souhrnně označovány jako oligobiogenní prvky. Sušina vzniká odpařením vody z biologického materiálu při teplotě 105 o C a vždycky obsahuje látky anorganické i organické. Obsah prvků se laboratorně stanovuje v popelu. Popel vzniká spálením biologického materiálu při teplotě 500 o C a obsahuje pouze látky anorganické. Živé organismy jsou i přes svoji obrovskou rozmanitost principielně složeny z několika stejných typů látek, které se souhrnně označují jako biomolekuly. Nejhojnější a nejjednodušší b i o m o l e k u l o u v živých soustavách je voda. Ve všech živých soustavách se vyskytují látky minerální a organické. Voda Průměrný obsah v organismech je % (řasy až 99 %, suché obilky 5 %). Základní funkce vody jsou: tvorba vnitřního prostředí organismu transport látek funguje jako rozpouštědlo podílí se na termoregulaci Soli jsou buď rozpustné ve vodě nebo nerozpustné ve vodě: Rozpustné jsou disociované na ionty - např. K +, Na +, Cl -, Fe 2+, Mg 2+ atd., hlavní mimobuněčné ionty jsou Na + a Cl -, hlavní nitrobuněčný ion je K +, nerozpustné nedisociují, jsou obsaženy v tvrdých tkáních (zuby, kosti, schránky), např. CaCO 3, SiO 2, Ca 3 (PO 4 ) 2. Organické látky tvoří asi 30 % hmoty organismu (zbytek minerální látky a voda) a 90 % sušiny. V organismech existuje obrovské množství organických látek, ale převážná většina z nich je Strana 9/16

10 odvozena asi od 40 základních biomolekul 20 aminokyselin, 5 dusíkatých bází, 6 vyšších mastných kyselin, 5 monosacharidů, kyselina octová, glycerol, nikotinamid, cholin. Nejdůležitější jsou bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy, lipidy. Bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy jsou látky makromolekulární, všechny olstatní organické látky v živých organ ismech jsou nízkomolekulární. V každé živé hmotě jsou obsaženy bílkoviny a nukleové kyseliny, které se souhrnně označují jako biologické makromolekuly Jsou na sobě funkčně závislé a bez nich by nebyla možná existence života. Nukleové kyseliny nesou genetickou informaci pro syntézu bílkovin a naopak pro syntézu nukleových kyselin jsou nezbytné enzymy, které mají bílkovinný charakter. 4.2 Základní rozdělení živých soustav Časově a prostorově ohraničená soustava (jednobuněčná nebo mnohobuněčná), která je schopna vykonávat všechny základní životní funkce, se označuje jako organismus. Základní strukturní a funkční jednotkou organismů je buňka. Existují dva základní typy buněk prokaryotická a eukaryotická, které se od sebe liší především velikostí a složitostí. Prokaryotická buňka je evolučně starší, jednodušší, nikdy není součástí mnohobuněčných organismů, její jádro tvoří jedna holá kružnicová molekula DNA bez obalu, jedinou membránou je membrána cytoplazmatická. Eukaryotická buňka je evolučně mladší, složitější, její vnitřní prostor je rozdělen na tzv. kompartmenty, její jádro je obaleno dvojitým membránovým obalem a jeho hmotu (chromatin) tvoří především DNA a zásadité bílkoviny histony, obsahuje velký počet membránových organel. Z biochemického hlediska lze živé organismy studovat jako celek IN VIVO, jako izolované části, např. buňky, tkáně IN VITRO. Rozdělení organismů podle složitosti : jednobuněčné organismy prokaryotické - archea, bakterie včetně sinic eukaryotické - řasy, prvoci, chromista, kvasinky mnohobuněčné organismy vždy eukaryotické většina rostlin, hub, živočichů a některá chromista Strana 10/16

11 Rozdělení organismů podle vztahu ke kyslíku: aerobní organismy jsou existenčně závislé na kyslíku (většina živých organismů), anaerobní organismy nemohou existovat v kyslíkatém prostředí (některé bakterie), mají pouze anaerobní metabolismus, fakultativně anaerobní organismy jsou příležitostně anaerobní, primárně využívají kyslík, v případě jeho nedostatku zapojují anaerobní metabolismus (některé bakterie). Základní typy energie, kterou organismy mohou využívat, jsou světelná a chemická energie. Rozdělení organismů podle způsobu zisku energie: Organismy autotrofní mají schopnost fotosyntézy, světelnou energii přeměňují na chemickou (tj. na organické látky, především sacharidy). Patří mezi ně zelené rostliny, sinice, některé bakterie, většina chromist, výjimečně prvoci (krásnoočka). Organismy heterotrofní nejsou schopné fotosyntézy, organické látky musí přijímat hotové v potravě. Patří sem živočichové, houby, prvoci, některá chromista a většina bakterií. Organismy mixotrofní - mají schopnost autotrofní i heterotrofní výživy, například masožravé rostliny. Fotosyntetizující organismy produkují organické látky se označují jako producenti. Organismy, které se živí organickou hmotou vytvořenou producenty, se označují jako konzumenti. Odumřelá těla všech organismů rozkládají destruenti (reducenti, dekompozitoři). 4.3 Cvičení 1. Vyhledejte v literatuře nebo na internetu informace o tom, jak se z hlediska potravních vztahů dělí konzumenti. 2. Zopakujte si, jaké jsou základní rozdíly ve stavbě prokaryotické a eukaryotické buňky. Které organismy jsou tvořeny prokaryotickou buňkou a které jsou eukaryotické? Strana 11/16

12 3. Zopakujte si, které hlavní části má prokaryotická buňka. 4. Zopakujte si, jaké jsou základní rozdíly a jaké shody ve stavbě rostlinné a živočišné buňky. 5. Zopakujte si a vysvětlete pojmy metabolismus, dráždivost, přizpůsobivost, ontogeneze, fylogeneze. 4.4 Kontrolní otázky 1. Které znaky jsou společné všem živým soustavám? 2. Co jsou to biomolekuly a biologické makromolekuly? 3. Co jsou biogenní prvky a jak se dělí? 4. Jaké funkce má voda v organismech? 5. Jaký je základní rozdíl mezi autotrofy a heterotrofy? 6. Jak se rozdělují organismy podle vztahu ke kyslíku? 7. Vysvětlete pojmy producent, konzument, destruent. 8. Jaké jsou základní rozdíly mezi eukaryotickou a prokaryotickou buňkou? 9. Jak lze studovat živé organismy? 4.5 Autotest 10. Vyber čtveřici, v níž jsou uvedeny pouze mikrobiogenní prvky: a. Zn, Mn, Cl, Co b. Mo, Cu, Mn, Mg c. Co, Mo, Si, Fe d. Mn, Cu, I, Zn 11. Vyber trojici, v níž všechny uvedené prvky jsou stopové: a. Ti, Si, I b. Br, F, Cl c. Se, V, Ti d. Mo, Ni, S 12. Průměrný obsah vody v organismech je: a % b % c % d % 13. Hlavní anorganickou sloučeninou obsaženou v kostech je a. uhličitan vápenatý. b. křemičitan vápenatý Strana 12/16

13 c. fosforečnan vápenatý. d. fluorid vápenatý. 14. Mezi makromolekulární látky nepatří a. bílkoviny. b. polysacharidy. c. lipidy. d. nukleové kyseliny. 15. Mezi prokaryotické organismy nepatří a. bakterie. b. sinice. c. viry. d. archea. 16. Většina bakterií je z hlediska způsobu výživy a. autotrofní. b. heterotrofní. c. mixotrofní. d. atrofní. 17. Anaerobní organismy a. jsou občas schopny žít v kyslíkatém prostředí. b. nejsou schopny žít v bezkyslíkatém porostředí. c. vyžadují kyslíkaté prostředí. d. nejsou schopny žít v kyslíkatém prostředí 18. Mixotrofní organismy se vyživují a. vždy pouze autotrofně. b. vždy pouze heterotrofně. c. autotrofně i heterotrofně. d. autotrofně pouze při nedostatku sacharidů, jinak výhradně heterotrofně. 19. Mezi fotosyntetizující organismy nikdy nepatří a. bakterie. b. sinice. c. řasy. d. houby. e Strana 13/16

14 5 Literatura 1. Hančová, H.,Vlková, M.: Biologie I v kostce pro SŠ. Havlíčkův Brod: Fragment Mareček, A., Honza, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 3. díl. Olomouc: Nakladatelství Olomouc Klouda, P.: Základy biochemie. Olomouc: Nakladatelství Pavel Klouda Kolektiv autorů: Biochemie - základní kurz.praha: Univerzita Karlova Kolektiv autorů: Lékařská chemie a biochemie. Praha: Academia Pokorný, P., Hlásná, D.: Chemie 3 - Biochemie. Praha: SNTL Strana 14/16

15 6 Seznam správných odpovědí na autotesty 1) c; 2) c; 3) c; 4) d; 5) c; 6) c; 7) c; 8) c; 9) c; 10) b; 11) d; 12) c; 13) d Strana 15/16

16 7 Rejstřík aerobní organismy 11 autotrofie 11 biogenní prvky 8 Biochemie 5 biologické makromolekuly 10 biomolekuly 9 eukaryotická buňka 10 Friedrich Wöhler 5 heterotrofie 11 makrobiogenní prvky 9 mikrobiogenní prvky 9 mixotrofie 11 prokaryotická buňka 10 stopové prvky 9 vitalistická teorie Strana 16/16