Přípravný kurz z biologie MUDr. Jana Kolářová, CSc. témata 1 Mgr. Kateřina Caltová témata 3-5 doc. PharmDr. Emil Rudolf, Ph.D materiály k

Transkript

1 Přípravný kurz z biologie MUDr. Jana Kolářová, CSc. témata 1 Mgr. Kateřina Caltová témata 3-5 doc. PharmDr. Emil Rudolf, Ph.D materiály k přípravnému kurzu: stránka Ústavu lékařské biologie a genetiky: možnost si stáhnout na přinesenou flash: prezentace jednak barevné, jednak černobílé pro tisk ve formátu pdf a do vytištěné prezentace si doplňovat poznámky cílem kurzu je upozornit na některá témata nutná k přijímacím zkouškám, nikoliv naučit celou biologii, proto je lepší poslouchat, než opisovat prezentaci

2 CHARAKTERISTIKA PROKARYOTICKÉ A EUKARYOTICKÉ BUŇKY buňky rostlinné a živočišné

3 Definice života život je vázán na existenci prostorově ohraničených a v čase omezených živých soustav - jsou: otevřené hmotné s vysokým stupněm organizovanosti se schopností: udržovat sami sebe (metabolismus) rozmnožovat se (autoreprodukce) vyvíjet se (evoluce)

4 Definice života - pokrač. základní stavební jednotkou je buňka založená na sloučeninách uhlíku životní děje probíhají v buňkách nebo jsou realizovány interakcemi mezi buňkami podstatou života není zvláštní chemické složení hmoty, ale způsob organizace hmoty (tj. specifická organizace látek, energie a informace) kvalitativní rozdíl mezi živými a neživými soustavami je v rozdílu stupně jejich organizovanosti

5 Buněčná teorie - shrnutí buňka je morfologická a funkční jednotka všech živých organismů buňka je nejmenší a dále nedělitelná jednotka života všechny buňky (otevřený systém s cílovým chováním) mají ke své existenci: genetický program buněčnou membránu metabolickou mašinérii (zpracování látek, energie a informace z okolí) biosyntetickou mašinérii (metabolické přeměny)

6 VIRY - nebuněčné formy živé hmoty mají jen genetický program, přesto jejich studium spadá do biologie (řadí se k živým systémům) stejný princip genetického kódu stejný princip syntézy proteinů velikost nm viriony - NK + bílkovinná kapsida viroidy - pouze RNA bez kapsidy (u rostlin) priony - pouze protein bez NK evolučně mladší než buňky virus k rozmnožování využívá metabolickou a biosyntetickou mašinérii buňky

7 Velikost buněk běžné buňky µm prokaryonta obvykle velikost 1-10 µm nejmenší - 0,3 µm - mykoplasmata velikost je dána velikostí a počtem nezbytných molekul pro syntézu asi 750 proteinů nutných k existenci buňky největší - acetabularia 8 cm, pštrosí vejce 20 cm, délka axonu lidského neuronu 1 m limitujícím faktorem je rychlost difuse živin a kyslíku do cytoplasmy a k jádru

8 Rozdíly mezi prokaryontními a eukaryontními buňkami Prokaryontní buňka není jaderná membrána (nucleoid) DNA cirkulární DNA nahá, bez histonů 1 molekula DNA ribozomy 70S žádné další organely není cytoskelet není mitóza Eukaryontní buňka mají jadernou membránu (jádro) DNA lineární DNA vázaná na histony více molekul DNA ribozomy 80S ER, Golgiho komplex, mitochondrie, jadérko mají cytoskelet dělí se mitoticky Espero Publishing, s.r.o.

9 Rozdíly mezi rostlinnými a živočišnými buňkami rostlinné buňky buněčná stěna vakuoly chloroplasty cytokineze: fragmoplast Pěstování in vitro: z buněčné kultury je možné vypěstovat celou rostlinu živočišné buňky lysosomy centriol cytokineze: kontraktilní prstenec Pěstování in vitro: z kultury nelze získat nového živočicha Espero Publishing, s.r.o.

10 ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ PRVKY BUNĚK SYNTÉZA BIOPOLYMERŮ

11 Základní stavební prvky buněk prvkové i látkové složení buněk stejné jako v neživých systémech makrobiogenní prvky - 95 % C, O, H, N, P oligobiogenní prvky - 4 % Ca, Mg, Na, K, Cl, S, Fe mikrobiogenní prvky - 1 % Cu, Zn, Mn, Co, B, F život je založen na sloučeninách uhlíku, které tvoří biopolymery proteiny polysacharidy nukleové kyseliny nezbytné jsou i malé molekuly (voda, glukóza, ATP, fosfolipidy, puriny, pyrimidiny) a ionty (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl -, S, P)

12 LÁTKOVÉ SLOŽENÍ voda % sušina % látky anorganické - 5 % látky organické - asi 30 % bílkoviny polysacharidy lipidy nukleové kyseliny

13 CHEMICKÉ SLOŽENÍ živočišné buňky rostlinné buňky 60 % 4 % 36 % 18 % 1 % 6 % 11 % voda minerální látky organické látky bílkoviny nukleové kyseliny polysacharidy lipidy 75 % 2 % 23 % 4 % 1 % 17 % 1 %

14 POLYSACHARIDY (GLYKANY) monosacharidy (pentosy, hexosy, glukosamin) glykosidová vazba - α, β, řetězec lineární x rozvětvený (z glukózy: β 1 4 celulóza, α 1 4 amylóza) stavební - celulóza, chitin součást buněčných stěn, mezibuněčné hmoty, buněčných membrán zásobní - škrob, glykogen tvoří energetickou zásobu

15 Strukturální polysacharidy - celulóza celulóza je nejhojnější organickou látkou na světě; rostliny na Zemi produkují ročně (100 miliard) tun celulózy celulóza je z monomerů glukózy, ale glykosidová vazba je β molekula celulózy leží v rovině a nikdy se nevětví. Díky tomu její hydroxylové skupiny se mohou vázat vodíkovými můstky k hydroxylům paralel. řetězců (ve stěnách rostlinných buněk se tato vlákna nazývají mikrofibrily)

16 Chitin chitin užívají členovci (Arthropoda), jako jsou pavouci, hmyz či korýši ke tvorbě svých exoskeletů, vnější kostry buněčná stěna hub čistý chitin má kožovitou strukturu, bývá ale vytvrzen např. uhličitanem vápenatým monomerem je N-acetylglukosamin svlékající se cikáda (řád Hemiptera) /

17 Zásobní polysacharidy Škrob - nejčastější zásobní látka u rostlin, je z monomerů glukózy lineárně spojených α 1 4 glykosidickou vazbou. Výsledná molekula je spirálovitého tvaru. Amylóza, nejjednodušší forma škrobu, je nevětvená Amylopektin, složitější forma je větvená (1 6 vazba) škroby se skladují v plastidech (chloroplasty, chromoplasty, leukoplasty). Dle potřeby se hydrolýzou získají molek. glukózy. Glykogen je zásobním polysacharidem u živočichů podobná struktura jako amylopektin, ale je více větvený lidé a další obratlovci ukládají glykogen především v játrech a svalech zásoba glykogenu však není velká, přibližně za den je vyčerpána a musí být doplněna potravou

18 Bílkoviny tvoří až 50 % sušiny buněk, 1/5 celk. hmotnosti bb. aminokyseliny spojené peptidovou vazbou (COOH jedné AK s NH 2 na 2. uhlíku druhé AK) N konec, C konec Espero Publishing, s.r.o. zastoupení jednotlivých AK v řetězci rozhoduje spolu se sekvencí AK o výsledných vlastnostech bílkoviny - v bílkovinách je 20 (21) druhů AK, podle chemických vlastností se dělí na: kyselé, basické, polární, nepolární

19 PRIMÁRNÍ STRUKTURA sekvence AK - je určena genetickým kódem (rozhoduje o vlastnostech a dalším prostorovém uspořádání molekuly bílk.) 21 aminokyselin, které se nacházejí v proteinech Kyselé Basické Nepolární Polární

20 SEKUNDÁRNÍ STRUKTURA α helix β skládaný list jde o trojrozměrné uspořádání řetězce na sekundární struktuře se podílí pouze atomy proteinové kostry, nikdy R zbytky kladnější vodík NH 2 skupiny je přitahován ke kyslíku COOH skupiny jednotlivé vodíkové můstky jsou slabé, ale díky stálému opakování získává celá struktura relativní pevnost keratin má α helixy téměř po celé své délce; pavoučí vlákna mají vysokou pevnost díky struktuře β skládaného listu

21 globulární fibrilární TERCIÁRNÍ STRUKTURA vyšší stupeň prostorového uspořádání řetězce je tvořena R zbytky AK: hydrofobní interakce (je způsobena molekulami vody, které přikládají nepolární R zbytky těsně k sobě; následně mezi nimi začnou fungovat van der Waalsovy interakce) disulfidické můstky (mezi SH- skupinami dvou cysteinů) vodíková vazba mezi postranními řetězci AK iontová vazba

22 KVARTERNÍ STRUKTURA prostorové uspořádání podjednotek tvořících funkční protein - vzniká interakcí několika polypeptidových řetězců kolagen je fibrilární protein, vzniklý ze tří α helixových vláken, spojených do trojšroubovice velká pevnost celé struktury; kolagen proto tvoří šlachy, vazy atd. hemoglobin je globulární protein ze dvou druhů řetězců, z nichž každý je přítomen dvakrát. konformaci lze snadno měnit umožňuje regulaci biol. aktivity proteinů

23 FUNKCE PROTEINŮ strukturní - součásti buněčných struktur a organel: histony, kolagen, elastin, fibrin, keratin spojují se s dalšími organickými sloučeninami: s NK - tvoří ribosomy, chromosomy s fosfolipidy - součástí membrány s polysacharidy - tvoří glykokalyx molekuly se samovolně řetězí - autoorganizační (autoagregační) procesy (ribosomy, cytoskelet) - protein se po svém vzniku často sám sbalí do trojrozměrné funkční struktury (napomáhají tomu chaperony) pokud se v buňce změní ph, koncentrace solí či teplota, protein může ztratit svou nativní trojrozměrnou strukturu - nastane denaturace (protein je biologicky inaktivní) vratná (v regulačních procesech) - renaturace nevratná (např. vysokou teplotou)

24 FUNKCE PROTEINŮ metabolická (enzymová katalýza) - syntéza enzymů a enzymové vybavení buňky je řízeno genetickou informací enzymy urychlují (umožňují) reakce v podmínkách živé soustavy snižují aktivační energii někdy mají transportní funkci (hemoglobin, rodopsin, membránové přenašeče) tvoří metabolické dráhy (více enzymů zapojených v přesném sledu reakcí) informační - regulace buněč. procesů i mezibun. vztahů signální funkce (hormony, imunoglobuliny, cytokiny, represory) mohou regulovat expresi genů a proliferační aktivitu buňky receptory (membránové a intracelulární receptory) přijímají a transformují signály v regulaci roli hraje fosforylace a defosforylace přenos fosfátové skupiny z ATP nebo vazba GTP či GDP

25 Nukleové kyseliny tvoří asi jen 1 % hmotnosti buňky jsou nejdůležitějším biopolymerem monomerem jsou nukleotidy kyselina fosforečná pentosa - deoxyriboza (DNA) x riboza (RNA) dusíkatá baze puriny = adenin, guanin pyrimidiny = cytosin, tymin, uracil nukleosid = nukleotid bez kys. fosforečné

26 O - O - P O CH 2 O O NUKLEOVÉ KYSELINY 5' konec O fosfodiesterová vazba O - P O CH 2 O O OH 3' konec N-glykosidická vazba

27 DNA - primární a sekundární struktura primár. struktura - zastoupení a pořadí nukleotidů v řetězci (poměr A+T / C+G je pro daný druh DNA vždy konstantní a charakteristický) DNA - lineární, cirkulární, - dvouvláknová, jednovláknová (viry) Puriny - A, G komplementární páry: Pyrimidiny - T, C A - T C -- G

28 DNA oba řetězce probíhají antiparalelně Espero Publishing, s.r.o.

29 sekundární struktura - objasněna 1953 Watsonem Crickem - nejčastěji pravotočivá dvoušroubovice denaturace a renaturace se využívá při hybridizaci DNA depolymerace DNA - rozpad na fragmenty obr. 19; S. Rosypal: Úvod do molekulární biologie, Brno, 1996

30 obsahuje ribózu RNA místo tyminu je uracil (baze: A, U, C, G) převážně je jednovláknová mrna (mediátorová) - vzniká transkripcí strukturních genů - přenos genetické informace trna (transferová) - vzniká transkripcí genů pro trna - nosič AK při translaci rrna (ribosomální) - vzniká transkripcí genů pro rrna v místě nukleolárního organizátoru - je součástí jadérek a ribosomů snrna (small nuclear RNA) spolu s proteiny tvoří komplexy které se uplatňují při sestřihu pre-mrna u eukaryot (nikoli u prokaryot)

31 JÁDRO hlavní funkcí: uchovávání, přenos a realizace genetické informace tvar: kulovité, oválné, členité, segmentované (neutrofily) velikost: variabilní 4-30 µm relativně veliké (vajíčko, nervové bb.) relativně malé (mikroglie, lymfocyty, erytroblasty) nukleocytoplazmový poměr (proporcionální objem jádra a cytoplazmy normální bb. mají většinou relativně malé jádro a hodně cytoplazmy)

32 JADERNÁ MEMBRÁNA (jaderný obal, karyotheca) u prokaryont chybí = tzv. nukleoid (chromozom je volně v cytoplazmě) u eukaryont = jádro jaderná membrána (karyotéka) ohraničuje tzv. karyoplazmu, která obsahuje chromatin chromatin = DNA + histonové + nehistonové bílkoviny odděluje kompartment syntézy DNA od kompartmentu syntézy proteinů snáze se reguluje přenos genetické informace z jádra do cytoplazmy umožňuje modifikace RNA před vstupem do cytoplazmy

33 JADERNÁ MEMBRÁNA dvojitá (1 membrána se 2 listy, v jaderných pórech oba listy v sebe přecházejí) mezi oběma listy perinukleární prostor nm komunikuje s cisternami DER během mitózy se rozpadá na váčky, na konci telofáze se opět spojují a fúzují s váčky odštěpovanými z ER vnější list nese ribozomy plynule přechází do ER vnitřní list spojen se sítí laminů (fibrilární proteiny intermediárních filament, součást jaderného skeletu) udržují tvar jádra a rozmístění jaderných pórů, zahajují při mitóze rozpad jaderné membr. a kondenzaci chromozomů zajišťují prostor. uspořádání interfázických chrom. v jádře Espero Publishing, s.r.o.

34 JADERNÉ PÓRY - ANULI místa, kde přechází vnější list ve vnitřní hustota závisí na metabolické aktivitě buňky (asi 3000 anuli na buňku), tvoří až 20% povrchu jádra 10/nuclear-membrane.html póry mají kruhovitý tvar (na jejich tvorbě se podílí asi 100 proteinů v lumen pórů = bíkovinný komplex jaderných pórů nejdůležitější je komplex 8 proteinů kolem centrálního uzavíratelného otvoru (vnitřní průměr 9 nm, vnější průměr 80 nm) Espero Publishing, s.r.o.

35 JADERNÉ PÓRY - ANULI přísně je kontrolováno, které látky proniknou dovnitř a které ven póry umožňují průchod RNA z jádra (podjednotky ribozomů průměr 15 nm, procházejí po částech, skládají se v cytopl.) do jádra vstupují histony (asi 100 molekul za min., to vyžaduje dodání energie z GTP), proteiny jaderné matrix, enzymy replikace a transkripce Espero Publishing, s.r.o.

36 JADÉRKO (NUCLEOLUS) nemá žádnou membránu (= silně barvitelné místo) místem transkripce genů pro rrna až 1000 kopií genů pro rrna jsou v sekundární konstrikci na akrocentických chromozomech tzv. nukleolární organizátor je místem tvorby prekurzorů ribozomálních podjednotek (podílí se na jejich transportu přes jaderné póry - jadérko putuje do periferie jádra) počet a tvar jadérek kolísá (asi 2-4 jadérka / b.) při intenzivní proteosyntéze se zvětšují mizí v profázi, opět se objeví po skončení mitózy součástí interfázického jádra eukaryontních bb.

37 SYNTÉZA DNA replikace (zdvojení) DNA v S fázi neprogramovaná syntéza DNA (kdykoliv) = reparace chyb v poškozené DNA syntéza mtdna nezávisle na syntéze jaderné DNA semikonzervativní (řetězec původní + nový), připojování nukleotidů na principu komplementarity DNA-polymeráza (vznik fosfodiesterové vazby) syntéza nového řetězce vždy probíhá ve směru 5 3 (rychlostí asi 1000 párů bazí / min.) Espero Publishing, s.r.o.

38 REPLIKACE U EUKARYONT začíná ve více replikačních počátcích může probíhat na obě strany - z replikační vidlice je replikační bublina Espero Publishing, s.r.o.

39 Průběh replikace DNA na rozpletení dvoušroubovice se podílejí: - destabilizující proteiny (udržují rozvinutý úsek lineární) - DNA helikáza (ruší vodíkové můstky) obr. 3; M. Červinka: Úvod do genového inženýrství, - topoizomeráza (gyráza) Karolinum Praha, 1993 (uvolňuje nadšroubovicové vinutí) látky blokující topoizomerázu (ethopozid) se používají jako cytostatika

40 Průběh replikace DNA prekurzorem pro syntézu je nukleosid 5 -trifosfát (napojí se na 3 -OH skupinu posledního nukleotidu) neumí zahájit syntézu - počátek řetězce syntetizuje primáza (vzniká primer), syntéza je asymetrická DNA polymeráza α - synt. diskontinuální Okazakiho fragmenty ( nukl.) lagging strand (opožďující se řetězec) DNA polymeráza δ - synt. kontinuální leading strand (předbíhající řetězec) má exonukleázovou aktivitu, může korigovat chyby při replikaci - korekturní čtení odstraňuje primery v Okazakiho fragmentech, dosyntetizuje chybějící úseky, fragmenty pak spojí v souvislý řetězec DNA ligáza Espero Publishing, s.r.o.

41 Proteiny v replikační vidličce Espero Publishing, s.r.o.

42 Proč musí DNA vznikat ve směru 5 3 Espero Publishing, s.r.o.

43 TELOMERY u lineární DNA po vyseknutí primeru zůstává na 5 konci část řetězce nezdvojená (nový řetězec je kratší, 3 konec přečnívá o nukleotidů) postupnému zkracování chromozomu brání TELOMERY = repetitivní sekvence (bohaté na T a G) na koncích lineárních chromozomů Barbara McClintocová, H. J. Muller druhově specifické pro člověka charakteristický motiv TTAGGG (asi 2000x opakování)

44 Struktura telomer Cell_Genetics1-Chromosomes.htm telomerová DNA s proteiny tvoří komplex, ten se sbaluje do telomerové smyčky = ochranná čepička, znamení pro reparační mechanismy, že je to přirozený konec lineárního chromozomu a ne zlom velké zkrácení telomery nedovolí sbalení DNA do smyčky konec chromozomu je chápán jako zlom, který se buňka snaží opravit vznik dalších chyb a smrt buňky

45 TELOMERÁZA (1984) kompenzuje ztrátu (zkracování) telomer syntetizuje telomerický motiv - před začátkem replikace DNA prodlouží 3 konec templátové DNA jedná se o RIBOZYM - nese si specifickou RNA matrici (u člověka AAUCCC) - práce jako reverzní transkriptáza telomeráza je druhově specifická aktivní: u jednobuněčných (prvoci, kvasinky), v embryonálních a zárodečných bb., u většiny nádorových bb. v somat. i v regenerujících bb. aktivita velmi nízká zkracování telomer a aktivita telomerázy molekulární podklad stárnutí a nádorového bujení

46 Funkce telomerázy schopnost nasednutí jen v případě existence telomerové smyčky T.D.Pollard: Cell Biology, Elsevier Science, 2002