Biologie buňky Molecules of life Struktura buňky Buněčný cyklus proteiny, nukleové kyseliny, procesy genom, architekura (membrána), funkce mitoza, buněčná smrt, kmenové buňky, diferenciace Biologie tkání In- vitro In-vivo Speciální aplikace extracelulární matrix, mezibuněčné interakce Principy laboratorních metod Principy laboratorních metod Krev, cévní náhrady, interakce buněk s materiály
Doporučená literatura Alberts B. and coll., 2003, Essential cell biology, New York and London, Garland Science
1665 - 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
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)
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)
Nové geny vznikají z již existujících genů
Figure 1-37 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008)
Molekuly v živých systémech - polymery
Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura oprimární str. (aminokyseliny) osekundární str.(peptidová vazba, nevazebné interakce, sekundární struktury) oterciární str. (folding) okavarterní str.
Primární struktura proteinů - AMINOKYSELINY -aminokyseliny: konfigurace (podle Fischera) COO - COO - D: H C NH + 3 L: NH 3+ C H R R Kódované aminokyseliny (20): -aminokyseliny (kromě prolinu NH 2 skupina zabudována do cyklu) Amfionty obojetné ionty Postranní řetězce - vlastnosti AA skupiny AA
Hydrofobní aminokyseliny
Polární aminokyseliny
Kyselé aminokyseliny
Bazické aminokyseliny
Figure 3-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Peptidová vazba
>gi 307229470 ref ZP_07515881.1 putative Cerebroside-sulfatase [Escherichia coli TA143] MQKTLMASLIGLAVCTGNAFNPVVAAETKQPNLVIIMADDLGYGDLATYGHQIVKTPNIDRLAQEGVKFTDYYAPAPLSSPSRAG LLTGRMPFRTGIRSWIPTGKDVALGRNELTIANLLKAQGYDTAMMGKLHLNAGGDRTDQPQAKDMGFDYSLVNTAGFVTDATLD NAKERPRFGMVYPTGWLRNGQPTPRSDKMSGEYVSSEVVNWLDNKKDSKPFFLYVAFTEVHSPLASPKKYLDMYSQYMSDYQ KQHPDLFYGDWADKPWRGTGEYYANISYLDAQVGKVLDKIKAMGEEDNTIVIFTSDNGPVTREARKVYELNLAGETDGLRGRK DNLWEGGIRVPAIIKYGKHLPKGMVSDTPVYGLDWMPTLANMMNFKLPTDRTFDGESLVPVLENKALKREKPLIFGIDMPFQDD PTDEWAIRDGDWKMIIDRNNKPKYLYNLKTDRFETINQIGKNPDIEKQMYGKFLKYKADIDNDSLMKARGDK PEAVTWG
Prim. Struktura - ZÁKONITOSTI: Primární struktura je zapsána v DNA (gen). Bílkoviny jeví druhovou specifitu (sekvenční homologie). Zákon isopolárních záměn. Polymorfismus bílkovin ("isobílkoviny").
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) 1-3: jednoduché bílkoviny 4-8: složené bílkoviny
Typy nekovalentních interakcí uplatňujících se v živých systémech
Hydrofobní interakce
Sekundární struktura
Ramachandran Plot
Terciární struktura
hemoglobin
Figure 3-41 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Figure 3-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Figure 3-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
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 (peptidylprolin-cis-trans-isomerasa, proteindisulfid-isomerasa) - Potřebují bílkoviny ke svinování pomocníky?
Figure 3-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Figure 3-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Figure 3-37b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Konformace peptidového řetězce OBECNÉ ZNAKY PROSTOROVÉHO USPOŘÁDÁNÍ "ORGANISOVANÝCH" BIOPOLYMERŮ: o Nativní struktuře odpovídá minimum Gibbsovy energie, dané výhodností nekovalentních interakcí. o Nativní struktura je zakódována v kovalentní struktuře. o Prostorové uspořádání závisí na mnohočetných interakcích s okolím. o Prostorové uspořádání je jistým způsobem hierarchické. o Nativní struktura je vždy do jisté míry pohyblivá (konformační dynamické systémy). o Nativní struktura je kooperativní (náhlý denaturační přechod).
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
Enzymy = biokatalyzátory Každá (metabolická) reakce má svůj enzym
Enzymy biologické katalyzátory
Jak dosáhnouti úspěchu aneb Co musí umět enzym? účinné snížení aktivační energie specifita účinku specifita substrátová regulovatelnost účinnosti (aktivity)
Enzym = buď jednoduchá bílkovina nebo apoenzym (peptidový řetězec) + kofaktor = holoenzym kofaktor: nepeptidová součást enzymu, která se přímo účastní chemické reakce (bez něj by to nešlo), častá souvislost s vitaminy oprosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) okoenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) o"nespecifické" organické sloučeniny: - kyselina askorbová (komlex s Fe) - některé další vitaminy okovy přímo se účastnící reakce (metaloenzymy, Zn, Fe, Se, Cu...) ospecifické kovy, působící "nepřímo" (např. Mg a ATP)
Indukované přizpůsobení Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu
Regulace enzymové aktivity: o perfect enzyme??? ona úrovni transkripce a translace (synthesa enzymu) opomocí změn kovalentní struktury (řízeno specifickými enzymy) - nevratné (aktivace stìpením peptidové vazby - proenzymy) - vratné (fosforylace, adenylace...) oallosterické interakce oefektory (aktivátory a inhibitory) opřístup k substrátu (koncentrace)
AKTIVACE A INHIBICE FOSFORYLACÍ
ALOSTERICKÉ ENZYMY Zpětná vazba (P, syntéza cholesterolu) Sigmoidní závislost [v] - [S] často složeny z více podjednotek- podjednotky se vzájemně ovlivňují kooperativní efekt: vazba substrátu na podjednotku změny u ostatních podjednotek změna jejich afinity k substrátu
Alosterický aktivátor usnadňuje vazbu substrátu posun saturační křivky k nižším koncentracím substrátu saturační křivka méně sigmoidní, při vysoké koncentraci aktivátoru hyperbola Alosterický inhibitor znesnadňuje vazbu substrátu posun saturační křivky k vyšším koncentracím substrátu zesílení sigmoidního efektu
INHIBICE: - nevratná - vratná: a) substrátem b) kompetitivní (competitive) c) akompetitivní (acompetitive) d) nekompetitivní (noncompetitive) e) smíšená
Kompetitivní inhibice (př. chemoterapie)
Nekompetitivní inhibice
Suicide inhibition Ireversibilní vazba inhibitoru (kovalentní) penicilin (G+)