Bioorganická chemie OCH/BIOR1

Bioorganická chemie OCH/BIOR1 ZS 2015/2016 Přednáška 1 Úvod do předmětu RNDr. Lucie Brulíková, Ph.D. brulikova@orgchem.upol.cz 1

Sylabus předmětu 1. hodina - Úvod Opakování základů molekulární biologie prokaryotická a eukaryotická buňka, buněčný cyklus. Základní přehled interakcí v živých systémech, mezimolekulární a elektrostatické interakce, induktivní, disperzní síly, donor-akceptorové interakce, vodíkové vazby, koordinační reakce, samoorganizace, samoskladba. Význam při tvorbě a deformaci struktur biomolekul. 2. hodina - Bioorganické reakce v živých systémech Shrnutí základních molekulárních procesů, typy reakcí v živých organizmech ukázka na Calvinově cyklu a porovnání s přístupy v organické chemii (tvorba C-C vazeb, reakce aldolového typu, syntéza aromatických sloučenin, oxidace/redukce, esterifikace, dekarboxylace, fosforylace ). 2

Sylabus předmětu 3.-4. hodina - Metabolismu nukleových kyselin. Cíle molekulárního zásahu do přirozeného metabolismu NK. Interkalace princip, typy molekul způsobujících interkalaci, vliv na strukturu DNA, využití. Cross-linking princip, typy molekul způsobujících CL, využití. Štěpení nukleových kyselin princip, typy molekul způsobujících štěpení NK, využití. Interakce malých molekul s NK. Principy značení nukleových kyselin, chemické reakce využívané v diagnostice. 3

Sylabus předmětu 5.-6. hodina - Metabolismu proteinů. Porovnání biosyntézy a syntézy proteinů. Molekulární zásah do metabolismu aminokyselin a proteinů. Interakce vedoucí ke změně struktury proteinů. Fungování aktivních látek na bázi peptidomimetik, cyklických peptidů a nepřírodních aminokyselin. Principy značení proteinů, chemické reakce vedoucí ke konjugátům, mechanismus jejich účinku. Využití enzymů v organické syntéze, enzymové inženýrství. Látky inhibující enzymové reakce syntéza a mechanismus účinku významných inhibitorů proteosyntézy, nukleosyntézy, strategie syntézy analog koenzymů. 4

7.-8. hodina - Metabolismu cukrů. Sylabus předmětu Molekulární zásah do metabolismu cukrů využití v terapii. Tvorba konjugátů význam v metabolismu xenobiotik. Významné oligosacharidy, polysacharidy, cyklodextriny stavba, principy fungování v oblasti experimentální medicíny. 5

Sylabus předmětu 9.-10. hodina - Metabolismu lipidů. Molekulární zásah do metabolismu lipidů využití v terapii, liposomy a imunoliposomy molekulární stavba, principy fungování v oblasti experimentální medicíny. Látky působící na buněčnou membránu, buněčný transport biosyntéza buněčné membrány, molekulární podstata buněčného transportu, látky ovlivňující buněčný transport mechanismus tvorby kanálků (amfotericin), organické sloučeniny jako nosiče (kryptandy, crown-ethery, apod.), látky narušující strukturu a funkci buněčné membrány. 6

Sylabus předmětu 11.-12. hodina - Molekulární zařízení, supramolekulární chemie, nanočástice. Význam supramolekulární chemie ve výzkumu léčiv příprava, struktura a funkce cyklodextrinů, fullerenů, calixarenů, supramolekulární chemie dendrimerů a jejich využití v medicíně. Fotochemické senzory, molecular beacons, fluorescentní značky, katechany a rotaxany, supramolekulární systémy. Molekulární dráty, pinzety principy fungování a možnosti využití. Modifikované nanočástice, chemické metody přípravy, stabilita, biodegradace, interakce s biomolekulami, využití nančástic v cíleném transportu. 7

Bioorganická chemie je spojena se studiem organických molekul v buněčných systémech a zkoumáním reakcí, které v nich probíhají. 8

Něco málo z buněčné biologie Prokaryotická buňka charakteristický typ pro bakterie a archea o řád menší než buňka eukaryotická, vyznačuje se také jednodušší organizací vždy jednobuněčné organismy, netvoří tedy tkáně https://cs.wikipedia.org/wiki/prokaryotick%c3%a1_bu%c5%88ka 9

Něco málo z buněčné biologie Prokaryotická buňka tři klíčové charakteristiky prokaryotických buněk: organizace nukleoidu (bakteriální obdoby jádra) nukleoid není oddělen od okolní cytoplazmy membránou, skládá se jen z jedné velké molekuly DNA, na níž nejsou histony ani jiné bazické bílkoviny, je haploidní nepřítomnost organel v prokaryotické buňce nejsou mitochondrie, plastidy, endoplazmatické retikulum ani jiná organela s membránou vlastnosti ribozomů ribozomy prokaryot se od eukaryot liší svou hmotností i velikostí 10

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka 1 jadérko; 2 jádro; 3- ribozom; 4 vezikul; 5 - drsné endoplazmatické retikulum; 6 - Golgiho aparát; 7 cytoskelet; 8 - hladké endoplazmatické retikulum; 9 mitochondrie; 10 vakuola; 11 cytosol; 12 lysozom; 13 - centriola 11

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka 12

Něco málo z buněčné biologie 13

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka plazmatická membrána Plazmatická membrána odděluje vnitřní prostředí buňky od okolí. Jejím základem je dvojvrstva molekul, které jsou na jednom konci hydrofobní a na druhém hydrofilní. Hydrofilní konce se tak natáčejí směrem do vodného roztoku jak uvnitř, tak vně buňky. Hydrofobní konce se natáčejí k sobě navzájem. Podobnou dvojvrstvu můžeme pozorovat například u mýdlové bubliny, kdy hydrofilní konce snižují povrchové napětí tenké kulové vrstvy vody a hydrofobní jsou orientovány na jedné straně do nitra a na druhé vně z bubliny. Oddělené prostory jsou jistě důležité v případě, kdy dochází k soupeření o zdroje. 14

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka plazmatická membrána Zdroj: Encyclopaedia Britannica. 15

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka plazmatická membrána 16

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka mitochondrie Jsou malé elektrárny buňky, obsahující energetické systémy, které produkují energii uloženou do makroergních vazeb ve formě ATP, vznikající oxidací živin molekulárním kyslíkem. Buňka jich obsahuje několik set až tisíc ve velikosti řádově v µm. Tvoří je dvě fosfolipidové membrány - vnější a vnitřní Vnější fosfolipidová membrána pórovitá, propustná pro většinu látek s molekulovou hmotností nepřesahující cca 5000Da, obsahuje Tom komplex, který přenáší proteiny z cytoplasmy do intermembránového prostoru; obsahuje enzymy, které jsou součástí metabolismu mastných kyselin a fosfolipidů Vnitřní fosfolipidová membrána velká zvlněna plocha (kristy); propouští molekuly selektivně, ionty nedifundují, obsahuje kardiolipin (z fosfátové hlavy vychází 4 mastné kys.); enzymy dýchacího řetězce, včetně ATP syntézy a ANT (vynáší ATP ven do buňky); obsahuje Tim komplex, který umožňuje přenos bílkovin 17

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka mitochondrie Uvnitř mitochondrie matrix obsahuje enzymy Krebsova cyklu, různé nukleotidové koenzymy, anorganické ionty, mitochondriální DNA, příslušnou RNA a mitochondriální ribozomy. mezimembránový prostor, kde je cytochrom c a různé kinázy Na mitochondriích probíhají různé enzymatické procesy: buněčné dýchání (vyjma glykolýzy) - rozklad různých organických látek, čímž se získává energie potřebná pro syntézu adenosintrifosfátu (ATP) z ADP. Výchozí látkou jsou zejména pyruvát a mastné kyseliny, obě látky v mitochondriální matrix prochází reakcemi, při nichž vzniká acetylkoenzy A (pyruvát prochází dekarboxylací, mastné kyseliny beta-oxidací. Acetylkoenzym A následně vstupuje do Krebsova cyklu, což je série reakcí, které umožňují redukci koenzymů NAD + na NADH a FAD na FADH 2. 18

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka mitochondrie Elektrony z těchto koenzymů jsou předávány do dýchacího řetězce, jenž je umístěn na vnitřní membráně mitochondrie. Dýchací řetězec přenáší do mezimembránového prostoru vodíkové kationty (H +, čímž vzniká v prostoru mezi membránami kyselé ph. Toto ph má tendenci se vyrovnávat, a tak prochází otvorem v enzymu ATP syntáze zpět dovnitř buňky. Průchodem H + však tento enzym vytváří ATP, jež je kýženým produktem celého sledu reakcí. Figure 1-13a Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008) 19

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka Mitochondrie 20

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka Mitochondrie Figure 1-33 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008) 21

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka jádro 22

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka jádro organela eukaryotických buněk, v níž je uložena většina genetického materiálu (DNA) buňky. Je to vlastně váček obalený dvěma buněčnými membránami, který má v průměru 5 10 mikrometrů. Uvnitř se nachází chromatin - DNA a různé přidružené bílkoviny, ale i další struktury (např. jadérko), kde probíhají různé enzymatické procesy související s DNA a RNA. Jádro se vyskytuje v buňkách všech eukaryot (s několika drobnými výjimkami např. lidská červená krvinka), tedy u všech rostlin, živočichů, hub nebo např. u prvoků. Někdy jich je dokonce v buňce více než jedno. O způsobu vzniku jádra existuje několik hypotéz a stále v tom není jasno. Mimo to, že jádro obsahuje DNA, má důležitou roli jako bariéra mezi místem transkripce (přepis DNA do RNA) a translace (z RNA do bílkovin). 23

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka jádro Jádro je ohraničeno dvojitým jaderným obalem ( jadernou membránou ), v němž se nacházejí póry tvořené speciálními bílkovinami, které mají usnadnit a řídit transport specifických makromolekul, např. RNA. Z důvodu transportu mrna k ribozómům a posttranslační úpravy bílkovin je jádro napojeno na drsné endoplazmatické retikulum. Obal jádra sestává ze dvou membrán a vrstvy mezi nimi: vnitřní membrána (na kterou se váže chromatin) a vnější membrána připomíná membránu hrubého ER a stejně jako ona nese navázané ribozomy. Mezimembránový prostor V jaderné membráně se nachází tzv. jaderné póry, které umožňují transport látek přes membránu. Většinu vnitřního prostoru jádra vyplňuje tzv. chromatin, tedy vlastně DNA a asociované bílkoviny (jako jsou třeba histony). 24

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka chromozomy Jaderná DNA je tvořena několika lineárními řetězci, které se označují jako chromozomy. Zdravý člověk má v každé tělní buňce 46 takových lineárních molekul, jejichž celková délka je asi jeden metr. Nejedná se však obvykle o náhodný spletenec, nýbrž o vysoce organizovaný komplex DNA a bílkovin. Na nejnižší úrovni vznikají z DNA a histonů tzv. nukleozomy, na vyšších úrovních nacházíme další typy organizace DNA. Kódující části chromatinu se nazývají euchromatin a bývají poněkud volněji smotané než heterochromatin, který tvoří nekódující DNA. 25

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka chromozomy Jednotlivé chromozomy jsou obvykle pozorovány v M-fázi (při mitóze), kdy se buňka připravuje na dělení a jednotlivé chromozomy získávají svůj typický tvar (dvě chromatidy spojené v centromeře). V této době totiž je DNA tak hustě kondenzována, že jsou chromozomy viditelné i pod světelným mikroskopem. Většinu doby jsou však buňky v interfázi (období mezi děleními), kdy se chromozomy naopak rozmotávají, aby mohly být správně využívány pro běžnou činnost buňky. Je však zajímavé, že i v této době si udržují chromozomy svůj prostor a příliš se navzájem nesplétají. Každá taková komůrka se označuje chromozomální teritorium. 26

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka chromozomy 27

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka chromozomy 28

Něco málo z buněčné biologie Eukaryotická buňka ribozomy Jsou granulární organely o velikosti v průměru 20 nm, které jsou důležitým místem proteosyntézy. Tento proces v nich probíhá, když jsou napojeny a posunují se po mrna, která je předpisem pro tento děj. Je-li jich napojeno více na jednom vlákně, vznikají tzv. polyribozomy nebo-li polyzomy. 29

Něco málo z buněčné biologie Figure 1-10a Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008) A ribosome at work. The diagram shows how a ribosome moves along an mrna molecule, capturing trna molecules that match the codons in the mrna and using them to join amino acids into a protein chain. The mrna specifies the sequence of amino acids. 30

Něco málo z buněčné biologie Prokaryotická buňka ukázka bakteriálního ribozomu The threedimensional structure of a bacterial ribosome (pale green and blue), moving along an mrna molecule (orange beads), with three trna molecules (yellow, green, and pink) at different stages in their process of capture and release. The ribosome is a giant assembly of more than 50 individual protein and RNA molecules. (B, courtesy of Joachim Frank, Yanhong Li and Rajendra Agarwal.) Figure 1-10b Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008) 31

Něco málo z buněčné biologie 32

Buněčný cyklus 33

Buněčný cyklus..\kbch\videa\cell Division and the Cell Cycle.mp4 Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.3-plant_cell_division.mov Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.4-animal_cell_division.mov 34

Buněčný cyklus G2-fáze - 2. přípravná - závislá na dokončení replikace DNA v S fázi -Jedná se o 2. generační fázi (premitotickou), při níž dochází ke zvýšené syntéze a aktivaci proteinů (ke kondenzaci chromozomů, ke tvorbě mitotického aparátu a destrukci jaderného obalu), končí zahájením mitózy Mitóza - jaderné dělení, poslední etapa buněčného cyklu - chromozomy reduplikované do konce S fáze jsou ohraničeny, sesterské chromatidy odděleny a přemístěny k protilehlým pólům buňky (vlastní mitóza) - dceřiné buňky obdrží 2 kompletní sady chromosomů a shodnou výbavu cytoplazmatických organel 35

Buněčný cyklus - základní stadia mitotického dělení u živočišných buněk Profáze - počáteční stádium mitózy, dochází ke kondenzaci chromatinu, zaniká jadérko místo, kde během interfáze dochází k mohutné transkripci ribozomální RNA, vzniká dělící vřeténko. Každý chromozom se nyní skládá ze dvou identických molekul DNA (chromatid) spojených v místě centromery. Prometafáze - zaniká jaderná membrána a kondenzované chromozomy se nyní nacházejí v cytoplazmě, zápětí přicházejí chromozomy do kontaktu s mikrotubuly dělícího vřeténka, na něž se svými kinetochory připojí. Za pomoci molekulárních motorů začínají chromozomy postupovat směrem k ekvatoriální rovině buňky Metafáze chromosomy se přesunují ke středu vřeténka do tzv. ekvatoriální roviny. Pohyb chromozomů po mikrotubulech dělícího vřeténka je zprotředkován kinetochory, proteinovými komplexy nacházejícími se v oblasti centromery každého z chromozomů. 36

Buněčný cyklus - základní stadia mitotického dělení u živočišných buněk Anafáze sesterské chromatidy se od sebe oddělí po mikrotubulech dělícího vřeténka k opačným pólům, zároveň se od sebe tyto póly (zpravidla tvořené centrozomy) vzdalují, jak se vůči sobě posouvají polární mikrotubuly z opačných pólů vřeténka Telofáze chromatidy se přesunou k opačným pólům vřeténka, kde dekondenzují, výsledkem je vznik dvou dceřiných buněčných jader a oddělení cytoplazmy, dochází k obnově jadérka, chromatinu a jaderného obalu. V ekvatoriální rovině se zatím tvoří konstrikční rýha pro rozdělení cytoplasmy a organel. 37

Buněčný cyklus - základní stadia mitotického dělení u živočišných buněk Cytokineze - dochází k postupnému zaškrcení rýhy mezi 2 dceřinými buňkami, proběhne rekonstrukce buněčného jádra a cytoplazmy obou buněk do interfázové podoby, je rekonstruován i jaderný obal a napojení jeho zevní membrány na ER, chromosomy jsou ve svých euchromatinových úsecích rozvolněny a využity k transkripci, jadérko je obnoveno a tím jsou zahájeny procesy G1 fáze..\kbch\videa\mitosis.mp4 38

Buněčný cyklus - základní stadia mitotického dělení u živočišných buněk 39

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mikrotubuly jsou jedny z vláken cytoskeletu, která slouží především k transportu různých struktur a látek uvnitř buňky umožňují pohyb chromosomů při buněčné mitóze dlouhé rovné válcovité struktury o průměru 180-250 Å mikrotubuly jsou rozloženy po celé buňce a jsou víceméně zodpovědné za rozmístění organel po rozvolnění jaderné membrány v prometafázi vnikají mikrotubuly do prostoru jádra a prostřednictvím motorických proteinů (kinesin a dynein) vážou chromosomy, které pak transportují do ekvatoriální roviny vřeténka a k jeho pólům Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.7-kinesin.mov 40

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mikrotubuly Figure 17-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 41

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mikrotubuly Mikrotubuly mají dvě vazebná místa pro GTP nebo GDP a na tom, zda v těchto místech je GDP nebo GTP, závisí jejich stabilita. V případě, že je tam navázáno GTP, jsou stabilnější a proces depolymerizace je pomalejší než proces polymerizace, mikrotubuly tedy rostou. V případě, že je tam navázán GDP, depolymerizace převáží a mikrotubuly se zkracují. Samotná polymerizace tubulinu do mikrotubulů probíhá na úkor štěpení GTP. podél osy jsou rozloženy subjednotky proteinu tubulinu uměle můžeme způsobit jejich rozpad alkaloidem kolchicinem (z ocúnu) a stabilizovat jejich polymeraci můžeme alkaloidem taxolem (který se získává z tisu) oba tyto alkaloidy inhibují mitózu! 42

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Tubulin kyselý protein s GTPasovou aktivitou uspořádán do dimerových jednotek složených z α-tubulinu a β- tubulinu každá molekula alfa i beta-tubulinu obsahuje vazebné místo pro GTP, jehož štěpením se uvolňuje energie - vazba je silně ovlivněna Ca 2+ a Mg 2+ v jejich blízkosti jsou vazebná místa charakterizovaná vazbou kolchicinu nebo vinca alkaloidů polymerizace tubulinu probíhá na úkor štěpení GTP --- GDP při nedostatku GTP se váže jen vzniklý GDP, vazba je výrazně slabší, proto dochází k depolymerizaci dynamická nestabilita dimery tubulinů spolu tvoří dlouhé řetězce, v nichž na sebe navazují vždy alfa-tubulin na beta-tubulin nikdy se dimery na sebe nemohou navázat souhlasnými typy tubulinů jeden řetězec se nazývá protofilament Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.1-mt_instability.mov 43

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly 44

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly 45

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Schematické znázornění struktury mikrotubulu Tubulinové dimery jsou seřazeny do 13 protofilament, která jsou vzájemně posunuta o 9 nm a vytváří tak levotočivou šroubovici. Nahoře je tzv. plus-konec mikrotubulu, na němž polymerace tubulinu probíhá rychleji (vystavuje β- podjednotku tubulinu s E-vazebným místem pro nukleotid) K polymeraci (přidávání) a disociaci (odebírání) dimerů bude docházet jen na koncích mikrotubulu. Ten konec mikrotubulu, který je zakončen betatubulinem, má schopnost růstu a proto se nazývá plus konec. Naopak mínus konec bude zakončen alfa-tubulinem a bude tam docházet k disociaci. Mikrotubulus má průměr 25 nm. 46

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Dynamická nestabilita Polymerace a disociace neprobíhá najednou, ale samostatně závisí to na existenci tzv. GTP čepičky, která je posazená na plusovém konci mikrotubulu jedná se o připojené beta-tubuliny, které na sobě mají navázané GTP později, až odroste tato nově navázaná část blíže ke středu mikrotubulu, tak se GTP rozštěpí na GDP a tento beta-tubulin s GDP, již nebude patřit do GTP čepičky GTP způsobuje to, že mikrotubul roste rovně, GDP má tendenci se ohýbat když nastane situace, že se přestanou polymerovat beta-tubuliny s GTP do GTP čepičky, dojde k disociaci mikrotubulu na mínusovém konci 47

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly V rámci mitózy fungují mikrotubuly následujícím způsobem: po rozvolnění jaderné membrány mikrotubuly narostou od pólů buňky k jednotlivým chromozómům, připojí se k jejich centrálním částem pomocí motorových proteinů (kinesin a dinein) a transportují je do rovníkové oblasti buňky ke každé kopii chromozómu je připojen mikrotubul z opačné strany buňky mikrotubuly připojené k centromerám se začnou zkracovat, motorové proteiny po nich posouvají chromatidy každou k jinému pólu buňky v každé polovině dělící se buňky tak zůstane jeden kompletní set chromozomů. Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.7-kinesin.mov 48

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mitotické vřeténko při metafázi: Při metafázi se chromozómy seřadí v rovníkové oblasti dělícího vřeténka. Z centrozomů, které jsou umístěné na pólech vřeténka, vyrostou mikrotubuly směrem k chromozómům a obě sesterské chromatidy každého chromozómu se připojí k těmto mikrotubulům (zelené) prostřednictvím svých kinetochorů. Kromě těchto mikrotubulů jsou v dělícím vřeténku přítomné dva další typy mikrotubulů polární mikrotubuly (červené), které vybíhají z obou centrozomů a v ekvatoriální oblasti se překrývají a astrální mikrotubuly (modré), které rostou z centrozomů směrem k okraji buňky. Všechny tři typy mikrotubulů mají (-) konec u centrozomů a (+) konec směrem od centrozomů. Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.7-mitotic_spindle.mov 49

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mitotické vřeténko při metafázi: 50

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mitotické vřeténko při anafázi: Při anafázi se oddělí sesterské chromatidy a pohybují se směrem k pólům buňky. Děje se tak prostřednicvím mikrotubulů připojených ke kinetochorům. Tyto mikrotubuly se zkracují na svých (+) koncích a současně motorové proteiny připojené ke kinetochorům posouvají chromatidy podél zkracujícího se vlákna směrem k (-) konci, sesterské chromatidy tak zůstávají připojeny ke zkracujícím se mikrotubulům. 51

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly Mitotické vřeténko při anafázi: 52

Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly v blízkosti vazebných míst pro GTP jsou vazebná místa charakterizovaná vazbou kolchicinu nebo vinca alkaloidů charakteristika je náhodná, v systému přirozené polymerizace tubulinu nehraje žádnou roli všechny látky, které se mohou vázat do těchto center, však silně narušují tvorbu komplexu s GTP a bráni tak polymerizaci tubulinu proto dochází k jeho spontánní depolymerizaci, zastavuje se pohyb motorických proteinů, zprotředkovaný mikrotubuly (včetně pohybu chromosomů), a tím se zastaví i buněčná mitóza látky narušující polymerizaci tubulinu mají proto obecně antineoplastický účinek a mnohé z nich se používají v terapii nádorů a malignit hemopoietického systému 53

Buněčný cyklus - meióza Meióza jaderné, resp. buněčné dělení, během kterého dochází k produkci buněk se zredukovaným počtem chromozómů (2n 1n) základní proces umožňující pohlavní rozmnožování počet chromozomů (resp. chromozomových sad) dceřiných jader je redukován na polovinu původního množství geny dceřiných jader nemusí být kvalitativně stejné, jsou mezi ně totiž rozděleny homologické chromozomové sady (vytvořené náhodnou segregací homologických chromozomů) a nikoli identické kopie DNA 54

Buněčný cyklus meióza vs mitóza 55

Buněčný cyklus Regulace buněčného cyklu Kontrolní uzly Během buněčného cyklu existuje několik kontrolních bodů, kdy buňka zjišťuje připravenost na další fázi buněčného cyklu a pokud zjistí, že připravena není, pak přechod zablokuje, případně zahájí apoptózu. Prvním kontrolním uzlem je přechod G 1 /S. Pokud jsou vnější podmínky nepříznivé pro dělení a nebo existuje poškození buňky, zablokuje se přechod z G 1 do S fáze. Druhým kontrolním uzlem je přechod G 2 /M. Zde se buněčný cyklus zastaví v případě poškození DNA. Buňky zůstanou v G2 fázi, dokud není DNA plně replikovaná, případně pokud je jinak poškozená. Třetím kontrolním uzlem je přechod M/G 1. Buněčný cyklus se zastaví při přechodu z metafáze do anafáze, pokud nejsou chromozómy dokonale připojené k dělícímu vřeténku. 56

Buněčný cyklus Figure 17-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 57

Buněčný cyklus Regulace buněčného cyklu Existují dva typy molekul, které hrají zásadní roli při regulaci buněčného cyklu - cykliny a cyklin dependentní kinázy (CDK) CDK jsou v buňce přítomné neustále, ale jsou neaktivní v přítomnosti cyklinů se aktivují a začnou fosforylovat (a tím aktivovat nebo deaktivovat) cílové proteiny, které buňku navedou do další fáze buněčného cyklu G1/S cykliny, S-cykliny, M-cykliny aktivací různých CDK se ovlivní různé proteiny tak, jak buňka postupuje fázemi buněčného cyklu jedná se o kaskádovitý děj - po obdržení extracelulárního promitotického signálu se aktivuje G 1 cyklin-cdk a připraví buňku na přechod do S fáze. Zahájí syntézu transkripčních faktorů, které jsou nutné pro expresi S cyklinů a enzymů potřebných pro replikaci DNA. Také způsobí degradaci molekul, které inhibují přechod buňky do S fáze 58

Buněčný cyklus Regulace buněčného cyklu aktivní S cyklin-cdk fosforylují proteiny prereplikačních komplexů a tím je jednak aktivují a jednak zabrání vzniku nových prereplikačních komplexů důvodem je, aby jich bylo správné množství a celý genetický materiál byl zkopírován právě jednou aktivací dalších cyklin-cdk a proteinů dojde k přechodu do G 2 fáze během S a G 2 fáze se syntetizují neaktivní mitotické cyklin-cdk, ty se aktivují na přechodu do M fáze 60

Buněčný cyklus Regulace buněčného cyklu Narušení cyklu buněčného dělení nádorových buněk nebo transformovaných buněk hemopoetického systému je cílem antineoplastické chemoterapie. 63

Buněčná smrt 64

Buněčná smrt Apoptóza: organizovaná, programovaná, přísně regulovaná buněčná sebevražda bez patologických důsledků pro okolní tkáň. K tomu je nutné dodání energie. Týká se jednotlivých buněk, nezasahuje okolní buňky, nevyvolává zánět. Klíčovými enzymy jsou kaspázy (proteázy štěpící jiné proteiny i sebe samotné, jejich štěpení je signálem pro apoptózu). K aktivaci apoptózy dochází buď vnější cestou jako odpověď na vnější signál nebo vnitřní cestou (iniciační signál se tvoří uvnitř buňky) Nekróza: nekontrolovaná, neregulovaná smrt buněk a tkání v živém organismu z různých příčin (fyzikální faktory, hypoxie, ischemie, toxiny, infekce, volné radikály atd.). Projevuje se nabobtnáním buňky a organel, dezintegrací jádra, ztrátou asymetrie i integrity buněčné membrány, lýzou buňky, vylitím cytosolu do mezibuněčného prostoru. Postihuje skupiny buněk, celé tkáně až orgány a v daném místě spouští zánět. 65

Molekulární interakce v biologických systémech 66

Molekulární interakce v biologických systémech 67

Molekulární interakce v biologických systémech Ve vodném prostředí (buňka) jsou kovalentní vazby 10-100 krát silnější než jiné přitažlivé síly mezi atomy, avšak nejvíce se uplatňují slabé nevazebné interakce. Tabulka popisuje sílu těchto vazeb ve vakuu a ve vodě, tedy v přirozeném prostředí buněk. Table 2-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 68

Nekovalentní interakce v živých systémech Vodíkové vazby Hydrofobní interakce Van der Waalsovy interakce Interakce π-π Elektrostatické interakce 69

Nekovalentní interakce v živých systémech Vodíkové vazby - vzniká u sloučenin, které obsahují atomy vodíku kovalentně vázané na atom o vysoké elektronegativitě (F, O, N) Figure 2-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 70

Nekovalentní interakce v živých systémech Vodíkové vazby - příklad v biologickém systému Figure 4-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 71

Nekovalentní interakce v živých systémech van der Waalsovy interakce - přitažlivé nebo odpudivé interakce (síly) mezi molekulami. - jsou slabší než kovalentní, koordinačně kovalentní síly a vodíkové můstky - vznikají převážně v nepolárních molekulách, které neobsahují stálé dipóly, jejich vazby nejsou polarizované 72

Nekovalentní interakce v živých systémech van der Waalsovy interakce -př. Van der Waalsovy ineterakce v proteinech 73

Nekovalentní interakce v živých systémech Elektrostatické interakce - přitažlivé (atraktivní) nebo odpudivé nekovalentní interakce nábojů nebo permanentních dipólů - řídí se Coulombovým zákonem (proto též Coulombické interakce) - jejich energie závisí na velikosti nábojů a permitivitě prostředí - ve srovnání s ostatními nekovalentními interakcemi mají daleký dosah - hrají významnou roli zejména při interakci nukleových kyselin, které nesou při fysiologickém ph záporný náboj, s bazickými proteiny, ale i při vazbě nabitých substrátů do vazebného místa enzymu či při interakcích nabitých polárních hlavic fosfolipidů - energeticky výhodná elektrostatická interakce nabitých skupin (např. postranních řetězců aminokyselin Glu, Asp, Lys a Arg) s dipóly vody je příčinou jejich hydrofilní povahy 74

Nekovalentní interakce v živých systémech Elektrostatické interakce - Př.: voda - zásadním způsobem ovlivňuje elektrostatické interakce. - Dipóly se orientují v nabitým částicím a redukují tak afinitu opačně nabitých částic. Figure 2-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 75

Nekovalentní interakce v živých systémech Hydrofobní interakce - shlukováním hydrofóbních (s vodou neinteragujících) skupin se získají nové interakce mezi molekulami vody (kapičky oleje ve vodě se spojí, tím se zmenší jejich celkový povrch) - podobně se chovají hydrofóbní části proteinů (aminokyseliny s nepolárními postranními řetězci se orientují dovnitř prostorové struktury bílkoviny) - v DNA metylové skupiny thyminu a 5-metyl cytosinu 76

Nekovalentní interakce v živých systémech Interakce - - pí stacking ( - stacking) - nekovalentní interakce mezi paralelně orientovanými páry bází - důležité síly v DNA, proteinech - interakce s jinými molekulami (interkalátory, zbytky aromatických aminokyselin při interakcích DNAprotein) 77

Nekovalentní interakce v živých systémech H- vazby a) N-H/ interaction in the bovine pancreatic trypsin inhibitor (PDB code: 4PTI) b) O-H/ interaction in the complex of glutathione transferase with glutathione (GSH; PDB code: 6GST). 78

Nekovalentní interakce v živých systémech kationt- interakce Alternating cationic (Arg, Lys) and aromatic (Tyr, Phe, Trp) amino acid residues shown by X-ray crystallography (2.8 Å) within the human growth hormone receptor (hghr) extracellular domain (PDB code: 3HHR). 79

Nekovalentní interakce v živých systémech komplexy s ionty kovů - př. aktivní místo alkoholdehydrogenasy 80

Complexes with metal cations Active site of alcohol dehydrogenase Binding site of Mg endonuclease

Nekovalentní interakce v živých systémech Interakce v proteinech 82

Nekovalentní interakce v živých systémech Ukázka nekovalentních interakcí spojujících dvě makromolekuly. Figure 2-16 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Chemické složení buněk Table 2-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 84

Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-17 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 85

Sacharidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-18 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 86

Sacharidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-19 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 87

Lipidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-21 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 88

Lipidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-22 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 89

Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Aminokyseliny Figure 2-23 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 90

Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Aminokyseliny Figure 2-24 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 91

Nukleotidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-26 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 92

Nukleotidy Buňky jsou tvořeny 4 základními stavebními kameny Figure 2-27 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 93

Buňky jsou tvořeny zejména makromolekulami Figure 2-29 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 94

Buňky jsou tvořeny zejména makromolekulami Figure 2-32 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 95

Buněčný metabolismus a enzymy 96

Buněčný metabolismus a enzymy Figure 2-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 97

Jak buňka získá energii? - Energie je uchovávána ve formě chemických vazeb organických molekul rostliny i zvířata tuto energii získávají oxidací - respirace Figure 2-41 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 98

Enzymy - Snižují energetické bariéry, které blokují chemické reakce Figure 2-44 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 99

Enzymy - analogie Figure 2-46a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 100

Enzymy - analogie Figure 2-46b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 101

Enzymy Figure 2-47 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 102

Přenašeče energie - energie, která je uvolněna oxidačními procesy musí být dočasně uchována než je využita v dalších procesech - ve většině případů je uchovávána ve formě chemických vazeb tzv. přenašečů, které obsahují jednu nebo více energeticky bohatých kovalentních vazeb - př.: ATP, NADH, NADPH, acetylcoa Figure 2-55 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 103

Přenašeče energie Table 2-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 104

Přenašeče energie Figure 2-57 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 105

Přenašeče energie Příklad energeticky nepříznivé biosyntetické reakce poháněné hydrolýzou ATP. Figure 2-59a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 107

Elektronové přenašeče Figure 2-60a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 108

Elektronové přenašeče Figure 2-60b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 109

Elektronové přenašeče Figure 2-61 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 110

Přenašeče energie využití v syntéze Figure 2-65 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 112

Přenašeče energie využití v syntéze Figure 2-67 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 113

Glykolýza Jak buňky získávají energii z jídla Figure 2-70 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 114

Glykolýza Jak buňky získávají energii z jídla Figure 2-72b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 115

Fosfátové vazby mají rozdílné energie Figure 2-74 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 116

Jak se tvoří ATP Figure 2-76 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 117

Jak buňky získávají energii z jídla z mastných kyselin Figure 2-78 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 118

Jak buňky získávají energii z jídla citrátový cyklus Figure 2-81b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 119

Jak buňky získávají energii z jídla citrátový cyklus Figure 2-82 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 120

Prekurzory pro syntézu dalších látek Figure 2-84 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) 121