1 ÚVOD DO METABOLISMU BUŇKY 1. Charakterizujte základní rozdíly mezi prokaryontní a eukaryontní buňkou: Charakteristika Prokaryontní buňka Eukaryotní buňka organismy bakterie, cyanobakterie, většinou jednobuněčné prvoci, houby, rostliny, živočichové, většinou mnohobuněčné velikost buňky 1 -10 μm 10 - 20 μm oddělené jádro ne ano výskyt membránových organel ne ano charakter chromosomů kružnicová DNA lineární DNA velikost ribozomů 70S 80S přítomnost cytoskeletu ne ano buněčné dělení příčné/podélné mitóza DNA obnažená spojená s proteiny průběh syntézy proteinů v cytoplazmě v cytoplazmě a ER respirační enzymy v cytoplazmatické membráně na vnitřní mitochondriální membráně 2. Buňky určitých tkání nebo orgánů mají v lidském organismu často specializovanou funkci. Tyto biochemické procesy probíhají v těchto buňkách: Syntéza glykogenu – hepatocyty, svalové buňky Oxygenace hemoglobinu – plicní buňky Syntéza hemoglobinu – buňky dřeně nadledvin Syntéza močoviny - hepatocyty Ukládání lipidů - adipocyty Syntéza aktinu a myosinu – svalové buňky Syntéza inzulinu – β-buňky Langerhansových ostrůvků Konjugace toxických látek - hepatocyty 2 3. Kompartmentace metabolických dějů v buňce Kompartment Metabolický děj Cytoplasmatická membrána Transport iontů a malých molekul, receptory pro malé molekuly hormonů Cytoplasma Metabolismus glukosy Mitochondrie Buněčné dýchání, tvorba ATP Jádro Syntéza DNA a RNA, úprava RNA Hrubé ER Syntéza proteinů, úprava RNA Hladké ER Syntéza steroidů, detoxikační reakce Golgiho aparát Modifikace a třídění proteinů, export proteinů Lyzosom Buněčné trávení Proteasom Degradace proteinů Peroxisom Odbourávání peroxidu vodíku 4. Enzymové markery subcelulárních frakcí Na+/K+ -ATPáza – zajišťuje protisměrný primární aktivní transport Na+ a K+ (plasmatická membrána) DNA-polymerasa – katalyzuje syntézu komplementárního řetězce DNA, replikace DNA (jádro) RNA-polymerasa – katalyzuje transkripci (jádro) Glukosa-6-fosfatasa – přeměňuje (katalyzuje hydrolýzu) glukosu-6-fosfát na glukózu a fosfát (endoplazmatické retikulum) Galaktosyltransferasa - přenáší galaktózu (Golgiho aparát) Kyselá fosfatasa – štěpí kyselinu fosforečnou z jejích sloučenin v kyselém prostředí (lyzosomy) Sukcinát dehydrogenasa – katalyzuje oxidaci sukcinátu na fumarát (mitochondrie) Cytochrom-c-oxidasa – oxiduje cytochrom c (mitochondrie) Katalasa – rozkládá peroxid vodíku na kyslík a vodu (peroxisomy) Laktátdehydrogeasa – přeměna pyruvátu na laktát (cytosol) 5. Napište rovnici štěpení glukosa-6-fosfátu enzymem glukosa-6-fosfatasou. 3 6. Napište rovnici reakce katalyzované sukcinátdehydrogenasou 7. Napište rovnici reakce katalyzované enzymem lakátdehydrogenasou 8. Která sloučenina je kofaktorem v obou výše uvedených reakcích? FAD (flavinadenindinukleotid) a NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid) 9. Jaká je funkce cytochrom-c-oxidasy v buňce? Které látky jsou jejími inhibitory? Inhibitory jsou kyanid, oxid uhelnatý, sirovodík. Funkce je oxidace cytochromu c a využití energie k tvorbě protonového gradientu. 10. Kriteriem čistoty frakcím specifická aktivita enzymů, vyjádřená jako enzymová aktivita vztažená na jednotku hmotnosti proteinu v dané frakci. Jak se mění její hodnota se zvyšující se čistotou frakce? Menší enzymová aktivita = čistější frakce. 11. Nakreslete strukturu látky, která vzniká z D-glukopyranosy účinkem glukosa-6-fosfát- dehydrogenasy. Nevíme si rady 4 12. Charakterizujte usporiadanie DNA v jadre eukaryotickej bunky. V jadre eukaryotickej bunky sa nachádzajú vláknité molekuly DNA, ktoré sú asociované s histónmi do podoby chromozómov. 13. Akými úpravami prechádza mRNA po svojej syntéze? Syntéza mRNA a jej následné úpravy prebiehajú v jadre. Úpravy zahrňujú:  zostrih (splicing) RNA  vytvorenie „čapky“ , tvz. capping, na 5´konci  polyadenylácia na 3´konci 14. Akým spôsobom sa upravená mRNA dostáva z jadra do cytosolu? Upravená RNA je transportovaná von z jadra cez jadrové póry. 15. Ktoré hlavné komponenty sú obsiahnuté v bunkovej membráne?  cytoplasmatická membrána  sacharidová zložka – (glykokalyx – glykoproteíny) na povrchu bunky  proteíny - môžu sa nachádzať na povrchu lipidovej dvojvrstvy alebo ju prestupovať  fosfolipidy – tvoria lipidovú dvojvrstvu cholesterol jednotlivé zložky sú medzi sebou spojené pomocou hydrofóbnych a elektrostatických interakcií 16. Jmenujete a nakreslete konkrétní struktury 5 Lipidy, sacharidy, proteiny, cholesterol, receptory, kanály,.. 17. Jaké intermolekulární interakce se uplatňují ve vnitřní části membrán?  Hydrofóbní interakce 18. Jakou roli mohou mít proteiny obsažené v membráně?  Membránové receptory  Iontové kanály  Transportéry (transport různých látek přes membránu) Memránové proteiny se dělí na:  periferní proteiny – neprocházejí napříč celou membránou, ale jsou lokalizovány na vnitřní nebo vnější straně buněčné membrány  integrální proteiny – prostupují jednou nebo vícekrát celou fosfolipidovou dvojvrstvou 19. Co je to glykokalyx?  Sacharidy, které jsou navázány na glykoproteiny, v necytosolové straně buněčné membrány. Slouží jako „antény“ pro signální molekuly vrstvy sacharidů na povrchu buňky.  Ochranný plášť povrchu buňky tvořený oligosacharidy  Chrání povrch buňky před mechanickým a chemickým poškozením 20. Které aminokyseliny se vyskytují v intramembránové části proteinů:  Nepolární – hydrofobní/lipofilní (protože membrána je složena z fosfolipidů) 21. Který ion je hlavním kationtem ICT?  K+ Který ion je hlavním aniontem ICT?  Proteiny a fosfáty 6 22. Proč jsou proteiny počítány mezi anionty?  pH cytosolu je slabě kyselé, 7,4, a proteiny se v tomto prostředí chovají jako slabé kyseliny – odevzdávají proton a tudíž mají záporný náboj  proteiny na membránách jsou záporné a tudíž přitahují kationty (Na+ , K+ ) které pak mohou být transportovány přes buněčnou membránu 24. Které z iontů uvedených v diagramu mají pufrační účinky?  HCO3– , protein 25. V cytoplazmě probíhá glykolýza a glukoneogeneze. Namalujte hlavní meziprodukty  glyceraldehyd–3–fosfát  dihydroxyacetonfosfát  fosfoenolpyruvát  1,3–bisfoglycerát 26. Mastné kyseliny jsou při vstupu do buňky převedeny na acyl–CoA. Jaký typ vazby vzniká mezi mastnou kyselinou a Koenzymem A?  Vzniká thioesterová vazba, obecný vzorec vazby  Acetyl CoA 7 27. Co je produktem odbourávání ethanolu v cytoplazmě? Jak se nazývají příslušné enzymy?  vzniká acetaldehyd, aldehyddehydrogenázou je rozkládán na acetát,  enzymy alkoholdehydrogenáza a aldehyddehydrogenáza Mitochondrie 28. Charakterizujte strukturu mitochondrií. Jaký je rozdíl mezi oběma membránami mitochondrií? Mitochondrie jsou elipsoidní membránové organely s vlastním genetickým aparátem. Obsahují dva typy membrán: vnější a vnitřní, které vymezují dva oddělené prostory: intermembránový prostor a prostor vyplněný mitochondriální matrix, který je ohraničen vnitřní membránou. Matrix je jemně zrnitá hmota obsahující proteiny, enzymy a mitochondriální nukleové kyseliny (DNA a RNA). Vnější membrána mitochondrie je hladká a zhruba 40 % její hmotnosti tvoří lipidy. Obsahuje translokátorové proteiny – poriny – které umožňují difuzi molekul < 5 kDa, je propustná pro ionty. Vnitřní membrána je zvrásněná a vchlipuje se do vnitřního prostoru mitochondrie v podobě krist nebo tubulů. Kristální typ mitochondrií se nachází ve většině buněk lidského organismu, zatímco tubulární typ nacházíme zejména u endokrinních buněk syntetizujících steroidy. Zvrásnění membrány zvyšuje výrazně její povrch. Počet tubulů či krist závisí na metabolické aktivitě buňky. Mitochondrie s velkým počtem krist se nachází především ve vláknech kosterního svalu, v srdečních buňkách a v sekrečních buňkách slinivky. Ve stavbě membrány převažují proteiny (80 % hmotnosti); dále se na struktuře podílí lipidy (20%), transportní proteiny a proteiny dýchacího řetězce. Vnitřní membrána je volně propustná pouze pro vodu, kyslík a oxid uhličitý a obsahuje transportní proteiny, způsobující její selektivní propustnost. Obsahuje velké množství kardiolipinu, který je zodpovědný za malou propustnost pro ionty. 29. Vyskytuje se v mitochondriích DNA? Jaký je její význam? Mitochondriální DNA je kruhovitá a dvouřetězcová a je v ní zakódována informace o syntéze proteinů mitochondriálních membrán, enzymů dýchacího řetězce a porfyrinů. Díky přítomnosti proteosyntetického aparátu mohou být tyto proteiny syntetizovány přímo v mitochondriích. Většina proteinů je však kódována jadernou DNA a syntetizována v cytoplazmě, ze které jsou pak transportovány do mitochondrií. 8 30. K čemu je v mitochondriích potřebný kyslík? Napište rovnici hlavní reakce kyslíku, která probíhá v mitochondriích. Kyslík slouží jako finální akceptor elektronů v respiračním řetězci, kde reoxidují NADH + H+ na NAD+ a FADH2 na FAD. Pokud je koncentrace kyslíku nízká, klesá koncentrace NAD+ a FAD a následně se sníží i aktivita Krebsova cyklu. Molekula O2 je postupně redukována na O2- ionty, které s protony z matrix reagují za vzniku dvou molekul vody: 4 H+ + 4 e+ O2 → 2 H2O. 31. Elektrony odebrané vodíku v dýchacím řetězci jsou přenášeny systémem oxidoredukčních kofaktorů. Jaké jsou hodnoty standardních redox potenciálů těchto kofaktorů? NAD+ + H+ + 2e→ NADH ΔE°' = - 0,315 V FAD + 2H+ + 2e– → FADH2 ΔE°' = – 0,12 V 32. V mitochondriích je lokalizován citrátový cyklus. Napište rovnici první reakce tohoto cyklu. Acetylový zbytek je přenesen na oxalacetát za katalýzy enzymem citrátsyntázou. Vzniká citrát. (zdroj: http://e-chembook.eu/krebsuv-cyklus-a-dychaci-retezec) 33. Které kofaktory se účastní dehydrogenačních reakcí citrátového cyklu? Charakterizujte jejich strukturu. Dehydrogenačních reakcí se účastní kofaktory FAD a NAD+, které se redukují na FADH2 a NADH + H+. NAD – nikotinamidadenindinukleotid je koenzym skládající se z nikotinamidu, adeninu, dvou molekul ribosy a dvou fosfátů, které jsou navzájem propojeny jako nukleotidy. Přesnější označení je NAD+, protože jeho pyridinové jádro nese kladný náboj. Redukcí může přejít na NADH. NAD+ NADH 9 FAD – flavinadenindinukleotid je kofaktor, jehož struktura je tvořena riboflavinem (vit. B2) navázaným na adenosindifosfát (ADP) a cukernou složkou (ribosa). Oxidovaná forma FAD redukcí přechází na FADH2. FAD FADH2 34. Charakterizujte strukturu ATP. Jaký typ vazby je štěpen při přeměně ATP na ADP Struktura ATP: - ATP = adenosintrifosfát - nukleosidtrifosfát, makroergická sloučenina - základem pětiuhlíkatý cukr – ribóza, na 1´ uhlíku navázaný adenin (N-glykosidická vazba) a na 5´uhlíku fosfátové skupiny (fosfodiesterová vazba) - fosfátové skupiny jsou mezi sebou vázány anhydridovými vazbami Přemena ATP na ADP: - při přeměně ATP na ADP dochází k hydrolýze fosfoanhydridových vazeb 35. Syntéza ketonových látek v mitochondriích, o které sloučeniny se jedná - syntéza ketolátek = ketogeneze - probíhá v játrech -> v matrix mitochondrie - kyselina acetooctová, kyselina β-hydroxymáselná, aceton Endoplazmatické retikulum 36.Charakterizujte strukturu ER. Jaký je rozdíl mezi hladkým a drsným ER? Jedná se o membránovou organelu eukaryotické buňky. Je tvořeno soustavou cisteren a váčků. Hladké ER je tvořeno především váčky bez navázaných ribozomů (syntéza steroidů, detoxikační reakce), kdežto drsné retikulum je tvořeno cisternami a na svém povrchu nese ribozomy syntéza proteinů. 10 37. Jaká je role cytochromů P450 v ER? Účastní se desaturace mastných kyselin a hydroxylace, které probíhají na hladkém ER. 38. Jak se nazývá ER ve svalových buňkách. Který kation je zde masivně kumulován? Sarkoplazmatické retikulum, ve kterém jsou nakumulovány vápenaté ionty. 39. V ER probíhá denaturace mastných kyselin. Který typ desaturas se vyskytuje v jaterní buňce člověka? Delta^9 – desaturasa, desaturasa acyl-CoA mastných kyselin Golgiho aparát 40. Charakterizujte strukturu Golgiho aparátu. Čím se liší cis a trans část GA? Jedná se o systém cisteren a transportních váčků, které funkčně navazují na ER. Jelikož se jedná o polarizovanou molekulu, rozlišujeme na ní trans (=přijímá zde látky, hlavně proteiny, pro úpravu a roztřízení) a cis stranu (kde jsou tyto látky vydávány dále). 41.Jaká je role Golgiho aparátu v metabolismu buňky. Uveďte příklady. Dochází zde k exportu proteinů, jejich modifikaci a třídění. Peroxisomy 42. Charakterizace struktury peroxisomů: - peroxisom = organela eukaryot, účastnící se různých metabolických drah a také likvidaci pro buňku toxických látek - struktura: o ovoidní tvar o membrána – zajišťuje izolaci obsahu peroxisomu od vnitřního prostředí buňky o uvnitř peroxisomu matrix obsahující enzymy oxidující substrát a redukující O2 a H2O2 + kataláza – rozkládá peroxid na vodu a kyslík o některé v matrix krystaloid (ne však u člověka) - velikost: 0,1 – 1,2 µm (velikostně srovnatelné s lysosomy) 43. Rozklad peroxidu vodíku – reakce: 2H2O2 -> 2H2O + O2 Oxidace substrátu: RH2 + H2O2 -> R + 2H2O 44. Odbourávání ethanolu v peroxisomu jaterní buňky – reakce: 2H2O2 + ethanol (C2H6O) -> kyselina octová (C2H4O2) + 3H2O Lysozomy 45. Jaká je role lysozomů v buňce? Jak vznikají?  Buněčné trávení – lytické enzymy  Vznikají oddělením se z hladkého endoplazmatického retikula či Golgiho aparátu 46. Jaké je pH v lyzozomech?  Kyselé 5,0 – 6,0 11 47. Jaký je rozdíl mezi primárními a sekundárními lysozomy?  Primární lysozomy jsou takové, které se ještě nezúčastnily procesu trávení, neobsahují tedy zbytky organel, proteinů apod. a jejich enzymy ještě nebyly použity.  Sekundární lysozomy jsou takové, které se již zúčastnily trávení. 48. Jakým pochodem se do lysozomů dostávají makromolekulární látky? -> Fůzí s Fagosomy 49. Do které třídy převážně patří enzymy působící v lyzozomech -> Enzymy v lyzozomech spadají do třídy kyselých hydroláz (asi 50 typů), které jsou schopné rozkládat proteiny, lipidy, sacharidy i nukleové kyseliny 50. Nakreslete obecné vzorce fosfoesterové, amidové, peptidové, O- a N- glykosidové vazby 51. V tabulce doplňte, jaký typ vazeb je štěpen lyzozomálními enzymy a-Glukosidasa – α -1,4- glykosidickou vazbu mezi glukózami B-Galaktosidasa – β-1,4-glykosidickou vazbu galaktózami Hyaluronidasa – β-1,4- glykosidickou vazbu mezi kolekulami kys. hyaluronové Arylsulfatasa – sulfoesterovou vazbu Lysosym – β-1,4-glykosidovou vazbu Kathepsin – peptidovou vazbu Kolagenasa – peptidovou vazbu Elastasa – peptidovou vazbu Ribonukleaza – fosfodiesterovou vazbu mezi ribonukleotidy Lipasa – esterovou vazbu mezi glycerolem a mastnými kyselinami Fosfatasa – fosfoesterovou vazbu (odštěpuje fosfát) Ceramidasa – amidovou vazbu mezi ceramidem a mastnými kyselinami 12 Cytoskelet 52. Cytoskelet je tvořen třemi hlavními druhy vláken. Která jsou to vlákna a jak se liší svou funkcí? Vlákno Hlavní protein Hlavní funkce Mikrofibrily Kinesin Dynein Mikrotubuly – tubulin Udržování tvaru buňky, pohyb chromozomů a další subcelulárních komponent, migrace buněk… Mikrofilamenta Aktin (G-aktin a F-aktin) Buněčné dělení, endocytosa, exocytosa, udržování tvaru buňky… Intermediální filamenta Desmin (svalové buňky) Vismetin (fibroblasty) Keratin (epitelové buňky) Neurofilamenta (neurony) Funkce není zcela objasněna. 53. Která vlákna cytoskeletu jsou nejdelší? Mikrotubuly 54. Na které z vláken se váže kolchicin a jaký je jeho účinek? Kolchicin se váže na mikrotubuly a způsobuje jejich rozpad. 55. Jaká je role proteinů kinesinu a dyneinemu? Mikrofibrily jsou využívány proteiny kinesinem a dyneinem, které slouží jako buněčné motory a mohou se po vláknech posunovat (umožňují tak intracelulární pohyb). 56. Nevazebná interakce Fyzikálně chemická podstata interakce Vodíkové vazby Vodíkovou vazbu tvoří na jedné straně skupina H + silně elektronegativní prvek (například O nebo N) a na druhé straně atom s volným elektronovým párem (například opět O, F nebo N). Elektrostatické Typ interakce mezi dvěma molekulami a jejich elektrostatickými poli (3 typy interakce: nábojnáboj, náboj-dipól, dipól-dipól), kterou popisuje Coulombův zákon. Její podstatou je silné elektrostatické přitahování opačně nabitých pólů polárních molekul. Hydrofobní Tyto interakce se projevují v nepolárních částech molekul ve vodném prostředí, které mají tendenci se navzájem spojovat, a tím zmenšovat kontakt s polárními molekulami vody. Hydrofobní molekuly nemohou s vodou tvořit vodíkové můstky a ani s ní jinak interagovat. 13 57. Struktura/systém převažující typ nevazebné interakce Proteiny – sekundární vodíkové můstky Proteiny – terciální hydrofobní interakce, elektrostatické interakce Proteiny – kvartérní elektrostatické interakce DNA vodíkové můstky Fosfolipidová dvojvrstva hydrofobní interakce Enzym – substrát elektrostatické interakce Protilátka antigen elektrostatické interakce Vypracovali: BENEŠOVÁ Anna BOLELOUCKÁ Zuzana ČERNÍKOVÁ Petra EGERTOVÁ Petra HEJTMÁNEK Vojtěch HEŘMANSKÁ Barbora HROBAŘOVÁ Ivana HULKOVÁ Veronika JURSOVÁ Michaela KOKY Michal KOMLOŠOVÁ Michaela KOPECKÁ Martina LANČOVÁ Blanka NEVORALOVÁ Sabina OBROVSKÁ Michaela PETRÁŠOVÁ Gabriela POLÁKOVÁ Martina ŘÍHOVÁ Jana ŠUDOMOVÁ Kristýna VESELÝ Martin