BIOLOGICKÉ VĚDY ÚVOD ZÁKLADY MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE DOPORUČENÁ LITERATURA Jan Šmarda BIOLOGIE PRO PSYCHOLOGY A PEDAGOGY Jan Šmarda ZÁKLADY BIOLOGIE A ANATOMIE PRO STUDUJÍCÍ PSYCHOLOGIE Zdeněk Wilhelm a kolektiv STRUČNÝ PŘEHLED FYZIOLOGIE ČLOVĚKA PRO BAKALÁŘSKÉ STUDJNÍ PROGRAMY Oldřiich Nečas BIOLOGIE Stanislav Rosypal PŘEHLED BIOLOGIE Stefan Silbernagl, Agamemnon Despopulos ATLAS FYZIOLOGIE ČLOVĚKA ŽIVOT A JEHO CHRAKTERISTIKA - život je vázán na hmotu a mimo ní neexistuje - substancí života je živá hmota - Živá hmota se charakteristicky odlišuje od neživé Charakteristika živých soustav • specifické chemické složení • vysoce organizované, strukturálně složité a hierarchicky uspořádané • při jednotném stavebním plánu má nesmírnou variabilitu • prostorově ohraničené systémy {systém otevřený x systém uzavřený) • schopnost autoreprodukce, dědičnosti a vývoje • schopnost autoregulace • chemický a energetický metabolismus MOLEKULÁRNI BIOLOGIE - studuje struktury a interakcí biomakromolekul a jejich vztah k funkcím a vlastnostem živých soustav - studuje vztah mezi fyzikálně-chemickou a biologickou úrovni Molekulární genetika součást molekulární biologie zabývající se funkcí informačních makromolekul CHEMICKÉ SLOŽENI Biogenní prvky Makrobiosenní prvky - organická forma (C, H, O, N, S, P) - anorganická forma (K, Na, Cl, Ca, Mg, Fe, P) Oligobiogenníprvky (Cu, Zn, Co, Se...) Voda tvoří většinu hmoty živých soustav 4^Ä H-ii tvoří hydratační obal H h ©, M molekula se chová jako elektrický dipól W • schopnost tvořit vodíkové můstky p»yH-ci h * O-H H CHEMICKÉ SLOŽENI Nízkomolekulární organické látky Polární látky - sacharidy - organické kyseliny - aminokyseliny - nukleotidy Nepolární látky - uhlovodíky (karoten, steroidy) - vyšší mastné kyseliny - fosfolipidy CHEMICKÉ SLOŽENÍ Vysokomolekulárni organické látky {biologické makromolekuly) vznikaj í kondenzací z látek nízkomolekulárních POLYSACHARIDY ------NUKLEOVÉ KYSELINY----- -------------BÍLKOVINY-------------- ' * informační makromolekuly * ' NUKLEOVÉ KYSELINY Dusíkaté báze guanin adenin NHS NH 2 H H CH.OH Cukry ^ deoxyribóza \__/ CHaOH QH ríbóza Nukleotid n o—p—o o- OH OH tymin o cytozin uracil NH, O CH: H H O Fosfát o*4- p 1 o- Nukleozid NHa N RNA: kyselina ribonukleová - fosfát + ribóza + (G+C+A+U) DNA: kyselina deoxyribonukleová - fosfát + deoxyribóza + (G+C+A+T) E^ N^o NUKLEOVÉ KYSELINY Primární struktura: zastoupení a pořadí nukleotidů Sekundární struktura: pravotočivá, antiparalelní dvoj šroubovice Terciální struktura: nadšroubovice -superhelix BÍLKOVINY Primární struktura: - zastoupení jednotlivých druhů aminokyselin a jejich pořadí - aminokyseliny j sou pospojovány peptidickou vazbou \-í-<ŕ + NN-C-cf -*—►Ni-i-B-N-C-c' OH H I H peptidová vazba - každý peptidový řetězec je na jedné straně zakončen -NH2 skupinou (N konec) a na druhém konci -COOH skupinou (C konec) - zastoupení a pořadí aminokyselin je pro každý druh bílkoviny charakteristický BÍLKOVINY Sekundární struktura: - prostorové uspořádání bílkovin vytvářející se vlivem vodíkových vazem mezi skupinami -NH- a -CO- a-helix • řetězec je šroubovitě stočen • vodíkové vazby propojují jednotlivé závity šroubovice ß-sklädany list • vodíkové vazby propojují dva vedle sebe ležící polypeptdické řetězce vodíkový můstek BÍLKOVINY Terciální struktura: - prostorové trojrozměrné uspořádání polypeptidového řetězce schopné díky různosti chemické povahy aminokyselin postranních skupin tvořit nekovalentní vazby Globulární proteiny pravidelné střídání a-šroubovice a ß-skladaneho listu Fibrilární proteiny převažují segmenty buď a-šroubovice anebo B-skládaného listu BÍLKOVINY Kvaríérn í struktura: - větší proteiny často /t0^3t\ obsahují více než jeden ^^^ij^^^\Ě polypeptidový řetězec i^^^^r *^CJ - jejich vzájemné ř^p f%n uspořádání v prostoru \^^^l^^^^WĚ představuje kvartérní ^^^^r^^5r strukturu FUNKCE BÍLKOVIN metabolické strukturní informační • enzvm - katalýza rozpadu a tvorby kovalentních vazeb • strukturní protein - poskytuje mechanickou oporu buňkám a tkáním • transportní protein - přenáší malé molekuly a ionty • pohybový protein -je původcem pohybu buněk a tkání • zásobní proteiny - skladuje malé molekuly nebo ionty • sisn áln í protein - přenáší informační signály z buňky do buňky • receptorovv protein - v buňkách detekuje chemické a fyzikální signály a předávaje ke zpracování buňce • resulačníprotein v senově expresi - váže se na DNA a spouští nebo vypíná transkripci • proteiny se zvláštním posláním - proteiny se specializovanou funkcí (mrazuvzdorný, lepivý, svítivý ...) lipidy (fosfatidylcholin, cholesterol) polární hydrofilní hlavička Cholin Fosfát Glycerol nepolární hydrofóbní řetězce BIOMEMBRANY T • cukry • bílkoviny (glykoproteiny, glykolipidy) CH2-N+(CH2)3 CH2 0=P-0 i C1H2~CH-Cn2 micela extracelulární prostor H, /H2 QH2 /H2 QH2 /H2 QH2 /H2 QH2 /H2 QH2 /Ho QHo ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 ;h2 íh3 1 ÓH2 CH2 lipidová dvojvrstva ČH2 ÓH2 ÓH2 CH2 cytoplazma ÓH2 CH, COOH 6584 BIOMEMBRANY Hlavní funkce buněčných membrán: 1) Ohraničuj í buňky a buněčné organely 2) Udržuj í koncentrační a elektrochemické gradienty 3) Zajišťují transport živin a produktů metabolizmu 4) Jsou nositeli antigénu buněk 5) Izolují v ohraničených vezikulách biologicky silně účinné látky 6) Umožňují vznik vzruchu a jeho vedení (svalová a nervová buňka) MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT Plazmatická membrána - odděluje dvě kapalné fáze, které obsahují různé složky - není pro všechny složky stejně propustná, je polopropustná DIFÚZE • Proces, při kterém se částice v důsledku svého stálého neuspořádaného pohybu snaží vyplnit celý dostupný prostor. • Pohybují se z oblasti o vysoké koncentraci do míst s nízkou koncentraci částic. • Rychlost difúze závisí na transportní vzdálenosti, na výměnné ploše, na povaze difúzni látky a prostředí MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT OSMOZA .H20 0NaCl • • • • • • • • * * 1 • • • • • • • • • • 'o P • • • • • __ • • • • • • • • • • ■'o°.° osmoza ■ 1 • 1 • :. • • • ° • • • • • ■ Difúze molekul rozpouštědla přes semipermeabilnímembránu z oblasti o nízké koncentraci rozpuštěné látky do oblasti s vyšší koncentraci rozpuštěné látky. OSMOTICKÝ TLAK - tlak vyvinutý na koncentrovanější roztok potřebný k tomu, aby se zamezilo pohybu rozpouštědla ONKOTICKY TLAK - osmotický tlak vytvářený bílkovinami krevní plazmy OSMOLALITA - koncentrace osmotický aktivních látek; plasma = 290 mosm/kg H20 TONICITA - osmotický tlak v relaci ke krevní plazmě • Izotonický (0,9% roztok NaCl, 5% glukóza) • Hypertonický • Hypotonický uvnitř MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT 1. Prostá difúze ■ látky rozpustné v tucích - endogenní: prostaglandiny, steroidy, steroidní hormony - exogénni: aspirin, lokální ane ste tiká, alkohol ■ malé neutrální molekuly - 02, C02, částečně H20 2. Přestup iontovými kanály (usnadněná difúze) V lipidové dvoj vrstvě plazmatické membráně plavou transportní proteiny - iontové kanály • kanál je uvnitř naplněný vodou • mohou j im difundovat j en molekuly o určitých rozměrech - především malé anorganické ionty: Na+, K+, Cľ a voda ♦ stále otevřené ♦ nzene napětím ♦ nzene chemicky ♦ nzene fyzikálními impulsy MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT 3. Spřazeny transport (sekundárně aktivní transport) Přenášečový transport dvou dějů, z nichž jeden je pasivní, aleje spřažen s jiným, aktivním systémem, který energii spotřebovává vne Glukóza Na uvnitř vne N 00 Na + uvnitř ; \ >Ca2+ Symport - spřažený transport látek stejným směrem •Např. Symport iontů Na+ a glukózy, energii pro transport poskytuje koncentrační a potenciálový gradient Na+ udržovaný Na+-K+-ATP ázou Antiport - spřažený transport látek opačným směrem •Např. Antiport iontu Ca2+ a 3 iontů Na+ MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT 4. Aktivní transport 2K+ \ ßj>__ Transport látek proti j ej ich elektrickému nebo chemickému gradientu, což vyžaduj e přísun energie i uvnitř O iP ^ (ATP----*ADP + P) 3Na+ V y yNcr-K+-A TPáza - v každé membráně - elektrogenní účinek - důležitá pro stabilní klidové napětí yCa2+-ATPáza - ve svalových a střevních buňkách yH+-A TPáza - v buňkách žaludku MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT 5. Endocytóza a exocytóza Mnoho látek (proteiny, cholesterol) nemůže pronikat ani lipidovou dvoj vrstvou, ani procházet transportními kanály. Mohou však prostupovat plazmatickou membránou uzavřeny do transportních váčků: Endocytóza membrána se vchlípí dovnitř (invaginuje) a přitom uzavře obsah mimobuněčné tekutiny (proteiny) do nitra buňky Exocytóza - při kontaktu buněčné transportní vezikuly s plazmatickou membránou obě membrány vzájemně splynou a plazmatická membrána se otevře do extracelulárního prostoru