BIOLOGICKÉ VEDY
ÚVOD
ZÁKLADY MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE
DOPORUČENA LITERATURA
Jan Šmarda
BIOLOGIE PRO PSYCHOLOGY A PEDAGOGY
Jan Šmarda
zAklady 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
Makrobiogenní prvky
- organická forma (C, H, O, N, S, P)
- anorganická forma (K, Na, Cl, Ca, Mg, Fe, P)
Oligobiogenníprvky (Cu, Zn, Co, Se...)
• tvoří většinu hmoty živých soustav  <^o - (fiXti
• molekula se chová jako elektrický dipól  +     •—o© (o —
Voda
tvoří hydratační obal H H
schopnost tvořit vodíkové můstky o°°°h—
CHEMICKÉ SLOŽENI
Nízkomolekulární organické látky
Polární látky
- sacharidy
- organické kyseliny
- aminokyseliny
- nukleotidy
Nepolární látky
- uhlovodíky (karoten, steroidy)
- vyšší mastné kyseliny
- fosfolipidy
CHEMICKÉ SLOŽENI
Vysokomolekulárni organické látky
(biologické makromolekuly)
vznikají kondenzací z látek nízkomolekulárních
POLYSACHARIDY NUKLEOVÉ KYSELINY
BÍLKOVINY-
' * informační makromolekuly ^™
NUKLEOVÉ KYSELINY
Dusíkaté báze
guanin
adenin
NHj
NH
čo <x>
1 H H
Cukry   ch>™ oh
deoxyribóza  \_/
Nukleotid
ch2oh qh
ribóza
oh oh
tymin
cytozin uracil NH, o
CH5
H
Fosfát
H
0
O-p
1
o-
H
Nukleozid
N H,
N
RNA: kyselina ribonukleová
- fosfát + ribóza + (G+C+A+U) DNA: kyselina deoxyribonukleová
- fosfát + deoxyribóza + (G+C+A+T)
OH O
NUKLEOVÉ KYSELINY
Primární struktura:
zastoupení a pořadí nukleotidů
Sekundární struktura:
pravotočivá, antiparalelní dvojšroubovice
Terciální struktura:   nadšroubovice -superhelix
BÍLKOVINY
Primární struktura:
- zastoupení jednotlivých druhů aminokyselin a jejich pořadí
- aminokyseliny jsou pospojovány peptidickou vazbou
H
H
H I
■C I
N-C-C' +
OH H'
N
I
C
I
H
O
C
H2O
OH
H
>
H
H
I
C
I
peptidová vazba
O
\\
C —N
t
C
I
H
C
a.
O
OH
- 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
P-skládaný list
• vodíkové vazby propojují dva vedle sebe ležící polypeptdické řetězce
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 ^-skládaného listu
Fibrilární proteiny
převažují segmenty buď a-šroubovice anebo ^-skládaného listu
BÍLKOVINY
Kvartérní struktura:
- větší proteiny často obsahují více než jeden polypeptidový řetězec
- jejich vzájemné uspořádání v prostoru představuje kvartérní strukturu
FUNKCE BÍLKOVIN
metabolické        strukturní informační
• enzym - 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
• signální protein - přenáší informační signály z buňky do buňky
• receptorový protein - v buňkách detekuje chemické a fyzikální
signály a předává je ke zpracování buňce
• regulační protein v genové 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
nepolární hydrofóbní řetězce
BIOMEMBRANY
T
o cukry
(glykoproteiny, glykolipidy)
bílkoviny
CH2-N+(CH2)3 CH,
O=P-O-
CH,-Ch
=0 C=O H2 CH2
( H2 CCH2
H2 CH2
micela
extracelulární prostor
lipidová dvojvrstva
CH
cytoplazma
COOH
6584
BIOMEMBRANY
Hlavní funkce buněčných membrán:
1) Ohraničují buňky a buněčné organely
2) Udržují koncentrační a elektrochemické gradienty
3) Zajišťují transport živin a produktů metabolizmu
4) Jsou nositeli antigenů 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
SEMIPERMEABILNI <3=
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 difúzní látky a prostředí
MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
OSMOZA
H2O
NaCl
•        • •
•       • • ••
O
o
o
o o
osmóza
■ 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
ONKOTICKÝ TLAK - osmotický tlak vytvářený bílkovinami krevní plazmy
OSMOLALITA - koncentrace osmoticky aktivních látek; plasma = 290 mosm/kg H2O
TONICITA - osmotický tlak v relaci ke krevní plazmě
Izotonický (0,9% roztok NaCl, 5% glukóza) Hypertonický Hypotonický
MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
1. Prostá difúze
■ látky rozpustné v tucích
- endogenní: prostaglandiny, steroidy, steroidní hormony
- exogenní: aspirin, lokální anestetika, alkohol
■ malé neutrální molekuly - O2, CO2, částečně H2O
2. Přestup iontovými kanály (usnadněná difúze)
vně
uvnitř
K+
V lipidové dvojvrstvě plazmatické membráně plavou transportní proteiny - iontové kanály
kanál je uvnitř naplněný vodou
mohou jím difundovat jen molekuly o určitých rozměrech - především malé anorganické ionty: Na+, K+, Cl- a voda
♦ stále otevřené		♦ řízené napětím	
řízené chemicky
řízené
fyzikálními
impulsy
MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
3. Spřažený transport (sekundárně aktivní transport)
Přenášečový transport dvou dějů, z nichž jeden je pasivní, ale je spřažen s jiným, aktivním systémem, který energii spotřebovává
Glukóza Na+
vně
uvnitř
vně
uvnitř
r
P
oo
fŕ
»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+-ATPázou
Antiport
- spřažený transport látek opačným směrem •Např. Antiport iontu Ca2+ a 3 iontů Na+
MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
4. Aktivní transport
vně
uvnitř
2 K+
3 Na+
Transport látek proti jejich elektrickému nebo chemickému gradientu, což vyžaduje přísun energie (ATP —►ADP + P)
>Na+-K+-ATPáza - v každé membráně
- elektrogenní účinek
- důležitá pro stabilní klidové napětí yCa2+-ATPáza - ve svalových a střevních buňkách yH+-ATPáza - v buňkách žaludku
MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT
5. Endocytóza a exocytóza
Mnoho látek (proteiny, cholesterol) nemůže pronikat ani lipidovou dvojvrstvou, 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
XOCYTÓZA