C5720 Biochemie C5730 Biochemie - seminář C6560 Biochemie – laboratorní cvičení Studijní literatura  Šípal, Zdeněk. Biochemie. 1. vyd. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1992.  Biochemie. Zdeněk Vodrážka. Biochemie. 2. opr. vyd. Praha : Academia, 2002.  Voet, Donald - Voet, Judith G. Biochemie. Translated by Arnošt Kotyk. 1. vyd. Praha : Victoria Publishing, 1995. Studijní materiály a pomůcky http://orion.chemi.muni.cz/e_learning/ Informační systém • podrobný sylabus • prezentace • videonahrávky přednášek zkouška písemná Biochemie - stručný sylabus 1. ÚVOD 2. BÍLKOVINY - Struktura, vlastnosti a funkce 3. SACHARIDY - Struktura, vlastnosti a funkce 4. NUKLEOVÉ KYSELINY - Struktura, vlastnosti a funkce 5. LIPIDY - Struktura, vlastnosti a funkce 6. ENZYMOLOGIE 7. METABOLISMUS A BIOENERGETIKA 8. METABOLISMUS BÍLKOVIN 9. METABOLISMUS SACHARIDŮ 10.METABOLISMUS LIPIDŮ 11. FOTOSYNTÉZA 12.REGULACE BIOCHEMICKÝCH PROCESŮ Definice: Chemie života „Chemická disciplína, která studuje chemické složení živé hmoty a chemické procesy, které v ní probíhají“ Hlavní cíle biochemie: Popsat a vysvětlit, na molekulární úrovni, všechny procesy v živých buňkách • látkové složení organizmů • vzájemná přeměna látek (metabolismus) zahrnující především chemické, ale také další pochody • přeměna energie a její tok v rámci organismu i v rámci celé biosféry (souboru všech živých organismů) • vzájemné vztahy dílčích pochodů v organismu, jejich organizace a regulace • tok informace, její projevy, autoreprodukce Kořeny biochemie: • Organická chemie – chemie přírodních látek, Fysiologie, Mikrobiologie Význam biochemie: Teoretický – poznání podstaty života Praktické aspekty – materiální základ rozvoje poznání Aplikovaná biochemie • lékařství – klinická biochemie a patobiochemie • biotechnologie, speciální výroby • potravinářská biochemie • analytická biochemie • 1828 - F. Wöhler syntéza močoviny • 1869 - F. Miescher – objev DNA • Pasteur x Liebig (druhá polovina 19. století) Některé historické „milníky“ Pasteur x Liebig spor o podstatu kvašení (druhá polovina 19. století) mechanická hypotéza kvašení je způsobeno inertními chemickými reakcemi J. Liebig - fermenty jsou schopny katalyzovat tyto reakce i mimo živou buňku vitalistická interpretace kvašení je dílem živých buněk L. Pasteur 1860 – fermentace cukru na ethanol, fermentace je katalyzována látkami „fermenty“, tuto schopnost však nelze oddělit od živých buněk, které jsou vybaveny tzv. životní sílou vis vitalis 1897 - Eduard a Hans Büchnerové – katalytický účinek bezbuněčného extraktu z kvasinek – enzymy (en zume) 1903, Neuberg (Německo): “Biochemie” “Chemie života” • 1926, J. B. Sumner - První krystalický enzym – ureasa z luštěniny Canavalia ensiformis • 1937， Krebs popisuje funkci Citrátového cyklu (Nobelova cena za fyziologii v roce 1953) • 1953，Watson & Crick objevují “DNA Double Helix” - (Nobelova cena za fyziologii a lékařství v roce 1962) • 1955，Sanger - rozluštění sekvence insulinu (Nobelova cena za fyziologii a lékařství v roce 1956) • 1980， Sanger & Gilbert – Sekvenování DNA (Nobelova cena za chemii v roce 1980) • 1993, Kary B. Mullis – zavedení metody PCR (Nobelova cena za chemii v roce 1993) Rozvoj instrumentálních technik - rozvoj metod studia, poznání struktur Sítě – sdílení informací (databáze, publikace), počítačové modelování Živé systémy se od neživých odlišují několika důležitými vlastnostmi: • Stálost vnitřního prostředí • Časově omezená existence • Aktivní vztah k okolnímu prostředí • Schopnost komunikace s okolním prostředím Co je to život? Stálost vnitřního prostředí Bez ohledu na vnější prostředí, udržuje živý systém své vlastnosti na stejných hodnotách. Jedná se hlavně o: • teplotu • pH • osmotický tlak • koncentraci látek Živý organismus k udržování těchto hodnot používá mnoho regulačních mechanismů Homeostasa Časově omezená existence v určitém čase Vznik živé systémy vznikají rozmnožováním množivost – schopnost samoreprodukce generace za generací rozmnožováním vzniká nejprve „útvar“ tvarově a funkčně odlišný od rodičů jistou dobu Život typické podoby nabývá individuálním vývojem - ontogeneze vývoji celého druhu (Darwin) říkáme fylogeneze Aktivní vztah k okolnímu prostředí látková výměna živé systémy přijímají z okolí látky, které potřebují ke své existenci chemickými pochody tyto látky přeměňují odpadní produkty vylučují Schopnost komunikace s okolním prostředím prostřednictvím speciálních receptorů Příklady: • vzrušivost (dráždivost) • schopnost odezvy na fyzikální (teplo) či chemické podněty (jed) Buňka Základní strukturní i funkční jednotka všech živých systémů Buňky se dělí na prokaryotní a eukaryotní • Prokaryota (z řečtiny- před jádrem) bakterie – nemají jádro a mají pouze jediný membránový systém tzv. buněčnou membránu • Eukaryota (z řečtiny- pravé jádro) rostliny, houby a živočichové – mají jádro a mají řadu vnitřních membránových systémů tzv. kompartmentů první živé systémy flexibilní rychlý růst jsou diferenciované (specializovaná funkce v mnohobuněčném organismu) Buněčné membrány • selektivní ochranná bariéra • klíčová role při látkové výměně buňky s okolím • eukaryotní buňky obsahují i vnitřní membrány • udržování homeostase U rostlin a většiny mikroorganismů je navíc buněčná stěna • propustná • mechanická ochrana buňky Cytoskelet („lešení“) udržování tvaru eukaryotní buňky (prostupuje cytoplasmu) hustá síť tubicovitých struktur (mikrotubuly) a vláknitých struktur (mikrofilamenty). Mikrotubuly vycházejí z centrioly hlavní materiál jsou bílkoviny aktin a tubulin Vizualizace vláken cytoskeletu v buňce (dle Alberts, 1998, upraveno) centriola s mikrotubuly cytosol (cytoplasma) -„kapalná výplň“ buňky jádro („informační centrum“) • pouze u eukaryot • je tvořeno chromozomy, obsahuje drtivou většinu DNA buňky • je obaleno dvojitou membránou s velkými póry • (umožnění průchodu makromolekulární RNA z jádra) • v jádře probíhá transkripce Většina eukaryotních buněk obsahuje i jadérko • neohraničený shluk zrnek bohatých na RNA • počet, velikost a struktura je závislá na metabolické aktivitě buňky • na jedné straně splývá s jadernou membránou • probíhá v něm syntéza membránových lipidů a sekrečních proteinů (vylučovaných z buněk) • je povlečeno ribosomy •Ribosomy komplexy (proteiny a RNA) zodpovědné za syntézu proteinů podílí se na produkci lipidů a na modifikaci a transportu proteinů vyráběných v drsném ER endoplasmové retikulum („transportní síť“) drsné endoplasmové retikulum hladké endoplasmové retikulum Golgiho aparát („dozrávání“ a transport proteinů) • spojený s ER • zploštělé, kapalinou naplněné váčky • strukturně podobný ER (neobsahuje ribosomy) • kapalná výplň lumen připojování sacharidů a lipidů na proteiny • pomocí sekrečních váčků vyloučení obsahu i mimo buňku exocytosa mitochondrie („elektrárna“) • probíhají procesy uvolňující největší množství energie • mají dvojitou membránu • vnitřní membrána vytváří kristy • probíhá zde oxidativní fosforylace (tvorba ATP) Lysosom („trávicí systém“) • vyskytuje se u většiny živočišných buněk • velká nepravidelná struktura obklopená jednou membránou • obsahuje trávicí enzymy • odbourávání proteinů, nukleových kyselin i cizorodých látek v lysosomu jsou odbourávány i bakterie dostávají se do lysosomu splynutím s potravní vakuolou Rostlinná buňka na rozdíl od ostatních eukaryot má některé strukturně i funkčně unikátní organely plastidy – skladování škrobu, bílkovin a lipidů barevné plastidy chloroplasty - fotosyntéza velké rozšíření vakuol („skladiště“) až 90% obsahu buňky rigidní buněčná stěna Glykosomy (obdoba peroxisomů) – probíhá zde glyoxylátová dráha Plazmodezma je mikroskopický kanál na buněčné úrovni v rostlinných pletivech(„transport a komunikace “) Amyloplast je plastid shromažďující škrob Příklady tyčinkovitých bakterií Escherichia coli Salmonella Příklad rostlinné buňky Fotografie buněk cibule, barvení: Lugolův roztok Příklad živočišné buňky nervová buňka PROKARYOTA ROZDÍLY EUKARYOTA evolučně primární evoluce vznikly sekundárně menší velikost větší kruhová volná volně v cytoplazmě 1 DNA (1 chromozom) haploidní DNA lineární s 2 konci vázaná na histony ohraničena jader. obal chromozomů několik diploidní (pohl. bky haploidní) plazmidy doplňkový genet. materiál mitochondrie, chloroplasty nukleoid jádro jádro (nukleus) syntéza ve stejném kompartmentu syntéza RNA a proteinů RNA v jádře bílkoviny v cytoplazmě pouze plazm. membrána. biomembrány kompartmenty ojediněle menší peptidoglykan organely ribosomy buněčná stěna různé větší lipoproteiny a glykoproteiny plazmatická membrána tvorba sekretů ER binární mechanismus dělení mitóza jiné způsoby, možná existence tubulinu podobných proteinů, cytoskelet chybí mechanismus pohybu, lokomoce, cytoskeletární princip cytoskeletární podstata (cytoskeletární princip) živočichové rostliny houby tvar rozmanitost a specializace velká rozmanitost menší zásobní látky glykogen, tuk škrob v leukoplastech, která vyplní škrobová zrna glykogen, olej, nikdy ne škrob výživa Heterotrofní, ojediněle mixotrofní (Euglenozoa) autotrofní, i heterotrofní, ojediněle mixotrofní (masožravé rostliny), ojediněle i jen heterotrofní (podbílek, kokotice) heterotrofní jádro většinou jedno většinou jedno jedno i větší počet buněčná stěna chybí celulóza a amorfní hemicelulózy, pektiny, bílkoviny chitin, vzácně celulóza vakuoly velmi málo živ. buněk, pulsující a potravní velké vakuoly, turgor udržující tvar buňky vakuoly Golgiho aparát soustředěn v blízkosti jádra diktyozomy jednotlivě v cytoplazmě,podílí na vzniku buněčné stěny endoplazm. retikulum drsné, hladké úzce souvisí s jádrem a Golgiho aparátem, navíc podílí na stavbě b.s., prostup. plazmodesmy do soused. buněk Teorie vysvětlující vznik života • kreační teorie • panspermická teorie • teorie evoluční abiogeneze Kreační teorie (kreacionismus) ortodoxní „biblický“ kreacionismus • Země je stará cca 6 000 (10 000) let • Gen 1 je popis události • evoluce neprobíhá • organismy byly přímo a v současné podobě zázračně stvořeny Bohem • fosílie jsou pozůstatky utopených organismů z biblické potopy, které se Noemu nevešly na loď stvoření života nadpřirozenou bytostí Země je stará 4, 65 miliard let evoluce v globálu neprobíhá blízce příbuzné druhy snad mohly vzniknout vývojem, ale určitě ne vyšší taxony ( řád, třída, kmen) teorie inteligentního designu Panspermická teorie • přenos života z vesmíru na Zemi • pokus o vysvětlení rychlého vzniku buněk po vzniku země meteorit ze Srí Lanky Teorie evoluční abiogeneze postupný vývoj z neživé hmoty přímo na Zemi  chemická evoluce  biologická evoluce Společným rysem většiny současných vědeckých teorií je, že předpokládají vznik života postupným vývojem z neživé hmoty (abiogeneticky) přímo na Zemi (autochtonně). Teorie evoluční abiogeneze dopady kosmických těles vulkanická aktivita Atmosféra • v té době měla zpočátku redukční charakter • kyslík byl vázán do sloučenin • obsahovala velké množství vodních par (zemský povrch byl zahřát na 100 – 150°C a proto veškerá voda byla v plynném skupenství) • obsahovala CO2, NH3, HCN, H2, N2, jednoduché uhlovodíky a další • dalšími faktory byly elektrické výboje a silné ionizační záření, protože nebyla vytvořena ozonová vrstva • značná část viditelného záření byla pohlcena hustou vrstvou par Důkaz vzniku látek experimentálně • V roce 1828 syntetizoval Wöhler močovinu • V roce 1861 syntetizoval Butlerov glukózu z anorganických látek • ostřelování oxidu uhličitého urychlenými částicemi z cyklotronu Calvin analýzou dokázal v získaném roztoku kyselinu mravenčí, octovou, šťavelovou, jantarovou. Pro další pokusy použil směs amoniaku a kyseliny octové, po ozáření dostal nejjednodušší aminokyselinu – glycin • V experimentech pokračovali Miller a Urey v roce 1959. Dokázali podobným způsobem připravit kyanovodík, Při jeho adici na aldehydy (kyanhydrinová reakce) vznikají aminokyseliny. Celkem jich Miller analyzoval 12 druhů. • K podobným výsledkům dospěl Palm, který zjistil ve vznikajících látkách heterocyklické sloučeniny – základy dusíkatých bází nukleových kyselin Spontánní abiotické reakce vzniku složitějších struktur Millerův experiment – 1952 Experimentální uspořádání tvorby stavebních kamenů z prekursorů Plynná fáze napodobuje atmosféru Země před 3,5 mld. let. Probíhalo dny až týdny. V analyzovaných vzorcích byly nalezeny aminokyseliny, organické kyseliny, sacharidy apod. Další experimenty, modifikované složení, další látky (baze). nejstarší mikrofosilie (3,6 miliardy let) Horniny z oblasti Strelley Pool v Západní Austrálii první organické látky vznikaly na Zemi již více než před 4 miliardami let, tedy při formování naší planety. Postupný vznik života • v praoceánech vznik jednoduchých organických látek (prebiotický bujón) • koacerváty (kapénky bílkovin) – z nich enzymy, které urychlují děje (metabolismus) uvnitř koacervátů • ebionti – předchůdci bakterií • složité organismy • přechod na souš Biochemie statická nauka o látkovém složení živých objektů Biochemie dynamická nauka o vzniku a dalším osudu jednotlivých látek v organismech katabolismus, anabolismus Rozdělení biochemie • Úrovně o Biogenní prvky o Jednoduché sloučeniny (voda, CO2 apod.), prekurzory o Stavební kameny – monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny, baze o Oligo- a makromolekulární úroveň o Supramolekulární úroveň o Subbuněčné struktury, organely o Buňka • Význam struktury, složitost látek o Struktura – vlastnosti – funkce Struktura látek, hierarchie struktur Statická biochemie – popis komponent, z nichž se skládá živá hmota Prvky • „elementární analýza“ • forma výskytu –jako takové, resp. ionty • Pojem biogenních prvků – kvantitativní zastoupení o První úroveň: C, H, O, N o Druhá úroveň: Na, K, Mg, Ca, Cl, S a P o Třetí úroveň: Co, Cu, Fe, Mn a Zn o Čtvrtá úroveň: Al, As, B, Br, Cr, F, Ga, I, Mo, Se, Si a V Sloučeniny • Anorganické látky (i prvky) o voda o SO4 -, HCO3 -, HPO4 2o plyny - O2, N2, CO2, NO • Organické látky o nízkomolekulární o vysokomolekulární - biopolymery Hlavní typy - skupiny o bílkoviny o nukleové kyseliny o sacharidy o lipidy Obecný princip výstavby biopolymerů • Jsou tvořeny monomery • Monomery vytvářejí lineární řetězce – větvené sacharidy • Monomery jsou spojovány jediným typem vazby o mono, di-, tri- , tetra-,... o oligo < 10 o poly > 10 • Výjimka – lipidy bílkoviny nukleové kyseliny polysacharidy monomery aminokyseliny 20 nukleotidy 4 monosacharidy 5 vazba peptidická 3,5-diesterová glykosidická Látkové složení organizmů Látka člověk rostliny bakterie voda 60 75 70 bílkoviny 18 4 15 nukleové kyseliny 1.5 1 7 sacharidy 0.5 16 3 lipidy 16 1 2 organické látky 1 1 2 anorganické látky 3 2 1