CORE022 – Biochemie v běžném životě1 Úvod Předmět zkoumání, místo biochemie v systému věd, historie a současnost CORE022 – Biochemie v běžném životě2 Sylabus Biochemie v analytických metodách ̶ Biosenzory, Imunosenzory (bioreceptory, biopřevodníky). Bioelektronika a její využití. Bioaplikace nanočástic (prof. Petr Skládal + doc. Zdeněk Farka – 27.9.2023) CORE022 – Biochemie v běžném životě3 Sylabus Biochemie v Medicíně a Farmacii ̶ Enzymy jako molekulární stroje a jejich studium pomocí moderních separačních metod s následným využitím uvedených metod při vývoji nových léčiv (prof. Zdeněk Glatz - 4.10.2023) ̶ Mnohočetné role sacharidů. Molekulární mechanismy rozpoznání patogen-hostitel (prof. Michaela Wimmerová – 11.10.2023) ̶ Interakce léčiv s organismem. Farmakogenomika (prof. Kučera/doc. Lochman – 25.10.2023) ̶ Základy molekulární diagnostiky nemocí, dědičné predisposice, neurochemie (prof. Omar Šerý – 1.11.2023) ̶ Nádory, poteinové biomarkery a terapeutické cíle (doc. Bouchal – 08.11.2023) CORE022 – Biochemie v běžném životě4 Sylabus Biochemie v zemědělství ̶ Rostlinné biotechnologie - ochrana proti škůdcům a chorobám, zvyšování produkce. Bioremediace (doc. Jan Lochman – 15.11.2023) ̶ Sekundární metabolity (prof. Tomáš Kašparovský – 22.11.2022) CORE022 – Biochemie v běžném životě5 Sylabus Biochemie ve zpracování potravin a surovin ̶ Výživová hodnota potravin. Funkční potraviny. (prof. Tomáš Kašparovský – 22.11.2023) ̶ Biotechnologie: Tradiční a moderní bioprocesy (doc. Martin Mandl – 29.11.2023) Biochemie životního prostředí ̶ Země jako chemicko-biochemický reaktor – cyklus dusíku. (prof. Kučera – 6.12.2023) ̶ Biochemie a ekologické problémy industriální společnosti. Znečištění sloučeninami uhlíku, Způsoby čištění odpadních vod. (doc. Lochman – 13.12.2023) CORE022 – Biochemie v běžném životě6 Historie Biochemie v kostce 1780 – Antoine Lavoisier ̶ Hoření svíčky je podobné dýchání u živočichů = oba procesy potřebují kyslík ̶ Prvně byl fyziologický proces vysvětlen na základě srovnání s neživým organismem (svíčkou) ̶ Poprvé navrhl mechanismus pro fotosyntézu, proces, při kterém rostliny přijímají oxid uhličitý a uvolňují kyslík CORE022 – Biochemie v běžném životě7 Historie Biochemie v kostce Na počátku 19 století převládal tzv. vitalismus ̶ fungování živých organismů nelze vysvětlit pouze fyzikálními a chemickými mechanismy, nýbrž vykazuje jakousi zvláštní životní sílu či energii ̶ organické sloučeniny vznikají za přispění tzv. vis vitalis CORE022 – Biochemie v běžném životě8 Historie Biochemie v kostce ̶ Vitalismus byl popřen Německým chemikem Friedrichem Wöhlerem ̶ V roce 1828 se mu podařilo nasyntetizovat močovinu (organickou molekulu a odpadní produkt zvířecího metabolismu) z kyanatanu amonného – anorganické molekuly ̶ Mnoho historiků považuje právě tento objev za počátek Biochemie CORE022 – Biochemie v běžném životě9 Historie Biochemie v kostce ̶ Celá řada jiných považuje za otce Biochemie Eduarda Buchnera ̶ Ten v roce 1893 demonstroval alkoholickou fermentaci v bezbuněčném extraktu z kvasinek ̶ Tento pokus finálně popřel teorii vitalismu, že pouze v živém organismu může být katalyzována tvorba organických sloučenin ̶ Buchner poté představil koncept „enzymu“ ̶ Termín „Biochemie“ oficiálně vytvořil německý chemik Carl Neuber. CORE022 – Biochemie v běžném životě10 Historie Biochemie v kostce Miller-Urey pokus (1952) ̶ Experiment vytvářející atmosféru na počátku vzniku země, s patřičnou teplotou a zdrojem energie, vedl ke vzniku aminokyselin a jiných biologický významných molekul ̶ Tento experiment jasně ukázal, že v ranné redukční atmosféře na zemi mohla vzniknout celá řada biologický významných molekul ̶ Živé věci se řídí zákony fyziky a chemie ̶ Není potřeba žádná “vitalistická“ síla CORE022 – Biochemie v běžném životě11 Historie Biochemie v kostce ̶ 1810 – 1830 byly identifikovány hlavní látky z rostlin a živočichů: C (uhlík), H (vodík), O (kyslík) a N (dusík) ̶ V roce 1838 poprvé použit termín protein ̶ 1850-1890 byly objeveny cukry, lipidy a nukleové kyseliny ̶ Pojem Biochemie byl použit v roce 1870 (Biologie v roce 1800) CORE022 – Biochemie v běžném životě12 Co je Biochemie? ̶ Studium molekulární podstaty života neboli pochopení života v chemickém pojetí ̶ Hlavní zaměření biochemie je, jak jsou biologické molekuly zodpovědné za procesy probíhající v buňce, potažmo celém organismu ̶ Biochemie je velmi blízká molekulární biologii, která studuje molekulární mechanismy, jakými je genetická informace uložená v DNA přenesena do procesů v živých organismech Funkce GenyProteiny Molekulární biologie Genetika Biochemie Buněčná biologie Mikrobiologie Virologie …. CORE022 – Biochemie v běžném životě13 Vztah Biochemie k ostatním vědám Chemie Biologie Matematika Fyzika Biochemie Poskytuje metody a molekulární perspektivy Poskytuje nástroje k hodnocení a predikci Poskytuje fyzikální modely Poskytuje relevanci CORE022 – Biochemie v běžném životě14 Chemická podstata života ̶ Nyní již víme, že vlastní život je tvořen z neživých věcí (atomy a prvky) ̶ V živých organismech se vyskytuje pouze cca. 20 prvků ̶ Uhlík, vodík, kyslík, dusík, fosfor a síra (CHONPS) zodpovídají za 97% váhy všech organismů ̶ Relativní množství těchto prvků se však mezi organismy liší ̶ Voda tvoří hlavní složku buněk ̶ Uhlík je v živých organismech zastoupen výrazně více než ve zbytku vesmíru CORE022 – Biochemie v běžném životě15 Chemická jednota vs. Biologická diverzita ̶ Pozoruhodná uniformita organismů na buněčné a molekulární úrovni ̶ DNA použita jako genetický kód u všech živých organismů ̶ Všechny organismy jsou z podobných molekulárních komponent (nukleotidy, aminokyseliny) ̶ Všechny organismy mají podobné nebo stejné biosyntetické dráhy ̶ Všechny tyto společné znaky ukazují, že život na zemi vznikl ze společného předchůdce CORE022 – Biochemie v běžném životě16 Dva zásadní přelomy v Biochemii 1. Objev enzymů jako katalyzátorů chemických reakcí ̶ Buchnerův experiment ukázal, že extrakt z kvasinek katalyzuje přeměnu glukózy na alkohol a oxid uhličitý ̶ James Sumner (1920-1930) prokázal, že enzymy jsou proteiny 2. Role nukleových kyselin v přenosu genetické informace ̶ DNA je genetický materiál (1949) ̶ Struktura DNA (dvoušroubovice) (1953) ̶ Genetický kód (1960s) ̶ Centrální dogma molekulární biologie (1970s) ̶ Katalytická aktivita RNA (ribozymy) (1980s) CORE022 – Biochemie v běžném životě17 Hans Krebs ̶ objevil proces cyklu kyseliny citrónové (známý jako Krebsův cyklus) ̶ řada chemických reakcí, ke kterým dochází během buněčného dýchání ̶ glukóza a kyslík se přeměňují na vodu, oxid uhličitý a energii. CORE022 – Biochemie v běžném životě18 Krebsův cyklus CORE022 – Biochemie v běžném životě19 Biochemická mapa CORE022 – Biochemie v běžném životě20 Držitelé Nobelovy ceny Nobelova cena za chemii 2015 ̶ Tomas Lindahl, Paul Modrich a Aziz Sancar za mechanistické studie DNA oprav Nobelova cena za chemii 2009 ̶ Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz a Ada E. Yonath za studium struktury a funkce ribozomů Nobelova cena za chemii 2003 ̶ Peter Agre za objev vodních kanálů a Roderick MacKinnon za studium iontových kanálů Nobelova cena za chemii 1993 ̶ Kary B. Mullis za PCR metodu a Michael Smith za metody mutageneze založené na oligonukleotidech a řízené mutageneze CORE022 – Biochemie v běžném životě21 Držitelé Nobelovy ceny Nobelova cena za fyziologii a medicínu1986 ̶ Stanley Cohen a Rita Levi-Montalcini za objev růstových faktorů Nobelova cena za chemii 1972 ̶ Christian B. Anfinsen za práci na ribonukleázách, Stanford Moore a William H. Stein za přispění k pochopení propojení chemické struktury a katalytické aktivity ribonukleáz Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1962 ̶ James Watson, Francis Crick a Maurice Wilkins za objev struktury DNA Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1959 ̶ Severo Ochoa a Arthur Kornberg za objev mechanismu biologické syntézy RNA a DNA Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1953 ̶ Hans Adolf Krebs za objev citrátového cyklu a Fritz Albert Lipmann za objev koenzymu A CORE022 – Biochemie v běžném životě22 Držitelé Nobelovy ceny Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1947 ̶ Carl Ferdin Cori a Gerty Theresa Cori za objev katalytické konverze glykogenu ̶ Bernardo Alberto Houssay za objev role hormonů v metabolismu cukrů Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1943 ̶ Henrik Carl Peter Dam za objev vitamínu K ̶ Edward Adelbert Doisy za objev chemické povahy vitamínu K Nobelova cena za chemii 1929 ̶ Arthur Harden a Hans Karl August Simon von Euler-Chelpin za výzkum fermentace cukrů Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1923 ̶ Frederick Grant Banting a John James Rickard Macleod za objev inzulínu CORE022 – Biochemie v běžném životě23 V rámci tohoto kurzu se postupně seznámíme se základními oblastmi, kde se s Biochemií setkáváme ̶ Objevy v rámci biochemického výzkumu přímo ovlivňují mnoho aspektů týkajících se základů fungování současné společnosti ̶ Objevování a syntéza vitamínů, léčiv nebo ochranných postřiků kulturních plodin pro kvalitnější život. ̶ Biochemie reprezentuje základ pro pochopení všech biologických procesů a poskytuje nám vysvětlení příčin mnoha nemocí u lidí, zvířat a rostlin.