Požadavky ke zkoušce: * učivo z přednášek Doporučená literatura: Karlson, P. Základy biochemie. Praha: Academia, 1981. ÚVOD DO BIOCHEMIE Termín BIOCHEMIE poprvé použil F. Hoppe-Seyler v roce 1903, ale v samostatnou vědu se biochemie vyvinula až ve 30. letech 20. století. Objektem studia patří biochemie do rámce biologických věd, ale způsobem studia mezi vědy chemické. BIOCHEMIE – studuje chemickými principy biologické objekty. Prokázala, že všechny biologické projevy mají molekulový základ. Biochemie studuje pomocí prostředků chemie 4 základní problémy: a) Látkové složení živých systému – biochemie se snaží o izolaci jednotlivých součástí živých systémů, určení jejich struktury a zjišťování jejich zastoupení v jednotlivých organismech. b) Vznik a další osud jednotlivých látek v organismech: studium látkové přeměny neboli metabolismu, tj. toku hmoty a energie uvnitř živého systému a mezi živým systémem a jeho okolím. c) Souvislost chemického dění v organismu s jeho fyziologickými projevy – biochemie se snaží spojovat metabolické procesy s fyziologickými projevy živých objektů, např.: biochemie vidění, trávení, nervové, činnosti, klíčení semen apod. d) Způsob uspořádání jednotlivých molekulových složek a biochemických dějů v živém jedinci – nejmladší oblast biochemie; hledá zákonitosti molekulární organizace živých systémů Hlavní biochemické metody: → separace a izolace látek, stanovení jejich čistoty, analýza směsí látek - chromatografické - elektroforetické (elektromigrační) - ultracentrifugální → separace a izolace, měření molekulové hmotnosti látek - optické → určování struktury látek, stanovení koncentrací látek - značení radionuklidy → sledování metabolismu, stanovení nízkých hladin látek - imunochemické → specifická stanovení nízkých hladin látek, specifické separace - metoda ohybu paprsků X v krystalech → určení kompletní trojrozměrné struktury molekul - elektronová mikroskopie → zobrazování buněk, biologických struktur, virů a individuálních makromolekul Další disciplíny specializované na studium živých objektů chemickými prostředky: Ø molekulární biologie Ø molekulární genetika Ø bioorganická chemie Biochemická odvětví: snaží se odhadnout podobnosti mezi jednotlivými biol. systémy a společné zákonitosti během ontogeneze i fylogeneze 1) obecná biochemie 2) biochemie srovnávací 3) biochemie vývojová 4) xenobiochemie – studuje osud cizích látek (jedů, léčiv) v organismu 5) molekulární farmakologie – biochemický výklad farmakologických účinků léčiv 6) histochemie – řeší biologické problémy biochemických struktur 7) aplikovaná biochemie: Ø biochemie člověka (lékařská biochemie) – např. biochemická vyšetření pro určení diagnózy Ø biochemie zvířat a rostlin Ø biochemie mikroorganismů – umožňuje identifikaci mikroorganismů a aktivní řízení fermentačních pochodů za vzniku žádaných produktů; výroba antibiotik, některých vitaminů, aminokyselin nebo bílkovin. Ø biochemie zemědělská Ø biochemie potravinářská – pomáhá vypracovat moderní technologické postupy potravinářské výroby 8) technická biochemie – některé chemické výroby se mohou realizovat pomocí mikroorganismů, enzymů apod., např. biomat = prací prášek s enzymy CHEMICKÉ SLOŽENÍ BUNĚK A ORGANISMŮ Živá hmota obsahuje prvky, které se vyskytují i v neživých systémech. Zastoupení těcxhto prvků se však liší. Z 82 přirozeně se vyskytujících prvků je pro život nepostradatelných (= esenciálních) pouze asi 20 → biogenní prvky. Jsou to většinou prvky lehčí (s nízkým protonovým číslem), naopak těžší prvky (s vyšším protonovým číslem) se vyskytují v organismech jen jako stopové. Tabulka: BIOGENNÍ PRVKY Kategorie Prvek Význam Hlavní prvky = makrobiogenní > 1 % H Základní stavební jednotky organických sloučenin. C O N Ca V kostech a zubech (90 %), kofaktor enzymů, složka membrán, regulátor svalové aktivity. P V kostech a zubech (80 %), součást nukleových kyselin a nukleotidů. Mikrobiogenní (0,01 – 1 %) Na Hlavní kation extracelulárních kapalin, účastní se na vzniku a šíření impulsů v nervové tkáni. K Hlavní kation intracelulárních kapalin, účastní se na vzniku a šíření impulsů v nervové tkáni a při svalové kontrakci. S Vyskytuje se v bílkovinách a dalších látkách. Cl Hlavní anion žaludeční šťávy a krve. Mg Vyskytuje se v kostech (60 %), kofaktor řady enzymů. Stopové prvky < 0,01 % Fe kofaktor řady oxidoreduktáz, transport O[2] Zn kofaktor řady enzymů Cu kofaktor mnohých oxidáz I v hormonech štítné žlázy Mn kofaktor některých enzymů Mo - “ – “ – “ – “ – “ – “ - Co součást vitaminu B[12] B důležitý v rostlinách (kofaktor enzymů) Si přítomen v nižších formách živé hmoty V součást některých barviv nižších forem živé hmoty BIOMOLEKULY Biologické systémy jsou velmi pestré, přestože jsou složeny ze stejných typů látek, které většinou obsahují ve velmi podobných zastoupeních. Biomolekuly = molekulové součásti živých organismů. Patří sem: v Voda – nejhojnější a současně nejjednodušší, představuje 60 – 95 % hmoty různých buněk, tkání a orgánů. v Minerály – anorganické složky: hlavně Na^+, K^+, Mg^2+, Ca^2+, Cl^-, HCO[3]^-, SO[4]^2-, HPO[4]^2-. Tvoří v průměru méně než 5 % živých objektů, ale zastávají v nich důležité funkce jako regulátory fyzikálně-chemických poměrů (pH, iontové síly, osmotického tlaku, …). v Stopové prvky – koordinační sloučeniny iontů Fe, Zn a Co mají katalytické, aktivační a inhibiční funkce. v Organické sloučeniny – tvoří až 95 % suché hmoty. Většinou to jsou makromolekulární látky s vysokou molekulovou hmotností a složitou strukturou, souborně bývají nazývány biopolymery. Organické sloučeniny živých systémů dělíme do 4 skupin: 1. Bílkoviny – makromolekulární látky; sestaveny z a-aminokyselin. Funkce aminokyselin: - stavební jednotky bílkovin - prekursory řady látek, např. hormonů, alkaloidů, porfyrinů, rostlinných barviv - purinové a pyrimidinové báze jsou součástí nukleotidů a ty jsou: - stavebními jednotkami nukleových kyselin - přenašeči energie - složkami molekul biokatalyzátorů Bílkoviny tvoří 50 – 80 % suché hmoty organismů, jsou to nejhojnější organické sloučeniny. Funkce bílkovin: - stavební - podpůrná - transportní - vysoce specializované: - katalytické (enzymy) - regulační (hormony) - obranné (protilátky) Nejjednodušší bakterie obsahují ….. přes 3 000 bílkovin, savčí buňka ….. asi 10 000 druhů bílkovin, v lidském těle ….. 5 milionů druhů bílkovin. 2. Nukleové kyseliny – maktromolekulární sloučeniny, jejichž stavebními jednotkami jsou nukleotidy obsahující cukernou složku, dusíkatou bázi a zbytek kyseliny fosforečné (H[3]PO[4]). Funkce nukleových kyselin: skladování, přenos a zpracování genetické informace. Bakterie obsahují ….. přes 1 000 druhů nukleových kyselin. Podle složení a funkce se nukleové kyseliny dělí na DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Druhová identita – identita každého druhu organismu je dána charakteristickou výbavou bílkovin a nukleových kyselin. 3. Sacharidy – v organismech se vyskytují ve formě monosacharidů, disacharidů až polysacharidů. Funkce sacharidů: - zdroj energie pro buněčnou aktivitu - skladování energie (např. glykogen, škrob) - některé nerozpustné polysacharidy tvoří extracelulární stavební materiál (celulosa, chitin) - D-ribosa a deosy-D-ribosa jsou součástí nukleotidů, které tvoří stavební jednotky nukleových kyselin 4. Lipidy – estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů. Převaha velkých nepolárních struktur (= struktury bez náboje) dodává lipidům olejovou nebo voskovou povahu ® nerozpustnost ve vodě. Nejpočetnější jsou: · triacylglyceroly Funkce triacylglycerolů: zdroj a zásobní forma energie. · polární lipidy – často obsahují fosfor, někdy též dusík. Funkce polárních lipidů: stavební složky biomembrán. Další organické sloučeniny jsou konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny. Jsou přítomny v buňkách ve velmi malých koncentracích (10^-3 – 10^-5 mol.l^-1), protože většinou hned vstupují do dalších reakcí. V některých organismech se tyto látky ukládají v buňkách nebo se vylučují do vnějšího prostředí. SVĚT BIOMOLEKUL Většina živých systémů je zbudována nebo odvozena pouze asi ze 40 jednoduchých malých molekul: o 20 různých a-aminokyselin o 5 monosacharidů o kyselina octová o 6 vyšších mastných kyselin o glycerol o 2 purinové a 3 pyrimidonové báze o nikotinamid o cholin Proč právě tyto organické sloučeniny? Příroda si je vybrala selektivním výběrem. Molekulární součásti organismů mají přesně vymezené úlohy: a) Stavební – řada látek slouží jako materiál na výstavbu organismů: některé bílkoviny a anorganické látky, u rostlin celulosa. b) Provozní – tuto úlohu plní látky sloužící jako zdroj energie: sacharidy a lipidy. c) Zásobní – část látek tvoří zásobu energie pro případ pozdější potřeby: - škrob a tuk v semenech - sacharosa v řepné bulvě - glykogen v živočišném svalu c) Řídící – menší část látek uskutečňuje a reguluje různé biochemické procesy v buňce: enzymy, hormony, různé nukleové kyseliny a některé soli. VODA Živé bytosti jsou závislé na vodě. Souvisí to s tím, že neživá hmota se začala přeměňovat na živou ve vodě. Voda proniká všemi částmi každé buňky a je základním prostředím, v němž probíhá veškeré dění v buňce. není však při tom inertní kapalinou, ale vysoce reaktivní látkou: Ø je výborným rozpouštědlem polárních a iontových sloučenin Ø účastní se řady hydrolytických a hydratačních reakcí a acidobazických dějů Ø interakcemi s biomakromolekulami a biomembránami určuje jejich tvar. Tyto biologické funkce vody jsou podmíněny jejími neobvyklými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Fyzikální vlastnosti vody: - vyšší body tání a varu než by odpovídalo její nízké molekulové hmotnosti - vysoká relativní permitivita Chemické vlastnosti vody: - schopnost tvorby vodíkových vazeb - vyvolání hydrofobního efektu - schopnost autoionizace Základní biologické funkce vody: a) Voda je rozpouštědlo a transpoprtér Většina organických a anorganických složek buněk je rozpustná ve vodě. U mnohobuněčných organismů existuje nejen voda v buňkách (= intracelulární voda), ale je tu i voda v tělních tekutinách (= extracelulární voda) – zde funguje hlavně jako transportér rozvádějící rozpuštěné látky po organismu. b) Voda se účastní chemického dění v buňkách · Některé reakce by v bezvodém prostředí nemohly probíhat. Voda se ale většinou v chemických rovnicích popisujících průběh těchto reakcí nevyskytuje. · Důležitými prvky v reakcích jsou atomy vodíku, mnohé z nich pocházejí z vody. c) Voda vytváří stálost vnitřního prostředí § Voda udržuje stálost hladiny protonů, tedy stálé pH=7, při němž probíhá většina procesů v organismech. § Pronikání vody do roztoků rozpuštěných látek v buňce má vliv na udržování stálosti koncentrace rozpuštěných látek. Roztoky o stejné koncentraci rozpuštěných látek (a tedy i o stejném osmotickém tlaku) jsou isotonické (např. tekutiny v organismu). X hypertonické = roztoky s vyšším obsahem látek X hypotonické = roztoky s nižším obsahem látek Buňka v hypertonickém prostředí ® voda z ní uniká ven ® buňka zmenšuje svůj objem Þ plasmolýza. Buňka v hypotonickém prostředí ® přijímá vodu z okolí ® zvětšuje svůj objem, může dojí k prasknutí Þ plsmoptýza. Vyšší organismy mají mechanismy realizované specifickými hormony centrální nervovou soustavou na regulaci isotonie svého vnitřního prostředí Þ Þ homeostáza. Voda se také podílí na udržování konstantní teploty organismů. Umožňuje jí to její velká tepelná kapacita. Tabulka: Nejdůležitější subcelulární struktury a v nich probíhající děje Buněčná struktura Metabolický děj jádro Biosyntéza DNA, biosyntéza RNA a modifikace RNA cytoplasma Glykolýza, pentosový cyklus, biosyntéza sacharidů a mastných kyselin mitochondrie Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace, citrátový cyklus, odbourávání mastných kyselin, metabolismu aminokyselin ribosomy Biosyntéza bílkovin endoplasmatické retikulum Syntéza, modifikace a transport některých bílkovin, syntéza cholesterolu, fosfolipidů a triacylglycerolů, detoxikace Golgiho komplex Modifikace, třídění, transport a vylučování některých bílkovin lysosomy Odbourávání opotřebených biomakromolekul a cizorodých struktur peroxisomy Oxidace za vzniku peroxidu vodíku, fotorespirace chloroplasty Fotosyntéza, syntéza mastných kyselin glyoxysomy Glyoxylátový cyklus