BIOLOGICKÉ VĚDY ÚVOD ZÁKLADY MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE DOPORUČENÁ LITERATURA 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 Jan Šmarda BIOLOGIE PRO PSYCHOLOGY A PEDAGOGY 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 × systém uzavřený) • schopnost autoreprodukce, dědičnosti a vývoje • schopnost autoregulace • chemický a energetický metabolismus MOLEKULÁRNÍ 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 SLOŽENÍ Biogenní prvky Makrobiogenní prvky - organická forma (C, H, O, N, S, P) - anorganická forma (K, Na, Cl, Ca, Mg, Fe, P) Oligobiogenní prvky (Cu, Zn, Co, Se...) Voda • tvoří většinu hmoty živých soustav • molekula se chová jako elektrický dipól • tvoří hydratační obal • schopnost tvořit vodíkové můstky O O H H H H H H O + + 2- H H O H H O H H O H H O K CHEMICKÉ SLOŽENÍ Nízkomolekulární organické látky Polární látky - sacharidy - organické kyseliny - aminokyseliny - nukleotidy Nepolární látky - uhlovodíky (karoten, steroidy) - vyšší mastné kyseliny - fosfolipidy CHEMICKÉ SLOŽENÍ Vysokomolekulární organické látky (biologické makromolekuly) vznikají kondenzací z látek nízkomolekulárních POLYSACHARIDY NUKLEOVÉ KYSELINY BÍLKOVINY informační makromolekuly NUKLEOVÉ KYSELINY Cukry Nukleotid Fosfát RNA: kyselina ribonukleová - fosfát + ribóza + (G+C+A+U) DNA: kyselina deoxyribonukleová - fosfát + deoxyribóza + (G+C+A+T) puriny a pyrimidiny Dusíkaté báze nukleotid pentozy P O- O nukleotid Nukleozid O- guanin adenin tymin cytozin uracil deoxyribóza ribóza NUKLEOVÉ KYSELINY Primární struktura: Sekundární struktura: Terciální struktura: zastoupení a pořadí nukleotidů pravotočivá, antiparalelní dvojšroubovice nadšroubovice -superhelix - zastoupení jednotlivých druhů aminokyselin a jejich pořadí - aminokyseliny jsou pospojovány peptidickou vazbou - - - - - - 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 Primární struktura: N N N N H H H H H H H H H H OH OH OH O O O O C C C C C C C C H R R R H2O + R peptidová vazba BÍLKOVINY Sekundární struktura: - prostorové uspořádání bílkovin vytvářející se vlivem vodíkových vazem mezi skupinami -NH- a -CO- α-helix β-skládaný list • řetězec je šroubovitě stočen • vodíkové vazby propojují jednotlivé závity šroubovice • vodíkové vazby propojují dva vedle sebe ležící polypeptdické řetězce vodíkpvý můstek BÍLKOVINY Terciální struktura: - prostorové trojrozměrné uspořádání polypeptidového řetězce schopné díky různosti chemické povahy aminokyselin postranních skupin tvořit nekovalentní vazby Globulární proteiny Fibrilární proteiny pravidelné střídání α-šroubovice a β-skládaného listu převažují segmenty buď α-šroubovice anebo β-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 …) BIOMEMBRÁNY lipidy cukry bílkoviny (fosfatidylcholin, cholesterol) (glykoproteiny, glykolipidy) Cholin Fosfát Glycerol CH2-N+(CH2)3 l CH2 l O l O=P-O- l O l CH2-CH-CH2 l l O O l l C=O C=O l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH2 l l CH2 CH l \\ CH2 CH l \ CH2 CH2 l \ CH2 CH2 i \ CH2 CH2 l \ CH2 CH2 l \ CH2 CH2 l \ CH2 CH2 l \ CH2 CH2 l \ CH3 CH3 polární hydrofilní hlavička nepolární hydrofóbní řetězce extracelulární prostor cytoplazma COOH NH2 lipidová dvojvrstva micela 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) BIOMEMBRÁNY 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 Plazmatická membrána - odděluje dvě kapalné fáze, které obsahují různé složky - není pro všechny složky stejně propustná, je polopropustná SEMIPERMEABILNÍ MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT OSMÓZA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H2O NaCl osmóza § Difúze molekul rozpouštědla přes semipermeabilní membránu 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 TONICITA – osmotický tlak v relaci ke krevní plazmě • Izotonický (0,9% roztok NaCl, 5% glukóza) • Hypertonický • Hypotonický OSMOLALITA – koncentrace osmoticky aktivních látek; plasma = 290 mosm/kg H2O 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) 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 K+ vně uvnitř ¨ řízené napětím ¨ řízené chemicky ¨ řízené fyzikálními impulsy ¨ stále otevřené 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 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 vně uvnitř Glukóza Na+ Antiport – spřažený transport látek opačným směrem •Např. Antiport iontu Ca2+ a 3 iontů Na+ vně uvnitř Na+ Ca2+ MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT 4. Aktivní transport Transport látek proti jejich elektrickému nebo chemickému gradientu, což vyžaduje přísun energie (ATP ADP + P) vně uvnitř 3 Na+ 2 K+ ØNa+-K+-ATPáza – v každé membráně - elektrogenní účinek - důležitá pro stabilní klidové napětí ØCa2+-ATPáza – ve svalových a střevních buňkách ØH+-ATPáza – v buňkách žaludku 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 MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT msoD10E4 msoFAC2A