- 1. Definice života, základní charakteristiky živých soustav, principy hierarchie, kompartmentace a autoorganizace
- 2. Modelování v biomedicíně
- 3. Základní mechanismy evoluce
- 4. Buněčná teorie
- 5. Buňky prokaryontní a eukaryontní, buňky rostlinné a živočišné - srovnání
- 6. Základní stavební prvky buněk, biopolymery, struktura proteinů
- 7. Funkce bílkovin v buňce
- 8. Přehled informační funkce bílkovin, membránové receptory a přenos signálů přijatých buňkou
- 9. Membránový princip funkční organizace buňky
- 10. Pasivní membránový transport (transmembránové kanály), transport vody, osmotické jevy v buňce
- 11. Aktivní membránový transport, endocytóza a exocytóza
- 12. Transport látek uvnitř buňky
- 13. Fúze biomembrán a fúze buněk (spontánní, indukované), využití ve výzkumu
- 14. Endoplazmatické retikulum,Golgiho aparát, lysozomy a peroxisomy
- 15. Stavba a funkce mitochondrií
- 16. Cytoskeletní soustava buňky
- 16.1 Mikrotubuly - struktura, funkce
- 16.2 Mikrofilamenta - struktura, funkce
- 16.3 Intermediální filamenta - struktura a funkce
- 17. Buněčné pohyby - rozdělení
- 17.1 Molekulární mechanismy pohybu buněk
- 17.2 Lokomoční pohyby buněk
- 17.3 Vnitrobuněčný transport
- 18. Pozorování živých buněk v mikroskopu
- 19. Pěstování buněk a tkání in vitro
- 19.1 Historie pěstování buněk in vitro
- 19.2 Terminologie
- 19.3 Kultivačni podmínky
- 19.4 Růst buněk v buněčné kultuře
- 19.5 Využití buněčných kultur v medicíně
- 19.6 Testy cytotoxicity na buňkách pěstovaných in vitro
- 19.7 Nácvik centrifugace a manipulace s automatickými pipetami
- 20. Buněčný cyklus a jeho regulace
- 21. Průběh mitózy, mitotický index, mitotické jedy
- 22. Smrt buněk – typy bb.smrti, zákl. morfologické a biochemické charakteristiky
- 23. Využití bb. kultur pro stanovení toxicity, příklady testů
- 24. Zmrazování a konzervace bb, tkání a orgánů – podmínky a význam v klinické praxi
- 25. Výnam virů v klinické a experimentální medicíně
- 26. Gen – definice, typy genů, genetický kód
- 27. Transkripce
- 28. Translace
- 29. Posttranskripční modifikace
- 30. Reversní tranksripce a její význam
- 31. RNA interference
- 32. Postranslační modifikace proteinů
- 33. Řízená degradace protinů – ubiqitinace, proteasom
- 34. Regulace exprese genetické informace u eukaryontních buněk
- 35. Replikace DNA
- 36. Reparace poškozené DNA
- 37. Mutace
- 38. Variabilita
- 39. Sexuální reprodukce, princip pohlavního rozmnožování
- 40. Meióza– její průběh
- 41. Chromozomové určení pohlaví
- 42. Genetický význam meiózy (crossing-over,segregace chromozomů)
- 43. PRŮBĚH MEIÓZY U MUŽŮ A U ŽEN
- 44. Vývoj pohlaví u člověka a jeho poruchy
- 45. Zhotovení karyotypu (indikace, principy, metodika)
- 46. Struktura eukaryotních chromozomů, jejich klasifikace
- 47. Strukturní aberace chromozomů (chromosomové mutace) a jejich důsledky pro buňku a pro organismus (efekt polohy)
- 48. Numerické aberace chromozomů (vznik a důsledky pro buňku a pro organismus)
- 49. Nejčastější aneuploidie u člověka (trisomie, monosomie, děleční sy)
- 50. Inaktivace X chromozomů (lyonizace) a zjišťování pohlavního chromozomu X v buňkách
- 51. Rekombinace DNA ( přirozená a experimentálně navozená
- 52. Transgenové organismy ( příprava, využití v lékařství)
- 53. Restrikční nukleázy- význam v genovém inženýrství
- 54. Klonování DNA-princip, využití v genovém inženýrství
- 55. Klonování savců (včetně člověka) – technické, legislativní a etické problémy
- 55.1. Klonování savců (včetně člověka) – technické, legislativní a etické problémy
- 56. Hybridizace molekul NK
- 57. Fluorescenční In Situ Hybridizace
- 58. DNA arrays, principy a využití
- 59. Vektory používané k přenosu DNA
- 60. Principy selekce v genovém inženýrství
- 61. Metody přenosu DNA do eukaryontních buněk (transekce)
- 62. Využití principů molekulární biologie v diagnostice
- 63. Biologické principy v identifikaci osob
- 64. Genová terapie
- 65. Izolace DNA, PCR
- 66. Elektroforéza DNA, blotting
- 67. Mendelovy zákony (mono- a polyhybridismus)
- 68. Genová vazba, Morganovy zákony
- 69. Interakce párových alel; fenotypová variabilita, manifestací genů(expresivita, penetrance a epistáze genů)
- 70. Pleiotropní efekt genu, klinické příklady
- 71. Polygenní a multifaktoriální dědičnost, podíl genomu na vznik choroby
- 72. Mapování lidských chromozómů, projekt lidský genom
- 73. Studium rodokmenů
- 74. Moderní cytogenetické vyšetřovací metody (FISH spektrální karyotypování, komparativní genomová hybridizace atd.)
- 75. Klinická genetika (genetické poradenství a prognóza)
- 76.Typy autozomální dědičnosti, příklady u člověka
- 77. Dědičnost gonozomálně dominantní a recesivní
- 78. Mitochondriální DNA, matroklinní dědičnost
- 79. Dědičnost hemoglobinopatií
- 80. Příbuzenské sňatky a jejich důsledky pro jedince a populaci
- 81. Úkoly lékařské genetiky v prevenci (prekoncepční, prenatální a presymptomatická diagnostika)
- 82. Nejvýnamnější geneticky podmíněné metabolické poruchy a)
- 83. Nejvýznamnější geneticky podmíněné metabolické poruchy b)
- 84. Genomika a proteomika
- 85. Hardy-Weinbergův zákon - jeho důsledky a uplatněnív populaci
- 86. Dědičná nádorová onemocnění a)
- 87. Dědičná nádorová onemocnění b)
- 88. Apoptóza
- 89. Protilátky
- 90. HLA systém, imunologická tolerance, imunologická paměť
- 91. Dědičnost krevních skupin
- 92. Etické a legislativní problémy genového inženýrtví
- 93. Buněčná terapie – typy, možnosti využití
- 94. Nové poznatky z cytologie, molekulární biologie a genetiky (2007-2008)
OBSAH
1. Definice života, základní charakteristiky živých soustav, principy hierarchie, kompartmentace a autoorganizace
Definice života
- živé organismy jsou prostorově a časově ohraničené, otevřené (tok látek, energie, informace) a hmotné (velmi podobné chemické složení) systémy s vysokým stupněm organizovanosti a schopné:
-samostatné existence
-udržovat samy sebe (metabolismus)
-rozmnožovat se (autoreprodukce)
-vývoje
- základní stavební jednotkou živ. systémů – buňka (složená převážně ze sloučenin uhlíku, hlavní roli mají proteiny a NK)
- podstata života je dána způsobem organizace molekul (ne zvláštním chemickým složením buněk)
Definice začátku a konce lidského života
- neumíme přesně definovat co je život, kdy začíná a kdy končí
- řada etických problémů (umělé oplodnění, potraty, transplantace, klonování)
Začátek lidského života
? – početí – nidace vajíčka – vznik mozku – narození
? – podle EU život vzniká splynutím gamet
? – nevyřešené problémy:
asistovaná reprodukce
použití KB
interupce
Konec lidského života
? – smrt organismu jako celku, smrt mozku
? – všechny funkce mozku nevratně ukončeny
? – smrt mozkového kmene
- některé bb. i po smrti mozku živé – využití při transplantaci
Obecná teorie systému
- biol. objekty jsou velmi složité, není možné je zcela pochopit jen zkoumáním určité dílčí části; jejich poznání se řídí pravidly obecné teorie systémů
Systém
= účelově definovaná množina prvků a vztahů mezi nimi
- nutná definice i okolí (množina prvků ležících mimo systém, které mají vazby s prvky systému, tzv. hraničními prvky systému)
- systém je vždy jednoznačně definován množinou prvků a množinou vztahů mezi těmito prvky
- struktura systému = uspořádání vztahů mezi prvky systému v daném čase
- chování systému = projevy systému vůči okolí
- dynamické systémy = struktura se neustále mění
- okolí systému – množina prvků mimo systém
- pouze některé prvky systému mají vztah k okolí = hraniční prvky
- živé systémy se chovají adaptivně, cíleně, stochasticky nebo deterministicky
• determ. ch. – tentýž podnět vždy vyvolá tutéž reakci
• stochastické (nahodilé) – ex. více možných odpovědí, můžeme vyjádřit pouze určitou pravděpodobnost typu odpovědi na podnět (zjištěnou nejčastěji empiricky) – např. Mendelovy zákony
• cílové chování – reagují na podmět tak, aby dosáhly stanoveného stavu, chovají se účelně – cílem je přežití
• adapt. chování – systém reaguje změnou svého stavu na změny okolí způsobem, který je pro jeho další existenci výhodný – přizpůsobuje se
Živé systémy patří mezi hierarchické systémy
- každý hierarchický systém složen ze subsystémů
- prvek = subsystém nultého řádu, nemůžeme studovat jeho strukturu
důležité pouze chování (nejnižší subsystém, který nás při analýze určitého hierarchického systému ještě zajímá nebo jehož strukturu již danými metodami studovat nemůžeme)
- množina prvků tvoří subsystém prvního řádu
- množina sub prvního řádu tvoří subsystém druhého řádu .....
- na každé vyšší úrovni se objevují kvalitativně nové vlastnosti, není to pouhá sumace vlastností na nižší úrovni
- na každé úrovni používáme různé metodické přístupy
- vztahy v hier. systému – horizontální x vertikální
Stavebnicový princip
- ze stejných prvků můžeme vytvořit kvalit. odlišné systémy, tím, že je dáme do různých vztahů např. biopolymery, 20 aminokyselin – mnoho bílkovin
- velmi ekonomický (metabolismus pouze 20 AMK) – vznik méně chyb
- princip postupné organizace x ne naráz
- možnost eliminace chyb
- vznik složitých systémů se dá dobře regulovat
Princip autoorganizace = tvorba složitých systémů z jednoduchých podjednotek, samovolně bez dodání energie a informace (např. cytoskelet, biologické membrány, kapsidy virů)
Hierarchie živých soustav
- podle složitosti:
nebuněčné
jednobuněčné
mnohobuněčné
- přechod mezi jednobuň. a mnohobuň. = buněčná kolonie
- vyšší stupeň organizovanosti než mnohobuň. = obligátní společenstvo (hmyz)
Kompartmentace
- eu buňka složená z více kompartmentů, ty nejsou schopny samostatné existence
- např. oddělení metabolismů, proteosyntézy, transkripce .....
- živé organismy jsou prostorově a časově ohraničené, otevřené (tok látek, energie, informace) a hmotné (velmi podobné chemické složení) systémy s vysokým stupněm organizovanosti a schopné:
-samostatné existence
-udržovat samy sebe (metabolismus)
-rozmnožovat se (autoreprodukce)
-vývoje
- základní stavební jednotkou živ. systémů – buňka (složená převážně ze sloučenin uhlíku, hlavní roli mají proteiny a NK)
- podstata života je dána způsobem organizace molekul (ne zvláštním chemickým složením buněk)
Definice začátku a konce lidského života
- neumíme přesně definovat co je život, kdy začíná a kdy končí
- řada etických problémů (umělé oplodnění, potraty, transplantace, klonování)
Začátek lidského života
? – početí – nidace vajíčka – vznik mozku – narození
? – podle EU život vzniká splynutím gamet
? – nevyřešené problémy:
asistovaná reprodukce
použití KB
interupce
Konec lidského života
? – smrt organismu jako celku, smrt mozku
? – všechny funkce mozku nevratně ukončeny
? – smrt mozkového kmene
- některé bb. i po smrti mozku živé – využití při transplantaci
Obecná teorie systému
- biol. objekty jsou velmi složité, není možné je zcela pochopit jen zkoumáním určité dílčí části; jejich poznání se řídí pravidly obecné teorie systémů
Systém
= účelově definovaná množina prvků a vztahů mezi nimi
- nutná definice i okolí (množina prvků ležících mimo systém, které mají vazby s prvky systému, tzv. hraničními prvky systému)
- systém je vždy jednoznačně definován množinou prvků a množinou vztahů mezi těmito prvky
- struktura systému = uspořádání vztahů mezi prvky systému v daném čase
- chování systému = projevy systému vůči okolí
- dynamické systémy = struktura se neustále mění
- okolí systému – množina prvků mimo systém
- pouze některé prvky systému mají vztah k okolí = hraniční prvky
- živé systémy se chovají adaptivně, cíleně, stochasticky nebo deterministicky
• determ. ch. – tentýž podnět vždy vyvolá tutéž reakci
• stochastické (nahodilé) – ex. více možných odpovědí, můžeme vyjádřit pouze určitou pravděpodobnost typu odpovědi na podnět (zjištěnou nejčastěji empiricky) – např. Mendelovy zákony
• cílové chování – reagují na podmět tak, aby dosáhly stanoveného stavu, chovají se účelně – cílem je přežití
• adapt. chování – systém reaguje změnou svého stavu na změny okolí způsobem, který je pro jeho další existenci výhodný – přizpůsobuje se
Živé systémy patří mezi hierarchické systémy
- každý hierarchický systém složen ze subsystémů
- prvek = subsystém nultého řádu, nemůžeme studovat jeho strukturu
důležité pouze chování (nejnižší subsystém, který nás při analýze určitého hierarchického systému ještě zajímá nebo jehož strukturu již danými metodami studovat nemůžeme)
- množina prvků tvoří subsystém prvního řádu
- množina sub prvního řádu tvoří subsystém druhého řádu .....
- na každé vyšší úrovni se objevují kvalitativně nové vlastnosti, není to pouhá sumace vlastností na nižší úrovni
- na každé úrovni používáme různé metodické přístupy
- vztahy v hier. systému – horizontální x vertikální
Stavebnicový princip
- ze stejných prvků můžeme vytvořit kvalit. odlišné systémy, tím, že je dáme do různých vztahů např. biopolymery, 20 aminokyselin – mnoho bílkovin
- velmi ekonomický (metabolismus pouze 20 AMK) – vznik méně chyb
- princip postupné organizace x ne naráz
- možnost eliminace chyb
- vznik složitých systémů se dá dobře regulovat
Princip autoorganizace = tvorba složitých systémů z jednoduchých podjednotek, samovolně bez dodání energie a informace (např. cytoskelet, biologické membrány, kapsidy virů)
Hierarchie živých soustav
- podle složitosti:
nebuněčné
jednobuněčné
mnohobuněčné
- přechod mezi jednobuň. a mnohobuň. = buněčná kolonie
- vyšší stupeň organizovanosti než mnohobuň. = obligátní společenstvo (hmyz)
Kompartmentace
- eu buňka složená z více kompartmentů, ty nejsou schopny samostatné existence
- např. oddělení metabolismů, proteosyntézy, transkripce .....
2. Modelování v biomedicíně
- založeno na analogii (podobnosti) určitých vlastností dvou systému (originálu a modelu)
- ostatní vlastnosti originálu nejsou brány v potaz
- výsledkem modelování je model
model = zjednodušený, ideliazovaný obraz vybraných vlastností originálu
analogické modely – vlastnosti originálu a modelu jsou popsány stejnou matematickou funkcí
- izomorfní – podobnost je vzájemně jednoznačná v obou směrech
- povaha prvku může být rozdílná např. negativ a pozitiv
- homomorfní – každému prvku v modelu odpovídá prvek originálu, ale opačný vztah neplatí, protože originál má i další prvky
- model je aproximace originálu např. fotografie buňky
- poznávací modely – model by měl fungovat stejně jako originál, protože známe strukturu modelu, lze na něm hledat analogické vztahy jako v originálu, a tak lépe poznat podstatu fungování originálu
- ověřovací modely – známe podstatu určitého jevu a konstrukcí vhodného modelu ověřujeme správnost našeho poznání (je-li poznání správné, bude model fungovat stejně jako originál)
1) matematické modely – modelování biologických vlastností molekul na počítačích
2) fyzikální modely – anatomické modely, výukové fantomy
3) biologické modely – laboratorní zvířata – výzkum dědičných vad, metabolicky hormonálních poruch
- buněčné kultury, sledování dynamiky buněčných dějů, testování toxicity a mutagenních účinků
- mikroorganismy – použití v mol. biologii a genovém inženýrství
- ostatní vlastnosti originálu nejsou brány v potaz
- výsledkem modelování je model
model = zjednodušený, ideliazovaný obraz vybraných vlastností originálu
analogické modely – vlastnosti originálu a modelu jsou popsány stejnou matematickou funkcí
- izomorfní – podobnost je vzájemně jednoznačná v obou směrech
- povaha prvku může být rozdílná např. negativ a pozitiv
- homomorfní – každému prvku v modelu odpovídá prvek originálu, ale opačný vztah neplatí, protože originál má i další prvky
- model je aproximace originálu např. fotografie buňky
- poznávací modely – model by měl fungovat stejně jako originál, protože známe strukturu modelu, lze na něm hledat analogické vztahy jako v originálu, a tak lépe poznat podstatu fungování originálu
- ověřovací modely – známe podstatu určitého jevu a konstrukcí vhodného modelu ověřujeme správnost našeho poznání (je-li poznání správné, bude model fungovat stejně jako originál)
1) matematické modely – modelování biologických vlastností molekul na počítačích
2) fyzikální modely – anatomické modely, výukové fantomy
3) biologické modely – laboratorní zvířata – výzkum dědičných vad, metabolicky hormonálních poruch
- buněčné kultury, sledování dynamiky buněčných dějů, testování toxicity a mutagenních účinků
- mikroorganismy – použití v mol. biologii a genovém inženýrství
3. Základní mechanismy evoluce
příčina evoluce: neustálá změna prostředí – nutná adaptace – vývoj vhodných mechanismů k uskutečnění adaptace
- evoluce = dlouhodobá adaptace na změnu podmínek na zemi
charakter adaptace :
1) divergence
2) zvyšování organizovanosti – ne u všech organismů
A) přírodní výběr
- hnací síla evoluce
- Charles Darwin – teorie o vzniku druhu přírodním výběrem = darwinismus – současné teorie ho více podporují než vyvracejí
- předpoklad pro výběr je existence variability a nadprodukce potomstva
- malý evoluční význam mají získané vlastnosti = jsou součástí fenotypu, ale nejsou geneticky kódovány (učení)
B) vývoj genetické informace
- vznik nových alel na již existujících lokusech, které kódují proteiny s danými vlastnostmi
- doplňování genomu o nové genové lokusy = zvyšování rozsahu genomu
- mutace – zdroj genetické variability (genové, chromozomové, genomové)
- rekombinace alel – vznik při segregaci chromozomu a crossing-overu
Variace na úrovni jednoho lokusu – stupeň heterozygotnosti je důležitým předpokladem evolučních změn
- dalším faktorem je počet různých alel, které mohou alternovat na témže genovém lokusu
- existence genových polymorfismů = velká zásoba alel – možné využití v evoluci
Rekombinace – nevyčerpatelný zdroj genetické variability
- sexuální reprodukce diploidů zvyšuje počet genetických kombinací – tím se urychlila evoluce
Vývojová hodnota mutací – genové mutace dříve považovány za jediný zdroj nových alel
- dnes – k novým kvalitám genů vedou (intragen. rekombinace, inzerce transpozónů, nové kombinace exonů, intronů)
- mutace strukt. genů – syntéza pozměněných proteinů – změna funkce nebo afunkčnost proteinů = ztrátová mutace
- je-li takový protein životně nezbytný, tak u haploidů ztrátová mutace je letální
- u diploidů jsou tyto mutace recesivní a postupně vytlačeny z populace
- dominantní letální mutace ihned vyřazeny
- vitální mutace – slučitelná se životem, většinou recesivní (neutrální mutace – vznik fenotypů, které nejsou pod selekčním tlakem, výhodná mutace – pod pozitivním tlakem, nevýhodné mutace – pod negativním tlakem)
Amplifikace genů – zvětšování počtu lokusů pomocí: tandemové replikace genů při nerovnoměrném crossing-overu
translokací
zdvojením chromozómů
- tyto procesy vnitrodruhové neobohatí genový fond populace – mění se jen frekvence alel ne spektrum
- alely mohou podléhat mutacím – zvýšení variability v genomu
- evoluce = dlouhodobá adaptace na změnu podmínek na zemi
charakter adaptace :
1) divergence
2) zvyšování organizovanosti – ne u všech organismů
A) přírodní výběr
- hnací síla evoluce
- Charles Darwin – teorie o vzniku druhu přírodním výběrem = darwinismus – současné teorie ho více podporují než vyvracejí
- předpoklad pro výběr je existence variability a nadprodukce potomstva
- malý evoluční význam mají získané vlastnosti = jsou součástí fenotypu, ale nejsou geneticky kódovány (učení)
B) vývoj genetické informace
- vznik nových alel na již existujících lokusech, které kódují proteiny s danými vlastnostmi
- doplňování genomu o nové genové lokusy = zvyšování rozsahu genomu
- mutace – zdroj genetické variability (genové, chromozomové, genomové)
- rekombinace alel – vznik při segregaci chromozomu a crossing-overu
Variace na úrovni jednoho lokusu – stupeň heterozygotnosti je důležitým předpokladem evolučních změn
- dalším faktorem je počet různých alel, které mohou alternovat na témže genovém lokusu
- existence genových polymorfismů = velká zásoba alel – možné využití v evoluci
Rekombinace – nevyčerpatelný zdroj genetické variability
- sexuální reprodukce diploidů zvyšuje počet genetických kombinací – tím se urychlila evoluce
Vývojová hodnota mutací – genové mutace dříve považovány za jediný zdroj nových alel
- dnes – k novým kvalitám genů vedou (intragen. rekombinace, inzerce transpozónů, nové kombinace exonů, intronů)
- mutace strukt. genů – syntéza pozměněných proteinů – změna funkce nebo afunkčnost proteinů = ztrátová mutace
- je-li takový protein životně nezbytný, tak u haploidů ztrátová mutace je letální
- u diploidů jsou tyto mutace recesivní a postupně vytlačeny z populace
- dominantní letální mutace ihned vyřazeny
- vitální mutace – slučitelná se životem, většinou recesivní (neutrální mutace – vznik fenotypů, které nejsou pod selekčním tlakem, výhodná mutace – pod pozitivním tlakem, nevýhodné mutace – pod negativním tlakem)
Amplifikace genů – zvětšování počtu lokusů pomocí: tandemové replikace genů při nerovnoměrném crossing-overu
translokací
zdvojením chromozómů
- tyto procesy vnitrodruhové neobohatí genový fond populace – mění se jen frekvence alel ne spektrum
- alely mohou podléhat mutacím – zvýšení variability v genomu
4. Buněčná teorie
historický přehled:
• Hooke 1665 – zavedl termín cell = buňka
• Leeuwenhoek – pozorování jednobuněčných organismů
• Schleiden 1838 – popsal buňky rostlin
• Schwann 1839 – popsal buňky živočichů
• Virchow – omnis cellula e cellula
- buněčná teorie do dnešní doby dotvářena 120 let
- J. E. Purkyně 1825 – chybný koncept vzniku buněk de novo (tvrdil, že buňky vznikají z nebuněčné hmoty)
- buňka je morfologická a fyziologická jednotka všech živých organismů, dále nedělitelná na jednodušší složky, které by měly základní znaky živé soustavy tzn. nejsou schopny se samy udržovat....
- buňka – minimální jednotka strukturní, funkční, reprodukční
- lze rozbít na menší jednotky
- dělení buněk je jedinou formou reprodukce živých soustav
- všechny buňky mají podobný
• genetický program
• buněčné membrány
• metabolickou mašinérii
• biosyntetickou mašinérii
Buňka jako systém
- výměna látek, energie a informace = otevřený systém
– udržuje stacionární stav = entropie se nemění – mohou existovat v čase
- existence buněk je determinována vnitřní pamětí, ale zajištěna tokem látek, energie, informace
a) tok látek – tok = příjem, přeměna, výdej
- uplatnění zákona zachování hmoty
- přijaté látky přeměňuje v jiné chemické sloučeniny, nepotřebné látky – vylučuje
- přicházející látky musí obsahovat biogenní prvky
- některé látky musí přijímat z okolí již „hotové“
b) tok energie – všechny procesy v buňce spojeny s transformací energie
- pro buňky je upotřebitelná pouze G volná energie – ta jediná koná práci
- při transformaci energie se uvolňuje i tepelná energie – ta nekoná práci a zvyšuje entropii při hromadění v buňce
- nutnost odvodu energie do okolí – nutné k udržení termodynamického stacionárního stavu
c) tok informace – informace ve vnitřní paměti je od buňky mateřské, přesto musí buňka přijímat i informace z okolí – tím usměrňuje své chování
- buňky mnohobuněčného organismu přijímají info o tom jak se chovat, aby byla zaručena integrita organismu
Základní stavební jednotkou živých systémů a života vůbec je buňka, ať představuje jednobuněčné jedince nebo subsystém jedinců mnohobuněčných.
Poznatky, že všechny životní děje probíhají pouze v buňkách nebo jsou realizo-vány interakcemi mezi buňkami jsou shrnuty v buněčné teorii. Její základy byly po-loženy ve 40. letech 19. století, i když pojem “cell” pochází již z roku 1665 od Rober-ta Hooka, který pozoroval buňky korku, jež se mu jevily jako prázdná místa. Buněčná teorie je spojována se jménem Jana Evangelisty Purkyně (1837), který poprvé vy-slovil myšlenku analogie ve stavbě živočichů a rostlin. Sám však mezi nimi určité rozdíly viděl, pro strukturální elementy živočichů používal označení “zrníčka”. Z to-hoto důvodu za skutečné zakladatele buněčné teorie jsou považováni až botanik Schleiden (1838) a zoolog Schwann (1839), kteří v knize Mikroskopická studia o shodě ve struktuře a růstu živočichů a rostlin obšírně zdůvodnili představu o princi-piální analogii ve struktuře rostlinného a živočišného těla.
Druhým základním poznatkem buněčné teorie bylo konstatování Virchowa (1858), že nové buňky vznikají pouze dělením již existujících buněk; známé “Omnis cellula e cellula”.
Konec 19. a počátek 20. století obohatil buněčnou teorii o poznání, že i chemic-ké složení a biochemické procesy probíhající v buňkách jsou totožné nebo velmi po-dobné. To vedlo k potvrzení názoru, že buňka je morfologickou a funkční jednotkou všech živých organismů a zároveň že buňka je nejmenší nedělitelnou jednotkou ži-vota. V 50. letech 20. století pak byla objevena i univerzálnost genetického kódu, což znamená, že všechny buňky mají stejný princip zápisu své vnitřní paměti.
K dnešnímu chápání buněčné teorie přispěl v posledních 20 letech i princip evo-luční. Pomohl v pochopení shod a rozdílů mezi pro- a eukaryontními buňkami. Víme, že prokaryontní buňky jsou evolučně primární a relativně jednoduché, z nich se tepr-ve vyvinuly buňky eukaryontní, a to asi před 1,7 miliardami let.
Z tohoto krátkého historického přehledu vyplývá, že do dnešní podoby se buněč-ná teorie formovala zhruba asi 150 let. Je třeba si však uvědomit, že buněčná teorie byla formulována více méně pro buňky eukaryontní. Rozdíly mezi nimi tj. mezi buňkami rostlinnými a živočišnými se nepovažují za podstatné.
Jak do této buněčné teorie zapadají viry? Viry se označují jako nebuněčné for-my živých soustav. Protože však mají svůj genetický program i princip genetického kódu a syntézy proteinů stejný jako u buněk, řadí se k živým systémům. Některé jed-noduché a malé viry, tzv. viroidy, tvořené pouze molekulou NK bez bílkovinné kap-sidy, nebo dokonce tzv. priony, které jsou tvořeny pouze proteinem bez přítomnosti NK, jsou však již na hranici, zda je považovat ještě za živé či již za neživé soustavy. I ve vědeckých kruzích se o tom vedou spory. Z evolučního hlediska je však jisté, že viry se musely vyvinout později, až když existovaly buňky. Z dnešního pohledu virus není schopen se rozmnožovat bez využití metabolické a biosyntetické mašinérie buňky.
• Hooke 1665 – zavedl termín cell = buňka
• Leeuwenhoek – pozorování jednobuněčných organismů
• Schleiden 1838 – popsal buňky rostlin
• Schwann 1839 – popsal buňky živočichů
• Virchow – omnis cellula e cellula
- buněčná teorie do dnešní doby dotvářena 120 let
- J. E. Purkyně 1825 – chybný koncept vzniku buněk de novo (tvrdil, že buňky vznikají z nebuněčné hmoty)
- buňka je morfologická a fyziologická jednotka všech živých organismů, dále nedělitelná na jednodušší složky, které by měly základní znaky živé soustavy tzn. nejsou schopny se samy udržovat....
- buňka – minimální jednotka strukturní, funkční, reprodukční
- lze rozbít na menší jednotky
- dělení buněk je jedinou formou reprodukce živých soustav
- všechny buňky mají podobný
• genetický program
• buněčné membrány
• metabolickou mašinérii
• biosyntetickou mašinérii
Buňka jako systém
- výměna látek, energie a informace = otevřený systém
– udržuje stacionární stav = entropie se nemění – mohou existovat v čase
- existence buněk je determinována vnitřní pamětí, ale zajištěna tokem látek, energie, informace
a) tok látek – tok = příjem, přeměna, výdej
- uplatnění zákona zachování hmoty
- přijaté látky přeměňuje v jiné chemické sloučeniny, nepotřebné látky – vylučuje
- přicházející látky musí obsahovat biogenní prvky
- některé látky musí přijímat z okolí již „hotové“
b) tok energie – všechny procesy v buňce spojeny s transformací energie
- pro buňky je upotřebitelná pouze G volná energie – ta jediná koná práci
- při transformaci energie se uvolňuje i tepelná energie – ta nekoná práci a zvyšuje entropii při hromadění v buňce
- nutnost odvodu energie do okolí – nutné k udržení termodynamického stacionárního stavu
c) tok informace – informace ve vnitřní paměti je od buňky mateřské, přesto musí buňka přijímat i informace z okolí – tím usměrňuje své chování
- buňky mnohobuněčného organismu přijímají info o tom jak se chovat, aby byla zaručena integrita organismu
Základní stavební jednotkou živých systémů a života vůbec je buňka, ať představuje jednobuněčné jedince nebo subsystém jedinců mnohobuněčných.
Poznatky, že všechny životní děje probíhají pouze v buňkách nebo jsou realizo-vány interakcemi mezi buňkami jsou shrnuty v buněčné teorii. Její základy byly po-loženy ve 40. letech 19. století, i když pojem “cell” pochází již z roku 1665 od Rober-ta Hooka, který pozoroval buňky korku, jež se mu jevily jako prázdná místa. Buněčná teorie je spojována se jménem Jana Evangelisty Purkyně (1837), který poprvé vy-slovil myšlenku analogie ve stavbě živočichů a rostlin. Sám však mezi nimi určité rozdíly viděl, pro strukturální elementy živočichů používal označení “zrníčka”. Z to-hoto důvodu za skutečné zakladatele buněčné teorie jsou považováni až botanik Schleiden (1838) a zoolog Schwann (1839), kteří v knize Mikroskopická studia o shodě ve struktuře a růstu živočichů a rostlin obšírně zdůvodnili představu o princi-piální analogii ve struktuře rostlinného a živočišného těla.
Druhým základním poznatkem buněčné teorie bylo konstatování Virchowa (1858), že nové buňky vznikají pouze dělením již existujících buněk; známé “Omnis cellula e cellula”.
Konec 19. a počátek 20. století obohatil buněčnou teorii o poznání, že i chemic-ké složení a biochemické procesy probíhající v buňkách jsou totožné nebo velmi po-dobné. To vedlo k potvrzení názoru, že buňka je morfologickou a funkční jednotkou všech živých organismů a zároveň že buňka je nejmenší nedělitelnou jednotkou ži-vota. V 50. letech 20. století pak byla objevena i univerzálnost genetického kódu, což znamená, že všechny buňky mají stejný princip zápisu své vnitřní paměti.
K dnešnímu chápání buněčné teorie přispěl v posledních 20 letech i princip evo-luční. Pomohl v pochopení shod a rozdílů mezi pro- a eukaryontními buňkami. Víme, že prokaryontní buňky jsou evolučně primární a relativně jednoduché, z nich se tepr-ve vyvinuly buňky eukaryontní, a to asi před 1,7 miliardami let.
Z tohoto krátkého historického přehledu vyplývá, že do dnešní podoby se buněč-ná teorie formovala zhruba asi 150 let. Je třeba si však uvědomit, že buněčná teorie byla formulována více méně pro buňky eukaryontní. Rozdíly mezi nimi tj. mezi buňkami rostlinnými a živočišnými se nepovažují za podstatné.
Jak do této buněčné teorie zapadají viry? Viry se označují jako nebuněčné for-my živých soustav. Protože však mají svůj genetický program i princip genetického kódu a syntézy proteinů stejný jako u buněk, řadí se k živým systémům. Některé jed-noduché a malé viry, tzv. viroidy, tvořené pouze molekulou NK bez bílkovinné kap-sidy, nebo dokonce tzv. priony, které jsou tvořeny pouze proteinem bez přítomnosti NK, jsou však již na hranici, zda je považovat ještě za živé či již za neživé soustavy. I ve vědeckých kruzích se o tom vedou spory. Z evolučního hlediska je však jisté, že viry se musely vyvinout později, až když existovaly buňky. Z dnešního pohledu virus není schopen se rozmnožovat bez využití metabolické a biosyntetické mašinérie buňky.
5. Buňky prokaryontní a eukaryontní, buňky rostlinné a živočišné - srovnání
- od 60. let rozlišujeme dva typy poněkud strukturálně odlišných buněk a to buňky
prokaryotní a eukaryotní
- tato terminologie vyšla primárně z odlišné struktury jádra
Prokaryonta (0,3 - 10μm)
• Jádro: tvořeno jedním chromozomem uloženým volně v cytoplazmě (nukleoid)
• Metabolismus: aerobní i anaerobní
• Organely: ribozomy (70S) , nemá mitochondrie, ER, GA…..
• DNA: cirkulární, bez obalu (není jádro), nemá histony ani introny, transkripce a translace je jiná než u eukaryot,
• RNA a proteiny: syntetizovány ve stejném kompartmentu
• Cytoplasma: není cytoskelet,
• Dělení: přímé, binární
• Zástupci: Bakterie – eubakterie, aktinomycety (některá tvoří vícejaderná vlákna), cyanobakterie (sinice), archebakterie
mykoplazmata 0,3-0,8 mikrometrů - nejjednodušší prokaryotní buňky, nemají buněčnou stěnu
tvořeny: plazmatická membrána, chromozom, ribozomy
saprofyté a paraziti (např. záněty plic)
- rickettsie a chlamydie - zvláštní forma prokaryont, intracelulární parazité eukaryot
samostatně žijící prokaryota, ale vlivem parazitizmu došlo
k sekundárnímu zjednodušení jejich struktury i funkcí (zastupují je
funkce hostitelské buňky) → obligátní parazité
- rickettsie - malá velikost, vnitrobuněční parazité, defektní metabolismus,
tvořeny: plazmatická membrána, ribozomy, DNA,
mají vlastní energetický metabolismus,ale v některých procesech jsou defektní a
proto defektní metabolismus, autoreprodukce (na rozdíl od virů)
původci nemocí (skvrnitý tyfus, Q-horečka)
- chlamydie - se podobají rickettsiím, sami si přivádějí energii do ATP, nemají ale syntézu
proteinů a NK, reprodukce = mnohonásobné dělení
- prokaryotní buňky jsou evolučně prvotní, sekundárně se z nich vyvinuly buňky
eukaryotní (endosymbiózou)
- prokaryotní buňky jsou velmi chudé na membránové systémy → většina funkcí je
vázána na plazmatickou membránu
- mívají často bičík
Eukaryonta (10-100 μm)
• Jádro: zde vytváří samostatný kompartment, oddělený od cytoplazmy jaderným obalem; chromozomů je vždy více a mají podstatně složitější strukturu než prokar., na které se podílejí bílkoviny typu histonů, jadérko,
• Metabolismus: aerobní
• Organely: jádro, mitochondrie , ER, GA, chloroplasty, ribozomy (80S) …………
• DNA: dlouhá, lineární, organizovaná v jaderné chromozomy s histony a uzavřená jaderným obalem, obsahuje exony i introny,
• RNA a proteiny: syntetizovaná a modifikovaná v jádře, proteiny v cytoplasmě
• Cytoplasma: cytoskelet, exocytoza, endocytoza
• Dělení: mitoza
• Zástupci:
nižší eu: houby, řasy
vyšší eu: všechny mnohobuněčné organismy
- dochází k posttranslační modifikaci proteinů
- transkripce a translace odděleny – každá v jiné části buňky
- protoplazma - metabolicky aktivní část buňky; kromě protoplazmy buňka obsahuje
různé zásobní a odpadní látky, buď rozpuštěné, nebo ve formě inkluzí
- protoplazma jádra (nukleoplazma, karyoplazma) a protoplazma mimo jádro
(cytoplazma)
Rostlinná a živočišná buňka
Rostlinná buňka:
- Součásti: jádro, jadérko, rER, sER, GA, mitochondrie, plazmatická membrána, ribozomy, vakuola, chloroplasty, leukoplasty, buněčná stěna
- Dělení je centrifugální
Vakuola: obsahuje zásobní látky rozpuštěné ve vodě, může zde docházet k rozkladu látek.
Může obsahovat – šťavelan vápenatý, alkaloidy (atropin - rulík), barviva rozpustná ve
vodě, silice.
Plastidy: jsou semiautonomní organely rostlinných buněk a řas. Většinou se předpokládá, že jde o potomky bývalých endosymbiontů sinicového typu, v několika málo případech u konkrétních druhů řas však existuje podezření, že jejich plastidy jsou potomky eukaryotických symbiontů typu řas.
V buňce slouží plastid jako organela, v níž probíhá fotosyntéza, jako zásobní organela, nebo jako organela odpovědná za zbarvení buňky. DNA obsahuje některé geny, plastidy tedy mají důležitý podíl na mimojaderné dědičnosti. Plastidy mohou nabývat různých forem v závislosti na funkci, kterou v rostlině plní. Některé formy nejsou definitivní a mohou přecházet v jiné.
Chloroplast
Fotosynteticky aktivní zelený plastid obsahující chlorofyly, najdeme jej např. v buňkách zelených rostlin, proto mají zelenou barvu. Má 2 membrány (vnitřní odškrcuje váčky - tylakoidy), shluky tylakoidů se nazývají grana. Probíhá zde fotosyntéza= zachycení sluneční energie a přeměna na organické látky.
Další typy plastidů: Amyloplast(škrob), Elaioplast (olej), Proteinoplast
Leukoplasty jsou plastidy, které neobsahují žádná barviva. Jejich úkolem je obvykle shromažďovat zásoby.
Buněčná stěna:
Plní ochrannou funkci a funkci vnější kostry buňky. Jde o první pozorovanou buněčnou strukturu na mikroskopické úrovni - za pomoci jednoduchého světelného mikroskopu ji u příčného řezu korkem sledoval Robert Hooke v roce 1665.
Buněčná stěna rostlin má několik funkcí:
- tvoří vnější kostru buňky
- tvoří mechanické struktury v rámci celé rostliny
- tvoří ochranný obal, chránící rostlinu před prostředím a patogeny
- tvoří sklad určitých makromolekulárních látek
Složení buněčné stěny u rostlin
Základní strukturní kostru buněčné stěny tvoří celulózy, hemicelulózy a pektiny. Kromě těchto základních látek existují další, kterými buňka inkorporuje buněčnou stěnu. V první řadě jde o proteiny, z nichž nejdůležitější jsou: glykoproteiny bohaté na hydroxyprolin (HPGP), arabinogalaktanové proteiny (AGP), proteiny bohaté na glycin (GRPs) a proteiny bohaté na prolin (PRPs). Buněčná stěna rostliny může být navíc (zejména v oblasti sekundárních a terciárních vrstev) vyztužena organickými (lignin, kutin, suberin, vosky) či anorganickými látkami.
Živočišná buňka:
- Součásti: jádro, jadérko, rER, sER, GA, mitochondrie, plazmatická membrána, ribozomy, centriola, lysozom
- Dělení je centripetální - rýhování
Lysozom:
- primární lyzozomy jsou váčky obsahující hydrolázy, ale nikoliv materiál k trávení
- sekundární lyzozomy jsou podstatně větší a obsahují hydrolázy spolu s materiálem, který právě zpracovávají. Vznikají splynutím primárního lyzozomu s tzv. fagozomem (váčkem obsahujícím materiál určený k hydrolýze). Vzniklé jednoduché molekuly (např. monosacharidy) jsou vstřebány do cytosolu.
- terciární lyzozomy (postlyzozomy, reziduální tělíska) už obsahují zbytky materiálu, který se již nedá dál rozložit. Jejich obsah je pomocí exocytózy posléze vyloučen z buňky a postlyzozom zanikne.
Centriola:
Buňky obvykle obsahují dvě centrioly. Pár centriol, které jsou vzájemně kolmo orientované, vytváří centrozóm. Před mitózou vyrostou nové centrioly z obou stávajících, čímž vzniknou dva páry centriol. Dceřiné buňky získají vždy jednu mateřskou a jednu dceřinou centriolu.
Zásadní rozdíl mezi pěstováním buněk in vitro je, že ze somatických buněk rostlin je možné zpětně vytvořit celou rostlinu, u živočichů nikoli (nebo velmi obtížně).
prokaryotní a eukaryotní
- tato terminologie vyšla primárně z odlišné struktury jádra
Prokaryonta (0,3 - 10μm)
• Jádro: tvořeno jedním chromozomem uloženým volně v cytoplazmě (nukleoid)
• Metabolismus: aerobní i anaerobní
• Organely: ribozomy (70S) , nemá mitochondrie, ER, GA…..
• DNA: cirkulární, bez obalu (není jádro), nemá histony ani introny, transkripce a translace je jiná než u eukaryot,
• RNA a proteiny: syntetizovány ve stejném kompartmentu
• Cytoplasma: není cytoskelet,
• Dělení: přímé, binární
• Zástupci: Bakterie – eubakterie, aktinomycety (některá tvoří vícejaderná vlákna), cyanobakterie (sinice), archebakterie
mykoplazmata 0,3-0,8 mikrometrů - nejjednodušší prokaryotní buňky, nemají buněčnou stěnu
tvořeny: plazmatická membrána, chromozom, ribozomy
saprofyté a paraziti (např. záněty plic)
- rickettsie a chlamydie - zvláštní forma prokaryont, intracelulární parazité eukaryot
samostatně žijící prokaryota, ale vlivem parazitizmu došlo
k sekundárnímu zjednodušení jejich struktury i funkcí (zastupují je
funkce hostitelské buňky) → obligátní parazité
- rickettsie - malá velikost, vnitrobuněční parazité, defektní metabolismus,
tvořeny: plazmatická membrána, ribozomy, DNA,
mají vlastní energetický metabolismus,ale v některých procesech jsou defektní a
proto defektní metabolismus, autoreprodukce (na rozdíl od virů)
původci nemocí (skvrnitý tyfus, Q-horečka)
- chlamydie - se podobají rickettsiím, sami si přivádějí energii do ATP, nemají ale syntézu
proteinů a NK, reprodukce = mnohonásobné dělení
- prokaryotní buňky jsou evolučně prvotní, sekundárně se z nich vyvinuly buňky
eukaryotní (endosymbiózou)
- prokaryotní buňky jsou velmi chudé na membránové systémy → většina funkcí je
vázána na plazmatickou membránu
- mívají často bičík
Eukaryonta (10-100 μm)
• Jádro: zde vytváří samostatný kompartment, oddělený od cytoplazmy jaderným obalem; chromozomů je vždy více a mají podstatně složitější strukturu než prokar., na které se podílejí bílkoviny typu histonů, jadérko,
• Metabolismus: aerobní
• Organely: jádro, mitochondrie , ER, GA, chloroplasty, ribozomy (80S) …………
• DNA: dlouhá, lineární, organizovaná v jaderné chromozomy s histony a uzavřená jaderným obalem, obsahuje exony i introny,
• RNA a proteiny: syntetizovaná a modifikovaná v jádře, proteiny v cytoplasmě
• Cytoplasma: cytoskelet, exocytoza, endocytoza
• Dělení: mitoza
• Zástupci:
nižší eu: houby, řasy
vyšší eu: všechny mnohobuněčné organismy
- dochází k posttranslační modifikaci proteinů
- transkripce a translace odděleny – každá v jiné části buňky
- protoplazma - metabolicky aktivní část buňky; kromě protoplazmy buňka obsahuje
různé zásobní a odpadní látky, buď rozpuštěné, nebo ve formě inkluzí
- protoplazma jádra (nukleoplazma, karyoplazma) a protoplazma mimo jádro
(cytoplazma)
Rostlinná a živočišná buňka
Rostlinná buňka:
- Součásti: jádro, jadérko, rER, sER, GA, mitochondrie, plazmatická membrána, ribozomy, vakuola, chloroplasty, leukoplasty, buněčná stěna
- Dělení je centrifugální
Vakuola: obsahuje zásobní látky rozpuštěné ve vodě, může zde docházet k rozkladu látek.
Může obsahovat – šťavelan vápenatý, alkaloidy (atropin - rulík), barviva rozpustná ve
vodě, silice.
Plastidy: jsou semiautonomní organely rostlinných buněk a řas. Většinou se předpokládá, že jde o potomky bývalých endosymbiontů sinicového typu, v několika málo případech u konkrétních druhů řas však existuje podezření, že jejich plastidy jsou potomky eukaryotických symbiontů typu řas.
V buňce slouží plastid jako organela, v níž probíhá fotosyntéza, jako zásobní organela, nebo jako organela odpovědná za zbarvení buňky. DNA obsahuje některé geny, plastidy tedy mají důležitý podíl na mimojaderné dědičnosti. Plastidy mohou nabývat různých forem v závislosti na funkci, kterou v rostlině plní. Některé formy nejsou definitivní a mohou přecházet v jiné.
Chloroplast
Fotosynteticky aktivní zelený plastid obsahující chlorofyly, najdeme jej např. v buňkách zelených rostlin, proto mají zelenou barvu. Má 2 membrány (vnitřní odškrcuje váčky - tylakoidy), shluky tylakoidů se nazývají grana. Probíhá zde fotosyntéza= zachycení sluneční energie a přeměna na organické látky.
Další typy plastidů: Amyloplast(škrob), Elaioplast (olej), Proteinoplast
Leukoplasty jsou plastidy, které neobsahují žádná barviva. Jejich úkolem je obvykle shromažďovat zásoby.
Buněčná stěna:
Plní ochrannou funkci a funkci vnější kostry buňky. Jde o první pozorovanou buněčnou strukturu na mikroskopické úrovni - za pomoci jednoduchého světelného mikroskopu ji u příčného řezu korkem sledoval Robert Hooke v roce 1665.
Buněčná stěna rostlin má několik funkcí:
- tvoří vnější kostru buňky
- tvoří mechanické struktury v rámci celé rostliny
- tvoří ochranný obal, chránící rostlinu před prostředím a patogeny
- tvoří sklad určitých makromolekulárních látek
Složení buněčné stěny u rostlin
Základní strukturní kostru buněčné stěny tvoří celulózy, hemicelulózy a pektiny. Kromě těchto základních látek existují další, kterými buňka inkorporuje buněčnou stěnu. V první řadě jde o proteiny, z nichž nejdůležitější jsou: glykoproteiny bohaté na hydroxyprolin (HPGP), arabinogalaktanové proteiny (AGP), proteiny bohaté na glycin (GRPs) a proteiny bohaté na prolin (PRPs). Buněčná stěna rostliny může být navíc (zejména v oblasti sekundárních a terciárních vrstev) vyztužena organickými (lignin, kutin, suberin, vosky) či anorganickými látkami.
Živočišná buňka:
- Součásti: jádro, jadérko, rER, sER, GA, mitochondrie, plazmatická membrána, ribozomy, centriola, lysozom
- Dělení je centripetální - rýhování
Lysozom:
- primární lyzozomy jsou váčky obsahující hydrolázy, ale nikoliv materiál k trávení
- sekundární lyzozomy jsou podstatně větší a obsahují hydrolázy spolu s materiálem, který právě zpracovávají. Vznikají splynutím primárního lyzozomu s tzv. fagozomem (váčkem obsahujícím materiál určený k hydrolýze). Vzniklé jednoduché molekuly (např. monosacharidy) jsou vstřebány do cytosolu.
- terciární lyzozomy (postlyzozomy, reziduální tělíska) už obsahují zbytky materiálu, který se již nedá dál rozložit. Jejich obsah je pomocí exocytózy posléze vyloučen z buňky a postlyzozom zanikne.
Centriola:
Buňky obvykle obsahují dvě centrioly. Pár centriol, které jsou vzájemně kolmo orientované, vytváří centrozóm. Před mitózou vyrostou nové centrioly z obou stávajících, čímž vzniknou dva páry centriol. Dceřiné buňky získají vždy jednu mateřskou a jednu dceřinou centriolu.
Zásadní rozdíl mezi pěstováním buněk in vitro je, že ze somatických buněk rostlin je možné zpětně vytvořit celou rostlinu, u živočichů nikoli (nebo velmi obtížně).
6. Základní stavební prvky buněk, biopolymery, struktura proteinů
Základní stavební prvky buněk
Buňky se skládají ze stejných prvků jako neživé systémy, nejvíce zastoupené jsou C, N, O, H.
Život je založen na sloučeninách uhlíku (organické molekuly) zejména na tzv. biopolymerech.
Život není ale možný ani bez malých molekul (voda, glukóza, fosfolipidy, puriny, pyrimidiny) a iontů Na, K, Mg, Ca, S, P, Cl....
Chemické složení buňky
Voda....................70% 1 typ
Ionty.....................1% 20 typů
Cukry....................1% 250
Aminokyseliny.....0,4% 100
Nukleotidy............0,4% 100
Mastné kyseliny....1% 50
Biopolymery.........26% 3000
Biopolymery
- základní stavební kameny živých soustav, realizují převážnou většinu životních funkcí
- polymery (polykondenzátory) tj. bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy mají
dominantní význam v živých soustavách → realizují převážnou část většiny životních
funkcí
- počet monomerů, ze kterých jsou sestaveny polymery je relativně malý → velmi výhodný
- 20 aminokyselin, 5 nukleotidů, desítky monosacharidů a vzniká např. 10100-101000 bílkovin
- polymery = stavebnice vyššího řádu, ze které jsou „stavěny“ buňky
- evoluce se realizovala díky stavebnicovému principu
- stavebnicový princip: z těch samých prvků můžeme tím, že je dáme do různých vztahů
vytvořit jiné systémy (z téže aminokyseliny vzniknou různé bílkoviny
jen tím, že je seřadíme do jiné sekvence)
→ stavebnicový princip je ekonomický - 20 metabolických drah -
20 hlavních aminokyselin → miliony bílkovin
odstraňuje chyby - postupnou výstavbou organismu se na různých
úrovních uplatňuje eliminace chyb
- prvky → molekuly → monomery = stavební kameny → polymery → komplexy
stavební kameny → komplexy
cukry → polysacharidy
mastné kyseliny → lipidy / membrány
aminokyseliny → proteiny
nukleotidy → nukleové kyseliny
Polysacharidy (glykany)
= nejčastější biopolymer živých soustav (škrob, glykogen, celulóza, chitin)
- součást buněčných stěn a mezibuněčných hmot
- zásobárna energie , vázány na bílkoviny jsou součástí řady důležitých molekul.
- polysacharidový řetězec – monomery jsou
-monosacharidy nejčastěji hexosy – D-glukoza, D-fruktoza
pentosy - L-arabinoza, D- xyloza
-deriváty monosacharidů – glukozamin a uronové kyseliny
- homopolymery - 1 druh sacharidu
- heteropolymery - různé druhy sacharidů v řetězci
- monomery jsou vázány glykosidovou vazbou (α,β) podle toho zda jsou spojeny izomery α,β
(1→4; 1→3; 1→6)
- celulosa = β(1→4)glukopyranoza
- amylosa = α(1→4)glukopyranoza
Struktura molekul polysacharidů
1) lineární - nevětvený polysacharidový řetězec (celulosa)
2) rozvětvený – na krátký základní řetězec jsou vázány postranní řetězec (různé typy glykosidových vazeb) – jsou
často zodpovědné za typickou antigenní strukturu polysacharidu
3) široce rozvětvené (škrob, glykogen) – globulární
- konjugované glykany - peptidoglykany
glykoproteiny
glykolipidy
- mikrofibrily - lineární molekuly polysacharidů se mohou spojovat do pravidelných struktur -
krystalických struktur
síly poutající je navzájem jsou vodíkové můstky a van der Waalsovy síly
Nukleové kyseliny
- kódování a exprese genetické informace
Primární struktura
- monomer = nukleotidy
- nukleotidy se navzájem spojí v nukleotidový řetězec kovalentními vazbami
- polynukleotidový řetězec se nazývá primární struktura
- nukleotidy = dusíkatá báze, pentóza, kyselina fosforečná (zbytek)
- nukleosid = nukleotid bez kyseliny fosforečné
- esterická vazba mezi fosfátem a pentosu a určuje kyselý charakter molekuly
- glykosidická vazba mezi pentózou a bazí
Pentozy – riboza
- deoxyriboza
Báze - purinové (A, G)
- pyrimidinové (C, T, U)
- DNA = AGCT
- RNA = AGCU
- minoritní báze = methylované deriváty
vyskytují se u tRNA a u bakteriofágů
Struktura polynukleotidového řetězce
- jednotlivé nukleotidy jsou vázány esterickou vazbou mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu a pátým
uhlíkem pentozy druhého nukleotidu
- v ose vlákna se tedy střídají fosfátové zbytky a pentozy
- řetězec je polarizován – fosfátová skupina (5´konec)
- pentoza (3´konec)
(Různé druhy NK lišících se počtěm nukleotidů lze ze směsi separovat na základě rozdílů v sedimentačních rychlostech, vžilo se označování frakcí podle sedimentačních konstant vyjadřovaných ve Svedbergových jednotkách – S....... to číslo u ribozomů)
struktura RNA - 1 řetězec (AUCG) ,určení sekvence pomocí restrikčních endonukleáz
(štěpení řetězce) → sekvenování
rozlišujeme:
transferová RNA = tRNA
ribozomální RNA = rRNA
mediátorová RNA = mRNA
- struktura DNA - dvouvláknová - spojení vodíkovými můstky mezi bazemi (u virů jednovláknová)
řetězce probíhají antiparalalně a spojení je díky komplementaritě bazí (C-G), (A-T)
poměrné zastoupení bazí v molekule DNA vyjadřujeme jako poměr A+T /C+G
kružnicové DNA = prokaryotní DNA - u virů, bakterií, plazmidů,
chloroplastů a mitochondrie
Sekundární struktura
RNA
- liší se u jednotlivých druhů
- u RNA virů s tyčinkovitými viriony vytváří řetězec šroubovici podobnou α helix,
- tRNA - připomíná čtyřlístek (v některých částech se vytvářejí dvoušrobovicové úseky -
duplexy)
- u některých RNA virů se vytvořila dvouvláknová struktura
DNA
dvoušroubovicová sekundární struktura objasněna roku 1953 Watsonem a Crickem
- oba řetězce spojené vodíkovými můstky mezi komplementárními bazemi jsou stočeny do šroubivoce
pravotočivá má B-formu a A-formu
úseky tvořené CGCGC - levotočivé = Z-forma
- stabilizace sekundární struktury vodíkovými můstky a hydrofobními interakcemi
- denaturace = změna sekundární struktury
oddělení dvou řetězců (úplné, lokální)
způsobena zvýšením teploty, změnou iontové síly, působením močoviny
- renaturace - někdy je denaturace reverzibilní, vrácení původního spojení
- depolymerace - přerušení obou vláken → rozpad
způsobena větším přílivem energie nebo působením specifických enzymů
nukleáz (přerušují kovalentní vazby mezi nukleotidy v řetězci)
Proteiny
- tvoří asi polovinu ze suché hmotnosti buňky - sušiny
- podílí se na všech základních životních procesech: mají funkce strukturní, metabolické a
informační
- jsou též základní chemickou komponentou všech tří hlavních principů funkční organizace
buňky
Primární struktura
- monomery molekul bílkovin (proteinů) jsou aminokyseliny
- pořadí (sled, sekvence) aminokyselin v molekule = primární struktura
- aminokyseliny jsou odvozeny od organických kyselin
- rozlišujeme 20 aminokyselin
- aminokyseliny, které konstruují bílkoviny patří převážně k α-aminokyselinám a k L-řadě
(izomerie)
- D-aminokyseliny byly nalezeny pouze v peptidech buněčné stěny některých bakterií
Struktura peptidového řetězce
- aminokyseliny jsou v molekule bílkovin spojeny peptidovou vazbou - C – CO – NH – C -
- peptidový řetězec - vzniká spojením více aminokyselin
- postranní řetězec - zbytky aminokyselin odstupující od osy peptidového řetězce
- peptidový řetězec má dva konce: NH2 (aminový N-konec) a COOH (karboxylový C-konec)
- v peptidovém řetězci je reálně seřazeno až několik set aminokyselin, zápis jejich pořadí
začíná od N-konce
Aminokyselinové složení bílkovin
- vyjadřujeme zpravidla v % po úplné hydrolýze bílkoviny
- aminokyselinové složení je pro každý druh bílkoviny velmi charakteristické
- o vlastnostech bílkovin rozhoduje charakter postranních řetězců aminokyselin
- z fyzikálně-chemického hlediska mohou být:
kyselé (-COOH - skupina v postranních řetězcích)
zásadité (NH2 - skupina v postranních řetězcích) – R, K, H aminokyseliny
hydrofilní (zakončené na postraních řetězcích OH, COOH)
hydrofobní (zakončení na postraních řetězcích CH3 skupinami)
Podle typu řetězce a přítomnosti funkčních skupin rozdělujeme aminokyseliny do čtyř skupin:
1. Aminokyseliny s nepolárním hlavním nebo postranním řetězcem - glycin, alanin, valin, leucin, izoleucin, prolin, fenylalanin.
2. Aminokyseliny s polárními skupinami - OH, -SH, - CONH2 nebo s heterocyklickou strukturou - tyrosin, tryptofan, serin, threonin, cystein, methionin, asparagin a glutamin.
3. Kyselé aminokyseliny - monoaminodikarboxylové - asparagová a glutamová.
4. Zásadité aminokyseliny - obsahují více ne jednu aminovou skupinu - lysin, arginin, histidin.
Sekvence aminokyselin
- vlastnosti bílkovin nejsou určeny pouze aminokyselinovým složením, ale i jejich pořadím -
sekvencí v peptidovém řetězci
- poprvé se podařilo určit strukturu F. Sangerovi (1953) u molekuly inzulinu
- dnes se primární struktura bílkovin odvozuje podle sekvencí nukleotidů DNA
- primární struktura bílkoviny určuje vlastnosti celé molekuly - její biologickou funkci
- informace pro primární strukturu je obsažena v genetické paměti buňky
Sekundární a terciární struktura
- peptidy, oligopeptidy - krátké polypeptidový řetězce, tvořené pouze několika či několika
desítkami aminokyselin
- oligopeptidy mají důležité biologické funkce, zejména regulační (např. některé hormony) nebo jsou součástí
složitějších makromolekul (tetrapeptidy v peptidoglykanu mureinu)
- bílkoviny = proteiny - teprve ty látky, jejichž polypeptidový řetězec je tvořen větším počtem
aminokyselin (zpravidla několika sty)
- molekulová hmotnost bílkovin se udává v kilodaltonech (kDa)
- vzdálenost mezi peptidovými vazbami: 0,35nm → délka celého řetězce až 3μm
- fibrilární bílkoviny - natažený peptidový řetězec - vytváří „vlákno“
- globulární bílkoviny - vytvářejí molekuly, jejichž tvar se blíží sférickým útvarům
je jich většina
- polypeptidový řetězec je velmi flexibilní - to je způsobeno množstvím vazeb v řetězci, což
umožňuje volnou rotaci atomů
- konformace proteinu - tvar, který řetězec v prostoru zaujímá, určována silami v molekule
jde o rozložení aminokyselin s polárními (k povrchu buňky) a
nepolárními (přitahovány k sobě - dovnitř molekuly) postranními
řetězci
další síly: vodíkové můstky mezi peptidovými vazbami v řetězci,
dále mezi nimi a postraními řetězci
primární struktura bílkovin tedy určuje i konformaci molekuly
Sekundární struktura
- α-helix - taková konformace, kdy řetězec vytváří šroubovicové uspořádání
toto uspořádání je stabilizováno vodíkovými můstky mezi nad sebou ležícími
peptidovými vazbami (př. Kreatin)
- β-struktura - zde probíhají úseky řetězce paralelně vedle sebe
tato struktura je stabilizována vodíkovými můstky mezi sousedícími
(„přiloženými“) úseky, pouze některé proteiny mají výlučně tuto strukturu: fibroin z přírodního
hedvábí)
většinou se obě struktury kombinují v jednom proteinu
Terciární struktura
- konečná struktura molekuly bílkoviny, prostorové uspořádání celého řetězce
- evolučně příbuzné proteiny (tzv. rodiny proteinů) mají velké podobnosti v terciární struktuře (serinové proteázy –
trypsin)
- molekuly mnohých bílkovin o větším počtu aminokyselin jsou jakoby rozděleny na dvě
nebo více částí (jsou ovšem spojeny nepřerušeným polypeptidovým řetězcem) = proteinové
domény
- aminokyselinový rozsah domén je asi 100-200 aminokyselinových zbytků
- všechny interakce udržující konformační stabilitu jsou nekovalentní a energeticky poměrně
slabé → změny pH, teploty vedou ke změně terciární struktury
- nevratná změna = nevratná denaturace proteinu
- vratná (reverzibilní) změna = vratná denaturace → důležitý mechanismus regulace jeho
biologické funkce (protein)
Podjednotkové bílkoviny
- některé bílkoviny jsou složeny z většího počtu menších molekul, z více polypeptidových
řetězců - podjednotek, promoter - podjednotkové - oligomérní proteiny
- navzájem jsou vázány nekovalentními vazbami
- podle počtu podjednotek - dimérní
tetramerní
atd.
- podle „podobnosti“ – homodimery .......podjednotky zcela identické
heterodimery .......podjednotky různé
Kvartérní struktura
- vzájemné prostorové uspořádání podjednotek
- příkladem polymerních bílkovin jsou: některé enzymy, myoglobin, transportní bílkoviny
membrán, protilátky (4 podjednotky), kapsidy virů
- síly, které udržují kvartérní konformaci, jsou vždy nekovalentní vazby → snadná disociace - možná reasociace
-biologická aktivita polymerních bíklovin je determinována jejich kvarterní konformací, regulovaná změna jejich kvarterní struktury je cestou k jejich regulaci.
Buňky se skládají ze stejných prvků jako neživé systémy, nejvíce zastoupené jsou C, N, O, H.
Život je založen na sloučeninách uhlíku (organické molekuly) zejména na tzv. biopolymerech.
Život není ale možný ani bez malých molekul (voda, glukóza, fosfolipidy, puriny, pyrimidiny) a iontů Na, K, Mg, Ca, S, P, Cl....
Chemické složení buňky
Voda....................70% 1 typ
Ionty.....................1% 20 typů
Cukry....................1% 250
Aminokyseliny.....0,4% 100
Nukleotidy............0,4% 100
Mastné kyseliny....1% 50
Biopolymery.........26% 3000
Biopolymery
- základní stavební kameny živých soustav, realizují převážnou většinu životních funkcí
- polymery (polykondenzátory) tj. bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy mají
dominantní význam v živých soustavách → realizují převážnou část většiny životních
funkcí
- počet monomerů, ze kterých jsou sestaveny polymery je relativně malý → velmi výhodný
- 20 aminokyselin, 5 nukleotidů, desítky monosacharidů a vzniká např. 10100-101000 bílkovin
- polymery = stavebnice vyššího řádu, ze které jsou „stavěny“ buňky
- evoluce se realizovala díky stavebnicovému principu
- stavebnicový princip: z těch samých prvků můžeme tím, že je dáme do různých vztahů
vytvořit jiné systémy (z téže aminokyseliny vzniknou různé bílkoviny
jen tím, že je seřadíme do jiné sekvence)
→ stavebnicový princip je ekonomický - 20 metabolických drah -
20 hlavních aminokyselin → miliony bílkovin
odstraňuje chyby - postupnou výstavbou organismu se na různých
úrovních uplatňuje eliminace chyb
- prvky → molekuly → monomery = stavební kameny → polymery → komplexy
stavební kameny → komplexy
cukry → polysacharidy
mastné kyseliny → lipidy / membrány
aminokyseliny → proteiny
nukleotidy → nukleové kyseliny
Polysacharidy (glykany)
= nejčastější biopolymer živých soustav (škrob, glykogen, celulóza, chitin)
- součást buněčných stěn a mezibuněčných hmot
- zásobárna energie , vázány na bílkoviny jsou součástí řady důležitých molekul.
- polysacharidový řetězec – monomery jsou
-monosacharidy nejčastěji hexosy – D-glukoza, D-fruktoza
pentosy - L-arabinoza, D- xyloza
-deriváty monosacharidů – glukozamin a uronové kyseliny
- homopolymery - 1 druh sacharidu
- heteropolymery - různé druhy sacharidů v řetězci
- monomery jsou vázány glykosidovou vazbou (α,β) podle toho zda jsou spojeny izomery α,β
(1→4; 1→3; 1→6)
- celulosa = β(1→4)glukopyranoza
- amylosa = α(1→4)glukopyranoza
Struktura molekul polysacharidů
1) lineární - nevětvený polysacharidový řetězec (celulosa)
2) rozvětvený – na krátký základní řetězec jsou vázány postranní řetězec (různé typy glykosidových vazeb) – jsou
často zodpovědné za typickou antigenní strukturu polysacharidu
3) široce rozvětvené (škrob, glykogen) – globulární
- konjugované glykany - peptidoglykany
glykoproteiny
glykolipidy
- mikrofibrily - lineární molekuly polysacharidů se mohou spojovat do pravidelných struktur -
krystalických struktur
síly poutající je navzájem jsou vodíkové můstky a van der Waalsovy síly
Nukleové kyseliny
- kódování a exprese genetické informace
Primární struktura
- monomer = nukleotidy
- nukleotidy se navzájem spojí v nukleotidový řetězec kovalentními vazbami
- polynukleotidový řetězec se nazývá primární struktura
- nukleotidy = dusíkatá báze, pentóza, kyselina fosforečná (zbytek)
- nukleosid = nukleotid bez kyseliny fosforečné
- esterická vazba mezi fosfátem a pentosu a určuje kyselý charakter molekuly
- glykosidická vazba mezi pentózou a bazí
Pentozy – riboza
- deoxyriboza
Báze - purinové (A, G)
- pyrimidinové (C, T, U)
- DNA = AGCT
- RNA = AGCU
- minoritní báze = methylované deriváty
vyskytují se u tRNA a u bakteriofágů
Struktura polynukleotidového řetězce
- jednotlivé nukleotidy jsou vázány esterickou vazbou mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu a pátým
uhlíkem pentozy druhého nukleotidu
- v ose vlákna se tedy střídají fosfátové zbytky a pentozy
- řetězec je polarizován – fosfátová skupina (5´konec)
- pentoza (3´konec)
(Různé druhy NK lišících se počtěm nukleotidů lze ze směsi separovat na základě rozdílů v sedimentačních rychlostech, vžilo se označování frakcí podle sedimentačních konstant vyjadřovaných ve Svedbergových jednotkách – S....... to číslo u ribozomů)
struktura RNA - 1 řetězec (AUCG) ,určení sekvence pomocí restrikčních endonukleáz
(štěpení řetězce) → sekvenování
rozlišujeme:
transferová RNA = tRNA
ribozomální RNA = rRNA
mediátorová RNA = mRNA
- struktura DNA - dvouvláknová - spojení vodíkovými můstky mezi bazemi (u virů jednovláknová)
řetězce probíhají antiparalalně a spojení je díky komplementaritě bazí (C-G), (A-T)
poměrné zastoupení bazí v molekule DNA vyjadřujeme jako poměr A+T /C+G
kružnicové DNA = prokaryotní DNA - u virů, bakterií, plazmidů,
chloroplastů a mitochondrie
Sekundární struktura
RNA
- liší se u jednotlivých druhů
- u RNA virů s tyčinkovitými viriony vytváří řetězec šroubovici podobnou α helix,
- tRNA - připomíná čtyřlístek (v některých částech se vytvářejí dvoušrobovicové úseky -
duplexy)
- u některých RNA virů se vytvořila dvouvláknová struktura
DNA
dvoušroubovicová sekundární struktura objasněna roku 1953 Watsonem a Crickem
- oba řetězce spojené vodíkovými můstky mezi komplementárními bazemi jsou stočeny do šroubivoce
pravotočivá má B-formu a A-formu
úseky tvořené CGCGC - levotočivé = Z-forma
- stabilizace sekundární struktury vodíkovými můstky a hydrofobními interakcemi
- denaturace = změna sekundární struktury
oddělení dvou řetězců (úplné, lokální)
způsobena zvýšením teploty, změnou iontové síly, působením močoviny
- renaturace - někdy je denaturace reverzibilní, vrácení původního spojení
- depolymerace - přerušení obou vláken → rozpad
způsobena větším přílivem energie nebo působením specifických enzymů
nukleáz (přerušují kovalentní vazby mezi nukleotidy v řetězci)
Proteiny
- tvoří asi polovinu ze suché hmotnosti buňky - sušiny
- podílí se na všech základních životních procesech: mají funkce strukturní, metabolické a
informační
- jsou též základní chemickou komponentou všech tří hlavních principů funkční organizace
buňky
Primární struktura
- monomery molekul bílkovin (proteinů) jsou aminokyseliny
- pořadí (sled, sekvence) aminokyselin v molekule = primární struktura
- aminokyseliny jsou odvozeny od organických kyselin
- rozlišujeme 20 aminokyselin
- aminokyseliny, které konstruují bílkoviny patří převážně k α-aminokyselinám a k L-řadě
(izomerie)
- D-aminokyseliny byly nalezeny pouze v peptidech buněčné stěny některých bakterií
Struktura peptidového řetězce
- aminokyseliny jsou v molekule bílkovin spojeny peptidovou vazbou - C – CO – NH – C -
- peptidový řetězec - vzniká spojením více aminokyselin
- postranní řetězec - zbytky aminokyselin odstupující od osy peptidového řetězce
- peptidový řetězec má dva konce: NH2 (aminový N-konec) a COOH (karboxylový C-konec)
- v peptidovém řetězci je reálně seřazeno až několik set aminokyselin, zápis jejich pořadí
začíná od N-konce
Aminokyselinové složení bílkovin
- vyjadřujeme zpravidla v % po úplné hydrolýze bílkoviny
- aminokyselinové složení je pro každý druh bílkoviny velmi charakteristické
- o vlastnostech bílkovin rozhoduje charakter postranních řetězců aminokyselin
- z fyzikálně-chemického hlediska mohou být:
kyselé (-COOH - skupina v postranních řetězcích)
zásadité (NH2 - skupina v postranních řetězcích) – R, K, H aminokyseliny
hydrofilní (zakončené na postraních řetězcích OH, COOH)
hydrofobní (zakončení na postraních řetězcích CH3 skupinami)
Podle typu řetězce a přítomnosti funkčních skupin rozdělujeme aminokyseliny do čtyř skupin:
1. Aminokyseliny s nepolárním hlavním nebo postranním řetězcem - glycin, alanin, valin, leucin, izoleucin, prolin, fenylalanin.
2. Aminokyseliny s polárními skupinami - OH, -SH, - CONH2 nebo s heterocyklickou strukturou - tyrosin, tryptofan, serin, threonin, cystein, methionin, asparagin a glutamin.
3. Kyselé aminokyseliny - monoaminodikarboxylové - asparagová a glutamová.
4. Zásadité aminokyseliny - obsahují více ne jednu aminovou skupinu - lysin, arginin, histidin.
Sekvence aminokyselin
- vlastnosti bílkovin nejsou určeny pouze aminokyselinovým složením, ale i jejich pořadím -
sekvencí v peptidovém řetězci
- poprvé se podařilo určit strukturu F. Sangerovi (1953) u molekuly inzulinu
- dnes se primární struktura bílkovin odvozuje podle sekvencí nukleotidů DNA
- primární struktura bílkoviny určuje vlastnosti celé molekuly - její biologickou funkci
- informace pro primární strukturu je obsažena v genetické paměti buňky
Sekundární a terciární struktura
- peptidy, oligopeptidy - krátké polypeptidový řetězce, tvořené pouze několika či několika
desítkami aminokyselin
- oligopeptidy mají důležité biologické funkce, zejména regulační (např. některé hormony) nebo jsou součástí
složitějších makromolekul (tetrapeptidy v peptidoglykanu mureinu)
- bílkoviny = proteiny - teprve ty látky, jejichž polypeptidový řetězec je tvořen větším počtem
aminokyselin (zpravidla několika sty)
- molekulová hmotnost bílkovin se udává v kilodaltonech (kDa)
- vzdálenost mezi peptidovými vazbami: 0,35nm → délka celého řetězce až 3μm
- fibrilární bílkoviny - natažený peptidový řetězec - vytváří „vlákno“
- globulární bílkoviny - vytvářejí molekuly, jejichž tvar se blíží sférickým útvarům
je jich většina
- polypeptidový řetězec je velmi flexibilní - to je způsobeno množstvím vazeb v řetězci, což
umožňuje volnou rotaci atomů
- konformace proteinu - tvar, který řetězec v prostoru zaujímá, určována silami v molekule
jde o rozložení aminokyselin s polárními (k povrchu buňky) a
nepolárními (přitahovány k sobě - dovnitř molekuly) postranními
řetězci
další síly: vodíkové můstky mezi peptidovými vazbami v řetězci,
dále mezi nimi a postraními řetězci
primární struktura bílkovin tedy určuje i konformaci molekuly
Sekundární struktura
- α-helix - taková konformace, kdy řetězec vytváří šroubovicové uspořádání
toto uspořádání je stabilizováno vodíkovými můstky mezi nad sebou ležícími
peptidovými vazbami (př. Kreatin)
- β-struktura - zde probíhají úseky řetězce paralelně vedle sebe
tato struktura je stabilizována vodíkovými můstky mezi sousedícími
(„přiloženými“) úseky, pouze některé proteiny mají výlučně tuto strukturu: fibroin z přírodního
hedvábí)
většinou se obě struktury kombinují v jednom proteinu
Terciární struktura
- konečná struktura molekuly bílkoviny, prostorové uspořádání celého řetězce
- evolučně příbuzné proteiny (tzv. rodiny proteinů) mají velké podobnosti v terciární struktuře (serinové proteázy –
trypsin)
- molekuly mnohých bílkovin o větším počtu aminokyselin jsou jakoby rozděleny na dvě
nebo více částí (jsou ovšem spojeny nepřerušeným polypeptidovým řetězcem) = proteinové
domény
- aminokyselinový rozsah domén je asi 100-200 aminokyselinových zbytků
- všechny interakce udržující konformační stabilitu jsou nekovalentní a energeticky poměrně
slabé → změny pH, teploty vedou ke změně terciární struktury
- nevratná změna = nevratná denaturace proteinu
- vratná (reverzibilní) změna = vratná denaturace → důležitý mechanismus regulace jeho
biologické funkce (protein)
Podjednotkové bílkoviny
- některé bílkoviny jsou složeny z většího počtu menších molekul, z více polypeptidových
řetězců - podjednotek, promoter - podjednotkové - oligomérní proteiny
- navzájem jsou vázány nekovalentními vazbami
- podle počtu podjednotek - dimérní
tetramerní
atd.
- podle „podobnosti“ – homodimery .......podjednotky zcela identické
heterodimery .......podjednotky různé
Kvartérní struktura
- vzájemné prostorové uspořádání podjednotek
- příkladem polymerních bílkovin jsou: některé enzymy, myoglobin, transportní bílkoviny
membrán, protilátky (4 podjednotky), kapsidy virů
- síly, které udržují kvartérní konformaci, jsou vždy nekovalentní vazby → snadná disociace - možná reasociace
-biologická aktivita polymerních bíklovin je determinována jejich kvarterní konformací, regulovaná změna jejich kvarterní struktury je cestou k jejich regulaci.
7. Funkce bílkovin v buňce
- podílejí se na všech základních životních procesech
- mají funkci strukturní, metabolickou a informační
Rozdělení: strukturní proteiny – cytoskelet, bičíky, histony, kolagen, keratin, molekulární motory
metabolické proteiny – enzymy
transportní proteiny – hemoglobin, rodopsin, membránové přenašeče
informační proteiny – signály, receptory, transkripční faktory
- mnohé bílkoviny jsou bifunkční či dokonce polyfunkční (př. strukturní komponenty
biomembrány + enzymatická funkce - membránové ATPázy)
- specifická funkce bílkoviny je dána její terciární (či kvartérní) strukturou
- k uskutečnění interakce bílkoviny s jinou molekulou je třeba mít na povrchu molek. bílk. vazebné místo (rekogniční, rozpoznávací) na které se napojí vážící se molekula - liganda
- specifita tohoto místa vůči ligandě je dána zpravidla prostorovou konformací
aminokyselinových zbytků (postraních řetězců), které jsou exponovány na povrch molekuly
-specifická funkcě bílkovin spočívá v tom, že mají schopnost rozpoznat, s jakým substrátem mají reagovat
Stavební bílkoviny
- jako stavební bílkoviny (strukturní) označujeme ty molekuly, které jsou součástí buněčných
struktur, jsou jejich „stavebními kameny“
- např. komponenty cytoskeletu nebo bičíky jsou výhradně z proteinů
- mechanismus vzniku nadmolekulárních komplexů z jednotlivých strukturních proteinů : máme na molekulách
vazebná místa –pokud mají 2 molekuly každá jedno, pak se spojí a vznikne dimer, pokud mají každá 2 vazebná
místa, mohou se řetězit. ( nadmolek. struktury vznikají samovolně bez dodání energie a informace.)
- jedno vazebné místo: dimer, dvě vazebná místa: řetězec (obrázek 27, str.61. – žlutý Nečas)
- tyto morfogenní procesy označujeme jako autoorganizační, autoagregační
- informace pro specifické uspořádání podjednotek je obsaženo ve struktuře vazebného místa
- není třeba dodat energii - protože nadmolekulární komplex má nižší volnou energii než směs
monomerů → komplex je stabilnější
Enzymové bílkoviny
- nejdůležitější fce proteinů je enzymová katalýza
Důležitost enzymů:
1. urychlují průběh chemických reakcí, které by probíhaly jinak velmi pomalu
2. umožňují průběh reakcí, které by za podmínek ve kterých organismy přežívají
nemohly proběhnout (teplota....)
3. specifita enzymové katalýzy určuje, které z možných chemických reakcí skutečně
probíhat budou
4. reakce mohou být velmi přesně regulovány zásahem do aktivity enzymů
(reverzibilními změnami)
katalytická fce: snížení aktivační energie substrátu a odpovídá za to pouze
vazebné místo enzymu = aktivní centrum (je dáno buď souvislou sekvencí několika AK
na určitém místě řetězce, nebo častěji až terciální strukturou, kdy se dostanou do
prostorových vztahů zbytky AK, které spolu v polypeptidovém řetězci vůbec nesousedí)
reakce proběhne hned jak se substrát a enzym spojí, vznikne komplex a ten se pak rozpadá na enzym a produkt.
- všechny enzymy jsou globulární bílkoviny
- za katalytickou fci je u některých enzymů zodpovědná nebílkovinná složka, která je kovalentně vázána na bílkovinu – tzv. prostetická skupina.
- dvojí specifita: A,funkční ....vyjadřuje chemickou reakci, kterou enzm. katalyzuje (oxidázy, fosforylázy..)
B, substrátová .... chemické sloučeniny, na kterých je určitá chem.rea. katalyzovaná
další dělení: exoenzymy ... u polymerů postupně odštěpují monomery od konců
endoenzymy ...štěpí polymer uvnitř řetězce
izoenzymy- enz. se stejnou katalytickou a substrátovou specifitou, ale mají jinou kinetiku reakcí, různou optimální teplotu, pH,.....katalyzují tutéž reakci, ale za jiných podmínek. Existence je podmíněna genovým polymorfizmem.
- metabolické dráhy- postupná přeměna substrátu v produkt, za sebou zapojeny různé enzymy a katalyzují v přesném a neměnném sledu. Je výhodné pokud enz. utvoří enzymový komplex, substrát se pohybuje cíleně od jednoho k druhému a spojení a reakce nezávisí na náhodě jako u rozptýlených enzymů) proto bývají enzymy zakotveny v membránách (např. mitochondrie a enz. dýchacího řetězce)
alosterické centrum: vazebné místo vedle aktivního centra, po navázání sem liganda mění enzymovou aktivitu molekuly, mění se terciální struktura včetně aktivního místa, buď ho zaktivuje nebo inhibuje.
- negativní zpětnovazebná regulace - pokud se na alosterické místo naváže konečný produkt enzymatického sledu reakcí, v případě, že produktu je hodně a buňka prozatím nepotřebuje další, jakmile ale množství produktu klesne, tak se liganda odpojí a enzymatický děj začne znovu.
- pozitivní zpětnovazebná regulace - alosterické aktivátory a navázáním způsobí urychlování reakcí
- v buňce důležité i enz. které štěpí makroergické fosfátové vazby ( rozštěpení jedné vazby – uvolní se asi
30kJ) , látky s těmito vazbami – nukleozidtrifosfáty = ATP, GTP (guanozinTP) , UTP (uridinTP)
štěpí se trifosfáty na difosfáty, je možné štěpit i ATP na AMP
ATP štěpí ATPáza...je jich v buňce velké množství
regulace aktivity proteinů: kovalentní připojení fosfátové skupiny na postranní řetězce molekuly, fosforylace změní prosrotovou konformaci molekuly a tím i aktivní centrum (inaktivuje či aktivuje), defosforylací se obnoví původní stav,
- fosforylaci dělají enzymy - poteinkinázy (přenesou fosfátovou skupinu z ATP na OH skupinu SER.,THR, nebo TYR zbytků) název mají podle toho jaký zbytek AK fosforylují - tyrozinkináza) další jsou Cdk, MAP kinázy – mitogen aktivující
- defosforylaci – proteinfosfatázy ... aktivita těchto enzymů představuje klíčové nástroje vnitrobuněčné regulace
- také lze navázat GTP na protein ..... GTP vážící proteiny, vazbou je protein aktivován a inhibice se děje hydrolýzou GTP na GDP.
Běžné typy enzymů :
Hydrolasy
Nukleasy
Proteasy
Synthasy
Isomerasy
Fosfatázy
Oxido-reduktázy
ATPazy
Kinazy
Polymerasy
Informační bílkoviny
- mají funkce v regulaci buněčných procesů a v regulaci mezibuněčných vztahů
- molekuly bílkoviny hrají dvojí roli: signály - přenos informace (hormony, imunoglobuliny, cytokiny)
receptory - přijímají signály a eventuelně je transformují
(převádějí) v jiné signály(membránové a nitrobuněčné)
regulátory exprese genů
transkripční faktory
- informace může být snadno zakódována do primární struktury (sekvence aminokyselin, která udává finální
konformaci molekuly)
- stavebnicový princip umožňuje vznik prakticky neomezeného množství různých a velmi
specifických signálů
- omezená mobilita bílkovin (prostup přes membrány) poskytuje určitou přednost v tom, že jejich šíření
jako signálů - může být vymezeno do určitých kanálů
- lze je snadno štěpit a tím signál zrušit
- signální funkci mají hormony, imunoglobuliny, regulátory genové aktivity (represory) a
bílkoviny nesoucí morfogenní informaci (templáty - předlohy)
další funkce: iniciace a inhibice buněčných procesů – replikace DNA, regulace translace, funkce jako sekundární
signály při přenosu info z receptoru na cílovou strukturu.
bílkovinné hormony: z hypofýzy, příštítných tělísek, pankreatu....
imunoglobuliny: specificky rozpoznávají strukturu antigenů, základem je tertamer polypeptidových řetězců,
navzájem svázáno disulfidickými můstky,
regulátory genové aktivity: proteiny o poměrně malé molekulové hmotnosti, podíl na regulaci transkripce,
mají dvojí specifitu, Rozpoznávají jednak chemickou strukturu induktorů či korepresorů(malá molekula,
obv. finální metabolit dané biosyntetické dráhy, jehož vazba na represor umožňuje molekule represoru
vazbu na operátor) RNA polymerázy a jednak určité sekvence nukleotidů v chromozomální DNA.
receptory: struktury buňky, které jsou schopné přijímat signály z okolí buňky, většinou molekuly bílkovin,
většina receptorů schopných přijímat signály jak z okolí buňky a z nitra buňky je vázána na membránách.
- mají funkci strukturní, metabolickou a informační
Rozdělení: strukturní proteiny – cytoskelet, bičíky, histony, kolagen, keratin, molekulární motory
metabolické proteiny – enzymy
transportní proteiny – hemoglobin, rodopsin, membránové přenašeče
informační proteiny – signály, receptory, transkripční faktory
- mnohé bílkoviny jsou bifunkční či dokonce polyfunkční (př. strukturní komponenty
biomembrány + enzymatická funkce - membránové ATPázy)
- specifická funkce bílkoviny je dána její terciární (či kvartérní) strukturou
- k uskutečnění interakce bílkoviny s jinou molekulou je třeba mít na povrchu molek. bílk. vazebné místo (rekogniční, rozpoznávací) na které se napojí vážící se molekula - liganda
- specifita tohoto místa vůči ligandě je dána zpravidla prostorovou konformací
aminokyselinových zbytků (postraních řetězců), které jsou exponovány na povrch molekuly
-specifická funkcě bílkovin spočívá v tom, že mají schopnost rozpoznat, s jakým substrátem mají reagovat
Stavební bílkoviny
- jako stavební bílkoviny (strukturní) označujeme ty molekuly, které jsou součástí buněčných
struktur, jsou jejich „stavebními kameny“
- např. komponenty cytoskeletu nebo bičíky jsou výhradně z proteinů
- mechanismus vzniku nadmolekulárních komplexů z jednotlivých strukturních proteinů : máme na molekulách
vazebná místa –pokud mají 2 molekuly každá jedno, pak se spojí a vznikne dimer, pokud mají každá 2 vazebná
místa, mohou se řetězit. ( nadmolek. struktury vznikají samovolně bez dodání energie a informace.)
- jedno vazebné místo: dimer, dvě vazebná místa: řetězec (obrázek 27, str.61. – žlutý Nečas)
- tyto morfogenní procesy označujeme jako autoorganizační, autoagregační
- informace pro specifické uspořádání podjednotek je obsaženo ve struktuře vazebného místa
- není třeba dodat energii - protože nadmolekulární komplex má nižší volnou energii než směs
monomerů → komplex je stabilnější
Enzymové bílkoviny
- nejdůležitější fce proteinů je enzymová katalýza
Důležitost enzymů:
1. urychlují průběh chemických reakcí, které by probíhaly jinak velmi pomalu
2. umožňují průběh reakcí, které by za podmínek ve kterých organismy přežívají
nemohly proběhnout (teplota....)
3. specifita enzymové katalýzy určuje, které z možných chemických reakcí skutečně
probíhat budou
4. reakce mohou být velmi přesně regulovány zásahem do aktivity enzymů
(reverzibilními změnami)
katalytická fce: snížení aktivační energie substrátu a odpovídá za to pouze
vazebné místo enzymu = aktivní centrum (je dáno buď souvislou sekvencí několika AK
na určitém místě řetězce, nebo častěji až terciální strukturou, kdy se dostanou do
prostorových vztahů zbytky AK, které spolu v polypeptidovém řetězci vůbec nesousedí)
reakce proběhne hned jak se substrát a enzym spojí, vznikne komplex a ten se pak rozpadá na enzym a produkt.
- všechny enzymy jsou globulární bílkoviny
- za katalytickou fci je u některých enzymů zodpovědná nebílkovinná složka, která je kovalentně vázána na bílkovinu – tzv. prostetická skupina.
- dvojí specifita: A,funkční ....vyjadřuje chemickou reakci, kterou enzm. katalyzuje (oxidázy, fosforylázy..)
B, substrátová .... chemické sloučeniny, na kterých je určitá chem.rea. katalyzovaná
další dělení: exoenzymy ... u polymerů postupně odštěpují monomery od konců
endoenzymy ...štěpí polymer uvnitř řetězce
izoenzymy- enz. se stejnou katalytickou a substrátovou specifitou, ale mají jinou kinetiku reakcí, různou optimální teplotu, pH,.....katalyzují tutéž reakci, ale za jiných podmínek. Existence je podmíněna genovým polymorfizmem.
- metabolické dráhy- postupná přeměna substrátu v produkt, za sebou zapojeny různé enzymy a katalyzují v přesném a neměnném sledu. Je výhodné pokud enz. utvoří enzymový komplex, substrát se pohybuje cíleně od jednoho k druhému a spojení a reakce nezávisí na náhodě jako u rozptýlených enzymů) proto bývají enzymy zakotveny v membránách (např. mitochondrie a enz. dýchacího řetězce)
alosterické centrum: vazebné místo vedle aktivního centra, po navázání sem liganda mění enzymovou aktivitu molekuly, mění se terciální struktura včetně aktivního místa, buď ho zaktivuje nebo inhibuje.
- negativní zpětnovazebná regulace - pokud se na alosterické místo naváže konečný produkt enzymatického sledu reakcí, v případě, že produktu je hodně a buňka prozatím nepotřebuje další, jakmile ale množství produktu klesne, tak se liganda odpojí a enzymatický děj začne znovu.
- pozitivní zpětnovazebná regulace - alosterické aktivátory a navázáním způsobí urychlování reakcí
- v buňce důležité i enz. které štěpí makroergické fosfátové vazby ( rozštěpení jedné vazby – uvolní se asi
30kJ) , látky s těmito vazbami – nukleozidtrifosfáty = ATP, GTP (guanozinTP) , UTP (uridinTP)
štěpí se trifosfáty na difosfáty, je možné štěpit i ATP na AMP
ATP štěpí ATPáza...je jich v buňce velké množství
regulace aktivity proteinů: kovalentní připojení fosfátové skupiny na postranní řetězce molekuly, fosforylace změní prosrotovou konformaci molekuly a tím i aktivní centrum (inaktivuje či aktivuje), defosforylací se obnoví původní stav,
- fosforylaci dělají enzymy - poteinkinázy (přenesou fosfátovou skupinu z ATP na OH skupinu SER.,THR, nebo TYR zbytků) název mají podle toho jaký zbytek AK fosforylují - tyrozinkináza) další jsou Cdk, MAP kinázy – mitogen aktivující
- defosforylaci – proteinfosfatázy ... aktivita těchto enzymů představuje klíčové nástroje vnitrobuněčné regulace
- také lze navázat GTP na protein ..... GTP vážící proteiny, vazbou je protein aktivován a inhibice se děje hydrolýzou GTP na GDP.
Běžné typy enzymů :
Hydrolasy
Nukleasy
Proteasy
Synthasy
Isomerasy
Fosfatázy
Oxido-reduktázy
ATPazy
Kinazy
Polymerasy
Informační bílkoviny
- mají funkce v regulaci buněčných procesů a v regulaci mezibuněčných vztahů
- molekuly bílkoviny hrají dvojí roli: signály - přenos informace (hormony, imunoglobuliny, cytokiny)
receptory - přijímají signály a eventuelně je transformují
(převádějí) v jiné signály(membránové a nitrobuněčné)
regulátory exprese genů
transkripční faktory
- informace může být snadno zakódována do primární struktury (sekvence aminokyselin, která udává finální
konformaci molekuly)
- stavebnicový princip umožňuje vznik prakticky neomezeného množství různých a velmi
specifických signálů
- omezená mobilita bílkovin (prostup přes membrány) poskytuje určitou přednost v tom, že jejich šíření
jako signálů - může být vymezeno do určitých kanálů
- lze je snadno štěpit a tím signál zrušit
- signální funkci mají hormony, imunoglobuliny, regulátory genové aktivity (represory) a
bílkoviny nesoucí morfogenní informaci (templáty - předlohy)
další funkce: iniciace a inhibice buněčných procesů – replikace DNA, regulace translace, funkce jako sekundární
signály při přenosu info z receptoru na cílovou strukturu.
bílkovinné hormony: z hypofýzy, příštítných tělísek, pankreatu....
imunoglobuliny: specificky rozpoznávají strukturu antigenů, základem je tertamer polypeptidových řetězců,
navzájem svázáno disulfidickými můstky,
regulátory genové aktivity: proteiny o poměrně malé molekulové hmotnosti, podíl na regulaci transkripce,
mají dvojí specifitu, Rozpoznávají jednak chemickou strukturu induktorů či korepresorů(malá molekula,
obv. finální metabolit dané biosyntetické dráhy, jehož vazba na represor umožňuje molekule represoru
vazbu na operátor) RNA polymerázy a jednak určité sekvence nukleotidů v chromozomální DNA.
receptory: struktury buňky, které jsou schopné přijímat signály z okolí buňky, většinou molekuly bílkovin,
většina receptorů schopných přijímat signály jak z okolí buňky a z nitra buňky je vázána na membránách.
8. Přehled informační funkce bílkovin, membránové receptory a přenos signálů přijatých buňkou
Informační funkce bílkovin
- mají funkce v regulaci buněčných procesů a v regulaci mezibuněčných vztahů
molekuly bílkoviny hrají dvojí roli:
-signály - přenos informace (hormony, imunoglobuliny, cytokiny)
-receptory - přijímají signály a eventuelně je transformují
(převádějí) v jiné signály(membránové a nitrobuněčné)
-regulátory exprese genů
-transkripční faktory
- informace může být snadno zakódována do primární struktury (sekvence aminokyselin, která udává finální
konformaci molekuly)
- stavebnicový princip umožňuje vznik prakticky neomezeného množství různých a velmi
specifických signálů
- omezená mobilita bílkovin (prostup přes membrány) poskytuje určitou přednost v tom, že jejich šíření
jako signálů - může být vymezeno do určitých kanálů
- lze je snadno štěpit a tím signál zrušit
- signální funkci mají hormony, imunoglobuliny, regulátory genové aktivity (represory) a
bílkoviny nesoucí morfogenní informaci (templáty - předlohy)
- další funkce: iniciace a inhibice buněčných procesů – replikace DNA, regulace translace, funkce jako sekundární
signály při přenosu info z receptoru na cílovou strukturu.
- bílkovinné hormony: z hypofýzy, příštítných tělísek, pankreatu....
- imunoglobuliny: specificky rozpoznávají strukturu antigenů, základem je tertamer polypeptidových řetězců,
navzájem svázáno disulfidickými můstky,
- regulátory genové aktivity: proteiny o poměrně malé molekulové hmotnosti, podíl na regulaci transkripce,
mají dvojí specifitu, Rozpoznávají jednak chemickou strukturu induktorů či korepresorů(malá molekula,
obv. finální metabolit dané biosyntetické dráhy, jehož vazba na represor umožňuje molekule represoru
vazbu na operátor) RNA polymerázy a jednak určité sekvence nukleotidů v chromozomální DNA.
- receptory: struktury buňky, které jsou schopné přijímat signály z okolí buňky, většinou molekuly bílkovin,
většina receptorů schopných přijímat signály jak z okolí buňky a z nitra buňky je vázána na membránách.
Membránové receptory a přenos signálů přijatých buňkou
- membránové receptory - u plazmatické membrány - proteiny
- tok látek, energie a informace = zajiš´tuje existenci buňky v čase
- přijímání informací z okolí je velmi důležité
- jednobuněčné organismy – odpovídají na signály účelným chováním = chemotaktický pohyb (negativní x pozitivní)
- mnohobuněčné organismy – získávají informace ze svého okolí = stabilita organismu → buňky jsou informovány o
tom jak se mají chovat i vůči ostatním bb. aby byla zachována integrita organismu.
receptory - na povrchu buňky v plazmatické membráně, příjem signálů
- chemorecepce - chemoreceptory - 1%, signál = chemická látka
- fotorecepce - fotoreceptory - světlo
- mechanorecepce - mechanoreceptory – tlak
- buňka může reagovat jen na signály, na které má receptory - evoluce (spektrum různých receptorů
→ x různých odpovědí) → buňka má pouze ty receptory které pro ni mají určitý význam
- může nastat i situace, kdy různě diferencované buňky sestejnými receptory reagují na stejný podnět různě.
- receptory pro teplotu, magnetické a elektrické pole, pro rozpoznání struktury antigenu
- specifická interakce signál - receptor = 1. fáze informačního procesu
- signální dráha = celý informační proces = příjem, zpracování a odpověď na signál
- některé signály - receptor mají až uvnitř buňky (steroidní hormony projdou membránou a účinkují až uvnitř, nebo se látka nechá pohltit – endocytoza)
3 skupiny receptorů:
1. řídí průchod iontů membránovými kanály
2. fungují ve spojení s GTP vázajícími proteiny (G-proteiny)
3. mající enzymovou aktivitu, nebo přímo ovlivňují aktivitu nějakého enzymu
Receptory iontových kanálů
- signálem jsou neurotransmitery - na membránách nervových buněk
- receptor pro acetylcholin (5 podjednotek)
2 alfa podjednotky - nesou vazebné místo pro acetylcholin – obsazení obou podjednotek = konformační změny =
otevření Na+ kanálu pak se odstranění neurotransmitery = změna konformace = uzavření kanálu
→ otevření Na+ kanálku na 1/1000 s. → neurotransmiter se uvolní → vrátka se uzavřou
za milisekundu projde až 30 000 Na+
Receptory spojené s G-proteiny
- receptor + G-protein → aktivace enzymu
R + G + E -- RG + E -- R + GE
- za vlastní receptor je v ději zařazen trimerní GTP vázající protein (tvořen jedním polypeptidovým řetězcem, který
prochází skrze membránu 7x)
- signály se kterými se tyto receptory váží jsou chemické povahy- hormony, oligopeptidy, aminokyseliny, deriváty
mastných kyselin, neurotransmitery
- chuťová a čichová signalizace savců je vázána na tyto eceptory
- popis G – proteinu: tři podjednotky - alfa ..váže GTP a má GTPazovou aktivitu.
- beta a gama tvoří pevný komplex a připojuje trimer na fosfolipidy membrány
- princip - signální molekula se naváže na receptor v plazmatické mambráně, tím se změní konformace receptorového proteinu a na jeho plazmatické straně (obrácené do buňky) se exponuje vazebné másto pro G protein, dále pak G-pritein difunduje membránou až k receptoru a spojí se s ním, tím se sníží afinita GDP k G proteinu a je nahrazeno GTP a to uvolní vazbu alfa podjednotky G-proteinu a exponuje se na ní vazba pro adenylátcyklázu, dále alfa podjednotka aktivuje adenylátcyklázu, která katalyzuje tvorbu cAMP z ATP.V posledním kroku se pak po hydrolýze GTP pojednotka alfa uvolní od adenylátcyklázy a obnoví se původní stav. Meztiím se signál z receptoru uvolnil a vše je připraveno na další signál.
- pokud dojde k syntéze více molekul ATP - zesílení (amplifikace) signálu = zesilovací princip
- cAMP = vnitrobuněčný mediátor (druhý posel)
- některé G-proteiny syntézu cAMP inhibují
- cAMP - do cytoplazmy - aktivuje proteinkinázu - A-kináza - fosforyluje další proteiny - aktivace
dalších funkcí (= signální dráha)
- regulace (touto cestou) mnoha buněčných procesů (včetně transkripce genů)
- G-protein může aktivovat i jiné systémy (fosfolipázu C také vázanou na membránu) - aktivace C-kinazy - regulace buněčných metabolických procesů či spouští transkripci.
Receptory s enzymovou aktivitou
- proteiny, které na cytoplazmatické staně membrány mají enzymovou aktivitu a přímo aktivují nějaký enzym
- polypeptidový řetězec projde PM jen jedenkrát - většina má povahu proteinkináz
-receptory: fosforylují některé proteiny (převážně vnitrobuněčné signální, které jsou součástí regulační kaskády)
nebo proteinkinázy přímo aktivují.
- jeden typ těchto receptorů má ale naopak fosfatázovou aktivitu – fosfátovou skupinu z některých vnitrobuněčných
proteinů odštěpuje.
- proteinkinázy či fosfatázy takto regulované manipulují s fosfátovou skupinou většinou na zbytcích tyrozinu méně
na serinu a threoninu.Podle toho se jmenují tyrozinkinázy.
- signály, pro které jsou tyto receptory specifické jsou – růstové hormony, mediátory řídící diferenciaci buněk v embryogenezi, interleukin či cytokiny a různé hormony.
- interleukin (řídí proliferaci a diferenciaci buněk hemopoetického systému)
- různé hormony (inzulín, prolaktin, růstový hormon)
- signální dráhy - začínají receptory s enzym. aktivitou končí transkripčními faktory v jádře a faktory, které regulují buněčný cyklus
- mezičlánky jsou Ras proteiny
Fotorecepce
- signál - světlo (fotony)
- pro vnímání světla = rodopsin (jediný membránový protein) - obsažen ve světelných elementech
oka, také u fotoaktivních bakterií
- fotoreceptory - rodopsin prochází 7krát plazmatickou membránou
- chromofor (retinal = derivát vitamínu A) - absorpce fotonů na plazmatické membráně - je spojen
s receptorem
- aktivace chromoforu - změna konformace receptoru - signál pro trimérní G-protein -
alfa podjednotka se uvolní - aktivuje enzym - hydrolýza cGMP;( cGMP - udržuje Na+ kanálky
otevřené) –hydrolýzou přestane fungovat cGMP a uzavření kanálků - transformace světelného signálu na změnu
membránového potenciálu
- mají funkce v regulaci buněčných procesů a v regulaci mezibuněčných vztahů
molekuly bílkoviny hrají dvojí roli:
-signály - přenos informace (hormony, imunoglobuliny, cytokiny)
-receptory - přijímají signály a eventuelně je transformují
(převádějí) v jiné signály(membránové a nitrobuněčné)
-regulátory exprese genů
-transkripční faktory
- informace může být snadno zakódována do primární struktury (sekvence aminokyselin, která udává finální
konformaci molekuly)
- stavebnicový princip umožňuje vznik prakticky neomezeného množství různých a velmi
specifických signálů
- omezená mobilita bílkovin (prostup přes membrány) poskytuje určitou přednost v tom, že jejich šíření
jako signálů - může být vymezeno do určitých kanálů
- lze je snadno štěpit a tím signál zrušit
- signální funkci mají hormony, imunoglobuliny, regulátory genové aktivity (represory) a
bílkoviny nesoucí morfogenní informaci (templáty - předlohy)
- další funkce: iniciace a inhibice buněčných procesů – replikace DNA, regulace translace, funkce jako sekundární
signály při přenosu info z receptoru na cílovou strukturu.
- bílkovinné hormony: z hypofýzy, příštítných tělísek, pankreatu....
- imunoglobuliny: specificky rozpoznávají strukturu antigenů, základem je tertamer polypeptidových řetězců,
navzájem svázáno disulfidickými můstky,
- regulátory genové aktivity: proteiny o poměrně malé molekulové hmotnosti, podíl na regulaci transkripce,
mají dvojí specifitu, Rozpoznávají jednak chemickou strukturu induktorů či korepresorů(malá molekula,
obv. finální metabolit dané biosyntetické dráhy, jehož vazba na represor umožňuje molekule represoru
vazbu na operátor) RNA polymerázy a jednak určité sekvence nukleotidů v chromozomální DNA.
- receptory: struktury buňky, které jsou schopné přijímat signály z okolí buňky, většinou molekuly bílkovin,
většina receptorů schopných přijímat signály jak z okolí buňky a z nitra buňky je vázána na membránách.
Membránové receptory a přenos signálů přijatých buňkou
- membránové receptory - u plazmatické membrány - proteiny
- tok látek, energie a informace = zajiš´tuje existenci buňky v čase
- přijímání informací z okolí je velmi důležité
- jednobuněčné organismy – odpovídají na signály účelným chováním = chemotaktický pohyb (negativní x pozitivní)
- mnohobuněčné organismy – získávají informace ze svého okolí = stabilita organismu → buňky jsou informovány o
tom jak se mají chovat i vůči ostatním bb. aby byla zachována integrita organismu.
receptory - na povrchu buňky v plazmatické membráně, příjem signálů
- chemorecepce - chemoreceptory - 1%, signál = chemická látka
- fotorecepce - fotoreceptory - světlo
- mechanorecepce - mechanoreceptory – tlak
- buňka může reagovat jen na signály, na které má receptory - evoluce (spektrum různých receptorů
→ x různých odpovědí) → buňka má pouze ty receptory které pro ni mají určitý význam
- může nastat i situace, kdy různě diferencované buňky sestejnými receptory reagují na stejný podnět různě.
- receptory pro teplotu, magnetické a elektrické pole, pro rozpoznání struktury antigenu
- specifická interakce signál - receptor = 1. fáze informačního procesu
- signální dráha = celý informační proces = příjem, zpracování a odpověď na signál
- některé signály - receptor mají až uvnitř buňky (steroidní hormony projdou membránou a účinkují až uvnitř, nebo se látka nechá pohltit – endocytoza)
3 skupiny receptorů:
1. řídí průchod iontů membránovými kanály
2. fungují ve spojení s GTP vázajícími proteiny (G-proteiny)
3. mající enzymovou aktivitu, nebo přímo ovlivňují aktivitu nějakého enzymu
Receptory iontových kanálů
- signálem jsou neurotransmitery - na membránách nervových buněk
- receptor pro acetylcholin (5 podjednotek)
2 alfa podjednotky - nesou vazebné místo pro acetylcholin – obsazení obou podjednotek = konformační změny =
otevření Na+ kanálu pak se odstranění neurotransmitery = změna konformace = uzavření kanálu
→ otevření Na+ kanálku na 1/1000 s. → neurotransmiter se uvolní → vrátka se uzavřou
za milisekundu projde až 30 000 Na+
Receptory spojené s G-proteiny
- receptor + G-protein → aktivace enzymu
R + G + E -- RG + E -- R + GE
- za vlastní receptor je v ději zařazen trimerní GTP vázající protein (tvořen jedním polypeptidovým řetězcem, který
prochází skrze membránu 7x)
- signály se kterými se tyto receptory váží jsou chemické povahy- hormony, oligopeptidy, aminokyseliny, deriváty
mastných kyselin, neurotransmitery
- chuťová a čichová signalizace savců je vázána na tyto eceptory
- popis G – proteinu: tři podjednotky - alfa ..váže GTP a má GTPazovou aktivitu.
- beta a gama tvoří pevný komplex a připojuje trimer na fosfolipidy membrány
- princip - signální molekula se naváže na receptor v plazmatické mambráně, tím se změní konformace receptorového proteinu a na jeho plazmatické straně (obrácené do buňky) se exponuje vazebné másto pro G protein, dále pak G-pritein difunduje membránou až k receptoru a spojí se s ním, tím se sníží afinita GDP k G proteinu a je nahrazeno GTP a to uvolní vazbu alfa podjednotky G-proteinu a exponuje se na ní vazba pro adenylátcyklázu, dále alfa podjednotka aktivuje adenylátcyklázu, která katalyzuje tvorbu cAMP z ATP.V posledním kroku se pak po hydrolýze GTP pojednotka alfa uvolní od adenylátcyklázy a obnoví se původní stav. Meztiím se signál z receptoru uvolnil a vše je připraveno na další signál.
- pokud dojde k syntéze více molekul ATP - zesílení (amplifikace) signálu = zesilovací princip
- cAMP = vnitrobuněčný mediátor (druhý posel)
- některé G-proteiny syntézu cAMP inhibují
- cAMP - do cytoplazmy - aktivuje proteinkinázu - A-kináza - fosforyluje další proteiny - aktivace
dalších funkcí (= signální dráha)
- regulace (touto cestou) mnoha buněčných procesů (včetně transkripce genů)
- G-protein může aktivovat i jiné systémy (fosfolipázu C také vázanou na membránu) - aktivace C-kinazy - regulace buněčných metabolických procesů či spouští transkripci.
Receptory s enzymovou aktivitou
- proteiny, které na cytoplazmatické staně membrány mají enzymovou aktivitu a přímo aktivují nějaký enzym
- polypeptidový řetězec projde PM jen jedenkrát - většina má povahu proteinkináz
-receptory: fosforylují některé proteiny (převážně vnitrobuněčné signální, které jsou součástí regulační kaskády)
nebo proteinkinázy přímo aktivují.
- jeden typ těchto receptorů má ale naopak fosfatázovou aktivitu – fosfátovou skupinu z některých vnitrobuněčných
proteinů odštěpuje.
- proteinkinázy či fosfatázy takto regulované manipulují s fosfátovou skupinou většinou na zbytcích tyrozinu méně
na serinu a threoninu.Podle toho se jmenují tyrozinkinázy.
- signály, pro které jsou tyto receptory specifické jsou – růstové hormony, mediátory řídící diferenciaci buněk v embryogenezi, interleukin či cytokiny a různé hormony.
- interleukin (řídí proliferaci a diferenciaci buněk hemopoetického systému)
- různé hormony (inzulín, prolaktin, růstový hormon)
- signální dráhy - začínají receptory s enzym. aktivitou končí transkripčními faktory v jádře a faktory, které regulují buněčný cyklus
- mezičlánky jsou Ras proteiny
Fotorecepce
- signál - světlo (fotony)
- pro vnímání světla = rodopsin (jediný membránový protein) - obsažen ve světelných elementech
oka, také u fotoaktivních bakterií
- fotoreceptory - rodopsin prochází 7krát plazmatickou membránou
- chromofor (retinal = derivát vitamínu A) - absorpce fotonů na plazmatické membráně - je spojen
s receptorem
- aktivace chromoforu - změna konformace receptoru - signál pro trimérní G-protein -
alfa podjednotka se uvolní - aktivuje enzym - hydrolýza cGMP;( cGMP - udržuje Na+ kanálky
otevřené) –hydrolýzou přestane fungovat cGMP a uzavření kanálků - transformace světelného signálu na změnu
membránového potenciálu
9. Membránový princip funkční organizace buňky
Plazmatická membrána se podrobně studovala již ve 30.letech 20. století., zásadní pokrok zaznamenal objev a využití ELM v 50. letech. V TEM je vidět na povrchu všech buněk dvojitou konturu, podobná kontura je vidět i u jiných struktur uvnitř buňky = membránový princip.
Biomembrány tvoří v buňce jeden funkčně i morfologicky propojený systém kromě vnitřní mitochondriální membrány.
- ve všech buňkách nalezneme velmi tenké membrány
- jejich tloušťka je asi 7,5nm
- jejich chemické složení a molekulární struktura je vždy velmi podobná
funkce:
-selektivní transport látek - realizují regulovaný přechod látek - z okolí do
buňky a naopak
-biotransformace energie (při fotosyntéze a oxidačních fosforylacích)
-schopnost pohybu a růstu
- jsou nazývány biomembrány - ohraničují buňku od okolí (plazmatická membrána)
- kompartmenty - membránové organely (mají též biomembrány)
(Teorie kompartmentů – komp. umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel, zajištění optimálních reakčních podmínek – pH, koncentrace iontů, koncentrace substrátu.)
- obsahují receptory pro nejrůznější chemické signály → tím se podílejí na toku
informace mezi buňkou a okolím, na toku informace uvnitř buňky a na signálních
interakcích mezi buňkami
- membránový princip je tedy jedním ze základních principů funkční organizace buněk
- u prokaryot - „pouze“ ohraničení buňky vůči okolí, vykonává všechny funkce
→ plazmatická membrána je z evolučního hlediska jednou z primárních buněčných
struktur vůbec - z ní pak derivovaly všechny ostatní membránové struktury dnešních
pro- a hlavně eukaryotních buněk
Molekulární struktura
1. chemické komponenty
- základem jsou molekuly lipidů a bílkovin
- většinou poměr zhruba 1:1hmotnosti (myelinové obaly nervových vláken - 3:1; vnitřní membrány
mitochondrií - 1:3) ale! poměr 1:1 = 50 molekul lipidů : 1 molekula bílkoviny
- v menší míře sacharidy - glykoproteiny, glykolipidy
Membránové lipidy
- fosfolipidy (fosfatidy)- glycerofosfatidy - lecitin, kefalin, serinkefalin
- sfingofosfatidy - sfingomyelin
steroly (cholesterol 25% všech lipidů v membráně u živočichů)
odlišnosti: membrány živočišných buněk obsahují více cholesterolu než membrány
rostlinných buněk
membrány bakteriálních buněk cholesterol neobsahují vůbec
→ poměr zastoupení lipidů je důležitou charakteristikou membrán
- délka řetězců mastných kyselin je různá , řetězce obsahují jednu či více dvojných vazeb – ohnutí řetězce
- omega-3 mastné kyseliny =DHA – dokosahexaenová kyselina ,EPA – eikosapentaenová kyselina, jsou to esenciální nenasycené mastné kyseliny. Esenciální znamená, že jsou pro lidské tělo nezbytné, přitom si je však nedokáže vytvořit a jediným zdrojem je potrava.
jsou důležité zejména pro řízení a souhru životních procesů v organismu, správnou funkci buněčných stěn, nervů, oka, imunity a srdečně-cévního systému. Hrají významnou roli v procesu zapamatovávání, potlačují záněty, a snižují produkci kyslíkových radikálů. Zejména v dětství jsou potřebné pro správný mentální vývoj -CNS .Mají rovněž příznivý účinek na zmírňování některých depresivních poruch.
polarita - fyzikální vlastnost důležitá pro prostorovou organizaci molekul fosfolipidů
- jeden konec mol. fosfolipidů zaujímají hydrofobní skupiny mastných kyselin
druhý konec: hydrofilní část molekuly s polárními skupinami (fosfát, -OH, -NH3+,-COO-)
- jsou amfifilní - navzájem se mohou vázat mezi sebou, nebo s jinými molekulami
hydrofobními a hydrofilní interakce
- lipidy mohou vytvářet jak biomembrány tak micely a je možnost přechodu mezi těmito dvěma strukturami
Bílkoviny
- většinou globulární proteiny
- často oligomérní proteiny
- glykoproteiny hojně zastoupeny
- př. molekula z membrán savčích krvinek glykoforin jeden z hlavních proteinů - jako celek je amfifilní
- konce molekuly jsou hydrofilní, střed pak hydrofobní
- nese antigenní determinanty krevních skupin ABO, MN
rodopsin - v tyčinkách (je v nich jedinou bílkovinou)
- fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů (hlavně amfifilie) jsou zásadně důležité, určují charakter interakcí s druhou komponentou biomembrán – fosfolipidy – i charakter interakcí mezi bílkovinami samotnými
- membránové bílkoviny jsou proteiny funkční, tj. jsou zde zastoupeny enzymy,
receptorové proteiny, transportní proteiny atd.
Sacharidy
- glykoproteiny, glykolipidy
- vznik glykokalyxu
2. uspořádání molekul v biomembráně
- souvislá dvojitá vrstva lipidů - bimolekulární film
- molekuly bílkovin jsou připojeny buď na povrchu této dvojité vrstvy - periferní
proteiny nebo jsou do ní přímo zabudovány - integrální proteiny
→ mozaikový model = dvě vrstvy hydrofilní hlavičky jsou orientovány ven a hydrofobní
konce dovnitř → nejstabilnější konformace (minimální volná
energie)
- autoorganizace = spontánní tvorba filmu
- asymetrie = např. membrána živoč. bb. má na vnější starně – lecitin a sfingomyelin
na vnitřní straně – aminolipidy(kefaliny)
glykolipidy jsou vždy ve vnější vrstvě plazmatické membrány
cukerná složka fosfolipidů je vždy orientována na povrch buňky
řetězce mastných kyselin směřují dovnitř bim. filmu, jsou volně pohyblivé → vnitřek
bimolekulárního filmu má tekutý charakter - fluidita → mohou jím volně
difundovat různé nepolární molekuly
- průchodnost je ovlivněna: druhem fosfolipidů
teplotou
nenasycené uhlovodíky → více pohyblivé
cholesterol snižuje fluiditu (má stabilizační funkci) a snižuje bod přechodu
- bod přechodu = nejnižší teplota, kdy je membrána fluidní, poté už krystalizuje
- omezení fluidity - fixace proteinů na cytoskeletu, extracelulární matrix a těsné spoje
- síly (hydrofilní interakce mezi polárními konci a hydrofobní mezi apolárními) poutající
molekuly fosfolipidy navzájem jsou slabé → laterální migrace
- molekuly lipidů mohou volně rotovat kolem své osy a měnit svou vzájemnou pozici
- fluidně mozikový model membrány představili Singer a Nicolson v roce 1974
- nejlepší informace o rozmístění proteinů v membráně poskytuje mrazové lámání a leptání
- důkaz fluidity membrány:fůze buněk – pokud fůzují 2 buňky s fluorescenčně značenými membránovými proteiny jsou těsně po fuzi proteiny odděleny, ale po určité době se promíchají.
- toto se hodnotí buď na časosběrných filmech
nebo pohyb receptorů se dokazuje jako capping antigenů značených fluorescencí
(máme označené protilátky proti membránovým proteinům a sledujeme
pohyb)
Membránový princip
- eukaryotní buňka rozdělena biomembránou na membránové kompartmenty
- ostatní obsah buňky = cytosol
- metabolické procesy (některé enzymy vázané přímo na membránu)
- kompartmentace buňky → diferenciovaná metabolická funkce organel, jednotlivé metabolické procesy
probíhají odděleně od ostatních (lysozomy, kdyby nebyly kryty membránou, jejich
enzymy by mohly zlyzovat celou buňku) – vymezení fce enzymů do určitých blastí
- selektivně propustná membrána kompartmentu umožňuje zajistit relativně vysokou
koncentraci určitých enzymů a metabolitů
- specifické interakce mezi kompartmenty – spojování cestou splývání membrán je také cestou pro propojení
jednotlivých metabilických procesů a pro organizovaný přesun látek v buńce.
- kompartmentace umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých procesů
- relativně stabilní postavení organel v cytoplasmě udržuje cytoskeletární soustava.
Lokalizace proteinu v membráně
- máme 4 možnosti uložení proteinu na (v) membráně
1) periferní prot. ... jeho povrch je tvořen zbytky polárních AK, váží se hydrofilními interakcemi na
povrch hlavičky lipidů
2) penetrující ... molekuly s hydrofobními oblastmi se mohou vázat a apolárním vnitřkem membrány a
podle konformační amfifilie jsou tedy prot. různě hluboko zanořeny nebo filmem pocházejí =3)
3) transmembránové
4) transmembránové prot. nekovalentně interagující s perif. prot.
- úseky polypeptidového řetězce procházející napříč membránou mají konformaci
α-helixu nebo β-skládaného listu
- podle toho, kolikrát polypeptidový řetězec prochází membránou, je C-konec a N-konec
na stejné nebo opačné straně membrány
- podobně jako molekuly lipidů mohou migrovat (difundovat) v ploše membrán i
molekuly proteinů „jsou tekuté“
- biomembrána má tekutý charakter → model tekuté mozaiky
- tekutý (fluidní) charakter má význam pro funkci membrán: redistribuce proteinů na
různá místa membrány, inzerci nových proteinů, splývání (fúzi) různých biomembrán
Obecný význam membránového transportu
- u živočišné buňky tvoří membránové kompartmenty až polovinu objemu buňky
- evolucí biomembrán získala buňka velký vnitřní povrch, který má mj. význam pro
metabolické procesy, neboť mnoho enzymů je vázáno přímo na biomembrány
- kompartmenty umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel → jednotlivé
metabolické procesy tak probíhají odděleně od ostatních
- specifické interakce mezi kompartmenty → přesun látek v buňce
- kompartmentace tedy umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých
procesů ve složitém metabolismu buňky – „manufaktura“
- relativně stabilní lokalizaci membránových organel v buňce udržuje cytoskeletární
soustava
Plazmatická membrána
= cytoplazmatická membrána = plasmalema - ohraničuje od okolí cytoplazmu (všechny buňky)
- realizuje regulovaný transport látek mezi buňkou a okolím
- je v ní lokalizováno množství receptorů
- je to struktura, která hraje klíčovou roli v toku látek, energie a informace mezi buňkou a
jejím okolím
Struktura plazmatické membrány
- je asymetrická
- sacharidová složka glykoproteinů a glykolipidů je orientována na vnější straně
(glykokalyx - ochranná vrstva)
- na glykokalyx jsou pak napojeny další molekuly, které, řadíme již k extracelulární matrix
- u buněk prokaryotních, rostlinných a buněk hub je periferně od ní buněčná stěna mezi je
periplazmatický prostor - místo, ve kterém probíhají některé metabolické procesy
- složení glykokalyx může vyjadřovat určitou specifitu buňky
- na vnitřní (plazmatické) straně jsou na plazmatickou membránu vždy připojeny
periferní proteiny (např. spektrin u erytrocytů) - ty jsou napojeny prostřednictví
asociovaných proteinů na komponenty cytoskeletu
- lektiny - cizorodé proteiny, ke kterým má sacharidová složka výraznou afinitu
- periferní proteiny - na vnitřní straně plazmatické membrány (př.: spektrin u erytrocytů) -
napojeny na komponenty cytoskeletu- * kortex
Membránový přenos
- plazmatická membrána - semipermeabilní
- volná difúze (fyzikální vlastnosti)
iontové kanály; přenašečový transport (nutnost membránových proteinů)
endo a exocytóza (manipulace částmi molekul)
- aktivní - nutnost dodat energii z ATP
- pasivní - prostá a usnadněná difúze (bez spotřeby energie)
Studium membrán
1) Erytrocytární stíny ... necháme červené krvinky zhemolyzovat , je snadné je získat a je jich mnoho, poté je
možnost je i otočit naruby....lze tak studovat jak vnitřní tak vnější povrch.
2) Liposomy ..., uměle připravené uzavřené váčky tvořené lipidovou dvojvrstvou a vnitřním isolovaným kompartmentem obsahujícím vodný roztok. Vznikají např. působením ultrazvuku na vodnou suspensi vhodných polárních lipidů; nejčastěji se pro tento účel používá lecitin z vaječného žloutku. Liposomy mají obvykle průměr 1 – 2 μm; mohou být tvořeny i několika koncentrickými membránovými váčky. Pokud liposom vzniká ve vodném prostředí, obsahujícím rozpustné složky (soli, bílkoviny atd.), jsou tyto složky uzavřeny do vnitřního prostředí váčku; toho se využívá pro transport některých léčiv do buněk (intravenosní aplikace vhodných liposomů, které pak vnikají do buněk endocytosou). Liposomy slouží též jako model pro studium vlastností biologických membrán.
3) Záplatování = patch clamp = napěťový zámek
Technika terčíkového zámku (patch clamp technique) umožňuje měření proudů (řádově 10-13 A) vyvolaných aktivací iontových kanálů. Je možné snímat proudy vzniklé aktivací jak řady iontových kanálů např. během synaptického přenosu (snímání z celé buňky), tak jediného iontového kanálu v izolovaném terčíku membrány.
K buněčné membráně je přisáta skleněná elektroda, a tím se vytvoří relativně pevné spojení s vysokým odporem. Příklady různých uspořádání hrotu mikroelektrody a membrány viz obrázek. Uspořádání cell attached, inside a outside patch umožňují měřit proudy protékané jedním či několika iontovými kanály izolovanými v terčíku membrány. V případě whole cell dostáváme odezvu od všech aktivovaných v membráně přítomných kanálů. Vyjma uspořádání cell attached lze během měření měnit pomocí aplikačního systému složení roztoku v okolí buňky (resp. membrány) a sledovat tak např. kinetiku iontových kanálů.
Biomembrány tvoří v buňce jeden funkčně i morfologicky propojený systém kromě vnitřní mitochondriální membrány.
- ve všech buňkách nalezneme velmi tenké membrány
- jejich tloušťka je asi 7,5nm
- jejich chemické složení a molekulární struktura je vždy velmi podobná
funkce:
-selektivní transport látek - realizují regulovaný přechod látek - z okolí do
buňky a naopak
-biotransformace energie (při fotosyntéze a oxidačních fosforylacích)
-schopnost pohybu a růstu
- jsou nazývány biomembrány - ohraničují buňku od okolí (plazmatická membrána)
- kompartmenty - membránové organely (mají též biomembrány)
(Teorie kompartmentů – komp. umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel, zajištění optimálních reakčních podmínek – pH, koncentrace iontů, koncentrace substrátu.)
- obsahují receptory pro nejrůznější chemické signály → tím se podílejí na toku
informace mezi buňkou a okolím, na toku informace uvnitř buňky a na signálních
interakcích mezi buňkami
- membránový princip je tedy jedním ze základních principů funkční organizace buněk
- u prokaryot - „pouze“ ohraničení buňky vůči okolí, vykonává všechny funkce
→ plazmatická membrána je z evolučního hlediska jednou z primárních buněčných
struktur vůbec - z ní pak derivovaly všechny ostatní membránové struktury dnešních
pro- a hlavně eukaryotních buněk
Molekulární struktura
1. chemické komponenty
- základem jsou molekuly lipidů a bílkovin
- většinou poměr zhruba 1:1hmotnosti (myelinové obaly nervových vláken - 3:1; vnitřní membrány
mitochondrií - 1:3) ale! poměr 1:1 = 50 molekul lipidů : 1 molekula bílkoviny
- v menší míře sacharidy - glykoproteiny, glykolipidy
Membránové lipidy
- fosfolipidy (fosfatidy)- glycerofosfatidy - lecitin, kefalin, serinkefalin
- sfingofosfatidy - sfingomyelin
steroly (cholesterol 25% všech lipidů v membráně u živočichů)
odlišnosti: membrány živočišných buněk obsahují více cholesterolu než membrány
rostlinných buněk
membrány bakteriálních buněk cholesterol neobsahují vůbec
→ poměr zastoupení lipidů je důležitou charakteristikou membrán
- délka řetězců mastných kyselin je různá , řetězce obsahují jednu či více dvojných vazeb – ohnutí řetězce
- omega-3 mastné kyseliny =DHA – dokosahexaenová kyselina ,EPA – eikosapentaenová kyselina, jsou to esenciální nenasycené mastné kyseliny. Esenciální znamená, že jsou pro lidské tělo nezbytné, přitom si je však nedokáže vytvořit a jediným zdrojem je potrava.
jsou důležité zejména pro řízení a souhru životních procesů v organismu, správnou funkci buněčných stěn, nervů, oka, imunity a srdečně-cévního systému. Hrají významnou roli v procesu zapamatovávání, potlačují záněty, a snižují produkci kyslíkových radikálů. Zejména v dětství jsou potřebné pro správný mentální vývoj -CNS .Mají rovněž příznivý účinek na zmírňování některých depresivních poruch.
polarita - fyzikální vlastnost důležitá pro prostorovou organizaci molekul fosfolipidů
- jeden konec mol. fosfolipidů zaujímají hydrofobní skupiny mastných kyselin
druhý konec: hydrofilní část molekuly s polárními skupinami (fosfát, -OH, -NH3+,-COO-)
- jsou amfifilní - navzájem se mohou vázat mezi sebou, nebo s jinými molekulami
hydrofobními a hydrofilní interakce
- lipidy mohou vytvářet jak biomembrány tak micely a je možnost přechodu mezi těmito dvěma strukturami
Bílkoviny
- většinou globulární proteiny
- často oligomérní proteiny
- glykoproteiny hojně zastoupeny
- př. molekula z membrán savčích krvinek glykoforin jeden z hlavních proteinů - jako celek je amfifilní
- konce molekuly jsou hydrofilní, střed pak hydrofobní
- nese antigenní determinanty krevních skupin ABO, MN
rodopsin - v tyčinkách (je v nich jedinou bílkovinou)
- fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů (hlavně amfifilie) jsou zásadně důležité, určují charakter interakcí s druhou komponentou biomembrán – fosfolipidy – i charakter interakcí mezi bílkovinami samotnými
- membránové bílkoviny jsou proteiny funkční, tj. jsou zde zastoupeny enzymy,
receptorové proteiny, transportní proteiny atd.
Sacharidy
- glykoproteiny, glykolipidy
- vznik glykokalyxu
2. uspořádání molekul v biomembráně
- souvislá dvojitá vrstva lipidů - bimolekulární film
- molekuly bílkovin jsou připojeny buď na povrchu této dvojité vrstvy - periferní
proteiny nebo jsou do ní přímo zabudovány - integrální proteiny
→ mozaikový model = dvě vrstvy hydrofilní hlavičky jsou orientovány ven a hydrofobní
konce dovnitř → nejstabilnější konformace (minimální volná
energie)
- autoorganizace = spontánní tvorba filmu
- asymetrie = např. membrána živoč. bb. má na vnější starně – lecitin a sfingomyelin
na vnitřní straně – aminolipidy(kefaliny)
glykolipidy jsou vždy ve vnější vrstvě plazmatické membrány
cukerná složka fosfolipidů je vždy orientována na povrch buňky
řetězce mastných kyselin směřují dovnitř bim. filmu, jsou volně pohyblivé → vnitřek
bimolekulárního filmu má tekutý charakter - fluidita → mohou jím volně
difundovat různé nepolární molekuly
- průchodnost je ovlivněna: druhem fosfolipidů
teplotou
nenasycené uhlovodíky → více pohyblivé
cholesterol snižuje fluiditu (má stabilizační funkci) a snižuje bod přechodu
- bod přechodu = nejnižší teplota, kdy je membrána fluidní, poté už krystalizuje
- omezení fluidity - fixace proteinů na cytoskeletu, extracelulární matrix a těsné spoje
- síly (hydrofilní interakce mezi polárními konci a hydrofobní mezi apolárními) poutající
molekuly fosfolipidy navzájem jsou slabé → laterální migrace
- molekuly lipidů mohou volně rotovat kolem své osy a měnit svou vzájemnou pozici
- fluidně mozikový model membrány představili Singer a Nicolson v roce 1974
- nejlepší informace o rozmístění proteinů v membráně poskytuje mrazové lámání a leptání
- důkaz fluidity membrány:fůze buněk – pokud fůzují 2 buňky s fluorescenčně značenými membránovými proteiny jsou těsně po fuzi proteiny odděleny, ale po určité době se promíchají.
- toto se hodnotí buď na časosběrných filmech
nebo pohyb receptorů se dokazuje jako capping antigenů značených fluorescencí
(máme označené protilátky proti membránovým proteinům a sledujeme
pohyb)
Membránový princip
- eukaryotní buňka rozdělena biomembránou na membránové kompartmenty
- ostatní obsah buňky = cytosol
- metabolické procesy (některé enzymy vázané přímo na membránu)
- kompartmentace buňky → diferenciovaná metabolická funkce organel, jednotlivé metabolické procesy
probíhají odděleně od ostatních (lysozomy, kdyby nebyly kryty membránou, jejich
enzymy by mohly zlyzovat celou buňku) – vymezení fce enzymů do určitých blastí
- selektivně propustná membrána kompartmentu umožňuje zajistit relativně vysokou
koncentraci určitých enzymů a metabolitů
- specifické interakce mezi kompartmenty – spojování cestou splývání membrán je také cestou pro propojení
jednotlivých metabilických procesů a pro organizovaný přesun látek v buńce.
- kompartmentace umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých procesů
- relativně stabilní postavení organel v cytoplasmě udržuje cytoskeletární soustava.
Lokalizace proteinu v membráně
- máme 4 možnosti uložení proteinu na (v) membráně
1) periferní prot. ... jeho povrch je tvořen zbytky polárních AK, váží se hydrofilními interakcemi na
povrch hlavičky lipidů
2) penetrující ... molekuly s hydrofobními oblastmi se mohou vázat a apolárním vnitřkem membrány a
podle konformační amfifilie jsou tedy prot. různě hluboko zanořeny nebo filmem pocházejí =3)
3) transmembránové
4) transmembránové prot. nekovalentně interagující s perif. prot.
- úseky polypeptidového řetězce procházející napříč membránou mají konformaci
α-helixu nebo β-skládaného listu
- podle toho, kolikrát polypeptidový řetězec prochází membránou, je C-konec a N-konec
na stejné nebo opačné straně membrány
- podobně jako molekuly lipidů mohou migrovat (difundovat) v ploše membrán i
molekuly proteinů „jsou tekuté“
- biomembrána má tekutý charakter → model tekuté mozaiky
- tekutý (fluidní) charakter má význam pro funkci membrán: redistribuce proteinů na
různá místa membrány, inzerci nových proteinů, splývání (fúzi) různých biomembrán
Obecný význam membránového transportu
- u živočišné buňky tvoří membránové kompartmenty až polovinu objemu buňky
- evolucí biomembrán získala buňka velký vnitřní povrch, který má mj. význam pro
metabolické procesy, neboť mnoho enzymů je vázáno přímo na biomembrány
- kompartmenty umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel → jednotlivé
metabolické procesy tak probíhají odděleně od ostatních
- specifické interakce mezi kompartmenty → přesun látek v buňce
- kompartmentace tedy umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých
procesů ve složitém metabolismu buňky – „manufaktura“
- relativně stabilní lokalizaci membránových organel v buňce udržuje cytoskeletární
soustava
Plazmatická membrána
= cytoplazmatická membrána = plasmalema - ohraničuje od okolí cytoplazmu (všechny buňky)
- realizuje regulovaný transport látek mezi buňkou a okolím
- je v ní lokalizováno množství receptorů
- je to struktura, která hraje klíčovou roli v toku látek, energie a informace mezi buňkou a
jejím okolím
Struktura plazmatické membrány
- je asymetrická
- sacharidová složka glykoproteinů a glykolipidů je orientována na vnější straně
(glykokalyx - ochranná vrstva)
- na glykokalyx jsou pak napojeny další molekuly, které, řadíme již k extracelulární matrix
- u buněk prokaryotních, rostlinných a buněk hub je periferně od ní buněčná stěna mezi je
periplazmatický prostor - místo, ve kterém probíhají některé metabolické procesy
- složení glykokalyx může vyjadřovat určitou specifitu buňky
- na vnitřní (plazmatické) straně jsou na plazmatickou membránu vždy připojeny
periferní proteiny (např. spektrin u erytrocytů) - ty jsou napojeny prostřednictví
asociovaných proteinů na komponenty cytoskeletu
- lektiny - cizorodé proteiny, ke kterým má sacharidová složka výraznou afinitu
- periferní proteiny - na vnitřní straně plazmatické membrány (př.: spektrin u erytrocytů) -
napojeny na komponenty cytoskeletu- * kortex
Membránový přenos
- plazmatická membrána - semipermeabilní
- volná difúze (fyzikální vlastnosti)
iontové kanály; přenašečový transport (nutnost membránových proteinů)
endo a exocytóza (manipulace částmi molekul)
- aktivní - nutnost dodat energii z ATP
- pasivní - prostá a usnadněná difúze (bez spotřeby energie)
Studium membrán
1) Erytrocytární stíny ... necháme červené krvinky zhemolyzovat , je snadné je získat a je jich mnoho, poté je
možnost je i otočit naruby....lze tak studovat jak vnitřní tak vnější povrch.
2) Liposomy ..., uměle připravené uzavřené váčky tvořené lipidovou dvojvrstvou a vnitřním isolovaným kompartmentem obsahujícím vodný roztok. Vznikají např. působením ultrazvuku na vodnou suspensi vhodných polárních lipidů; nejčastěji se pro tento účel používá lecitin z vaječného žloutku. Liposomy mají obvykle průměr 1 – 2 μm; mohou být tvořeny i několika koncentrickými membránovými váčky. Pokud liposom vzniká ve vodném prostředí, obsahujícím rozpustné složky (soli, bílkoviny atd.), jsou tyto složky uzavřeny do vnitřního prostředí váčku; toho se využívá pro transport některých léčiv do buněk (intravenosní aplikace vhodných liposomů, které pak vnikají do buněk endocytosou). Liposomy slouží též jako model pro studium vlastností biologických membrán.
3) Záplatování = patch clamp = napěťový zámek
Technika terčíkového zámku (patch clamp technique) umožňuje měření proudů (řádově 10-13 A) vyvolaných aktivací iontových kanálů. Je možné snímat proudy vzniklé aktivací jak řady iontových kanálů např. během synaptického přenosu (snímání z celé buňky), tak jediného iontového kanálu v izolovaném terčíku membrány.
K buněčné membráně je přisáta skleněná elektroda, a tím se vytvoří relativně pevné spojení s vysokým odporem. Příklady různých uspořádání hrotu mikroelektrody a membrány viz obrázek. Uspořádání cell attached, inside a outside patch umožňují měřit proudy protékané jedním či několika iontovými kanály izolovanými v terčíku membrány. V případě whole cell dostáváme odezvu od všech aktivovaných v membráně přítomných kanálů. Vyjma uspořádání cell attached lze během měření měnit pomocí aplikačního systému složení roztoku v okolí buňky (resp. membrány) a sledovat tak např. kinetiku iontových kanálů.
10. Pasivní membránový transport (transmembránové kanály) transport vody, osmotické jevy v buňce
- plazmatická membrána nepropouští ionty, molekuly polárního charakteru a velké
molekuly
= vytváří tak permeační bariéru, tj. nedovoluje unikání molekul z buňky a vnikání
- je však relativně propustná - udržování stacionárního stavu buňky, v průběhu evoluce
se vytvořilo několik mechanismů jak umožnit prostup látek do buňky a přitom
zachovat její stálé vnitřní prostředí. = membránový přenos
- pasivní transport: volná difúze - přechod molekul závisí pouze na fyzikálních
vlastnostech biomembrány a procházejících molekul
- aktivní transport: závislé na funkci membránových proteinů (iontové kanály a
přenašečový transport)
dodání energie z ATP atd.
- endo – exocytoza: mechanismy manipulující celými částmi biomembrány, odštěpení měchýřkůči splývání.
- po smrti buňky se stává buňka zcela propustnou - buňka je permeabilizována → volný
průnik barviv je jedním z testů na rozlišování živých a mrtvých buněk
- mikroinjekce (vpravením látky do živé buňky) - mikrochirurgické zákroky (odebrání jádra, vložení jiného jádra, přenos mitotitckého aparátu a podobně....)
Volná difúze
- difúzí prochází biomembránami látky s malými molekulami (plyny, hydrofobní mol,
jako uhlovodíky, mastné kyseliny, kyslík, dusík, malé molekuly hydrofilní bez náboje)
- rychlost difúze je závislá na koncentračním spádu látky na obou stranách membrány,
na teplotě, na velikosti molekuly atd.
- buňka nemůže difúzi regulovat, a ta probíhá do termodynamické rovnováhy
- molekuly hydrofobního charakteru procházejí mezi molekulami membránových lipidů
- difúzi i větších molekul umožňují omezené termální pohyby molekul lipidů, čímž se
mezimolekulární prostory mezi nimi přechodně zvětšují
Transport pomocí proteinu
- některé proteiny vytvářejí napříč membránou jakési póry či kanály (průduchy), kterými
mohou molekuly proudit tím či druhým směrem - membránové kanály
- přenašečové proteiny - specificky navážou přenášené molekuly (ligandy), pomocí
konformačních změn je přesunou na druhou stranu membrány a
tam je uvolní
- tyto mechanismy realizují transport většiny životně důležitých látek.
a) Membránové kanály(kanálové proteiny)
- jsou tvořeny oligomérními proteiny - peptidový řetězec podjednotek prochází napříč
membránou několikrát - vlastní kanál (pór) je tvořen prostorem mezi podjednotkami
- prokaryotní i eukaryotní buňky
- kanálem mohou procházet pouze určité látky díky specifické konformaci - např.: určité ionty (Na+, K+, Ca2+, Cl-) - iontové kanály
(sodíkový kanál – 0,5nm – negativně nabitý,, draslíkový kanál – 0,3nm – negativně nabitý)
- tok je velmi rychlý (100 000 - 1s), probíhá podle koncentračního spádu (bez E) →
usnadněná difúze – (perforovaným porem)
- množství částic, které do buňky pronikne je ovlivněno koncentrací částic na obou stranách membrány a množstvím kanálů
- regulace: kanál se dá uzavřít → vrátka - vrátka mohou být uzavírána či otevírána
specifickými signály (změnou konformace proteinů)
specifické signály mohou být:
1) změny membránového potenciálu – nervové buňky (napěťová záklopka)
2) nějaká liganda – ionty, nukleotidy, neurotransmitery (ligandová záklopka)
3) mechanický stres – u kochleárních buněk vnitřního ucha
- mezerové spoje - mají charakter kanálů a umožňují přímé propojení buněk
v živočišných tkáních, jsou tvořeny konexiny
- mezerovými spoji mohou procházet i signální molekuly (druzí poslové cAMP, Ca++), což
umožňuje koordinovanou funkci tkáňových buněk (např. buněk v hladkém svalu)
b) Přenašečové proteiny
1) rozpoznání přenášené molekuly (ligandy, substrátu)
2) vazba na přenašeč
3) translokace molekul z jedné strany membrány na druhou
4) uvolnění molekuly z přenašeče
5) obnovování původní konformace přenašeče
není třeba energie = pasivní přenašečový transport
- uniport - přenos jedné ligandy
- symport - přenos více ligand (glukosy a Na+)
- antiport - transport jedné ligandy ven z buňky a druhé dovnitř (Na+, K+)
- rychlost transportu závisí nejen na konformační změně přenašečových proteinů a na koncentraci transportované látky.
- pasivní přenašečový transport (usnadněná difúze) - příjem cukrů, aminokyselin, iontů
- translokace substrátu z jedné strany membrány na druhou je způsobena konformačními
změnami přenašeče
- specifita - tentýž přenašeč může vázat více různých substrátů o podobné
chemické struktuře
- translokace substrátu z jedné starny membr. na druhou je způsobena konformačními změnami
molekuly přenašeče
- inducibilní proteiny - přenašeče, jejichž syntéza je indukována pouze tehdy, je-li okolo
buňky přítomen určitý substrát
Transport vody a osmotické jevy
- transport vody je zdaleka nejrozšířenějším transportem
- oba směry transportu - jak ven tak dovnitř je v rovnováze
- osmotický tlak: velikost tlaku, který zastaví osmozu, je dán počtem částic
- osmol - koncentrace látky je vyjádřena počtem částic
- osmolalita = osmol/kg
- osmolarita = osmol/l
- normální osmotická hodnota (isotonická) je 280 – 300 mosmol/kg.
osmoza: pronikání rozpouštědla z méně koncentrovaného roztoku do roztoku koncentrovanějšího skrz polopropustnou membránu, která nepropouští rozpuštěné látky. Výsledným stavem je dosažení stejné koncentrace (osmolality) na obou stranách membrány. Osmoza je běžným procesem v lidském organismu, uplatňuje se zejména při hospodaření s vodou a při její distribuci v tělě.
Chování buněk v určitých prostředích:
- přístroje na měření osmolarity jsou osmometry , jsou složité, přesto je nutné v biologických laboratořích osmolaritu měřit, neboť osmotická hodnota komplexních biologických tekutin se dá velmi těžko zpočítat.
Přihlásit se k odběru:
Příspěvky (Atom)