Osnova témat

  • Úvod

    Tyto materiály byly inovovány za podpory OPVK proejktu EnviMod (http://envimod.fzp.ujep.cz)

    CZ.1.07/2.2.00/28.0205 „Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí“ – ENVIMOD

  • Organizace studia a opakování

    Tento kurz je společný pro studijní programy Odpadové hospodářství a Analytická chemie životního prostředí a toxikologie. Rozdílné jsou ale nároky a počty kreditů:

    • Program odpadové hospodářství má předmět zakončen pouze zápočtem za splnění zápočtového testu na 60% bodů.
    • Program Analytická chemie životního prostředí a toxikologie má předmět zakončen zápočtem (píší se dva testy, každý je třeba splnit na 60%) a pak ústní zkouškou.
    Upozornění pro studenty Odpadového hospodářství - i když je za málo kreditů, předmět nepodceňujte, protože funguje jako "předehra" k navazujícímu předmětu Biotechnologie. Při zkoušce z biotechnologie se budou zkoušet i související části biochemie a bez znalosti biochemie NELZE správně pochopit biotechnologické procesy.
     


    Opakování ze střední školy - buňka, chemické vazby apod.


    Biochemie je věda na pomezí chemie a biologie. K jejímu zvládnutí je potřeba se orientovat v chemii i biologii v rozsahu středoškolského učiva.

    Z chemie si zopakujte:

    ·        Rozdíl mezi organickou a anorganickou látkou

    ·        Co je to látkové množství a relativní molekulová hmotnost

    ·        Disperzní soustavy – především rozdíl mezi suspenzí, emulzí, koloidem a roztokem

    ·        Co je to elektronegativita a jak ovlivňuje vazbu mezi atomy – iontová, kovalentní polární, kovalentní nepolární

    ·        Slabé neboli nekovalentní interakce – nejdůležitější jsou vodíková vazba, polární interakce a hydrofobní interakce

    ·        Co jsou to zásady, kyseliny, pH a pufry

    ·        Základy organické chemie – čtyřvaznost uhlíku, alifatické a aromatické uhlovodíky, funkční skupiny a jejich vlastnosti (zejména alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny, aminy).

    ·        Jaký je rozdíl mezi látkou hydrofilní a hydrofobní (lipofilní)

    ·        Jak probíhají chemické reakce, co jsou reaktanty produkty, co je to katalyzátor

    ·        Co je to chiralita a enantiomery

     

    Z biologie si zopakujte:

    ·        Co je to buňka, čím je charakteristická

    ·        Rozdíly mezi eukaryotickou a prokaryotickou buňkou

    ·        Hlavní organely, kompartmenty a jiné části eukaryotické buňky – cytoplzmatická membrána, buněčná stěna, jádro, mitochondrie, ribozómy, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, Lysozómy, vakuoly, chloroplasty…

    ·        Základní třídění organismů na tři domény – Bacteria, Archea, Eukarya. Zařazení člověka.

    ·        rozdíl mezi živočišnou a rostlinnou buňkou


  • 1. téma - Úvod do biochemie

    Úvod

    Biochemie je hraniční disciplína na pomezí biologie a chemie s překryvem do mnoha dalších přírodních a někdy i společenských věd (např. organická chemie, molekulární biologie, buněčná biologie, fyzikální chemie, biotechnologie, farmacie, medicína, imunologie, mikrobiologie a další). Má také řadu podoborů, např.:

    ·        Enzymologie – zabývá se stavbou, strukturou a funkcí buněčných katalyzátorů – enzymů

    ·        Biochemie rostlin, hub, mikroorganismů – podobory zaměřující se na zvláštnosti metabolismu jednotlivých skupin organismů

    ·        Klinická biochemie (pathobiochemie)– zabývá se biochemickými pochody a jejich odlišnostmi u zdravých a nemocných lidí, a především aplikacemi těchto poznatků při diagnostice nemocí.

    ·        Xenobiochemie – zabývá se příjmem metabolismem a výdejem tělu cizích látek, tzv. xenobiotik (z lat. Xenos = cizí) včetně farmaceutik

    ·        Biofyzikální chemie – zabývá se energetikou a kinetikou (rychlostí) biochemických procesů

    Charakteristika živých systémů

    Co odlišuje živý a neživý systém? Člověk toto intuitivně pozná na základě celoživotních zkušeností. Věda nicméně potřebuje přesné formulace. Živé systémy vymezuje podle toho, zda vykazují následující charakteristické prvky  odlišné od neživých systémů:

    ·        Jsou uspořádané (organizované) ve srovnání s okolím a tuto uspořádanost si navzdory tlaku okolí udržují. Udržování uspořádanosti ale vyžaduje dodávat neustálo energii (analogií budiž pořádek v domácnosti – víceméně samovolně mizí a k obnovení uklizeného stavu je potřeba dodat energii). Organismus, který ztratí zdroj energie umírá a postupně se rozpadá = stává se opět neuspořádaným).

    ·        Rozmnožují se, čímž je život udržován i po smrti jedince.

    ·        Dědičnost = organismy mají schopnost předat své vlastnosti potomkům.

    ·        V organismech probíhá metabolismus = soubor biochemických reakcí, který zajišťuje všechny životní funkce.

    ·        Časově omezená existence. I když život je díky rozmnožování a dědičnosti věčný, jedinci mají jen časově omezenou existenci. Rodí se, žijí a nakonec umírají.

    ·        Aktivní vztah k okolí = organismy si pro zajištění svých životních funkcí vyměňují (přijímají i vylučují) s okolím látky i energii.

    Úrovně popisu živých systémů a postavení biochemie

    Živé systémy jsou složité, složené z jednodušších částí (buněk, molekul…) a naopak sdružujících se ve složitější systémy (společenstva). Různé úrovně popisu jsou předmětem studia jiných oborů. Od nejmenších částic až po společenstva popisují tyto obory:

    ·        Fyzika se zabývá základními pochody, elementárními resp. subatomárními částicemi, ze kterých jsou složené atomy, silami, energiemi a dalšími fundamenty světa.

    ·        Obecná chemie se zabývá především vazbami mezi atomy, vznikem molekul, chemickými reakcemi při kterých dochází k přeskupování atomů v molekulách a změnách ve vazbách mezi atomy, mezimolekulovými interakcemi a nich vyplývajícím chováním směsí látek a dalšími souvisejícími otázkami .

    ·        Organická chemie se zabývá chemií sloučenin uhlíku (tzv. organických látek), které jsou základem živých systémů. Čtyřvazné atomy uhlíku mají unikátní schopnost se prakticky neomezeně řetězit a to včetně větvení řetězců nebo tvorby uzavřených cyklů a volnými vazbami vázat další atomy, především vodík, kyslík, dusík a síru.

    ·        Biochemie se zabývá chemickým složením a procesy v živých organismech na úrovni molekul.

    ·        Molekulární biologie se zabývá především procesy, kterých se účastní biomakromolekuly = organické látky složené z velkého množství atomů (stovky až milióny), jejich vzájemnými vztahy a chováním a vztahem těchto procesů k fungování vyšších struktur až celých organismů.

    ·        Buněčná biologie se zabývá stavbou a strukturou buněk a jednotlivými pochody na úrovni buňky.

    ·        Histologie se zabývá vzájemným spojováním buněk do funkčních částí organismů – tkání (u živočichů) a pletiv (u rostlin).

    ·        Biologické vědy (např. zoologie, botanika, mikrobiologie, mykologie atd.) se zabývají stavbou, vlastnostmi a chováním jednotlivých skupin organismů (živočichů, rostlin, mikroorganismů, hub atd.) na úrovni jedinců nebo několika málo jedinců stejného druhu.

    ·        Ekologie se zabývá společenstvy organismů, jejich vzájemnými vztahy a vztahy k svému životnímu prostředí.

    ·        Sociologie se zabývá chování lidských společenstev.

    Směry biochemického výzkumu, popis biochemických procesů

    Vývoj biochemie byl postupný. První biochemické poznatky byly získávány o jednotlivých látkách, tvořící organismy. Tento obor je někdy nazýván statickou biochemií. Na tento obor navázala později tzv. biochemie struktur, obor zabývající se především organizací (uspořádáním) jednotlivých částí organismů.  Po shromáždění dostatečných informací o chemickém složení organismů začali vědci zkoumat i chemické pochody, které v organismech probíhají. Tím začala éra dynamické biochemie. Dostatek poznatků o složení i pochodech uvnitř organismů vyvolal potřebu chápat vzájemné vztahy mezi pochody a vztahy biochemických pochodů k celkovému chování organismu. Tím vznikl obor funkční biochemie. Ani v jedné z oblastí není známo zdaleka všechno, všechny se stále vyvíjejí  a navzájem doplňují.

    V biochemii (i obecně biologických vědách) se často odlišuje, zda některý proces probíhá uvnitř skutečného živého organismu nebo jen v modelovém pokusu. V prvním případě mluvíme o procesech in vivo (česky doslova „v živém“), v druhém případě o procesech in vitro (doslova „ve skle“, tedy ve zkumavce nebo chemické aparatuře, srovnej třeba vitrína, vitráž a další podobná slova). V posledních letech v souvislosti s rozvojem počítačů se často provádí simulace biochemických procesů, v takovém případě se někdy používá termín in silico (doslova „v křemíku“, který je základem počítačových procesorů). V této souvislosti je třeba dodat, že latinské výrazy, které jsou v biologických vědách běžné, se tradičně píší kurzívou (proloženě). To platí i o latinských jménech organismů.


  • 2. téma - Biopolymery, aminokyseliny, bílkoviny

    Biopolymery

    Řada látek s klíčovým významem pro fungování organismů má charakter polymerů (z řečtiny poly = mnoho, mer = část), tedy obrovských molekul složených z mnoha základních stavebních jednotek.  Pro odlišení polymerů z živých organismů od chemicky připravených (např. plastů) je nazýváme biopolymery. Mezi nejvýznamnější patří:

    ·        Peptidy, složené z několika málo až několika stovek aminokyselin (viz dále)

    ·        Bílkoviny, složené z jednoho až mnoha desítek peptidů (viz dále)

    ·        Polysacharidy, složené ze stovek až desetitisíců monosacharidů (kapitola 2)

    ·        Nukleové kyseliny, složené až z desítek miliónů nukleotidů (kapitola 6)

    Z dalších lze zmínit např. polyfosfáty, polykyseliny, polyfenoly a další. Často se různé typy biopolymerů ještě kombinují dohromady a vznikají tak struktury jako je peptidoglykan (polysacharid+bílkovina, základ buněčných stěn bakterií), glykoproteiny (bílkovina+sacharid, např. protilátky) nebo lipopolysacharidy (lipid+polysacharid, známé např. z vnějších mambrán gramnegativních bakterií) a další.

    Biopolymery bývají obvykle nějakým způsobem uspořádané a tato uspořádanost předurčuje jejich biologickou funkci (např. základem vlasů jsou dlouhé molekuly bílkoviny keratinu). Časté je také další spojování biopolymerů do tzv. nadmolekulárních (=větších než jedna molekula) nebo subcelulárních (=menších než buňka) struktur. Příkladem mohou být enzymové komplexy složené z mnoha bílkovin, membrány složené z mnoha bílkovin a fosfolipidů, buněčné stěny rostlin, hub nebo bakterií složené z mnoha polysacharidových vláken, lipoproteiny složené z mnoha bílkovin a tuků, ribozómy složené z bílkovin a nukleových kyselin atd.

    Na rozdíl od většiny chemicky syntetizovaných polymerů mají některé biopolymery (především bílkoviny) tzv. kooperativní efekt. To znamená, že různé části jejich molekul jsou navzájem těsně spojené a i malá změna v jedné části se rychle přenáší na celou molekulu. Různému prostorovému uspořádání se říká konformace a různými konformacemi lze dosáhnout řady biologických efektů, např. přepnutí enzymu z aktivního do neaktivního stavu, spojení bílkoviny s jinou molekulou, transportní funkce bílkovin = přenašečů látek přes membrány, buněčného pohybu, svalového stahu apod. Pokud se snažíme izolovat biopolymer z živého systému, nemusí se to vždy povést bez jeho deformace. Uspořádání , v kterém se biopolymer vyskytuje in vivo se nazývá nativní struktura.

    Většina biopolymerů má v základě lineární strukturu svých jednotek, může se ale i tak uspořádat do rozličných tvarů (podobně jako klubíčko, jehož základem je jeden dlouhý provázek).

    Aminokyseliny a peptidy

    Základními stavebními kameny bílkovin jsou aminokyseliny. Jedná se o organické látky, které mají ve své molekule jednu zásaditou aminoskupinu a jednu kyselou karboxylovou skupinu. Kromě tohoto základního strukturního motivu mají ještě tzv. postranní řetězec, který je v každé aminokyselině jiný a udává její další charakteristické vlastnosti.

    V biologických systémech bylo dosud popsáno přibližně 200 různých aminokyselin, nicméně zdaleka ne všechny se vyskytují u všech organismů. Bílkoviny jsou ale tvořeny jen z 20 aminokyselin, které se proto nazývají proteinogenní (=tj. tvořící bílkoviny) nebo také kódované (protože jejich pořadí v každé bílkovině je zakódované v genetické informaci organismu).

    Pozn.: Různé učebnice biochemie uvádějí někdy až 23 proteionogenních aminokyselin. Jako aminokyselina č. 21 byl popsán selenocystein, který se ale vyskytuje jen u eukaryotních organismů a kódován je v genomu poněkud odlišně ve srovnání s ostatními aminokyselinami. Aminokyselina č. 21 je formylmethionin, která se vyskytuje jen u prokaryotických organismů (bakterií a archeí) a to vždy jen na začátku syntetizovaného řetězce. Aminokyselina č. 23 je pyrolyzin, který je znám jen u některých bakterií a archejí.

    Struktury všech aminokyselin jsou uvedeny v prezentacích.

    Aminokyseliny obsahují asymetrický uhlík, díky kterému jsou chirální (s výjimkou nejjednodušší aminokyseliny glycinu, její molekuly jsou díky absenci postranního řetězce symetrické). V bílkovinách jsou aminokyseliny v konfiguraci L. Konfigurace se D se objevuje jen vzácně, např. v některých hadích jedech (a právě přítomnost D-aminokyselin přispívá k jejich toxicitě).

    Aminokyseliny, díky současné přítomnosti kyselé i zásadité skupiny, se v čistých kulturách vyskytují jako tzv. obojetné ionty (amfionty). Jejich karboxylové skupiny jsou ionizované a uvolněný iont H+ je předán aminoskupině. Ve vodném roztoku závisí ionizace jednotlivých skupin na pH. Acidobazické vlastnosti mají i některé postranní řetězce. Asparagová a glutamová kyselina jsou kyselé, lyzin, asparagin a histidin jsou zásadité.

    Postranní řetězce proteinogenních aminokyselin jsou „vybrány“ velice účelně. Umožňují mezi sebou realizovat všechny vzájemné mezimolekulární interakce, což dává bílkovinám ohromnou flexibilitu struktur a činností:

    ·        Glycin má za postranní řetězec jen malý atom vodíku. To je účelné v hustých pevných strukturách, kde je potřeba mít mnoho aminokyselin na malém prostoru. Tvoří např. třetinu všech aminokyselin v bílkovině keratinu, které tvoří základ vlasů, nehtů nebo kopyt zvířat.

    ·        Alanin, valin, leucin, izoleucin, prolin, methionin, fenylalanin a tryptofan mají postranní řetězce výrazně hydrofobní. Tyto aminokyseliny se často vyskytují uvnitř tzv. globulárních bílkovin, kde stabilizuje kulovitou strukturu, nebo u bílkovin, které jsou vázané v biologických membránách.

    ·        Fenylalanin a tryptofan mají postranní řetězce aromatické a mohou tvořit tzv. p-p interakce.

    ·        Kyseliny asparagová a glutamová mají v postranním řetězci druhou karboxylovou skupinu, díky čemuž jsou kyselé.

    ·        Histidin, lysin a asparagin mají postranní řetězce zásadité. Asparagin je dokonce nejzásaditější organická struktura, která se svojí bazicitou blíží anorganickým hydroxidům.

    ·        Kyselé i zásadité aminokyseliny jsou schopné vstupovat do iontových vazeb jak mezi sebou, tak s jinými ionty.

    ·        Glycin, serin, threonin, cystein, tyrosin, asparagin a glutamin mají postranní řetězce polární, nicméně za fyziologických podmínek obvykle nenabité. Často tvoří vodíkové můstky s dalšími částmi bílkovin.

    ·        Dvě molekuly cysteinu jsou schopné se postranními řetězci redukčně spojit tzv. disulfidickým můstkem (R-S-S-R). Vzniklá diaminokyselina se nazývá cystin. Disulfidické můstky jsou nejpevnějším známým spojením postranních řetězců. Mnoho cysteinu najdeme proto v bílkovinách, které potřebují být pevné (keratin) nebo tepelně odolné.

    ·        Prolin není de-facto aminokyselina, ale cyklická iminokyselina. Tato odlišnost od ostatních aminokyselin je velmi významná pro prostorová uspořádání molekul bílkovin, protože umožňuje vytvářet v řetězcích záhyby.

    ·        Hydroxylová skupina serinu bývá často esterifikována (např. zbytkem kyseliny fosforečné = fosfátem nebo sacharidy). Tyto esterifikace ale probíhají až po syntéze primárního řetězce, při tzv. posttranslačních úpravách (kapitola 6).

    Některé organismy neumí syntetizovat všechny aminokyseliny, které se vyskytují v jejich bílkovinách. V takovém případě musí tyto aminokyseliny přijímat v potravě. Těmto aminokyselinám pak říkáme esenciální (=nezbytné) a jejich nedostatek v potravě může způsobit vážné metabolické poruchy. Je třeba zdůraznit, že to, zda je aminokyselina esenciální nebo ne, záleží jen na organismu, s chemickými vlastnostmi to nemá nic společného. Rostliny i většina mikroorganismů jsou schopné syntetizovat všechny aminokyseliny. Některé mikroorganismy mají mutace v některých syntetických drahách a musí přijímat obvykle jednu, méně často několik aminokyselin. Takové organismy nazýváme auxotrofní (z latinského auxiliare = dodatečný). Pro člověka je esenciálních 8 aminokyselin – všechny s rozvětveným řetězcem (valin, leucin, izoleucin), dále aromatické aminokyseliny (tryptofan, fenylalanin) a dále threonin, lysin a methionin. Tyrosin člověk umí syntetizovat jen z esenciálního fenylalaninu.

    Základem peptidů a bílkovin je tzv. peptidová vazba mezi dvěma aminokyselinami. Jedna dává do vazby svou aminoskupinu, druhá karboxylovou skupinu. Odštěpením vody vzniká peptidová vazba. Takovéto reakci se říká kondenzace (spojení dvou molekul za odštěpení menší molekuly) a lze tak peptidy připravit v laboratoři. In vivo nicméně syntéza probíhá jinak (viz. kapitola 6).

    Spojením dvou aminokyselin vzniká tzv. dipeptid, pokud se připojí další vzniká tripeptid atd. Každý peptid má nicméně vždy ne jednom konci volnou aminoskupinu a na druhém volnou karboxylovou skupinu. Tyto konce pak označujeme jako N-konec a C-konec. Struktura peptidu se zapisuje vždy od N-konce k C-konci, což odpovídá pořadí, v jakém jsou aminokyseliny zařazovány do řetězce při proteosyntéze in vivo.

    Názvosloví aminokyselin a peptidů

    Jako všechny chemické látky, mají i aminokyseliny své systematické názvy. Ty jsou však obvykle příliš dlouhé i pro pojmenování jen jedné aminokyseliny, natož složitějších peptidů a bílkovin. Prakticky se proto nepoužívají a používají se jejich názvy triviální, tradiční. Pro zápis delších peptidů nebo bílkovin se obvykle používají třípísmenné nebo jednopísmenné zkratky, které má každá aminokyselina.

    Peptidy se systematicky pojmenovávají jako (acyl)n-1-aminokyselina (např. tripeptid Ala-Gly-Lys se  pojmenuje jako Alanylglycyllysin, koncovka –yl se používá u zbytků organických kyselin, tzv. acylů). Nejčastěji se ale používají triviální názvy (např. glutathion, inzulín), pro delší se obvykle jen zapisuje pořadí aminokyselin zkratkami.

    Bílkoviny a jejich struktura

    Bílkoviny jsou řetězce peptidů, často několika, které mají prostorové funkční uspořádání. Součástí výsledných molekul bílkovin bývají běžně i nepeptidové součásti, které mají význam pro funkci nebo strukturu bílkoviny. Jde např. eterově vázané zbytky kyseliny fosforečné (fosfáty), ionty kovů, sacharidy nebo tzv. kofaktory (viz dále).

    Bílkoviny mají v organismu celou řadu funkcí, které budou dle představeny detailněji. Mezi nejvýznamnější patří stavební funkce (svaly, vlasy, cytoskelet…), katalytická funkce (enzymy), obrané funkce (protilátky, fibrin…), transportní funkce (krevní apolipoproteiny, hemoglobin…), komunikační funkce (receptory hormonů, bílkoviny vidění…), zásobní (přebytečné bílkoviny lze rozložit na aminokyseliny jako zdroj uhlíku, dusíku a energie) a další.

    Strukturu bílkovin si lze zjednodušeně představit jako stavebnici lego. Stejně jako dítě zvládne s hromádkou několika druhů kostiček postavit jednou hrad a po druhé třeba loď, umí organismy ze základních univerzálních 20 aminokyselin vystavět velice různorodé bílkoviny. Nebílkovinné části už je jen tyto struktury dotvoří.

    Při popisu struktury bílkovin rozlišujeme čtyři úrovně popisu:

    ·        Primární struktura popisuje jen pořadí aminokyselin v jednotlivých peptidových řetězcích. Primární struktura je u většiny bílkovin zakódovaná v genetické informaci organismu.

    ·        Sekundární struktura představuje základní, často se opakující strukturní motivy. Nejvýznamnější jsou tzv. a-helix (šroubovice) a b-skládaný list (paralelní uspořádání řetězce). Časté jsou ale i neuspořádané úseky.

    ·        Terciární struktura představuje výsledné prostorové uspořádání jednoho peptidového řetězce. V některých případech vznikají na jednom řetězci samostatně funkční uspořádané části, ty nazýváme domény.

    ·        Kvartétní struktura představuje výsledné uspořádání více peptidových řetězců, což je poměrně běžný případ (např. hemoglobin je složen ze čtyř peptidů).

    Strukturu bílkoviny si tak lze představit jako provázek (resp. několik provázků)  smotaný do klubíčka. Doménu si lze představit tak, že na jednom provázku uděláme několik menších klubíček, které budou propojené nesmotaným provázkem.

    Bílkoviny někdy dělíme na globulární a fibrilární.

  • Sacharidy

    Sacharidy

    Sacharidy jsou organické sloučeniny, které mají v molekule vždy několik hydroxylových skupin (-OH) a jednu karbonylovou (-C=0), jedná se tedy o hydroxy-aldehydy (nazývané aldózy) nebo hydroxyketony (ketózy).

    Základní stavební jednotky se nazývají monosacharidy, dělíme je podle počtu atomů uhlíku na triózy (3C), tetrózy (4C), pentózy (5C), hexózy (6C), heptózy (7C) atd. Nejvýznamnější jsou pentózy (např.  ribóza) a hexózy (např. glukóza, fruktóza nebo galaktóza).

    Monosacharidy slouží jako stavební jednotky pro složitější sacharidy - disacharidy (2 jednotky, např. sacharóza, laktóza, maltóza), triózy (3 jednotky), tetrózy (4 jednotky) atd., oligosacharidy (obecně málo jednotek, max. cca 10) resp. polysacharidy (mnoho podjednotek – stovky, tisíce i víc, např. škrob, celulóza, glykogen).

    Pro člověka nejdůležitějšími sacharidy jsou mono- a disacharidy (zdroj energie v potravě), z polysacharidů zásobní glykogen (ukládá se v játrech a svalech jako zásobní forma glukózy), rostlinný škrob (významný zdroj energie z rostlinné potravy) a rostlinná celulóza (pro člověka nestravitelná, ale tvoří základ vlákniny potřebné pro správné trávení).


  • Nukleové kyseliny

    To nejdůležitější

    Dědičnost je základní charakteristikou živé hmoty.

    Nositeli dědičné informace jsou nukleové kyseliny (NK).

    NK dělíme na deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) a ribonukleovou kyselinu (RNA). U člověka má DNA funkci „databanky“ zatímco RNA má funkci výkonnou.

    Genetická informace v DNA je uložena v pořadí jednotlivých bazí. Ty jsou celkem 4, genetická informace je tedy, počítačově vyjádřeno, čtyřbitová.

    Lidská DNA obsahuje cca 3 miliardy párů bazí (bp), při přepočtu do binární soustavy to představuje celkem cca 6 miliard bitů. 1 byte = 8 bitů, máme tedy. celkem 6.109. /8 = cca 750 000 000 bytů = 750 MB genetické informace. To je mírně více, než je kapacita CD, na standardní 4-GB DVD by se vešla informace 5 lidí, do moderních chytrých telefonů klidně i mnoha desítek.

    DNA bývá obvykle dvojšroubovicová, tj. je tvořena dvěma vlákny, které jsou tzv. komplementární (lze odvodit pořadí bazí jednoho z druhého a naopak na základě párování bazí, analogie negativu a pozitivu u fotogtafií). Obě vlákna se obtáčí tzv. antiparalelně, tedy kde jedno má začátek, druhé má konec (uspořádání „hlava-pata“).

    Báze mají schopnost se v nukleových kyselinách párovat, páruje se vždy purinová báze („velká“) s pyrimidinovou („malou“), díky tomu jsou všechny páry cca stejně velké, což přispívá ke stabilitě dvojšroubovice. Páruje se adenin s thyminem (v DNA) resp. uracilem (v RNA) dvěma vodíkovými vazbami a guanin s cytozinem třemi. Párování bází je základem věrného předávání genetické informace při genetických procesech.

    Základní genetické procesy jsou replikace (kopírování, zdvojování, probíhá v jádře), transkripce (přepis části DNA – jeden gen nebo několik genů do RNA, probíhá v jádře) a translace (překlad z „řeči“ nukleových kyselin do „řeči“ peptidů a bílkovin, tj. syntéza primárního peptidového řetězce, probíhá na ribozómu). Vyjádření genetické informace formou syntézy bílkoviny se nazývá exprese genu a zahrnuje postupně transkripci, translaci, posttranslační úpravy a transport bílkoviny na místo určení.

    Genetický kód je předpis kódování jednotlivých aminokyselin. Jednu aminokyselinu kódují vždy tři báze (což dělá 43=64 různých kombinací, vzhledem k tomu, že základních aminokyselin je jen 20, je genetický kód tzv. degenerovaný = pro některé aminokyseliny je více kódů). Genetický kó je univerzální = stejný ve všech organismech, což svědčí o společném původu života.


  • Lipidy

    Lipidy - to nejdůležitější

    Lipidy představují ne zcela sourodou skupinu látek, které mají převážně hydrfobní charakter (=jsou špatně rozpustné ve vodě).

    V organismech mají nezastupitelné úlohy, např. stavební (biologické membrány, výplň některých orgánů), zásobní (zásoba energie), ochrannou (tepelná izolace), regulační (hormony) a další.

    Mezi nejvýznamnější lipidy patří estery (sloučeniny vzniklé spojením alkoholu a kyseliny) tzv. mastných kyselin.

    Z esterů mastných kyselin jsou nejvýznamnější estery glycerolu (trojsytný alkohol) – monoacylglyceroly (navázána jedna mastná kyselina), diacylglyceroly (dvě mastné kyseliny) a především triacylglyceroly (tři mastné kyseliny). Triacylglyceroly tvoří významnou složku potravy a také většinu tukových zásob člověka.

    Mastné kyseliny jsou organické karboxylové kyseliny s řetězcem dlouhým 10-30 uhlíků (nejběžnější mají 16 a 18 atomů uhlíku). Některé obsahují dvojné vazby (tzv. nenasycené MK). Člověk umí syntetizovat jen nasycené MK a MK s jednou dvojnou vazbou. MK s vyšším počtem dvojných vazeb v molekule člověk syntetizovat neumí a musí je přijímat v potravě (tzv. esenciální mastné kyseliny).

    Významnou skupinou diacylglycerolů jsou fosfolipidy, kde třetí hydroxyl glycerolu je substituován zbytkem kyseliny fosforečné (obvykle ještě substituované dalšími hydrofilními skupinami, např. cholinem).

    Mezi lipidy řadíme i pestrou skupinu látek nazývaných izoprenoidy. Jejich pomyslným strukturním základem je pětiuhlíkatý rozvětvený uhlovodík izopren. Mezi izoprenoidy patří řada biologicky aktivních látek, rostlinného, živočišného i mikrobiálního původu. Mezi nejvýznamnější pro člověka patří např. vitamíny A, D, E, K nebo ubichinon (koenzym Q10).

    Významnou skupinou izoprenoidů jsou cyklické steroidy (myšlenkově odvozené od uhlovodíku steranu). Obvykle jsou substituované jednou postranní skupinou, podle které je dělíme na steroly (substituované hydroxylovou skupinou), sterony (karbonylová skupina) a sterolové kyseliny (karboxylová skupina). V organismu mají řadu nezastupitelných funkcí – např. stavební (cholesterol jako součást živočišných membrán), komunikační (steroidní hormóny – estrogeny, androgeny, kortikosteroidy…), trávicí (žlučové kyseliny emulující tuky z potravy) atd.


  • Metabolismus, biokatalýza, enzymy

    To nejdůležitější

    Jako metabolismus označujeme soubor všech biochemických reakcí probíhající v živých organismech.

    Metabolické dráhy dělíme na katabolické (rozkladné, složitější látky jsou rozkládány na jednodušší, obvykle se při nich uvolňuje energie) a anabolické (syntetické, složitější látky jsou syntetizovány z jednodušších, energie se při tom spotřebovává). Katabolické dráhy mají konvergentní charakter, tedy mnoho různých složitějších látek je přeměňováno na několik málo centrálních meziproduktů (např. u člověka je většina složek potravy přeměňována na pyruvát nebo acetylkoenzym A, ty mohou být dále oxidovány až na oxid uhličitý a vodu, které už představují odpad). Naopak anabolické dráhy mají divergentní charakter (tedy z několika výchozích látek je syntetizována celá řada složitějších látek, např. z výše zmíněný pyruvát je výchozí látkou pro syntézu většiny sacharidů, některých aminokyselin a řady dalších látek).

    Při popisu biochemických procesů jsou klíčové dva pohledy – termodynamický a kinetický. Termodynamika se zabývá zejména sílami a změnami energie při reakcích (a tím i reakčními rovnováhami), kinetika se zabývá jejich rychlostí.

                        Analogie ze života. (Termo)dynamika nám říká, zda auto může jet samo (z kopce) nebo potřebuje palivo (do kopce). Kinetika říká, jakou rychlostí tento proces probíhá, přičemž ta může být i nulová. Dobře zaparkované auto v kopci se nerozjede, i když je to z pohledu dynamického možné (analogie inhibované chemické reakce). Naopak i odbrzděné auto pod kopcem se do kopce samo nerozjede – na to je potřeba motor a palivo nebo auto vytáhnout či vytlačit jinou silou.

    Organismu vyžadují stálý přísun energie pro udržení všech životních funkcí a uspořádaného stavu. Žijí vlastně v permanentním přebytku energie, jinak život ani fungovat nemůže. Energii mohou organismy získat několika základními způsoby:

    ·        Respirace (dýchání) je proces, kdy jsou k zisku energie potřebné nejméně dvě látky – substrát a oxidovadlo (např. cukr a kyslík). Substrát je oxidován za vzniku odpadních produktů a energie. Pokud je dýchán kyslík, jde o tzv. aerobní respiraci, pokud jsou používána jiná oxidovadla (dusičnany, sírany apod.), jde o anaerobní respiraci. Člověk jako energetický substrát používá organické složky potravy (především sacharidy, lipidy a bílkoviny), řada mikroorganismů je ale schopna oxidovat i anorganické látky (železo, amonné ionty) nebo méně obvyklé organické látky (uhlovodíky a jejich deriváty).

    ·        Fermentace (kvašení) je proces, kdy k zisku energie stačí jedna látka, která je rozkládána na jednodušší, energeticky chudší látky bez účasti dalšího oxidovadla (např. při alkoholovém kvašení je glukóza rozkládána na ethanol a oxid uhličitý, C6H12O6 --> 2C2H5OH + CO2). Většina kvasných procesů je záležitostí mikroorganismů (bakterií a kvasinek), člověk umí pouze tzv. mléčné kvašení, kdy je glukóza rozkládána na kyselinu mléčnou. To se děje např. ve svalech při vysoké fyzické zátěži a také v červených krvinkách (erythrocytech), které díky absenci mitochondrií nemají jiný způsob získávání energie.

    ·        Fototrofie je získávání energie ze světla. Fototrofní jsou zelené rostliny, řasy, sinice a někteří prvoci.

    Přenos energie uvnitř buněk je značně konzervovaný. K přenosu slouží energeticky bohaté látky, které jsou neustále cyklicky syntetizované a rozkládané (jejich koncentrace je nízká, ale mají rychlý metabolický obrat). Nejuniverzálnější takovou látkou je adenosintrifosfát (ATP), který uvolňuje energii odštěpováním jednoho nebo dvou zbytků kyseliny fosforečné za vzniku adenosin difosfátu (ADP) resp. adenosinmonofosfátu (AMP). ADP a AMP jsou pak fosforylovány za účasti energie z katabolických reakcí, u člověka především v mitochondriích.

    Energetický metabolismus připomíná energetickou soustavu – katabolismus produkuje energii pro anabolismus a životní funkce, produkce a spotřeba musí být cca vyrovnaná, resp. v mírném přebytku.

    Biochemické reakce probíhají za standardního tlaku a za běžné teploty. Energetickou bilanci vyjadřujeme pomocí tzv. Gibsovy energie (také volné entalpie). Pokud se při chemické reakci energie uvolňuje, nazýváme ji exergonickou, pokud se spotřebovává, nazývá se endergonickou. Endergonické reakce sami neprobíhají, ale musí být spřaženy s exergonickými. I proto žijí organismy v neustálé potřebě přísunu energie.

    Enzymy jsou bílkovinné katalyzátory (urychlují chemické reakce). Vlastní reakce probíhá vazbou substrátu do tzv. aktivního místa, které je strukturně podobné (model zámek a klíč resp. ruka a rukavice). Enzymy často využívají tzv. nebílkovinné kofaktory. Pokud je kofaktor vázaný kovalentně (pevně) na apoenzym (vlastní bílkovina enzymu) nazývá se prostetická skupina, pokud je vázán volně nazývá se koenzym. Kofaktorů je celá řada, nejvýznamnější jsou:

    ·        Oxidoredukční (NAD+, NADP+, FAD, ubichinon = Q10 apod.), které přenášejí elektrony a vodíky při oxidoredukčních reakcích

    ·        Přenašeče skupin (např. koenzym A = HSCoA přenášející zbytky organických kyselin = acyly)


    Aktivitu enzymů měříme jako rychlost chemických reakcí. Základní jednotkou enzymové aktivity je katal = mol / s. Tato jednotka je však v praxi příliš velká (jako kdybychom měřili např. čas jen v rocích, např. vyučovací hodina trvá 0,000095 roku = 50 minut), proto se často používá umělá jednotka enzyme unit (U), U = µmol/min). Aktivita se ovykle vyjadřuje na jednotku výchozího materiálu, např. na 1 ml krve nebo 1 gram suché půdy.
    Na aktivitu enzymů má vliv řada faktorů. Předně jsou to fyzikální faktory (především teplota), chemické faktory (pH, salinita...) a aktivátory / inhibitory, tedy látky vážící se na enzym a ovlivňující jeho aktivitu (existují přirozené = regulační i nepřirozené, které obvykle působí jako jedy).
    Vzhledem k tomu,že naprostá většina enzymů urychluje biochemické reakce o několik řádů (nejaktivnější enzymy až 10 mil. x), dá se hovořit o tom, že bez enzymu biochemická reakce prakticky neprobíhá (probíhá zanedbatelnou rychlostí). Nejjednodušším modelem pro popis kinetiky enzymově katalyzovaných reakcí je rovnice Michaelise a Mentenové.

  • Téma 4 - Katabolismus sacharidů

    Sacharidy patří k hlavním zdrojům energie a uhlíku v organismech.

    Glykolýza je univerzální metabolická dráha pro odbourávání glukózy. Glukóza (C6) je přeměněna na dvě molekuly pyruvátu (C3), při tom se zredukují dvě molekuly NADH a vzniknou dvě ATP. U člověka a dalších respirujících organismů následuje dekarboxylace (odštěpení CO2) na acetylkoenzym A (C2), do citrátového cyklu. U fermentujících organismů dochází k redukci pyuvátu nebo některých jeho dalších produktů za reoxidace NADH, redukované metabolity jsou pak vylučovány jako odpad. Nejjednodušším příkladem je mléčné kvašení, kdy je pyruvát redukován na kyselinu mléčnou.

    Pentózový cyklus je alternativní katabolická dráha glukózy, různé organismy ji používají v různém poměru ke glykolýze. Podstatou je oxidace glukóza-6-fosfátu na ribulóza-5-fosfát a CO2. Následuje regenerační fáze, kdy se 6 molekul ribulóza-5-fosfátu přeskupí na 5 molekul glukóza-6-fosfátu a cyklus se opakuje. Po šesti otáčkách cyklu dojde vlastně k oxidaci jedné molekuly glukózy na 6 molekul oxidu uhličitého a 6 molekul vody.

    Existují i další metabolické dráhy, především u mikroorganismů, např. Entner-Douderofova dráha.


  • Téma 5 - Citrátový cyklus

    Citrátový cyklus je jakousi křižovatkou (spíše kruhovým objezdem nebo obchvatem) mezi katabolismem a anabolismem. Směřuje do něj řada katabolických reakcí (dekarboxylace pyruvátu po glykolýze, rozklad mastných kyselin, rozklad aminokyselin atd.) a naopak z jeho něj (z jeho meziproduktů) vychází řada anabolických (syntetických) reakcí (syntéza aminokyselin, syntéza lipidů apod.).

    Jeho čistě katabolický význam je při aerobním metabolismu, kdy slouží k oxidaci vstupujícího acetylkoenzymu A (zbytek kyseliny octové, 2C) na dvě molekuly CO2. K tomu se redukují oxidované kofaktory 3x NAD na NADH a 1x FAD na FADH, které jsou následně reoxidovány v dýchacím řetězci terminálním akceptorem elektronů (kyslíkem u aerobních organismů). Teprve v této fázi se uvolní většina energie.

    Metabolická dráha je částečně vázaná na membránu (propojení s dýchacím řetězcem), u prokaryotických organismů je lokalizována v cytoplazmě a částečně na cytoplazmatické membráně, u eukaryotických organismů v matrix mitochondrie a částečně na vnitřní mitochondriální membráně.

    Anaplerotické reakce slouží k doplňování chybějících meziproduktů cyklu. Aby cyklus běžel plynule, musí být koncentrace všech meziproduktů cca stejná.

  • Téma 6 - Respirační řetězec

    Dýchací (respirační) řetězec slouží u respirujících organismů k finální oxidaci redukovaných kofaktorů (hlavně NADH a FADH2) pomocí konečných (terminálních) akceptorů. Aerobní organismy k tomu používají kyslík, anaerobně-respirující používají i další akceptory např. dusičnany (denitrifikace), sírany (sulfátová respirace) nebo oxid uhličitý (methanogeneze). Kyslík je nejsilnější v přírodě dostupné oxidační činidlo a aerobní metabolismus je proto nejefektivnější; organismy, které umí respirovat více terminálních akceptorů mu dávají v případě dostupnosti přednost.

    Prinicpem je postupná (stupňovitá) oxidace vstupujích redoxních přenašečů až na terminální akceptor, přičemž v každém kroku se energie reakce uchovává ve formě transportu H+ iontů přes membránu za vzniku gradientu pH. Energie vzniklého pH gradientu je pak využívána k syntéze ATP z ADP a fosfátu (tv. membránová fosforylace). Dýchací řetězec tak připomíná přečerpávací elektrárnu.

    Membrána, přirozeně neprostupná pro nabité ionty včetně H+,  hraje v tomto procesu klíčovou roli, protože umožňuje oddělení prostředí s různým pH. Respirační řetězec je proto vždy vázán na membránu; u prokaryotických organismů na cytoplazmatickou (jinou nemají) - H+ ionty se transportují ven, u eukaryotických organismů na vnitřní mitochondriální membránu - H+ ionty se transportují do mezimembránového prostoru mitochondrie (rozdíl v pH je cca 1 jednotka - pH cca 8 v matrix a pH cca 7 vně, uvědomte si prosím, že pH stupnice je logaritmická, tj. rozdíl v koncentracích je cca desetinásobný).

  • Téma 7 - Katabolismus lipidů

    Lipidy představují energeticky nejbohatší látky, které řada organismů využívá jako zásobu energie (savci, některé rosltiny, některé bakterie...). Kvantitativně nejzastoupenější jsou triacylglyceroly (např. u člověka kolem 20% hmotnosti těla).

    Rozklad triacylglycerolů probíhá postupně, nejprve se odštěpují mastné kyseliny a jejich katabolismus je pak oddělený od katabolismu glycerolu. Mastné kyseliny se štěpí postupně, nejrozšířenější drahou je tzv. β-oxidace (štěpení po každém druhém uhlíku), ale známe např. i α-oxidace, která probíhá v semenech některých rostlin.

    β-oxidace (také nazývaná Lynnenova spirála podle svého objevitele) je cyklický proces, při kterém jsou mastné kyseliny (vázané na koenzym A) postupně zkracovány po dvouuhlíkatých štěpech (acetyl vázaný na přnašeč koenzym A, tj. acetylkoenzym A) až do úplného rozložení. Acetylkoenzym A poté vstupuje do citrátového cyklu, kde je oxidován až na CO2. Redukované kofaktory vstupují do dýchacího řetězce, kde jsou oxidovány.

    β-oxidace je lokalizována stejně jako další katabolické procesy na které těsně navazuje, u prokaryot v cytoplazmě (jeden enzym na cytoplazmatické membráně), u eukayot v matrix mitochondrie.

  • Téma 8 - Katabolismus dusíkatých látek

    Dusíkaté látky jsou klíčovými metabolity - aminokyseliny, bílkoviny, nukleové kyseliny.

  • Téma 9 - Úvod do anabolismu

    Glukoneogeneze, syntéza sacharidů, lipidů, MK, AK, NK, acylglycerolů, bílkovin

  • Téma 10 - Fototrofní a autotrofní metabolismus, fotosyntéza

    Fototrofie, fotosyntéza, fototrofní a chemoautotrofní bakterie

  • Téma 12 - Základní genetické pochody

    Replikace, transkripce, translace, genomika, elongace

  • Téma 13 - Regulace metabolismu

    Hormony, konstitutivní a induktivní enzymy

  • Téma 14 - Úvod do xenobiochemie

    Farmakokinetická fáze

  • Doplňkové materiály

    Doplňkové materiály a odkazy k usnadnění výuky

  • Výsledky testů

    30.6.2020

    Biochemie – NMgr (Nguyen/Trögl – maxima 100/50, na zápočet je třeba 60/30)

    Matulková Dana 60/45 splněno
    Pelikánová Monika 65/49 splněno
    Průšová Michaela 69/42 splněno
    Přibylová Kateřina 48/39 nesplněna 1. část
    Severová Barbora 60/44 splněno

    Průšová – zkoušení 2

    Biochemie – odpadové hospodářství (Trögl, min. 50)

    Perlíková Michaela 35 nesplněno

    10.7.2020

    Biochemie – OH

    Havlíčková Iveta 56 splněno

    Kylich Tomáš 69 splněno

    Perlíková Michaela 67 splněno

    Sedláčková Szilagyiová Klára 78 splněno

    Biochemie – NMg

    Severová – 1

    Matulková – 1

    Pelikánová – 1


    10.8.2020

    NMgr

    Medvěd Josef 28/28

    Poláček Martin 65/20 splněna první část

    OH

    Sedláčková Kamila 43 nespl.něno

    Fialová Veronika 76 splněno

    Dandová Krisýna 67 splněno

    Slabochová Kristýna 66 splněno

    31.8.2020

    Mariničová 71/17 splněna první část

    Poláček -/41 splněna druhá část

    Součková 32/- nesplněno.

    10.9.2020

    OH

    Kouřilová Agáta 57 splněno

    Reifová Zuzana 70 splněno

    NMgr

    Nesetová Barbora 55/32 splněna druhá část

    Medvěd Josef -/11 nesplněna druhá část

    Součková -/28 nesplněna druhá část

     

     

    14.9.2020

    NMgr.

    Součková -/33 splněna druhá část

    Mariničová -/23 nesplněna druhá část

    OH

    Novák Adam 64

    21.9.2020

    Salačová Táňa 92 splněno