Biologie buňky „Molecules of life“ Struktura buňky, Buněčný cyklus
proteiny, nukleové kyseliny, procesy genom, architekura ,funkce, mitoza, buněčná smrt, kmenové buňky, diferenciace
Buněčná membrána
Struktura, fce
mezibuněčné interakce
extracelulární matrix
Biologie tkání
krev
In- vitro
Principy laboratorních metod
In-vivo Speciální aplikace
Principy laboratorních metod Krev, cévní náhrady, interakce buněk s materiály
Doporučená literatura
Alberts B. and coll. , 2003, Essential cell biology, New York and London, Garland Science
1665 - Robert Hook (korek, cellulae = buňka) Cytologie - věda zabývající se studiem buňek Buňka ozákladní funkční a stavební jednotka živých organismů onejmenší známý uspořádaný dynamický otevřený systém schopný udržovat se a rozmnožovat oVelká rozmanitost (tvar, velikost, fce) oPro všechny buňky platí: Jsou ohraničené cytoplasmatickou membránou Jde o samostatnou jednotku z hlediska genetické informace a produkce/spotřeby energie
3 hlavní skupiny (buňečných) organizmů oEUKARYA (eukaryota) oBACTERIA (eubakteria, prokarya) oARCHEA (archebakteria)
Figure 1-21, 22 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
Universal features o o o o o o o o o
Dědičná informace – chemický kód - DNA Přepis genetické informace – replikace Přepis částí DNA do mediátoru – RNA, transkripce Proteiny – katalýza procesů v buňce Synteza proteinů – translace RNA Protein – fragment DNA (GEN) Potřeba Energie Základní stavební jednotky – cukry, nukleotidy, AA, lipidy CM
diversity o Horizontální přenos genetické informace, mutace, konzervativní a variabilní úseky DNA o Biochemická diversita o Zdroje energie, uhlíku (živin)
Nové geny vznikají z již existujících genů
Figure 1-37 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
Molekuly v živých systémech - polymery
Funkční úloha bílkovin
1. Funkce dynamická transport kontrola metabolismu interakce (komunikace, kontrakce) katalýza chemických přeměn 2. Funkce strukturální architektura orgánů a tkání podpůrné funkce
Proteiny – bílkoviny Hierarchická struktura
oPrimární struktura
(aminokyseliny, peptidová vazba) Sekundární struktura (nevazebné interakce, sekundární struktury) Terciární str. (folding) Kavarterní str.
o o o
AMINOKYSELINY
Kódované aminokyseliny (20): -aminokyseliny (kromě prolinu – NH2 skupina zabudována do cyklu) Amfionty – obojetné ionty Postranní řetězce - vlastnosti AA – skupiny AA (nepolární, polární… polární nabitý)
Hydrofobní aminokyseliny
Polární aminokyseliny
Kyselé aminokyseliny
Bazické aminokyseliny
Figure 3-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stereochemie aminokyselin Chirální molekuly existují ve dvou formách
Esenciální aminokyseliny • •
přísun z potravy člověk není schopen syntetisovat jejich uhlíkovou kostru Arginin* Histidin* Isoleucin Leucin Valin Lysin Methionin Threonin Phenylalanin Tryptophan
* Esenciální pouze u dětí, ne u dospělých
Chemická povaha bílkovin • • • • • • • • •
Biopolymery Stavební (strukturní) jednotky: aminokyseliny Peptidová vazba Makromolekuly o molekulové hmotnosti > 10 000 Typický protein má 200 – 300 aminokyselin (protein titin z kosterního a srdečního svalu má 26 926 AK v jednom polypeptidovém řetězci) Primární struktura je zapsána v DNA (gen) Bílkoviny jeví druhovou specifitu (sekvenční homologie). “Zákon isopolárních záměn”. Polymorfismus bílkovin ("isobílkoviny").
Peptidová vazba
Primární struktura lineární pořadí aminokyselin N-terminální část je nalevo (volná a-aminoskupina posledního levého amino-kyselinového zbytku).
C-terminální část je napravo (volná a-karboxylová skupina posledního pravého aminokyselinového zbytku).
Kovalentní struktura bílkovin (primární struktura + posttranslační modifikace) 1. Propojení řetězců kovalentními vazbami 2. Odštěpení částí řetězců 3. Úpravy postranních řetězců aminokyselin 4. Připojení mastných kyselin 5. Glykosylace 6. Fosforylace (dočasné či trvalé) 7. Připojení dalších prosthetických skupin (kofaktory enzymů...) 8. Metaloproteiny (koordinační kovalentní vazby různé síly)
>gi|307229470|ref|ZP_07515881.1| putative Cerebroside-sulfatase [Escherichia coli TA143] MQKTLMASLIGLAVCTGNAFNPVVAAETKQPNLVIIMADDLGYGDLATYGHQIVKTPNIDRLAQEGVKFTDYYAPAPLSSPSRAG LLTGRMPFRTGIRSWIPTGKDVALGRNELTIANLLKAQGYDTAMMGKLHLNAGGDRTDQPQAKDMGFDYSLVNTAGFVTDATLD NAKERPRFGMVYPTGWLRNGQPTPRSDKMSGEYVSSEVVNWLDNKKDSKPFFLYVAFTEVHSPLASPKKYLDMYSQYMSDYQ KQHPDLFYGDWADKPWRGTGEYYANISYLDAQVGKVLDKIKAMGEEDNTIVIFTSDNGPVTREARKVYELNLAGETDGLRGRK DNLWEGGIRVPAIIKYGKHLPKGMVSDTPVYGLDWMPTLANMMNFKLPTDRTFDGESLVPVLENKALKREKPLIFGIDMPFQDD PTDEWAIRDGDWKMIIDRNNKPKYLYNLKTDRFETINQIGKNPDIEKQMYGKFLKYKADIDNDSLMKARGDK PEAVTWG
Z primární struktury proteinů lze odvodit: • strukturu proteinu • mechanismus působení na molekulární úrovni • vzájemné vztahy k jiným proteinům v evoluci • studium modifikací proteinu
Proteiny – bílkoviny Hierarchická struktura Sekundární struktura • Prostorové uspořádání polypeptidového řetězce (závisí na aminokyselinovém složení) • otáčení peptidových vazeb kolem a-uhlíků • atomy peptidové vazby se účastní na vzniku vodíkových vazeb -postranní řetězce aminokyselin R se vazeb neúčastní
Figure 2-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Sekundární struktura Peptidová vazba: rigidní a planární
Ramachandran Plot
Pravotočivá šroubovice, stabilizovaná vodíkovými vazbami • 3,6 aminokyselinových zbytků na jednu otáčku, R aminokyselin jsou orientovány ven. • Všechny C=O a N-H skupiny peptidových vazeb jsou uloženy rovnoběžně s podélnou osou a-helixu. • C=O skupina vázána vodíkovou vazbou ke čtvrté N-H skupině Helikální struktura - převážně vláknité bílkoviny (keratiny), svalové proteiny aj.
Β-struktura (struktura skládaného listu) • Segmenty natažených polypeptidových řetězců. • Dva segmenty (polypeptidové řetězce) jsou stabilizovány vodíkovými vazbami mezi C=O a • N-H skupinami dvou sousedních peptidových vazeb. • Sousední polypeptidové řetězce uloženy antiparalelně nebo paralelně. • Velký počet vodíkových vazeb udržuje strukturu v nataženém stavu
Proteiny – bílkoviny Hierarchická struktura terciární struktura •Trojrozměrné uspořádání polypeptidových jednotek (doklubka nebo vlákna) • Vzájemná interakce postranních řetězců aminokyselin.
Typy nekovalentních interakcí uplatňujících se v živých systémech
Hydrofobní interakce
• Terciární uspořádání bílkoviny do domén • Každá doména má svou funkci (enzymy a katalytické centrum, otáčky transmembránových bílkovin plasmatickou membránou) • důležitá pro funkci bílkoviny – denaturace vede ke ztrátě funkce
Proteiny – bílkoviny Hierarchická struktura Kvarterní struktura • Komplex dvou a více polypeptidových řetězců • jsou dohromady spojeny nekovalentními vazbami
Figure 3-41 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Svinování (folding) - neprobíhá náhodným způsobem - probíhá postupně a) malé dočasné periodické struktury b) supersekundární struktury c) strukturní domény a "roztavená" glubule d) závěrečné úpravy za účasti enzymů
- Potřebují bílkoviny ke svinování pomocníky?
Vznik nativní struktury biopolymeru nejedná se o náhodný proces → Levinthalův paradox řetězec 100 AMK se sbalí za cca 5s pokud by byly náhodně zkoušeny všechny možné konformace rychlostí 1013 trvalo by nalezení správné konformace 10 87 s, …stáří vesmíru je jen 6. 10 17 s
...nicméně přesný model sbalování není znám .... - energetická bilance procesu
Figure 3-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Denaturace a opětovné složení
• • • •
• •
Denaturace je ztráta trojrozměrné struktury. Bílkovina ztrácí svoji funkci. Denaturace teplem zcela ruší slabé interakce (primárně narušuje vodíkové vazby). Krajní hodnoty pH mění celkový povrchový náboj, vznikají odpudivé elektrostatické síly a zanikají některé vodíkové vazby. Organická rozpouštědla a detergenty ruší hydrofóbní interakce Renaturace opětovné získání původní přirozené struktury.
Ligandové interakce
Enzym-substrát Protilátka-antigen Receptor-signál …… Figure 3-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 3-37b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Dělení bílkovin podle jejich funkce stavební a podpůrné
transportní a skladovací
pohyb ochranné a obranné regulační
katalytická
kolageny, elastin, keratiny (fibrilární) bílkoviny cytoskeletu (tubulin, vimentin, též pohyb) nukleoproteiny (histony, ribosomální bílkoviny) hemoglobin a myoglobin (O2) transferrin a ferritin (Fe) sérový albumin (mast. kyseliny, bilirubin, hem...) apolipoproteiny (lipidy, cholesterol) cytochrom c (elektrony) bílkoviny zajišťující membránový transport aktin a myosin (+další) imunoglobuliny fibrinogen hormony receptory (membránové a intracelulární) regulační bílkoviny proteosynthesy enzymy
Typy bílkovin Globulární bílkoviny • Sféroidní tvar • Variabilní molekulová váha • Relativně vysoká rozpustnost • Různé funkce – katalytické, transportní, regulační (metabolismus, genové exprese) Fibrilární bílkoviny • Tyčinkovitý tvar • Malá rozpustnost • Strukturální funkce v organismu Lipoproteiny (Komplexy protein + lipid) Glykoproteiny (Proteiny s kovalentně vázanými cukry)
STRUKTURÁLNĚ-FUNKČNÍ VZTAHY
Hemoglobin a myoglobin • Lidský hemoglobin má několik forem. • Složen ze dvou a a dvou b podjednotek, které se liší primární strukturou. • Váže čtyři molekuly kyslíku, přenáší kyslík krví z plic do tkání a buněk.
Hemoglobin a myoglobin •
Myoglobin má jeden polypeptidový řetězec, váže jednu molekulu kyslíku. • Váže a uvolňuje kyslík v cytoplasmě svalových buněk. Hemoglobin a myoglobin obsahují prostetickou skupinu hem.
Protilátky Molekula imunoglobulinu je tetramer dva řetězce těžké – H dva řetězce lehké – L Třídy imunoglobulinů: IgG IgM IgA IgD IgE
Kontraktilní svalové bílkoviny
• • • •
tlustá filamenta – myosin tenká filamenta – aktin, tropomyosin, troponin G-aktin – globulární protein, F-aktin – fibrilární protein jednou z důležitých biologických vlastností myosinu je schopnost spojovat se s aktinem za vzniku svalové kontrakce
Membránové bílkoviny • Integrální membránové proteiny • Periferní membránové proteiny • Kanály a póry
Membrána erytrocytu
a-podjednotka napěťově řízeného sodíkového kanálu
Enzymy • biokatalyzátory • každá (metabolická) reakce má svůj enzym • Ligand - substrát
