2017 Mgr. Jana Rotková, Ph.D

Biochemické procesy probíhající v lidském těle

Aplikace nanotechnologií v medicíně ZS 2016/2017 Mgr. Jana Rotková, Ph.D.

OBSAH Biochemie a medicína Transportní děje (buňka) Vnitřní prostředí, homeostáza Transport dýchacích plynů Vstřebávání živin v tenkém střevě Proteosyntéza (ribosomy) Biochemie stahu svalové buňky Biochemie nervové synapse Glykolýza (cytosol) Syntéza mastných kyselin (cytosol) Močovinový cyklus (cytosol) Buněčné dýchání (vnitřní membrána mitochondrií) Citrátový cyklus (matrix mitochondrií) β – oxidace mastných kyselin (matrix mitochondrií) Močovinový cyklus (matrix mitochondrií) 14.12.2016

ANM/Biochemické procesy

2

Biochemie a medicína Definice biochemie = věda o chemických základech života (řecky bios = „život“) Cíl biochemie Popsat a pomocí molekulární terminologie vysvětlit všechny chemické procesy v živých buňkách. Znalost biochemie je nezbytná pro všechny vědy o živých organismech. genetika – biochemie nukleových kyselin Fyziologie – téměř kompletní překryv s biochemií Imunologie – využití mnoha biochemických technik Farmakologie a farmacie – většina léčiv metabolizována pomocí enzymově katalyzovaných reakcí Toxikologie – vliv jedů na biochemické reakce a procesy Patologie – biochemické přístupy při studiu zánětu, poškození buněk, nádorů Mikrobiologie – téměř výlučné použití biochemických postupů 14.12.2016


3

Biochemie a medicína NORMÁLNÍ BIOCHEMICKÉ PROCESY JSOU ZÁKLADEM ŽIVOTA biochemie nukleové kyseliny

genetické choroby

proteiny

srpkovitá anémie

lipidy

ateroskleróza

medicína

sacharidy

diabetes mellitus

Definice zdraví (dle WHO) Stav kompletní fyzické, duševní a sociální pohody, nejen absenci nemoci a nemohoucnosti. Biochemický výzkum – dopad na výživu i preventivní medicínu • optimální složení výživy – vitamíny, AMKs, MKs, minerály, voda • prevence např. aterosklerózy, onkologických onemocnění Většina (ne-li všechny) choroby mají biochemický základ! Domněnka: choroby jsou projevem odchylek ve struktuře molekul, v průběhu chemických reakcí nebo biochemických procesů. 14.12.2016


4

Hlavní příčiny onemocnění 1. Fyzikální příčiny: mechanické trauma, extrémní teplota, náhlá změna atmosférického tlaku, radiace, elektrický šok. 2. Chemické látky, včetně drog: určité toxické sloučeniny, léčiva, atd. 3. Biologické příčiny: viry, bakterie, houby, vyšší formy parazitů. 4. Nedostatek kyslíku: ztráta krevního zásobení, vyčerpání kapacity krve pro přenos kyslíku, otrava oxidačních enzymů.

5. Genetické vady: vrozené, molekulární. 6. Imunologické reakce: anafylaxe, autoimunitní onemocnění. 7. Výživová nevyváženost: nedostatek, nadbytek. 8. Endokrinní nevyváženost: hormonální nedostatek, nadbytek. Ovlivnění jedné nebo více rozhodujících chemických reakcí nebo molekul v těle. Biochemický výzkum přispívá k: a) stanovení diagnózy b) výběru léčby 14.12.2016


5

Využití biochemického výzkumu ve vztahu k chorobám Využití

Příklad

1. Objasnění základních příčin a mechanismu onemocnění.

Důkaz genetického původu cystické fibrózy.

2. Předpoklad racionální léčby onemocnění založené na bodě 1.

Dieta s nízkým obsahem fenylalaninu pro léčbu fenylketonurie.

3. Pomoc v diagnostice specifických chorob.

Využití koncentrace troponinu I nebo T v plazmě pro diagnózu infarktu myokardu.

4. Funkce diagnostického testu pro včasnou diagnózu některých chorob.

Využití stanovení thyroxinu v krvi nebo thyreotropního hormonu (TSH) v neonatální diagnostice vrozeného hypothyroidismu.

5. Pomoc při monitorování průběhu (tj. uzdravení, zhoršení, ústup nebo návrat) některých chorob.

Využití aktivity plazmatického enzymu alaninaminotransferázy (ALT) při monitorování průběhu infekční hepatitidy.

6. Pomoc při vyhodnocování odpovědi na léčbu.

Využití stanovení karcinoembryonálního antigenu (CEA) v krvi pacientů léčených na karcinom tlustého střeva.

14.12.2016


6

Transportní děje (buňka) Pohyb látek přes membránu závislý na chemické povaze látky a plazmatické membrány. PROSTÁ DIFUZE Lipofilní látky (steroidní hormony, hormony štítné žlázy) Neutrální látky s nízkou Mw (CO2, O2, v malém množství H2O) IONTOVÉ KANÁLY (= integrální proteiny) a) po směru koncentračního gradientu b) po směru elektrického gradientu PŘENAŠEČOVÉ SYSTÉMY a) aktivní = transport proti koncentračnímu gradientu (ATP-ázy) b) pasivní, pomocí přenašeče • čistě pasivní transport • sekundárně aktivní transport (např. kotransport glukózy s Na+, ledviny) SKUPINOVÁ TRANSLOKACE Změna chemické vlastnosti molekuly umožňující transport, po průchodu opačná reakce (např. transport aminokyselin pomocí γ-glutamyltransferázy). PROSTŘEDNICTVÍM VÁČKŮ Endocytóza (fagocytóza = transport pevných částic, pinocytóza = transport tukových kapének) Exocytóza

14.12.2016


7

Membránový potenciál (buňka) Rozdíl napětí mezi zevní a vnitřní membránou (u VŠECH buněk) PODSTATA • Polopropustnost membrány, nabité částice nerovnoměrně distribuovány na stranách membrány. • Výsledek rovnováhy, která se ustaví na základě koncentračního a elektrického gradientu jednotlivých iontů.

Vnitřní strana membrány je negativní. Vnější strana membrány je pozitivní. 14.12.2016

• • • • •

Kationty elektricky nuceny ke vstupu do buňky Prakticky možné pouze pro K+ (Na+ ne, díky velikosti svého hydratačního obalu) Koncentrační gradient žene K+ z buňky Aktivní transport 3 Na+ ven, 2 K+ dovnitř Na/K ATPázou (zvýšení elektronegativity o 10 mV) • Anionty odpuzovány negativním vnitřkem buňky


8

Vnitřní prostředí, homeostáza Homeostáza = dynamická stálost prostředí Rovnováha mezi příjmem a výdejem energie. Zajištění tvorby energie – nutný O2 (funkce mitochondrií). Správná funkce řídících nervových a látkových mechanismů (hormony, transmitery) PRIMÁRNÍ pro průběh dějů – zachování schopnosti proteinů měnit svoji konformaci (stálost rozsahu hodnot pH) • iontové kanály, receptory, přenašeče, enzymy Vnitřní prostředí musí mít stálé: • pH • iontové složení • osmolalitu • koncentraci významných látek (O2, živiny, regulační látky)

14.12.2016

Mechanismy: • pufrovací systémy tělních tekutin • funkce orgánů regulujících pH • funkce orgánů regulujících příjem a výdej iontů a osmot. aktiv. látek • správná funkce řídících orgánů


9

Rozdělení tělních tekutin Voda (univerzální prostředí biologických dějů) Tělní tekutina = tělní voda, ve které jsou rozpuštěny Krystaloidní látky • anorganické (elektrolyty) • organické, LMW (močovina, glukóza) Koloidní látky • bílkoviny Rozdělení tělních tekutin: Celková tělesná voda (CTV) 45 – 75% celkové hmotnosti těla Intracelulární tekutina (ICT)

Extracelulární tekutina (ECT) %CTV

%CTV

krevní plazma

tkáňový mok a lymfa

vazivo a chrupavka

kost

transcelulární tekutina

ECT (celkem) %CTV

55

7,5

20

7,5

7,5

2,5

45

14.12.2016


10

Pufrovací systémy tělesných tekutin Míra kyselosti (zásaditosti) prostředí pH = -log [H+] pH ECT = 7,4 ± 0,04 (odpovídá koncentraci protonů 40 ± 5 nmol/l) pH ICT = 7,1 ± 0,3 (odpovídá koncentraci protonů 40 – 160 nmol/l)

Udržování pH jednodušší v ECT než v ICT. Průběh regulace: CHEMICKY (pufry) Bikarbonátový systém Slabou kyselinou H2CO3, soli Na2CO3 nebo NaHCO3 H2CO3 CO2 + H2O (v plicích je CO2 vydýchán) H2CO3 HCO3- + H+ (v ledvinách je vznikající vodík vyloučen do moči) Hemoglobinový systém Oxyhemoglobin = slabá kyselina Deoxyhemoglobin – akceptorem protonů 14.12.2016

ČINNOSTÍ ORGÁNŮ (plíce, ledviny, trávicí ústrojí)

Proteinový systém Při nízkém pH mohou proteiny vázat proton, při normálním pH se z nich stávají bílkovinné anionty. Udržování pH i v ICT prostředí. Fosfátový systém Především v ICT. H2PO4H+ + HPO4-


11

Orgány regulující pH PLÍCE • odstraňují z organismu CO2 (zvyšují pH) LEDVINY Syntéza H2CO3 (karboanhydráza), vzniklý H+ je protonovou pumpou trasportován do tubulární tekutiny a vyloučen močí. Stabilní pH moči zajišťováno: • fosfátovým systémem, • vazbou H+ na amoniak (vznik z glutaminu, lipofilní, dobrý průchod membránou buněk) H+ + NH3 NH4+ (lépe rozpustný ve vodě – vyloučen močí)

TRÁVICÍ SYSTÉM • sekrece protonů v žaludku • sekrece alkalických šťáv do dvanácterníku

14.12.2016


12

Proč není myoglobin vhodný jako transportní bílkovina pro O2, ale je účinný při skladování O2?

Transport O2 ke tkáním: 1. vazbou na hemoglobin 2. rozpuštěný v krvi (jen 1,5%)

procento saturace

Vazba O2 na hemoglobin, transport dýchacích plynů

Transport CO2: • rozpuštěný v plazmě (transport cca 10% celkového množství CO2) • vázaný na hemoglobin (karbaminohemoglobin) Deoxygenovaný hemoglobin váže větší množství CO2. (arteriální krev transportuje cca 5% CO2, venózní 20 -30% • ve formě HCO3Jako součást bikarbonátového pufrovacího systému, tvoří až 90% přenosu. 14.12.2016


13

Výměna plynů ve tkáních VNITŘNÍ DÝCHÁNÍ

Kapilára • tlakový gradient O2, • tlakový gradient CO2 má opačnou tendenci změny než kyslíkový.

Jednotlivé tkáně jsou rozdílně metabolicky aktivní variabilita tkáňového pO2 značná (0,1 – 12 kPa)

14.12.2016


14

Bohrův efekt Bohrův efekt = reciproční spřažení vazby protonu a O2

• umožněn vlastnostmi tetramerního hemoglobinu • závisí na interakci jednotlivých hemů mezi sebou. Myoglobin nevykazuje Bohrův efekt!

14.12.2016


15

Vstřebávání živin v tenkém střevě TRÁVENÍ A RESORPCE LIPIDŮ lumen střeva

14.12.2016

střevní epitel


lymfatické cévy

16

Vstřebávání živin v tenkém střevě TRÁVENÍ A RESORPCE PROTEINŮ

Velmi málo vazeb v bílkovinách je přístupných proteolytickým enzymům. Nutná denaturace proteinů ve stravě (tepelná úprava při vaření a žaludeční kyselina). Proteolytické trávicí enzymy 1. Endopeptidasy (hydrolýza peptidové vazby mezi AMKs podél celé molekuly proteinu) Jako první napadají a štěpí bílkoviny na věrěí množství menších fragmentů. Řadíme sem: pepsin (žaludeční šťáva), trypsin, chymotrypsin a elastasa (slinivka břišní) 2. Exopeptidasy (katalyzují hydrolýzu peptidových vazeb jednu po druhé z peptidových konců) Řadíme sem: karboxypeptidázy (pankreatická šťáva), aminopeptidázy (bb. střevní sliznice), di- a tri-peptidasy (kartáčový lem bb. střevní sliznice)

Proteázy sekretovány jako zymogeny = neaktivní formy proteas (jejich aktivní místo zakryto malou oblastí peptidového řetězce, odstraněn hydrolýzou – aktivace) 14.12.2016


17

Vstřebávání živin v tenkém střevě TRÁVENÍ A RESORPCE SACHARIDŮ Glykemický index Vzestup koncentrace glukosy v krvi po podání určitého množství sacharidů v poměru ke zvýšení glykémie po podání ekvivalentního množství glukosy. Potrava s nižším glykemickým indexem prospěšnější (menší výkyvy v sekreci insulinu). Amylasa • hydrolýza škrobu za vzniku dextrinů; postupně vznik směsi glukosy, maltosy a maltotriosy a malých větvených dextrinů • produkce ve slinách a pankreatické šťávě Disacharidasy (maltasa, sacharasa-isomaltasa, laktasa, trehalasa) Výskyt v kartáčovém lemu bb. střevní sliznice, kde jsou vzniklé monosacharidy vstřebávány. 14.12.2016


18

Vstřebávání živin v tenkém střevě TRÁVENÍ A VSTŘEBÁVÁNÍ VITAMINŮ A MINERÁLŮ Dostupnost vitamínů a minerálů dle typu potravy.

Vitaminy rozpustné v tucích (A, D, E, K) • absorbovány do tukových micel při trávení tuků Vitaminy rozpustné ve vodě a minerální soli • aktivní transport • usnadněná difuze zprostředkovaná přenašeči Resorpce vitaminu B12 Resorpce vápníku • nutná přítomnost specifického transportního • závislá na vitaminu D (udržení homeostázy proteinu (tzv. intrinsický faktor) Ca2+, vstřebávání Ca2+ ve střevě) • vitamin B12 se vstřebává v tenkém střevě přes • Vitamin D vyvolává syntézu kalbindinu (IC receptory vážící komplex protein vázající Ca2+) vitamin B12-intrinsický faktor. Intrinsický faktor Malý glykoprotein sekretovaný bb. žaludeční sliznice.

14.12.2016


19

Vstřebávání živin v tenkém střevě RESORPCE ŽELEZA

Vstřebávání železa je přísně regulováno. • anorganické železo transportováno do mukózních bb. přenašečem bivalentních iontů kovu – v bb. ukládán ve vazbě na ferritin. • anorganické železo vstřebáváno v redukované formě (Fe2+) • přítomnost redukujících látek (vitamin C nejefektivnější) zvyšuje resorpci. • hemové železo z masa je vstřebáváno zvlášť a je dostupnější než anorg. železo • resorpce železa (obojího) snížena v přítomnosti Ca2+! • uvolnění železa z mukózních bb. pomocí transportního proteinu ferroportinu (jen v přítomnosti volného transferinu v krevní plazmě) • vstřebává se jen 10% železa v potravě, u rostlinné stravy jen 1 – 5% 14.12.2016


20

Proteosyntéza (ribosomy) Pro translaci je zapotřebí: • mRNA • tRNA (z cytoplazmy) • enzymy Přediniciační proces • aktivace AKs (využití energie z ATP), poté připojeny enzymy aminoacyl-tRNA-syntetázami na 3’OH konec své tRNA Iniciace • iniciační tRNA (zvláštní tRNA přenášející AK Methionin: Met-tRNAiMet); • GTP (potřebný zdroj energie); • eIF2 do komplexu – navázán na malou podjednotku ribosomu, poté připojení mRNA, posun od 5’ konce po malé jednotce ribosomu po první triplet AUG (triplet pro Met) → dojde k otevření čtecího rámce • připojení větší podjednotky ribosomu – vznik kompletního ribosomu Elongace Specifický sled nukleosidů na t-RNA = antikodon, specificky sled (triplet) nukleosidů na m-RNA = kodon. Tvorba peptidové vazby mezi AKs vázaných na tRNA – prodlužování peptidového řetězce. Terminace stop-kodon = terminační kodon (UAA, UAG, UGA) nalezený na molekule mRNA; následuje bílkovinný faktor (RF) - uvolnění hotového polypeptidu z ribosomálního komplexu. .

14.12.2016


21

Biochemie stahu svalové buňky (aktin, myozin) Svalová hmota tvořena 75% vodou, 20% proteiny (2 hlavní: aktin a myosin) Tlusté filamentum (myozin) Vláknitý konec složený ze dvou vzájemně ovinutých šroubovic, z nichž každá má na konci propojenou globulární hlavičku.

14.12.2016

Tenké filamentum (aktin) G-aktin v přítomnosti Mg2+ polymerizuje nekovalentně za vzniku vlákna F-aktinu.


22

Biochemie stahu svalové buňky SPOJENÍ A DISOCIACE AKTINU A MYOSINU Svalová kontrakce spočívá v cyklickém připojování a odpojování hlavičky myosinu k aktinovým filamentům. Hlavní biochemické děje při jednom cyklu svalové kontrakce a relaxace 1. Myosinová hlavička S-1 hydrolyzuje ATP na ADP a Pi, které zůstávají vázané. 2. Stimulace kontrakce svalu – aktin se stává přístupným, vazba S-1 hlavičky myosinu za tvorby komplexu aktin-myosin-ADP-Pi 3. Uvolnění Pi (podporuje ho tvorba komplexu aktin-myosin-ADP-Pi) – iniciace silového tahu. Následuje uvolnění ADP – velké konformační změny v hlavičce myosinu – aktin posunut o 10nm směrem ke středu sarkomery.

4. Vazba další molekuly ATP k hlavičce S-1, vznik komplexu aktin-myosin-ATP. 5. Uvolnění aktinu z vytvořeného komplexu. 14.12.2016


23

Biochemie nervové synapse SYNAPSE funkční kontakt mezi membránami 2 buněk, který slouží k přenosu nervových vzruchů • synaptická štěrbina cca 20 nm • signál elektrický se mění na signál chemický Presynaptický útvar = vakovité rozšíření axonu (zde se hromadí váčky s neurotransmitery) vzruch otvírá vápníkové kanály - vápník v buňce aktivuje přenos váčků a vylití neurotransmiterů do synaptické štěrbiny Postsynaptický útvar neurotransmiter se váže na receptory postsynaptické membrány → permeabilita postsynaptcké membrány pro Na+ - dochází k depolarizaci membrány (čím více neurotransmiteru se uvolní, tím větší je depolarizace) neurotransmitery (otevírají kanály postsynaptické membrány) • excitační - acetylcholin, noradrenalin • inhibiční - kyselina gama-aminomáselná (= GABA, vyvolá hyperpolarizaci – útlum) 14.12.2016


24

Knihy, zdroje Kodíček, M.; Valentová, O.; Hynek, R. Biochemie: chemický pohled na biologický svět, 1st ed.; VŠCHT Praha: Praha, 2015. Voet, D.; Voet, J. G. Biochemistry, 4th ed.; John Wiley & Sons Inc.: Hoboken, NJ, 2011. Vodrážka, Z.; et al. Biochemie; Academia: Praha, 2007. Murray, R. K.; et al. Harperova ilustrovaná biochemie, Galén, 2012. ISBN 978-80-7262-907-7. Campbell, M. K.; Farrell, S. O. Biochemistry, 8th edition; Cengage Learning, 2015, ISBN-13: 978-1-285-42910-6 Mysliveček, J.; Trojan, S. Fyziologie do kapsy; TRITON: Praha, 2004. ISBN 80-7254-497-7. Čegan, A.; Korecká, L. Biochemie pro bakalářské studium chemie a technické chemie. Skripta. Univerzita Pardubice, Fakulta chemicko-technologická, 2008. Odkazy na obrázky http://cdn.biologydiscussion.com/wp-content/uploads/2013/08/26.jpg https://www.tes.com/lessons/zMaG-i_CdPxTNg/neurons-and-synapses http://slideplayer.cz/slide/4073900/ http://slideplayer.cz/slide/4069818/ https://goo.gl/images/xK1CaY https://goo.gl/images/3cmQWG 14.12.2016


25

2017 Mgr. Jana Rotková, Ph.D

Recommend Documents