Prednaska 1_2015 - Katedra organické chemie

Transkript

Bioorganická chemie
OCH/BIOR1
ZS 2015/2016
Přednáška 1 – Úvod do předmětu
RNDr. Lucie Brulíková, Ph.D.
[email protected]
1
Sylabus předmětu
1. hodina - Úvod
Opakování základů molekulární biologie – prokaryotická a eukaryotická buňka,
buněčný cyklus. Základní přehled interakcí v živých systémech, mezimolekulární a
elektrostatické interakce, induktivní, disperzní síly, donor-akceptorové interakce,
vodíkové vazby, koordinační reakce, samoorganizace, samoskladba. Význam při
tvorbě a deformaci struktur biomolekul.
2. hodina - Bioorganické reakce v živých systémech
Shrnutí základních molekulárních procesů, typy reakcí v živých organizmech –
ukázka na Calvinově cyklu a porovnání s přístupy v organické chemii (tvorba C-C
vazeb, reakce aldolového typu, syntéza aromatických sloučenin, oxidace/redukce,
esterifikace, dekarboxylace, fosforylace…).
2
Sylabus předmětu
3.-4. hodina - Metabolismu nukleových kyselin.
Cíle molekulárního zásahu do přirozeného metabolismu NK. Interkalace – princip,
typy molekul způsobujících interkalaci, vliv na strukturu DNA, využití. Cross-linking
– princip, typy molekul způsobujících CL, využití. Štěpení nukleových kyselin –
princip, typy molekul způsobujících štěpení NK, využití. Interakce malých molekul
s NK. Principy značení nukleových kyselin, chemické reakce využívané
v diagnostice.
3
Sylabus předmětu
5.-6. hodina - Metabolismu proteinů.
Porovnání biosyntézy a syntézy proteinů. Molekulární zásah do metabolismu
aminokyselin a proteinů. Interakce vedoucí ke změně struktury proteinů.
Fungování aktivních látek na bázi peptidomimetik, cyklických peptidů a
nepřírodních aminokyselin. Principy značení proteinů, chemické reakce vedoucí
ke konjugátům, mechanismus jejich účinku. Využití enzymů v organické syntéze,
enzymové inženýrství. Látky inhibující enzymové reakce – syntéza a
mechanismus účinku významných inhibitorů proteosyntézy, nukleosyntézy,
strategie syntézy analog koenzymů.
4
Sylabus předmětu
7.-8. hodina - Metabolismu cukrů.
Molekulární zásah do metabolismu cukrů – využití v terapii. Tvorba konjugátů –
význam v metabolismu xenobiotik.
Významné oligosacharidy, polysacharidy, cyklodextriny – stavba, principy
fungování v oblasti experimentální medicíny.
5
Sylabus předmětu
9.-10. hodina - Metabolismu lipidů.
Molekulární zásah do metabolismu lipidů – využití v terapii, liposomy a
imunoliposomy – molekulární stavba, principy fungování v oblasti experimentální
medicíny. Látky působící na buněčnou membránu, buněčný transport – biosyntéza
buněčné membrány, molekulární podstata buněčného transportu, látky ovlivňující
buněčný transport – mechanismus tvorby kanálků (amfotericin), organické
sloučeniny jako nosiče (kryptandy, crown-ethery, apod.), látky narušující strukturu
a funkci buněčné membrány.
6
Sylabus předmětu
11.-12. hodina - Molekulární zařízení, supramolekulární chemie, nanočástice.
Význam supramolekulární chemie ve výzkumu léčiv – příprava, struktura a funkce
cyklodextrinů, fullerenů, calixarenů, supramolekulární chemie dendrimerů a jejich
využití v medicíně. Fotochemické senzory, molecular beacons, fluorescentní
značky, katechany a rotaxany, supramolekulární systémy. Molekulární dráty,
pinzety – principy fungování a možnosti využití. Modifikované nanočástice,
chemické metody přípravy, stabilita, biodegradace, interakce s biomolekulami,
využití nančástic v cíleném transportu.
7
Bioorganická chemie je spojena se
studiem organických molekul v
buněčných systémech a zkoumáním
reakcí, které v nich probíhají.
8
Něco málo z buněčné biologie …
Prokaryotická buňka
 charakteristický typ pro bakterie a archea
 o řád menší než buňka eukaryotická, vyznačuje se také jednodušší organizací
 vždy jednobuněčné organismy, netvoří tedy tkáně
https://cs.wikipedia.org/wiki/Prokaryotick%C3%A1_bu%C5%88ka
9
 tři klíčové charakteristiky prokaryotických buněk:
 organizace nukleoidu (bakteriální obdoby jádra) — nukleoid není oddělen
od okolní cytoplazmy membránou, skládá se jen z jedné velké molekuly DNA,
na níž nejsou histony ani jiné bazické bílkoviny, je haploidní
 nepřítomnost organel — v prokaryotické buňce nejsou mitochondrie,
plastidy, endoplazmatické retikulum ani jiná organela s membránou
 vlastnosti ribozomů — ribozomy prokaryot se od eukaryot liší svou
hmotností i velikostí
10
Eukaryotická buňka
1 – jadérko; 2 – jádro; 3- ribozom; 4 – vezikul; 5 - drsné endoplazmatické retikulum;
6 - Golgiho aparát; 7 – cytoskelet; 8 - hladké endoplazmatické retikulum;
11
9 – mitochondrie; 10 – vakuola; 11 – cytosol; 12 – lysozom; 13 - centriola
Eukaryotická buňka
12
13
Eukaryotická buňka – plazmatická membrána
 Plazmatická membrána odděluje vnitřní prostředí buňky od okolí.
 Jejím základem je dvojvrstva molekul, které jsou na jednom konci hydrofobní
a na druhém hydrofilní.
 Hydrofilní konce se tak natáčejí směrem do vodného roztoku jak uvnitř, tak vně
buňky.
 Hydrofobní konce se natáčejí k sobě navzájem.
 Podobnou dvojvrstvu můžeme pozorovat například u mýdlové bubliny, kdy
hydrofilní konce snižují povrchové napětí tenké kulové vrstvy vody a hydrofobní
jsou orientovány na jedné straně do nitra a na druhé vně z bubliny.
 Oddělené prostory jsou jistě důležité v případě, kdy dochází k soupeření
o zdroje.
14
Zdroj: Encyclopaedia Britannica.
15
16
Eukaryotická buňka – mitochondrie
 Jsou „malé elektrárny“ buňky, obsahující energetické systémy, které produkují
energii uloženou do makroergních vazeb ve formě ATP, vznikající oxidací živin
molekulárním kyslíkem.
 Buňka jich obsahuje několik set až tisíc ve velikosti řádově v µm.
 Tvoří je dvě fosfolipidové membrány - vnější a vnitřní
 Vnější fosfolipidová membrána – pórovitá, propustná pro většinu látek
s molekulovou hmotností nepřesahující cca 5000Da, obsahuje Tom komplex,
který přenáší proteiny z cytoplasmy do intermembránového prostoru; obsahuje
enzymy, které jsou součástí metabolismu mastných kyselin a fosfolipidů
 Vnitřní fosfolipidová membrána – velká zvlněna plocha (kristy); propouští
molekuly selektivně, ionty nedifundují, obsahuje kardiolipin (z fosfátové hlavy
vychází 4 mastné kys.); enzymy dýchacího řetězce, včetně ATP syntézy a ANT
(vynáší ATP ven do buňky); obsahuje Tim komplex, který umožňuje přenos
bílkovin
17
 Uvnitř mitochondrie – matrix – obsahuje enzymy Krebsova cyklu, různé
nukleotidové koenzymy, anorganické ionty, mitochondriální DNA, příslušnou RNA
a mitochondriální ribozomy.
 mezimembránový prostor, kde je cytochrom c a různé kinázy
 Na mitochondriích probíhají různé enzymatické procesy:
 buněčné dýchání (vyjma glykolýzy) - rozklad různých organických látek, čímž
se získává energie potřebná pro syntézu adenosintrifosfátu (ATP) z ADP.
 Výchozí látkou jsou zejména pyruvát a mastné kyseliny, obě látky
v mitochondriální matrix prochází reakcemi, při nichž vzniká acetylkoenzy A
(pyruvát prochází dekarboxylací, mastné kyseliny beta-oxidací.
 Acetylkoenzym A následně vstupuje do Krebsova cyklu, což je série reakcí,
které umožňují redukci koenzymů NAD+ na NADH a FAD na FADH2.
18
 Elektrony z těchto koenzymů jsou
předávány do dýchacího řetězce, jenž je
umístěn na vnitřní membráně
mitochondrie.
 Dýchací řetězec přenáší do
mezimembránového prostoru vodíkové
kationty (H+, čímž vzniká v prostoru
mezi membránami kyselé pH.
 Toto pH má tendenci se vyrovnávat, a
tak prochází otvorem v enzymu ATP
syntáze zpět dovnitř buňky.
 Průchodem H+ však tento enzym
vytváří ATP, jež je kýženým produktem
celého sledu reakcí.
Figure 1-13a Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
19
Eukaryotická buňka – Mitochondrie
20
Eukaryotická buňka – Mitochondrie
Figure 1-33 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
21
Eukaryotická buňka – jádro
22
 organela eukaryotických buněk, v níž je uložena většina genetického materiálu
(DNA) buňky.
 Je to vlastně váček obalený dvěma buněčnými membránami, který má v
průměru 5–10 mikrometrů.
 Uvnitř se nachází chromatin - DNA a různé přidružené bílkoviny, ale i další
struktury (např. jadérko), kde probíhají různé enzymatické procesy související s
DNA a RNA.
 Jádro se vyskytuje v buňkách všech eukaryot (s několika drobnými výjimkami
– např. lidská červená krvinka), tedy u všech rostlin, živočichů, hub nebo např. u
prvoků.
 Někdy jich je dokonce v buňce více než jedno.
 O způsobu vzniku jádra existuje několik hypotéz a stále v tom není jasno.
 Mimo to, že jádro obsahuje DNA, má důležitou roli jako bariéra mezi místem
transkripce (přepis DNA do RNA) a translace (z RNA do bílkovin).
23
 Jádro je ohraničeno dvojitým jaderným obalem („jadernou membránou“), v
němž se nacházejí póry tvořené speciálními bílkovinami, které mají usnadnit a
řídit transport specifických makromolekul, např. RNA.
 Z důvodu transportu mRNA k ribozómům a posttranslační úpravy bílkovin je
jádro napojeno na drsné endoplazmatické retikulum.
 Obal jádra sestává ze dvou membrán a vrstvy mezi nimi: vnitřní membrána (na
kterou se váže chromatin) a vnější membrána připomíná membránu hrubého ER
a stejně jako ona nese navázané ribozomy.
 Mezimembránový prostor
 V jaderné membráně se nachází tzv. jaderné póry, které umožňují transport
látek přes membránu.
 Většinu vnitřního prostoru jádra vyplňuje tzv. chromatin, tedy vlastně DNA a
asociované bílkoviny (jako jsou třeba histony).
24
Eukaryotická buňka – chromozomy
 Jaderná DNA je tvořena několika lineárními řetězci, které se označují jako
chromozomy.
 Zdravý člověk má v každé tělní buňce 46 takových lineárních molekul, jejichž
celková délka je asi jeden metr.
 Nejedná se však obvykle o náhodný spletenec, nýbrž o vysoce organizovaný
komplex DNA a bílkovin.
 Na nejnižší úrovni vznikají z DNA a histonů tzv. nukleozomy, na vyšších
úrovních nacházíme další typy organizace DNA.
 Kódující části chromatinu se nazývají euchromatin a bývají poněkud volněji
smotané než heterochromatin, který tvoří nekódující DNA.
25
 Jednotlivé chromozomy jsou obvykle pozorovány v M-fázi (při mitóze), kdy se
buňka připravuje na dělení a jednotlivé chromozomy získávají svůj typický
tvar (dvě chromatidy spojené v centromeře).
 V této době totiž je DNA tak hustě kondenzována, že jsou chromozomy
viditelné i pod světelným mikroskopem.
 Většinu doby jsou však buňky v interfázi (období mezi děleními), kdy se
chromozomy naopak rozmotávají, aby mohly být správně využívány pro
běžnou činnost buňky.
 Je však zajímavé, že i v této době si udržují chromozomy svůj „prostor“ a
příliš se navzájem nesplétají.
 Každá taková „komůrka“ se označuje
chromozomální teritorium.
26
27
28
Eukaryotická buňka – ribozomy
 Jsou granulární organely o velikosti v průměru 20 nm, které jsou důležitým
místem proteosyntézy.
 Tento proces v nich probíhá, když jsou napojeny a posunují se po mRNA, která
je „předpisem“ pro tento děj.
 Je-li jich napojeno více na jednom vlákně, vznikají tzv. polyribozomy nebo-li
polyzomy.
29
A ribosome at work.
The diagram shows how a ribosome moves along
an mRNA molecule, capturing tRNA molecules
that match the codons in the mRNA and using
them to join amino acids into a protein chain. The
mRNA specifies the sequence of amino acids.
Figure 1-10a Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
30
 ukázka bakteriálního ribozomu
The threedimensional
structure of a bacterial ribosome (pale
green and blue), moving
along an mRNA molecule (orange beads),
with three tRNA molecules
(yellow, green, and pink) at different
stages in their process of capture and
release. The ribosome is a giant assembly
of more than 50 individual
protein and RNA molecules. (B, courtesy
of Joachim Frank, Yanhong Li and
Rajendra Agarwal.)
Figure 1-10b Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008)
31
32
Buněčný cyklus
33
Buněčný cyklus
..\KBCH\Videa\Cell Division and the Cell Cycle.mp4
Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.3-plant_cell_division.mov
Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.4-animal_cell_division.mov34
Buněčný cyklus
G2-fáze - 2. přípravná
- závislá na dokončení replikace DNA v S fázi
-Jedná se o 2. generační fázi (premitotickou), při níž dochází ke
zvýšené syntéze a aktivaci proteinů (ke kondenzaci chromozomů,
ke tvorbě mitotického aparátu a destrukci jaderného obalu), končí
zahájením mitózy
 Mitóza
- jaderné dělení, poslední etapa buněčného cyklu
- chromozomy reduplikované do konce S fáze jsou ohraničeny,
sesterské chromatidy odděleny a přemístěny k protilehlým pólům
buňky (vlastní mitóza)
- dceřiné buňky obdrží 2 kompletní sady chromosomů a shodnou
výbavu cytoplazmatických organel
35
Buněčný cyklus - základní stadia
mitotického dělení u živočišných buněk
 Profáze - počáteční stádium mitózy, dochází ke kondenzaci
chromatinu, zaniká jadérko – místo, kde během interfáze dochází k
mohutné transkripci ribozomální RNA, vzniká dělící vřeténko. Každý
chromozom se nyní skládá ze dvou identických molekul DNA
(chromatid) spojených v místě centromery.
 Prometafáze - zaniká jaderná membrána a kondenzované
chromozomy se nyní nacházejí v cytoplazmě, zápětí přicházejí
chromozomy do kontaktu s mikrotubuly dělícího vřeténka, na něž se
svými kinetochory připojí. Za pomoci molekulárních motorů začínají
chromozomy postupovat směrem k ekvatoriální rovině buňky
 Metafáze – chromosomy se přesunují ke středu vřeténka do tzv.
ekvatoriální roviny. Pohyb chromozomů po mikrotubulech dělícího
vřeténka je zprotředkován kinetochory, proteinovými komplexy
nacházejícími se v oblasti centromery každého z chromozomů.
36
Anafáze – sesterské chromatidy se od sebe oddělí po
mikrotubulech dělícího vřeténka k opačným pólům, zároveň se od
sebe tyto póly (zpravidla tvořené centrozomy) vzdalují, jak se vůči
sobě posouvají polární mikrotubuly z opačných pólů vřeténka
 Telofáze – chromatidy se přesunou k opačným pólům vřeténka,
kde dekondenzují, výsledkem je vznik dvou dceřiných buněčných
jader a oddělení cytoplazmy, dochází k obnově jadérka, chromatinu a
jaderného obalu. V ekvatoriální rovině se zatím tvoří konstrikční rýha
pro rozdělení cytoplasmy a organel.
37
 Cytokineze - dochází k postupnému zaškrcení rýhy mezi 2
dceřinými buňkami, proběhne rekonstrukce buněčného jádra a
cytoplazmy obou buněk do interfázové podoby, je rekonstruován i
jaderný obal a napojení jeho zevní membrány na ER, chromosomy
jsou ve svých euchromatinových úsecích rozvolněny a využity k
transkripci, jadérko je obnoveno a tím jsou zahájeny procesy G1 fáze
..\KBCH\Videa\Mitosis.mp4
38
39
Buněčný cyklus - tubulin a mikrotubuly
Mikrotubuly
 jsou jedny z vláken cytoskeletu, která slouží především k transportu
různých struktur a látek uvnitř buňky
 umožňují pohyb chromosomů při buněčné mitóze
 dlouhé rovné válcovité struktury o průměru 180-250 Å
 mikrotubuly jsou rozloženy po celé buňce a jsou víceméně
zodpovědné za rozmístění organel
 po rozvolnění jaderné membrány v prometafázi vnikají mikrotubuly do
prostoru jádra a prostřednictvím motorických proteinů (kinesin a dynein)
vážou chromosomy, které pak transportují do ekvatoriální roviny vřeténka
a k jeho pólům
Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.7-kinesin.mov
40
Mikrotubuly
Figure 17-30 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
41
Mikrotubuly
 Mikrotubuly mají dvě vazebná místa pro GTP nebo GDP a na tom, zda
v těchto místech je GDP nebo GTP, závisí jejich stabilita.
 V případě, že je tam navázáno GTP, jsou stabilnější a proces
depolymerizace je pomalejší než proces polymerizace, mikrotubuly tedy
rostou.
 V případě, že je tam navázán GDP, depolymerizace převáží a
mikrotubuly se zkracují. Samotná polymerizace tubulinu do mikrotubulů
probíhá na úkor štěpení GTP.
podél osy jsou rozloženy subjednotky proteinu – tubulinu
 uměle můžeme způsobit jejich rozpad alkaloidem kolchicinem (z
ocúnu) a stabilizovat jejich polymeraci můžeme alkaloidem taxolem
(který se získává z tisu)
 oba tyto alkaloidy inhibují mitózu!
42
Tubulin
 kyselý protein s GTPasovou aktivitou
 uspořádán do dimerových jednotek složených z α-tubulinu a βtubulinu
 každá molekula alfa i beta-tubulinu obsahuje vazebné místo pro GTP,
jehož štěpením se uvolňuje energie - vazba je silně ovlivněna Ca2+ a
Mg2+
 v jejich blízkosti jsou vazebná místa charakterizovaná vazbou
kolchicinu nebo vinca alkaloidů
 polymerizace tubulinu probíhá na úkor štěpení GTP --- GDP
 při nedostatku GTP se váže jen vzniklý GDP, vazba je výrazně slabší,
proto dochází k depolymerizaci – dynamická nestabilita
 dimery tubulinů spolu tvoří dlouhé řetězce, v nichž na sebe navazují
vždy alfa-tubulin na beta-tubulin
 nikdy se dimery na sebe nemohou navázat souhlasnými typy tubulinů
 jeden řetězec se nazývá protofilament
Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.1-MT_instability.mov
43
44
45
Schematické znázornění struktury
mikrotubulu
 Tubulinové dimery jsou seřazeny do
13 protofilament, která jsou vzájemně
posunuta o 9 nm a vytváří tak levotočivou
šroubovici.
 Nahoře
je
tzv.
plus-konec
mikrotubulu, na němž polymerace
tubulinu probíhá rychleji (vystavuje βpodjednotku tubulinu s E-vazebným
místem pro nukleotid)
 K polymeraci (přidávání) a disociaci
(odebírání) dimerů bude docházet jen na
koncích
mikrotubulu.
Ten
konec
mikrotubulu, který je zakončen betatubulinem, má schopnost růstu a proto se
nazývá plus konec. Naopak mínus konec
bude zakončen alfa-tubulinem a bude tam
docházet k disociaci.
 Mikrotubulus má průměr 25 nm.
46
Dynamická nestabilita
 Polymerace a disociace neprobíhá najednou, ale samostatně
 závisí to na existenci tzv. GTP čepičky, která je posazená na plusovém
konci mikrotubulu
 jedná se o připojené beta-tubuliny, které na sobě mají navázané GTP
 později, až odroste tato nově navázaná část blíže ke středu
mikrotubulu, tak se GTP rozštěpí na GDP a tento beta-tubulin s GDP, již
nebude patřit do GTP čepičky
 GTP způsobuje to, že mikrotubul roste rovně, GDP má tendenci se
ohýbat
 když nastane situace, že se přestanou polymerovat beta-tubuliny s
GTP do GTP čepičky, dojde k disociaci mikrotubulu na mínusovém konci
47
V rámci mitózy fungují mikrotubuly následujícím způsobem:
 po rozvolnění jaderné membrány mikrotubuly narostou od pólů buňky k
jednotlivým chromozómům, připojí se k jejich centrálním částem pomocí
motorových proteinů (kinesin a dinein) a transportují je do rovníkové oblasti
buňky
 ke každé kopii chromozómu je připojen mikrotubul z opačné strany buňky
 mikrotubuly připojené k centromerám se začnou zkracovat, motorové
proteiny po nich posouvají chromatidy každou k jinému pólu buňky
 v každé polovině dělící se buňky tak zůstane jeden kompletní set
chromozomů.
Molecular biology of the cell - interactive\videos\16.7-kinesin.mov
48
Mitotické vřeténko při metafázi:
Při metafázi se chromozómy seřadí v rovníkové oblasti dělícího vřeténka.
 Z centrozomů, které jsou umístěné na pólech vřeténka, vyrostou
mikrotubuly směrem k chromozómům a obě sesterské chromatidy každého
chromozómu se připojí k těmto mikrotubulům (zelené) prostřednictvím
svých kinetochorů.
 Kromě těchto mikrotubulů jsou v dělícím vřeténku přítomné dva další typy
mikrotubulů – polární mikrotubuly (červené), které vybíhají z obou
centrozomů a v ekvatoriální oblasti se překrývají a astrální mikrotubuly
(modré), které rostou z centrozomů směrem k okraji buňky.
 Všechny tři typy mikrotubulů mají (-) konec u centrozomů a (+) konec
směrem od centrozomů.
Molecular biology of the cell - interactive\videos\17.7-mitotic_spindle.mov
49
Mitotické vřeténko při metafázi:
50
Mitotické vřeténko při anafázi:
 Při anafázi se oddělí sesterské chromatidy a pohybují se směrem
k pólům buňky.
 Děje se tak prostřednicvím mikrotubulů připojených ke
kinetochorům.
 Tyto mikrotubuly se zkracují na svých (+) koncích a současně
motorové proteiny připojené ke kinetochorům posouvají chromatidy
podél zkracujícího se vlákna směrem k (-) konci, sesterské
chromatidy tak zůstávají připojeny ke zkracujícím se mikrotubulům.
51
Mitotické vřeténko při anafázi:
52
 v blízkosti vazebných míst pro GTP jsou vazebná místa charakterizovaná
vazbou kolchicinu nebo vinca alkaloidů
 charakteristika je náhodná , v systému přirozené polymerizace tubulinu
nehraje žádnou roli
 všechny látky, které se mohou vázat do těchto center, však silně narušují
tvorbu komplexu s GTP a bráni tak polymerizaci tubulinu
 proto dochází k jeho spontánní depolymerizaci, zastavuje se pohyb
motorických proteinů, zprotředkovaný mikrotubuly (včetně pohybu
chromosomů), a tím se zastaví i buněčná mitóza
 látky narušující polymerizaci tubulinu mají proto obecně antineoplastický
účinek a mnohé z nich se používají v terapii nádorů a malignit
hemopoietického systému
53
Buněčný cyklus - meióza
Meióza
 jaderné, resp. buněčné dělení, během kterého dochází k produkci
buněk se zredukovaným počtem chromozómů (2n → 1n)
 základní proces umožňující pohlavní rozmnožování
 počet chromozomů (resp. chromozomových sad) dceřiných jader je
redukován na polovinu původního množství
 geny dceřiných jader nemusí být kvalitativně stejné, jsou mezi ně
totiž rozděleny homologické chromozomové sady (vytvořené náhodnou
segregací homologických chromozomů) a nikoli identické kopie DNA
54
Buněčný cyklus – meióza vs mitóza
55
Buněčný cyklus
Regulace buněčného cyklu
Kontrolní uzly
 Během buněčného cyklu existuje několik kontrolních bodů, kdy buňka
zjišťuje připravenost na další fázi buněčného cyklu a pokud zjistí, že
připravena není, pak přechod zablokuje, případně zahájí apoptózu.
 Prvním kontrolním uzlem je přechod G1/S. Pokud jsou vnější podmínky
nepříznivé pro dělení a nebo existuje poškození buňky, zablokuje se
přechod z G1 do S fáze.
 Druhým kontrolním uzlem je přechod G2/M. Zde se buněčný cyklus
zastaví v případě poškození DNA. Buňky zůstanou v G2 fázi, dokud není
DNA plně replikovaná, případně pokud je jinak poškozená.
 Třetím kontrolním uzlem je přechod M/G1. Buněčný cyklus se zastaví při
přechodu z metafáze do anafáze, pokud nejsou chromozómy dokonale
připojené k dělícímu vřeténku.
56
Buněčný cyklus
57
Buněčný cyklus
 Existují dva typy molekul, které hrají zásadní roli při regulaci buněčného
cyklu - cykliny a cyklin dependentní kinázy (CDK)
 CDK jsou v buňce přítomné neustále, ale jsou neaktivní
 v přítomnosti cyklinů se aktivují a začnou fosforylovat (a tím aktivovat
nebo deaktivovat) cílové proteiny, které buňku navedou do další fáze
buněčného cyklu
 G1/S cykliny, S-cykliny, M-cykliny
 aktivací různých CDK se ovlivní různé proteiny tak, jak buňka postupuje
fázemi buněčného cyklu
 jedná se o kaskádovitý děj - po obdržení extracelulárního promitotického signálu se aktivuje G1 cyklin-CDK a připraví buňku na přechod
do S fáze. Zahájí syntézu transkripčních faktorů, které jsou nutné pro
expresi S cyklinů a enzymů potřebných pro replikaci DNA. Také způsobí
degradaci molekul, které inhibují přechod buňky do S fáze
58
Buněčný cyklus
59
Buněčný cyklus
 aktivní S cyklin-CDK fosforylují proteiny prereplikačních komplexů
a tím je jednak aktivují a jednak zabrání vzniku nových
prereplikačních komplexů
 důvodem je, aby jich bylo správné množství a celý genetický
materiál byl zkopírován právě jednou
 aktivací dalších cyklin-CDK a proteinů dojde k přechodu do G2
fáze
 během S a G2 fáze se syntetizují neaktivní mitotické cyklin-CDK, ty
se aktivují na přechodu do M fáze
60
Buněčný cyklus
61
Buněčný cyklus
62
Buněčný cyklus
Narušení cyklu buněčného dělení
nádorových buněk nebo
transformovaných buněk
hemopoetického systému je cílem
antineoplastické chemoterapie.
63
Buněčná smrt
64
Buněčná smrt
Apoptóza:
 organizovaná, programovaná, přísně regulovaná buněčná sebevražda
bez patologických důsledků pro okolní tkáň. K tomu je nutné dodání
energie. Týká se jednotlivých buněk, nezasahuje okolní buňky, nevyvolává
zánět.
 Klíčovými enzymy jsou kaspázy (proteázy štěpící jiné proteiny i sebe
samotné, jejich štěpení je signálem pro apoptózu).
 K aktivaci apoptózy dochází buď vnější cestou jako odpověď na vnější
signál nebo vnitřní cestou (iniciační signál se tvoří uvnitř buňky)
Nekróza:
 nekontrolovaná, neregulovaná smrt buněk a tkání v živém organismu z
různých příčin (fyzikální faktory, hypoxie, ischemie, toxiny, infekce, volné
radikály atd.).
 Projevuje se nabobtnáním buňky a organel, dezintegrací jádra, ztrátou
asymetrie i integrity buněčné membrány, lýzou buňky, vylitím cytosolu do
mezibuněčného prostoru.
 Postihuje skupiny buněk, celé tkáně až orgány a v daném místě spouští
zánět.
65
Molekulární interakce v biologických
systémech
66
systémech
67
systémech
Ve vodném prostředí (buňka) jsou kovalentní vazby 10-100 krát silnější
než jiné přitažlivé síly mezi atomy, avšak nejvíce se uplatňují slabé
nevazebné interakce.
Tabulka popisuje sílu těchto vazeb ve vakuu a ve vodě, tedy v
přirozeném prostředí buněk.
Table 2-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
68
Nekovalentní interakce v živých systémech
 Vodíkové vazby
 Hydrofobní interakce
Van der Waalsovy interakce
 Interakce π-π
 Elektrostatické interakce
69
- vzniká u sloučenin, které obsahují atomy vodíku kovalentně vázané
na atom o vysoké elektronegativitě (F, O, N)
70
- příklad v biologickém systému
71
 van der Waalsovy interakce
- přitažlivé nebo odpudivé interakce (síly) mezi molekulami.
- jsou slabší než kovalentní, koordinačně kovalentní síly a vodíkové
můstky
- vznikají převážně v nepolárních molekulách, které neobsahují stálé
dipóly, jejich vazby nejsou polarizované
72
 van der Waalsovy interakce
-př. Van der Waalsovy ineterakce v proteinech
73
- přitažlivé (atraktivní) nebo odpudivé nekovalentní interakce nábojů
nebo permanentních dipólů
- řídí se Coulombovým zákonem (proto též Coulombické interakce)
- jejich energie závisí na velikosti nábojů a permitivitě prostředí
- ve srovnání s ostatními nekovalentními interakcemi mají daleký dosah
- hrají významnou roli zejména při interakci nukleových kyselin, které
nesou při fysiologickém pH záporný náboj, s bazickými proteiny, ale i při
vazbě nabitých substrátů do vazebného místa enzymu či při interakcích
nabitých polárních hlavic fosfolipidů
- energeticky výhodná elektrostatická interakce nabitých skupin (např.
postranních řetězců aminokyselin Glu, Asp, Lys a Arg) s dipóly vody je
příčinou jejich hydrofilní povahy
74
- Př.: voda - zásadním způsobem ovlivňuje elektrostatické interakce.
- Dipóly se orientují v nabitým částicím a redukují tak afinitu opačně
nabitých částic.
75
 Hydrofobní interakce
- shlukováním hydrofóbních (s vodou neinteragujících) skupin se získají
nové interakce mezi molekulami vody (kapičky oleje ve vodě se spojí,
tím se zmenší jejich celkový povrch)
- podobně se chovají hydrofóbní části proteinů (aminokyseliny s
nepolárními postranními řetězci se orientují dovnitř prostorové struktury
bílkoviny)
- v DNA – metylové skupiny thyminu a 5-metyl cytosinu
76
 Interakce - 
- pí stacking ( -  stacking)
- nekovalentní interakce mezi paralelně orientovanými páry bází
- důležité síly v DNA, proteinech - interakce s jinými molekulami
(interkalátory, zbytky aromatických aminokyselin při interakcích DNAprotein)
77
 H- vazby
a)
b)
N-H/  interaction in the bovine pancreatic
trypsin inhibitor (PDB code: 4PTI)
O-H/  interaction in the complex of
glutathione transferase with glutathione
(GSH; PDB code: 6GST).
78
 kationt- interakce
Alternating cationic (Arg,
Lys) and aromatic (Tyr,
Phe, Trp) amino acid
residues shown by X-ray
crystallography (2.8 Å)
within the human growth
hormone receptor (hGHR)
extracellular domain (PDB
code: 3HHR).
79
 komplexy s ionty kovů
- př. aktivní místo alkoholdehydrogenasy
80
Complexes with metal cations
Active site of alcohol dehydrogenase
Binding site of Mg endonuclease
 Interakce v proteinech
82
Ukázka nekovalentních interakcí spojujících dvě makromolekuly.
Chemické složení buněk
84
Buňky jsou tvořeny 4 základními
stavebními kameny …
85
Sacharidy
86
Sacharidy
87
Lipidy
88
Lipidy
89
Aminokyseliny
90
Aminokyseliny
91
Nukleotidy
92
Nukleotidy
93
Buňky jsou tvořeny zejména
makromolekulami
94
Buňky jsou tvořeny zejména
makromolekulami
95
Buněčný metabolismus a enzymy
96
Buněčný metabolismus a enzymy
97
Jak buňka získá energii?
- Energie je uchovávána ve formě chemických vazeb organických molekul –
rostliny i zvířata tuto energii získávají oxidací - respirace
98
Enzymy
- Snižují energetické bariéry, které blokují chemické reakce
99
Enzymy - analogie
Figure 2-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
100
Enzymy - analogie
Figure 2-46b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
101
Enzymy
102
Přenašeče energie
- energie, která je uvolněna oxidačními procesy musí být dočasně uchována než je
využita v dalších procesech
- ve většině případů je uchovávána ve formě chemických vazeb tzv. přenašečů,
které obsahují jednu nebo více energeticky bohatých kovalentních vazeb
- př.: ATP, NADH, NADPH, acetylCoA
103
104
105
106
Příklad energeticky nepříznivé biosyntetické reakce poháněné hydrolýzou ATP.
107
Elektronové přenašeče
108
109
110
111
Přenašeče energie – využití v syntéze
112
Přenašeče energie – využití v syntéze
113
Jak buňky získávají energii z jídla
 Glykolýza
114
 Glykolýza
115
Fosfátové vazby mají rozdílné energie
116
Jak se tvoří ATP
117
 z mastných kyselin
118
 citrátový cyklus
119
 citrátový cyklus
120
Prekurzory pro syntézu dalších látek
121

Prednaska 1_2015 - Katedra organické chemie

Transkript

Podobné dokumenty

Ústav chemie - Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Buňka - Wiki Matfyz

veřejné výzkumné instituce v roce 2007 a hlavní dosažené

učební text - Protistologie

âESKÁ SPOLEâNOST PRO BIOCHEMII A MOLEKULÁRNÍ

Kapitoly z bioorganické chemie (OCH/KBCH)

VZ o činnosti za rok 2006 - Přírodovědecká fakulta UJEP

6. Hlavní cíle současného vývoje antivirotik - Biotrend

Cytogenetika-03-Struktury chromosomu

www.microcon.cz