Biologie a genetika
pro bakaláře

Chemické složení bioplazmy

Prvky

Stejné chemické složení je sice jednou z obecných vlastností všech typů buněk, ale chemické prvky jsou součástí i neživé přírody. Některé prvky se nacházejí v živých organizmech častěji než v jejich neživém okolí. Prvky, které se vyskytují v živých organizmech, se nazývají biogenní a dělí se na makrobiogenní (makroprvky, makroelementy) a mikrobiogenní.

MAKROBIOGENNÍ PRVKY zahrnují C, H, O, N, S, P, K, Na, Cl, Ca, Mg a Fe. Mezi nejdůležitější makrobiogenní prvky se řadí C, H, O, N, S a P. Tyto prvky jsou obsaženy v informačních makromolekulách (nukleových kyselinách a proteinech) a představují až 95 % celkové hmotnosti živých organizmů. Uhlík patří mezi nejtypičtější prvky živých organizmů. Primárním zdrojem veškerého uhlíku je pro živou přírodu oxid uhličitý. Vodík a kyslík jsou vázány v molekulách vody, která je podstatnou složkou každé buňky. Dusík je součástí všech nukleových kyselin a proteinů. Síra je součástí některých aminokyselin a fosfor je přítomen jak v nukleových kyselinách, tak ve sloučeninách, které se účastní energetických přeměn v buňce (adenosintrifosfát, ATP). Vápník a hořčík umožňují činnost mnoha enzymů. Vápník také funguje jako druhý posel v buněčné signalizaci a uplatňuje se při svalovém stahu.

MIKROBIOGENNÍ PRVKY (OLIGOBIOGENNÍ, MIKROELEMENTY, STOPOVÉ PRVKY) zahrnují především těžké kovy a dále některé další prvky (Cu, Mn, Co, Br, Se, I, F, B, Si, Li, Ba, Zn atd.), tvoří asi 0,1 % celkové hmotnosti živých organizmů. Větší množství těžkých kovů se může v živých organizmech hromadit (kumulovat) nebo může mít přímo toxický účinek.

PŘÍPRAVA MIKROSKOPU K MIKROSKOPOVÁNÍ znamená umístění mikroskopu tak, aby nosič tubusu byl od pozorovatele odvrácen a volná strana mikroskopického stolku směřovala k němu. Mikroskop musí být snadno v dosahu, aby pozorovatel mohl pohodlně sedět. Nejlépe je psát záznamy vpravo od mikroskopu a vlevo si umístit potřeby pro přípravu preparátů (leváci naopak). Mikroskop se spouští spínačem umístěným v podstavci mikroskopu. Pokud přerušujete mikroskopování pouze na čas, mikroskop nevypínejte (opakovaným zapínáním se zkracuje životnost žárovky). Preparát se vkládá do rohu upínacího zařízení stolku a poté se uchytí svorkou. Při mikroskopování se postupuje od nejméně zvětšujících objektivů po nejvíce zvětšující, tj. 4×, 10×, 40× a 100×.
Při zvětšení 40× a vyšším je vhodné korigovat optické vady očí, protože většina lidí nemá obě oční čočky stejně dioptricky silné. Nejdříve je třeba upravit rozestup okulárů (oční rozestup) a poté se snažit pozorovat obraz oběma očima. Pozorování jen jedním okem vyvolává jeho neúměrnou zátěž a při opakovaném zatěžování zhoršuje vady oka. Rozdíl vede opět k neúměrnému zatěžování jednoho oka. Vadu je možné kompenzovat úpravou dioptrické síly levého okuláru takto: zavřete levé oko a obraz dokonale zaostřete mikrošroubem při pozorování pravým okem v pravém okuláru, zakryjte si pravé oko a pozorujte obraz levým okem v levém okuláru. Pokud není obraz dokonale ostrý, zaostřete objekt pomocí točítka dioptrické korekce na levém okuláru. Poté byste měli oběma očima vidět stejně ostře. Vyhledáním optimální vzdáleností očí od okulárů docílíte při troše cviku splynutí obrazu z obou okulárů a obě oči tak budete zatěžovat rovnoměrně.

Látky

Látkové složení buňky tvoří voda (70 %), proteiny (15 %), nukleové kyseliny (7 %), polysacharidy (2 %), fosfolipidy (2 %), ionty a malé molekuly (4 %).

NUKLEOVÉ KYSELINY (NK) jsou tvořeny nukleotidy, jejichž pořadí (sekvence) určuje primární strukturu NK. Nukleové kyseliny tvoří genomy živých organismů.

Složení nukleotidu: kyselina fosforečná + pentóza (ribóza či deoxyribóza) + dusíkaté báze (purinové: adenin (A), guanin (G), pyrimidinové: cytozin (C), tymin (T) a uracil (U). Dusíkaté báze se spolu spojují na základě komplementarity: A-T (A-U), C-G.

Typy NK:

• 

  Obr.: tRNA "jetelový list"

  Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je tvořena zpravidla 2 polynukleotidovými řetězci (dvouvláknová, dvouřetězcová). V ose řetězce se střídá kyselina fosforečná s cukrem (deoxyribóza), spojené esterickou vazbou. Na cukr se glykozidovou vazbou váže dusíkatá báze, která je spojena s dusíkatou bází druhého řetězce vodíkovými můstky (mezi A a T jsou 2 vodíkové můstky, mezi C a G jsou 3 vodíkové můstky). V roce 1953 popsali J. Watson a F. Crick sekundární strukturu DNA jako pravotočivou dvouřetězcovou šroubovici, jejíž řetězce probíhají antiparalelně, tzn. na jednom konci řetězce DNA je fosfátová skupina (5’ konec), zatímco na druhém je pentóza (3’ konec). Na druhém vláknu je to obráceně.
• Ribonukleová kyselina (RNA) je tvořena zpravidla 1 polynukleotidovým řetězcem (jednovláknová). Skládá se z kys. fosforečné, cukru ribózy a dusíkatých bází A, U, G, C. Existuje několik typů RNA: transferová (tRNA), ribozómová (případně ribozomální, rRNA), mediátorová (mRNA), malá interferující (siRNA), ribozymová, virová (vRNA).

Nukleové kyseliny se množí replikací (u eukaryot probíhá v jádře, mitochondriích a chloroplastech, u prokaryot v cytoplazmě) – viz přednáška. Genetická informace obsažena v DNA se přepisuje do mRNA během transkripce (u eukaryot probíhá v jádře, mitochondriích a chloroplastech, u prokaryot v cytoplazmě), na ní navazuje translace (syntéza proteinů).

Funkce:

• Uchování genetické informace
• Ovlivnění činnosti buňky a celého organismu (prostřednictvím syntézy proteinů)

VODA tvoří u většiny živých organizmů 60 – 90 % jejich hmotnosti. Málo vody obsahují jen některé spory a semena jako adaptaci pro přetrvání v nepříznivých podmínkách. Voda byla nezbytným prostředím při vzniku života na Zemi a dodnes je podmínkou života. Životně důležité chemické reakce probíhají pouze ve vodných roztocích. Molekuly a ionty rozpuštěné ve vodě mohou prostupovat buněčnými povrchy. Voda má funkci rozpouštědla, pomáhá udržovat konstantní teplotu a udržuje stálost vnitřního prostředí – má význam pro osmotické děje v buňkách a udržování acidobazické rovnováhy.

PROTEINY jsou složeny z aminokyselin (AK).

Obr.: Obecný vzorec aminokyseliny: (NH₂ – aminová skupina, COOH – karboxylová skupina, R – postranní řetězec).

Dnes existuje 22 aminokyselin (ke 20 běžnějším patří ještě selenocystein a pyrolysin), které se značí třípísmenným nebo jednopísmenným kódem: např. alanin (Ala, A), glycin (Gly, G), valin (Val, V), leucin (Leu, L). Aminokyseliny (AK, případně AA – amino acids) se spojují kovalentní peptidovou vazbou (spojuje se aminová skupina jedné AK s karboxylovou skupinou druhé AK), čímž vzniká peptidový řetězec, který má N konec (aminový, zakončen NH2 skupinou) a C konec (karboxylový, zakončen COOH skupinou). Běžný proteiny (bílkovina) je tvořena až 300 AK. Proteiny vznikají během genové exprese při translaci (překlad genetické informace z mRNA do pořadí aminokyselin) na ribozomech, které jsou vázané na drsné endoplasmatické retikulum (eukaryota) nebo volně v cytoplazmě (prokaryota) – viz přednáška. U proteinů rozlišujeme tyto struktury (konformace): primární – je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci, zapisuje se od N-konce k C-konci proteinu (první určení primární struktury provedl v roce 1953 Frederick Sanger), sekundární - prostorové uspořádání polypeptidového řetězce, např. alfa šroubovice (alfa-helix), struktura skládaného listu (beta-sheet), terciární – trojrozměrné uspořádání celého peptidového řetězce, kvarterní – uspořádání podjednotek v proteinových aglomerátech, tvořících jednu funkční bílkovinu např. fibrily kolagenu.

Funkce:

• Stavební (strukturní): jsou součástí buněčných struktur, cytoskeletu, chromozomů a ribozomů (proteiny + NK), biomembrán (proteiny + fosfolipidy), buněčné stěny a extracelulární matrix (proteiny + polysacharidy).
• Enzymatická: urychlují chemické reakce (snižují aktivační energii chemických reakcí).
• Informační: podílí se na buněčné signalizaci (signály, receptory).

SACHARIDY jsou složeny z monosacharidů s obecným vzorcem (CH₂O)_n. Monosacharidy se spojují kovalentními glykozidovými vazbami za vzniku disacharidů, oligosacharidů (trisacharidy, tetrasacharidy atd.) až polysacharidů (tisíce jednotek).

Funkce:

• Energetický zdroj: glukóza, glykogen (živočichové), škrob (rostliny).
• Mechanická podpora: celulóza (rostliny), chitin (kostra hmyzu, buněčná stěna hub), glykolipidy, glykoproteiny (složka slizů, hlenu, chrupavek, buněčné membrány).

LIPIDY jsou tvořeny mastnými kyselinami a glycerolem.

Funkce:

• Stavební: fosfolipidy - součást buněčných membrán.
• Energetický zdroj: tukové kapénky.
• Signalizace: steroidní hormony.
• Metabolismus vitamínů: vitamíny (A, D, E, K) jsou rozpustné v tucích.

ÚKOLY - Chemické složení bioplazmy (viz úkoly)

Tyto výukové materiály byly spolufinancovány Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.