MSP Predavanje Celica1 2024 PDF

Izr. prof. dr. Karmen GODIČ TORKAR, univ. dipl. biol. ZDRAVSTVENA FAKULTETA V LJUBLJANI Kje me najdete: 1. nadstropje soba 108 Govorilne ure: ob četrtkih od 11:00 – 13:00 ure E-mail: [email protected]  Spletna učilnica v izdelavi  Geslo MSP2425 (samovpis v SU!)  Kont...

Izr. prof. dr. Karmen GODIČ TORKAR, univ. dipl. biol. ZDRAVSTVENA FAKULTETA V LJUBLJANI Kje me najdete: 1. nadstropje soba 108 Govorilne ure: ob četrtkih od 11:00 – 13:00 ure E-mail: [email protected]  Spletna učilnica v izdelavi  Geslo MSP2425 (samovpis v SU!)  Kontakti preko elektronske pošte ZF in ne na vaše osebne naslove (npr. gmail) Maili: podpisani, predstavnik letnika če gre za skupne zadeve, Sledite forumu iz SU Sestava predmeta  60 ur predavanj  30 ur laboratorijskih vaj (obvezne)  Priporočena študijska literatura  Godič Torkar K., Zore A.: Mikrobiologija s parazitologijo, Učbenik za vaje, 2019 (obvezen za vaje).  Ihan A. s sod. Medicinska bakteriologija z mikologijo in parazitologijo. Medicinska fakulteta, Ljubljana 2020.  Zorko M. Biokemija za študente fizioterapije. Višji zavod Fizioterapevtika, Ljubljana 2019  Koren S, Avšič-Županc T, Drinovec B, Marin J, Poljak M. Splošna medicinska virologija. Medicinski razgledi, Ljubljana, 2011.  Ihan, Alojz (2020 ali 2022).Osnove medicinske imunologije. Ljubljana : Medicinska fakulteta, Inštitut za mikrobiologijo in imunologijo, Katedra za mikrobiologijo in imunologijo.  Logar J. Medicinska parazitologija. Državna založba Slovenije, 2013. Predvidena snov  Uvod – osnovni pojmi, zgodovina,  Prokariontska, evkariontska celica  Presnavljanje v celicah  Skupine mikroorganizmov v okolju-  Arhebakterije: značilnosti, razlike glede na eubakterije  Bakterije: - morfološke značilnosti celice, - življenjski prostor, - razvrstitev v filogenetski sistem, - najpogostejše patogene evbakterije  Glive: razvrstitev, morfologija, prisotnost v okolju, patogenost  Virusi: morfologija, patogenost  Paraziti: razvrstitev, patogenost  Osnove imunologije  Mikrobiološka diagnostika  Kemoterapevtiki  Bolnišnična higiena in preprečevanje okužb  Sanitarna mikrobiologija (mikroorganizmi v vodah, živilih, zoonoze)  Uporabni (koristni) mikroorganizmi (starter kulture, biotehnologija, ekoremediacija) Kompetence (izkušnje, znanje) predmeta  ločevati med posameznimi tipi celic na osnovi njihovih lastnosti, genetike in metabolizma (biokemijskih procesov).  Poznati nekatere najznačilnejše patogene mikroorganizme (bakterije, viruse, glive, parazite), poznati poti prenosa in ukrepe za preprečevanje njihovega širjenja.  Poznati delovanje imunskega odziva pri človeku.  Poznati uporabo mikroorganizmov v koristne namene v tehnoloških procesih.  Poznati osnovne tehnike mikrobioloških preiskav. Preverjanja znanja Pogoj za opravljanje izpita so opravljene vaje (kolokvij)! Laboratorijske vaje: kolokvij (PRIJAVA PREKO VISa: MSP kolokvij-vaje) Vaje predstavljajo 20 % ocene celotnega predmeta, ocena se vpiše v VIS. Teoretični del izpita (predavanja):  sprotno preverjanje znanja (delni izpit v decembru)  1. izredni rok (v januarju)  1. redni rok (v februarju)  2. redni rok (v juniju)  3. redni rok (v septembru) (PRIJAVA PREKO VISa: MSP izpit) Pisno! Če je prvi delni izpit pozitiven, pri nadaljnjih rokih v istem šolskem letu opravljate samo drug del izpita. Če je drugi delni izpit negativen, v nadaljnjih rokih opravljate celoten izpit. Zaželena pravila obnašanja pri obiskovanju predavanj in vaj Bodite uvidevni do sošolcev in do predavateljice: Pravila osnovnega bontona Na predavanja prihajajte pravočasno Uporaba mobitelov med predavanji ni zaželena Med predavanji ne vstajajte s sedežev in ne odhajajte iz predavalnice Ne jejte med predavanji v predavalnici Ne pogovarjajte se s sošolci Vaje: laboratorijska halja, skripta Uvod – osnovni pojmi, zgodovina, celica Pomembni znanstveniki v biologiji in mikrobiologiji PROBLEM KLASIFIKACIJE (RAZVRŠČANJA V SISTEM)  Aristotel (spontani nastanek življenja, preprost sistem rastlin in živali)  Živali (vse kar živi in se premika na kopnem v vodi in v zraku)  Rastline (posebni organizmi)  C. von Linne (1707-1778): dvojno poimenovanje živih bitij v sistematiki (rod, vrsta)  kraljestva: minerali, zeli, živali  Rod, vrsta, različica  Nastanek novih vrst: hibridizacija, ki jo kontrolira Bog IDENTIFIKACIJA, KLASIFIKACIJA  IDENTIFICIRATI: ugotavljati skladnost  Na osnovi skladnosti razvrščati organizme v skupine-v hierarhični sistem (KLASIFIKACIJA) Lat. Regio, (Woese, 1990) 3 domene: arheje, bakterije in evkarionti Pomembni znanstveniki v biologiji Charles Darwin (1809-1892): Razvojni nauk (teorija evolucije): Vrste… Boj za obstanek Naravni izbor Izvor vrst Pojav tudi pri MO Pomembni znanstveniki v biologiji Charles Darwin (1809-1892): Razvojni nauk :  vrste niso stalne in nespremenljive, se spreminjajo v daljših časovnih obdobjih Boj za obstanek med osebki iste in različnih vrst  Spreminjanje živih bitij-mutacije se ohranijo, če so koristne Naravni izbor -posledica boja za obstanek-ohranijo se uspešni osebki v trenutnih pogojih oziroma okolju Pojav tudi pri MO Alfred Russel Wallace Znanstvenik biolog, ki je istočasno z Darwinom razvil idejo o naravnem izboru oz. naravni selekciji. Natural History Museum, London (2017) prikazali njegov prispevek k evoluciji (njegovo sliko ob Darwinovo) Alfred Russel Wallace, 1900 Risba rajske ptice ZGODOVINA PREUČEVANJA MIKROORGANIZMOV  uporaba mikroskopa (majhni).  Prvi preprost mikroskop je skonstruiral Antoni van Leeuwenhoek, 1684. leta (Janssen, 1590. leta) Razvoj mikrobiologije  Šele z izpopolnitvijo mikroskopa ob koncu 19. stoletja  Scheiden in Schwann: živa bitja zgrajena iz celic-temelji celične teorije (pluta-jedra)  vprašanji spontanega nastanka življenja in narave nastanka bolezni.  Francesco Redi: prvi želel ovreči to hipotezo: želel dokazati, da se ličinke na truplih živali ali mesu razvijejo iz mušjih jajčec. Razvoj mikrobiologije Edward Jenner (1749-1823).  Velja za odkritelja cepiva proti črnim kozam  povzroča jo virus, če človek preživi, je imun za vse življenje  Virus govejih koz (ni nevaren za človeka) je podoben virusu črnih koz.  Jenner iz mešička na oboleli kravi odvzel vzorec in ga prenesel na dečka. Čez nekaj tednov, ga je okužil z virusom črnih koz, otrok ni zbolel. Pomembni znanstveniki v mikrobiologiji  L. Pasteur (1822-1895). ovrgel je hipotezo o spontanem nastanku življenja  - dokazal, da so v zraku prisotni enaki organizmi, ki so se pojavili tudi v gnijočih živilih.  - segrevanje na visokih temperaturah uniči mikroorganizme.  -postavil je postulat o stalni prisotnosti mikroorganizmov v zraku, katere je mogoče odstraniti s segrevanjem na visokih temperaturah. (poskus s steklenico z labodjim vratom),  -postavil je temelje aseptičnih tehnik, ki se še danes uporabljajo v mikrobiologiji.  CEPIVO proti steklini, antraksu https://www.youtube.com/watch?v=Xc- hHhDID9A  PATOGENOST (MIKRO)ORGANIZMOV  Leta 1876 je Robert Koch ugotovil, da se sporogena bakterija Bacillus anthracis nahaja v krvi za antraksom obolelih živali. S krvjo obolele živali je okužil zdravo žival, ki je kmalu zbolela in poginila.  Kochovi postulati – zaporedje korakov s katerimi potrdimo vzrok za infekcijsko bolezen 1. Pričakovanega povzročitelja bolezni moramo najti pri vsakem pojavu bolezni in nikoli pri zdravem gostitelju. 2. Povzročitelja moramo osamiti iz tkiva obolele živali na gojišču izven gostitelja. 3. Če povzročitelja prenesemo v dovzetnega, zdravega gostitelja, ta zboli. 4. Istega povzročitelja moramo osamiti iz obolelega, poskusno okuženega gostitelja. Pomembni znanstveniki v mikrobiologiji  A. Fleming (penicilin, 1929) Osnove genetike:  G. Mendel (Brno, 1843)  serijo poskusov križanja, da bi dokazal Ungerjevo tezo, po kateri so sorte ključne pri vprašanju izvora vrst.  (križanje graha, vinskih mušic)  Watson, Crick (dvojna vijačnica DNA, okrog leta 1960), itd. Kary Banks Mullis: tehnika PCR (1983) ….novi znanstveniki, različna področja  kaj je ŽIVLJENJE ? ŽIVA BITJA ? KAKO SO NASTALA? Pasteur-ni spontanega nastanka živih bitij Značilnosti živih bitij  Življenje je proces samoohranjevanja živih bitij, zanj so značilni biotski procesi  Živi organizem: je avtonomen sistem z neomejenimi evolucijskimi zmožnostmi (Ruiz- Mirazo et al., 2004)  - uporablja energijo in snovi iz okolja za svoje delovanje in obstoj  Reagira in deluje v določenem okolju, z drugimi organizmi  BIOTSKI PROCESI?  Biotski procesi-značilnosti živih bitij prehranjevanje sprejemanje snovi iz okolja; proizvajalci, potrošniki, prehranska veriga. rast, večanje velikosti in mase organizmov-živali omejene, rastline ne. razmnoževanje (večanje populacije), ohranjanje vrste; nespolno, spolno spreminjanje – diferenciacija (glede na okolje in funkcijo) Sporazumevanje in reagiranje, vzdražnost reagiranje na spremembe v okolju-čutila (rastline?, bakterije?) evolucija Značilnosti živih bitij-nad.  Gibanje: najlažje opazna lastnost gibanja-notranje, zunanje, iskanje hrane in ugodnih razmer; tudi rastline- tropizmi  Prilagodljivost: zmožnost prilagajanja na razmere v okolju (npr. hrana)-je dedna. Omogoča preživetje. Značilnosti živih bitij-nad.  Umiranje: različne krivulje preživetja: bakterije, enodnevnice, sekvoje, itd. Darwinova Harriet(Galapagos): 1830 -2006 enodnevnica  Značilnosti živih bitij-nad.  Razvoj:(osebni, vrstni-evolucija)  Dihanje: (višje razviti organizmi, nižji difuzija),  Učenje (višje razviti organizmi), itd. https://www.youtube.com/watch?v=jPtb_Samwk8  Za življenje so potrebni pogoji:  Organske spojine  Prisotnost izbirno prepustnih (semipermeabilnih) membran, skozi katere kontrolirano prehajajo različne molekule v celico in iz nje;  Razgradnja in izgradnja organskih molekul med biokemijskimi reakcijami (metabolizem);  Geni s kodiranimi sporočili o zgradbi in sintezi beljakovin,ki sodelujejo v biokemijskih reakcijah;  Podvojevanje celic, organizmov  Mehanizmi, ki preprečujejo škodljive reakcije. CELICA-OSNOVNA ŽIVLJENJSKA ENOTA Celica je osnovna gradbena in funkcionalna enota.  Delitev v prokariontske in evkariontske celice ali organizme  Enocelični in večcelični organizmi (specializacija in diferenciacija) Evolucijska razmerja med živimi organizmi prokarionti evkarionti skupni prednik izvor življenja Za katere organizme je značilna prokariontska in za katere evkariontska celica? Evolucijska razmerja med živimi organizmi zaporedje nukleotidov v ribosomski RNA je merilo sorodnosti – (zakaj ravno rRNA?) rastline prokarionti živali eubakterije arheje evkarionti alge glive praživali skupni prednik izvor življenja Živi organizmi so sestavljeni iz celic Živi organizmi so sestavljeni iz celic večcelični organizmi enocelični kvasovke bakterije glive (prokarionti) rastline enocelične alge živali praživali evkarionti  Filogenetsko drevo živih organizmov, dobljeno z ugotavljanjem podobnosti sekvenc ribosomske RNA (povzeto po Gubina s sod., 2002) Thermatoga: S-Fe bakterija, škrlatne baterije : fotoavtotrofne, porabljajo H2S (na začetku ni O ) Microsporidia: praživali, sedaj med glive  Razlike med prokariontsko in evkariontsko celico  Velikost celice: 0,5-8 um (P), 10-100 um (E)  Dedni zapis: P:………………..  E:……………….  Jedrni ovoj: P:…….., E.………..  Jedrce: P:, ……..E……………..  Delitev celice: P:……………………., E:…………………….  Ribosomi: P:……………………E………………….  GA in mitohondriji: P……………………, E……………….  Plastidi: P…………………., E………………….  Nitaste citopl. strukture: P……………………, E………  Razlike med prokariontsko in evkariontsko celico  Velikost celice: 0,5-8 µm (P), 10-100 µm (E)  Dedni zapis: krožna DNA brez beljakovin (P) več linearnih DNA s histoni v jedru (kromosomi) (E)  Jedrni ovoj: ni prisoten (P), prisoten (E)  Jedrce: ni prisotno (P), prisotno (E)  Delitev celice: cepitev (P), mitoza, mejoza, del. vreteno (E)  Ribosomi: manjši (P), večji (E)  GA in mitohondriji: niso prisotni (P), prisotni (E)  Plastidi: niso prisotni (P), prisotni pri rastlinah (E)  Nitaste citopl. strukture: niso prisotne (P), prisotne (E)- Poznamo dva osnovna gradbena tipa celic: 10-100 m  velikost → 0,5-8 m DA  jedro → NE DA  celični organeli→ NE (ribosomi) kromosomi  DNA→ en krožen kromosom, plazmidi MEJOZA, MITOZA  delitev celice → NAVADNA (CEPITEV) NE  peptidoglikan v celični steni → DA GLIVE, RASTLINE, ŽIVALI (ČLOVEK)  - → BAKTERIJE, ARHEJE Sestava evkariontske celice: ❖ Cel. membrana + cel. stena (rastline) ❖ Jedro (nukleus) z jedrnim ovojem, kromatin, kromosomi, jedrce ❖ Kromatin: DNA + beljakovine= ❖ =Kromosomi: zavita struktura kromatina (pred delitvijo) ❖ Celični organeli ( v citoplazmi) ❖ Centriol in glikogen (živalske celice) ❖ Vakuole (rastlinske celice) ❖ Plastidi (kloroplasti, levkoplasti, amiloplasti)-rastlinske c. ❖ Lokomotorni organi Evkariontska celica, razlike med rastlinsko in živalsko celico centriol Rastlinska celica Organizacijsko središče (R)-centriol (Ž) Živalska celica Glive?  Prokariontska celica Cel. membrana in stena, citoplazma, cel. organelov ni (le ribosomi), DNA prosta, nekatere fotosint. barvila Bakterije-cepljivke Celične strukture (E) Celična membrana-model tekočega mozaika Obdaja celico Transport snovi Fosfolipid https://www.youtube.com/watch?v=moPJkCbKjBs Jedro  Je obdano z dvema membranama, med njima objedrni prostor  Zunanja membrana povezana z ER  Na zunanji membrani so ribosomi  Nadzorovan transport preko jedrnih por v membrani  V jedru je DNA-dedni zapis, na ta način jedro usmerja dogajanje v celici in tudi po delitvi v hčerinske celice  Več posameznih molekul DNA  DNA+histoni (jedrne beljakovine)= kromatin  Ob delitvi se DNA spiralizira okrog histonov v kromosome nukleoplazma  Jedrce- v njem se sintetizirajo sestavni deli za ribosome (geni za rRNA) Koliko molekul DNA v človeški celici? Sestava jedra histoni  Celični organeli Membranski organeli (dvojna membrana): granum ATP- sintetazi, sodelujeta pri sintezi ATP mitohondrij Oba: pridobivanje energije: dihanje (heterotrofni sistem), fotosinteza (avtotrofni sistem) Rastline? plastid Mitohondrij  Zunanja membrana je gladka in brez gub, notranja v obliki krist ali tubulov.  Mitohondrijski matriks, mDNA in ribosomi (samopodvojevanje)  Nekatere beljakovine se sintetizirajo samostojno  Funkcija: celično dihanje: krebsov cikel, oksidativna fosforilacija, nastaja ATP Tudi v rastlinski celici!  Plastidi  V rastlinskih celicah (“kuhinja” v rastlinski celici)  Kloroplasti (fotosinteza)  Notranja membrana nagubana v plošče-lamele, na njih tilakoide, ki se združujejo v grana, vmes stroma  V kloroplastih so klorofil, fotosintetski encimi, kloroplastna DNA, ribosomi (samopodvojevanje).  Plastid Vrste plastidov:  Kloroplasti pri višjih rastlinah klorofilna zrna  Kromoplasti (druga barvila)  Levkoplasti (rezervne snovi) a. Amiloplasti (škrob) b. Elaioplasti (olja) …. Etioplast: cvetnice v temi, na svetlobi se pretvorijo v kloroplaste V koreninah: geotropizem Primerjava: mitohondrij-bakterijska (prokariontska) celica samopodvojevanje  Celični organeli Membranski organeli (enojna membrana): Golgijev aparat z lizosomi Endoplazmatski retikulum ER Iz ER Priprava izločkov in molekul za celične membrane -zrnati (ribosomi, sinteza B) Endocitoza, eksocitoza -gladki (detoksikacija, tvorba L, Ca konc., metabolizem CH) Lizosomi-prebavni encimi Prenos maščob, beljakovin (odseki ER Sekundarni lizosom: hrana + preb. encimi v vrečaste vezikle, B do GA) Beljakovine+sladkorji: glikoproteini Povezava z jedrom (mRNA do ribosomov) in GA Celični organeli Endoplazmatski retikulum ER:  Cisterne ali cevke iz enojne membrane, naložene druga na drugo  Če so na membranah ribosomi: zrnati ER  Brez ribosomov: gladki ER  Na zrnatem ER-sinteza beljakovin, ki jih celica izloča ali vgrajuje v svoje strukture  mRNA do ribosomov na zrnatem ER  Celični organeli Golgijev aparat GA: ER  Cisterne ena na drugo  Priprava izločkov in priprava membran za obnavljanje  Izločanje na zadnji cisterni  Beljakovine iz ribosomov ER do prve cisterne GA, znotraj cistern vezava ogljikovih hidratov, nastanek glikoproteinov  Njihovo izločanje v citoplazmo v obliki mehurčkov v zadnji membrani  Prebavni encimi  Mehurčki odpadnih snovi proti GA cel. membrani-izločanje iz celice-eksocitoza Endocitoza in eksocitoza Golgijev aparat lizosom Enodplazmatski retikulum Nerabne snovi izhajajo iz Sekundarni lizosom celice z eksocitozo Razgradnja snovi z encimi Endocitoza: fagocitoza + pinocitoza Ribosomi 60% teže predstavlja rRNA in 40% beljakovin prokarionti evkarionti Niso pravi organeli – so multimolekularni kompleksi: iz RNA in beljakovin S-svetbergi: Svedbergova enota posredno meri velikost delca na podlagi njegove hitrosti -13 Tridimenzionalna struktura ribosomov: rRNA temno modra (mala podenota) in temno rdeča (večja podenota). Ribosomske beljakovine so svetle barve.  Nitaste strukture  Celično ogrodje ali citoskelet (daje obliko celici)  Omogoči a. gibanje same celice in b. struktur v njej  Po velikosti ločimo: - mikrotubule (največji), - intermediarne filamente, - mikrofilamente (najmanjši) a. Bički in migetalke b. Niti delitvenega vretena so le občasno prisotne  Centriol (center nastajanja niti delitvenega vretena) Sestava nitastih organelov Bički-dolgi, maloštevilni (evglena) Euglena Migetalke kratke, mnogo (paramecij) 9 parov mikrotubulov na obodu in dva v centru. Zasidrani v citoplazmo z bazalnim telesom (tudi iz mikrotubulov) Beljakovina TUBULIN α,β mikrofilament mikrotubul biček Osnovne sestavine celic  Organske in anorganske molekule  VODA  Organske molekule: beljakovine, maščobe, ogljikovi hidrati, nukleinske kisline  Anorganske molekule in kem. elementi ogljik (univerzalna vezava)-najpomembnejši  VODA Večina biokemijskih reakcij poteka v vodnem okolju. Biomolekule so v organizmu obdane z vodo in večina reakcij poteka v prisotnosti vode. Hidrofilni deli molekul so v stiku z vodo, hidrofobni se vodi umikajo. To lahko vpliva na strukturo bioloških molekul (npr. beljakovin). Oblikovanje maščobnih molekul v vodi (koacervati, nastanek pracelic) hidrofobna hidratacija’ – voda naredi Oblikovanje ktvartarne strukture kletkasto strukturo okrog nepolarnih skupin, beljakovin sehttp://www.exobiologie.fr/wp-content/uploads/2008/12/image1-8.jpg nanje ne veže, ni vodikovih vezi http://csb.stanford.edu/levitt/demo_lectures/  Beljakovine  Nastanek aminokislin v kemoevoluciji iz anorganskih spojin (HCN, NH3, CO2, …itd.)  22 aminokislin, 13 se jih tvori v jetrih, ostalih 8 oz.9 dobimo s hrano (esencialne AK) valin, levcin, izolevcin, treonin, metionin, lizin, fenilalanin in triptofan Kemoevolucija: nastanek zapletenih anorganskih snovi in nato nastanek preprostih organskih snovi, iz majhnih molekul ali elementov (UV –C) Struktura aminokisline Aminokisline se povezujejo v polipeptide s peptidno vezjo- vežeta se karboksilna in amino skupina, odcepi se voda bazična kisla Vezava v dipeptid Polipeptidi se združujejo v beljakovine radikal -Primarna struktura: zaporedje AK v verigi -Sekundarna struktura: oblika heliksa, zaradi kovalentnih, vodikovih in peptidnih vezi med posameznimi peptidi - Terciarna struktura: zvite vijačnice zavzemajo posebno strukturo v prostoru -Kvartarna struktura: povezava posameznih beljakovinskih molekul med seboj  Beljakovine v celici  Beljakovinske molekule imajo lahko kroglasto ali nitasto obliko  Beljakovine v celici: membrane, encimi (biokatalizatorji), druge strukture (npr. tubuli, ribosomske ) Rastlinski encim Beljakovine v membrani-vezava z CH ali L ali P-P Ogljikovi hidrati  Najdostopnejši vir energije za celico  Ogljik:vodik:kisik=1:2:1 (CH2O)n  Monosaharidi, disaharidi, polisaharidi  Monosaharidi: Pentoze in heksoze najpogostejše PENTOZE- RIBOZE Molekula ATP HEKSOZE Heksozi: glukoza (grozdni sladkor) in fruktoza (sadni sladkor) (fotosinteza) Heksoze se združujejo v večje enote disaharide in polisaharide: -V rastlinskih celicah: škrob, celuloza -V živalskih celicah glikogen in hitin glukoza fruktoza polisaharid saharoza Škrob disaharid Maščobe (lipidi)  Niso topne v vodi, pač pa v organskih topilih.  Sestava: glicerol, na katerega so vezane tri maščobne kisline (lahko različne)  V lipidih je shranjeno veliko energije Maščobne celice (lipociti) Nastanek maščobne molekule Glicerol Tri maščobne kisline Sestava fosfolipida Zelo pomembni so fosfolipidi, ki imajo namesto ene maščobne kisline vezana dušik in fosfat Anorganske molekule  So preprostejše z manj energije  Niso vir energije ampak kot gradbeni elementi ali aktivni centri encimov  Na, K (ob celičnih membranah-živčne celice- depolarizacija)  H in P sodelujeta pri sintezi visoko energetskih molekul  Ca-močno nabit delec, aktivira organske molekule, v kosteh Nukleinske kisline  4. skupina organskih molekul  Sestavljene iz podenot nukleotidov  Vsak nukleotid je sestavljen iz pentoze, dušikove baze in ostanka fosforne kisline  Dušikove baze: - purini: A, G (dvojni obroč) - pirimidini: C, T, U (enojni obroč)  Ločimo DNA in RNA Dolžina DNA? Vezava nukleotidov v nukleinske kisline Sestava nukleotida in njihovo povezovanje v polinukleotidno verigo Shematski prikaz dezoksiribonukleinske kisline (DNA) v jedru Nukleotidi Organski ali dušikovi bazi NUKLEOTIDI  Poznamo pet različnih vrst dušikovih baz: ………..,……………,…………..,………..(v DNA) in ………..(v RNA)  Nukleotid je sestavljen iz:…………………….., …………………. in …………………….  Nukleotidi se povezujejo v polinukleotide v različnem zaporedju-veliko kombinacij; te strukture imenujemo………… ?  Zaporedje nukleotidov, ki kodira eno beljakovino, ki se bo sintetizirala, se imenuje………? NUKLEOTIDI  Poznamo pet različnih vrst dušikovih baz: adenin, gvanin, citozin, timin (v DNA) in uracil (v RNA)  Nukleotid je sestavljen iz: pentoze, fosfatne skupine in dušikove baze.  Nukleotidi se povezujejo v polinukleotide v različnem zaporedju-veliko kombinacij; te strukture imenujemo: NUKLEINSKE KISLINE  Zaporedje nukleotidov, ki kodira eno beljakovino, ki se bo sintetizirala se imenuje : GEN  Naloga nukleinskih kislin?  Nukleinske kisline so nosilke vseh zapisov o  a. delovanju celic in s tem tudi  b. nosilke dednih zapisov. 2 nalogi DNA v celicah a. Prenos dednih zapisov s staršev na potomce (podvojevanje DNA) b. Kontrola in navodila o delovanju celice (preko informacijske mRNA) Molekularni procesi v celici Podvojevanje DNA, replikacija prepis, transkripcija (DNA v mRNA) sinteza beljakovine na ribosomih, Translacija (prevajanje zaporedja nukleotidov na mRNA v zaporedje AK)  1. Podvojevanje DNA pri DELITVI CELICE Podvojitev DNA pred prenosom dedne snovi iz materinske v hčerinsko celico, Vodikove vezi med nukleotidi trgati, vijačnica se razpira Vezava komplementarnih prostih nukleotidov na obe enojni verigi Prosti nukleotidi polimeraza DNA polimeraza deluje v 5 '-> 3' smeri Primaza začne podvojevanje (na verigi 3‘-5‘), ligaza vključi delček z nekaj nukleotidi, tam začne vezavo DNA polimeraza (poveže vodikove vezi med dušikovimi bazami), ligaza poveže P z ribozami 5‘: P skupina; 3‘: OH Primaza in ligaza : samo na 1 verigi, vežeta Okazakijeve fragmente https://www.youtube.com/watch?v=T1aR77FLdi0 1. Podvojevanje DNA pri DELITVI CELICE Podolžna in prečna povezava novih nukleotidov v verigo in z nukleotidi stare verige Vsaka hčerinska DNA je iz ene starševske in ene novo nastale verige 1. Podvojevanje DNA pred DELITVIJO CELICE (evkarionti) Že podvojena  Kromatin (DNA s DNA histoni) se pred delitvijo oblikuje v kromosom- močno zavije okrog Primarni beljakovin, se spializira zažetek ali kromatin in odebeli centromer  Med delitvijo celice se razporedijo med novo nastali celici (mitoza, mejoza) histoni kromatin  Kromatin in kromosom kromatin: DNA + histoni Kromosom: spiraliziran kromatin ( v metafazi) Ena molekula DNA v človeški celici dolga od 1,5 m do 3 m Dolžina kromosomov v metafazi : ∼1 to >20 μm  2. PREVAJANJE KODIRANIH SPOROČIL V CELICI MED NJENIM DELOVANJEM  DNA prevelika, da bi šla skozi jedrni ovoj (e. celice)  Zato prepis zaporedja nukl. kislin iz DNA v obliko, ki prehaja skozi jedrni ovoj v citoplazmo, kjer poteka sinteza beljakovin  Sporočila se prepišejo iz DNA podobno kot pri podvojevanju  Sladkorji v komplementarni verigi so riboze, namesto timina je uracil, ki se veže na adenin.  Takšna molekula je RNA  Ker nosi obvestilo o zaporedju nukleotidov je mRNA (slovensko iRNK) (obveščevalna) transkripcija Transkripcija Primaza: začetek prepisovanja, saj se ne prepiše vsa DNA (samo zaporedje enega gena) Topoizomeraza, primaza (vezava kratkih zaporedij nukleotidov-gena, kjer se začne sinteza nove verige, RNA polimeraza, prepis v smeri iz 5’ proti 3’ na komplementarni verigi, ligaza Rho beljakovina-odcepi mRNA od DNA https://www.youtube.com/watch?v=YlOqI3PQwjo  Razlike med DNA in RNA Značilnosti DNA RNA Sladkor Deoksiriboza Riboza Purinski A in G A in G nukleotidi Pirimidinski T in C U in C nukleotidi Enojna v celici in večino Število Dvojna v celici, mitohondrijih, plastidih in večini DNA virusov, RNA virusih, izjema dvojno - vijačnic izjema enojna pri parvovirusih vijačna v reovirusih (rotav.) Genetski material v vseh Sinteza beljakovin v vseh Funkcija celicah in DNA virusih celicah, genetski material v RNA virusih  VRSTE RNA m (i) RNA Ribosomalna RNA (na aktivnem mestu na Prenos informacij iz ribosomih, kjer sinteza beljakovin) DNA na ribosome tRNA rRNA Začetnica živih organizmov? Transport AK na ribosome Transkripcija ali prepis Transkripcija ali prepis  TRANSKRIPCIJA (prepisovanje) Kodogen, kodon, antikodon, 1 AK (beljakovina: več AK, več trojčkov nukleotidov, bralni okvir) Trojček nukleotidov za 1 AK: tRNA Kodogen (DNA) Kodon (mRNA) Antikodon (tRNA) Kodogen Določena AK kodon antikodon Trojček nukleotidov kodira vezavo določene AK, zato pomemben bralni okvir transkripcija translacija  Prepis zaporedja nukleotidov v zaporedje aminokislin TRANSLACIJA (PREVAJANJE) Po prepisu (transkripciji) mRNA preide v citoplazmo in se veže na ribosome (rRNA in beljakovine) Sinteza polipeptidov Aminokisline prinaša tRNA 23 različnih aminokislin in le 4 različni nukleotidi-kombinacija treh nukleotidov (trojčkov) za eno aminokislino (kodon) Regulacija transkripcije  Gen: zaporedje nukleotidov na DNA, ki kodira 1 beljakovino: strukturno zaporedje nukleotidov  Na DNA so poleg genov za strukturo beljakovine še geni za začetek, nadaljevanje in končanje prepisa oz. sinteze genskega sporočila iz DNA na RNA. Trojčki nukleotidov-kodon-1AK beljakovina  Faktor sigma omogoči vezavo Sinteza mRNA RNA polimeraze na promotor Začetek prepisovanja mRNA Podaljševanje mRNA Zaključek (prekinitev) prepisovanja mRNA (Rho faktor)  Sinteza mRNA  Začetek: STARTNI KODON: triplet nukleotidov (ATG) na DNA, ki kodira AK formil-metionin (tu se začne sintetizirati mRNA na DNA)  Pred startnim kodonom je zaporedje nukleotidov: PROMOTOR, na katerega se veže encim RNA-polimeraza.  RNA-polimeraza se veže na tistem mestu DNA, kjer se začnejo nalagati komplementarni nukleotidi in tvoriti mRNA na DNA matrici.  OPERATOR: mesto (zaporedje nukleotidov) kjer se vežejo beljakovine REPRESORJI, če želijo preprečiti prepisovanje (regulacija !).  Konec: STOP KODON: znak za končanje sinteze beljakovine (ti trije nukleotidi ne kodirajo nobene AK)  REGULATORNI GENI: kodirajo tvorbo REPRESORJEV (negativna kontrola)  Del DNA, kjer se začne sinteza mRNA regulacija Že razklenjena DNA OPERATOR PROMOTOR Startni STARTNI STOP KODON kodon KODON represor Strukturni geni RNA POLIMERAZA Geni za encim npr. laktazo, sestavljeno iz 3 beljakovin Začetek sinteze mRNA OPERON Regulacija trankripcije  Če želi celica zavreti sintezo mRNA, se posebne regulacijske beljakovine REPRESORJI vežejo na mesto poleg promotorja, ki se imenuje OPERATOR. To je negativna kontrola transkripcije.  Uravnavanje transkripcije za tvorbo beljakovin (npr. encimi laktaze) Startni Že razklenjena kodon DNA Laktoze ni Operator je zaseden z represorjem, RNA polimeraza ne more prepisati strukturne gene v mRNA Laktoza je Na represor se veže laktoza in prepreči njegovo vezavo na operator, RNA polimeraza lahko prepiše strukturne gene OPERON  Strukturni geni, ki kodirajo beljakovine, ki sodelujejo v istem procesu v celici, so na DNA tudi prostorsko skupaj, združeni v GENSKE GROZDE, ti se skupaj prepišejo na mRNA.  Genski grozd: regulatorni geni, promotor, operator, startni kodon, strukturni geni ter stop kodon sestavljajo skupaj eno transkripcijsko enoto: OPERON https://www.youtube.com/watch?v=2sMFswbOgKk POMEMBNA DEJSTVA IN DEFINICIJE Med TRANSLACIJO (prevajanjem) se AK na ribosomu povežejo med seboj v polipeptide v zaporedju, kot ga predvideva zaporedje trojčkov nukleotidov (bralni okvir) Zaporedje nukleotidov na določenem delu DNA, ki kodira sintezo in zaporedje ene polipeptidne verige (beljakovine), se imenuje gen. Na eni DNA veliko genov. Vsi geni v celici, oziroma v organizmu, sestavljajo genom. genom  Mutacije  Genomi se lahko pod različnimi vplivi spremenijo.  Dedne spremembe genoma so mutacije.  Vrste mutacij: - genske (spremembe v sestavi gena: insercije, delecije, substitucije, duplikacije posameznih nukleotidov) - kromosomske (spremembe kromosomov med delitvijo in ločevanjem, npr. insercije, delecije celih genov) - genomske (spremembe v številu posamičnih kromosomov ali pomnožitev celega kompleta- poliploidija) (npr. polipl. pšenica, sadje) Življenjski procesi v celici  Življenjski procesi v celici a. podvojevanje celic  Enocelični, večcelični organizmi  Rast in delitev celic Delitev materinske v dve hčerinski celici (celična delitev  Prokarionti: cepitev  Evkarionti: -mitoza - mejoza 1. faza: jedrna delitev (mitoza, mejoza) 2. faza: delitev celice Delitev celice in obdobje med dvema delitvama= celični cikel Celični cikel: 1. faza rasti celice, 2. podvojevanje DNA, spiralizacija v kromosome, 3. razporejanje kromosomov v hčerinskih jedrih, 4. dokončno delitev celic. Mitoza: delitev SOMATSKIH CELIC, hčerinski celici sta enaki materinski (2n) Mejoza: delitev PRASPOLNIH CELIC (2n), nastale hčerinske-spolne celice niso enake materinski (n) Delitev evkariontske celice MITOZA je razdeljena na:  interfazo  profazo  metafazo  anafazo  telofazo Mitoza: interfaza  Vmesna stopnja pred delitvijo celic (rast celice)  Jedro dobro vidno  Na koncu se DNA V jedru kromatin podvoji Mitoza: profaza  Prva faza cel. delitve  Že podvojena DNA je v obliki dveh kromatid, ki sta med seboj povezani v primarnem zažetku (centromeru)  Kromatinske nitke (DNA+ beljakovine) se spiralizirajo, krajšajo in debelijo, oblikujejo se kromosomi Mitoza: Profaza-nad.  Jedrni ovoj in jedrce izginjata  Nastane delitveno vreteno: njegove niti potekajo od zažetka vsakega kromosoma do pola delitvenega vretena.  Naloga del. vretena: razmikanje enokromatidnih kromosomov proti poloma celice Niti delitvenega vretena vezane na centromer na kromosomu Mitoza: metafaza  Podvojeni kromosomi se razporedijo v ekvatorialni ravnini celice  Na primarne zažetke se pritrdijo niti del. vretena Centriol in niti delitvenega vretena vlečejo kromatide proti poloma mikrotubuli Rastlinska celica Centriol Živalska celica kromatidi Centriol: živali; organizacijsko središče: rastline Mitoza: anafaza  Ločevanje kromosomov proti poloma celice  Končana delitev jedra  Začetek delitve citoplazme  Razporeditev celičnih organelov med obe hčerinski celici Mitoza: telofaza  Odvijanje in despiralizacija kromosomov  Delitveno vreteno izgine  V hčerinskih celicah začne nastajati okrog DNA jedrni ovoj  Nastaneta dve jedri in dve jedrci  Hčerinski celici dobita enako količino ded. materiala (2 n), ki je enak kot pri starševski celici  Delitev pri evkariontskih celicah  V ekvatorialni ravnini Živalska celica nastane celična membrana (rastlinska celica) ali zažemanje celice (živalska Rastlinska celica celica) Stušek, Celica, 2005  Mitoza Stušek, Celica, 2005 Mitoza je značilna za: Vse telesne celice razen praspolnih (delitev telesnih celic) Za pomnoževanje celic med rastjo večceličnega organizma Ob nespolnem razmnoževanju (delitvi, brstenju) so: Potomci so po lastnostih popolnoma enaki materinskim celicam ali organizmom. https://www.youtube.com/watch?v=DwAFZb8juMQ  Mejoza  Je delitev celic, kjer novo nastale hčerinske celice niso genetsko enake materinskim.  Dedna snov se pomeša in kombinira  Pri nastanku spolnih celic (delitev praspolnih celic)  Mejoza-nad.  Pri spolnem razmnoževanju nastane ob združitvi dveh spolnih celic zigota, ki vsebuje en komplet kromosomov iz očetove spolne Praspolne celice in en komplet iz materine celice spolne celice (diploidna celica)  Geni od matere in očeta kodirajo iste lastnosti  Če bi bile spolne celice diploidne, bi Spolne celice imela zigota štiri garniture kromosomov  Zato morajo imeti spolne celice le Praspolne in enojno število kromosomov telesne celice potomca (haploidne celice)  Ta redukcija števila kromosomov iz diploidne praspolne celice v Spolne celice potomca haploidno spolno celico obliko imenujemo mejoza. Mejoza-nad.  Mejoza je redukcijska delitev ob nastanku spolnih celic, v t.i. praspolnih celicah  Mejozo delimo v mejozo I in mejozo II (vsaka ima vse faze, kot pri mitozi)  Praspolne celice so na začetku diploidne (imajo očetovo in materino garnituro kromosomov)  Mejoza I  Interfaza mejoze: podvojitev kromosomov obeh garnitur Kariogram človeka Podvojitev DNA Spiralizacija, nastanek kromosomov Homologni kromosomi Homologna kromosoma Kromosom Kromosom od očeta od matere Lokus: mesto gena na kromosomu Geni, ki kodirajo iste lastnosti: aleli  Homologna Profaza mejoze I: kromosoma -izgine jedrni ovoj, že podvojena DNA se spiralizira, tvorijo se niti DV Metafaza mejoze I: - pari kromosomov se zberejo v ekvatorialni ravnini. -Podvojeni materini in očetovi homologni kromosomi se postavijo Crossing over vzporedno in si prekrižajo posamezne dele kromatid. -Prekrižani deli se izmenjajo in prilepijo na drug kromosom.  Anafaza mejoze I Podvojeni kromosomi se začnejo razhajati. Vsak od “homolognih” kromosomov gre na svoj pol.  Telofaza mejoze I Okrog kromosomov na vsakem polu se oblikuje jedrna membrana, n  Interfaza mejoze I: Celica se preščipne, nastaneta dve hčerinski celici s haploidnim številom podvojenih kromosomov Mejoza I (povzetek): zamenjava delov kromatid (posameznih genov) med homolognimi kromosomi, zato ima potomec del materinih in del očetovih genov) kromosomi podvojeni (dve kromatidi) 1 komplet 1. del mejoze Delitev praspolne celice in nastanek spolnih celic Stušek, Celica , 2005 Mejoza I-nad.  Vsaka polovica kromosoma je nekoliko drugačna od druge, ker se nanjo prilepijo drugi geni.  Razlika od mitoze: razporeditev 1 kompleta (n) homolognih kromosomov podvojenih in prekrižanje  dve hčerinski celici, ki se genetsko razlikujeta od materine.  Mejoza II  Ni interfaze, ker so kromosomi (DNA) že podvojeni  Profaza mejoze II Tvorba niti del. vretena  Metafaza mejoze II: podvojeni kromosomi se razporedijo v ekvatorialni ravnini, nanje se pripnejo niti delitvenega vretena.  Anafaza: potovanje enojnih kromosomov proti poloma  Telofaza: delitveno vreteno izgine,okrog haploidnega (n) št. kromosomov se oblikuje jedrni ovoj  Celica se zažme in nastaneta dve hčerinski celici.  Mejoza II Podvojitev kromosomov Mejoza I Mejoza II Tako kot mitoza Prekrižanje kromatid pri Nastanek 4 haploidnih celic homolognih kr.  https://www.youtube.com/watch?v=D1_-mQS_FZ0 https://www.youtube.com/watch?v=16enC385R0w daljša verzija Življenjski procesi v celici b. Transport snovi  Transport snovi skozi celično membrano  Cel. membrana je semipermeabilna  male anorganske molekule (O2, CO2, N2) ter male organske molekule prosto prehajajo (DIFUZIJA)  Transport snovi skozi celično membrano TRANSPORT VODE  Osmoza: celica izgublja ali pridobiva vodo v skladu s koncentracijo raztopljenih snovi na eni ali drugi strani membrane. Celična membrana mora biti nepropustna za raztopljene snovi in prepustna za vodo.  Voda na osnovi osmoze (iz nižje proti višji konc. snovi) brez porabe energije  Transport snovi skozi celično membrano.  Deplazmoliza: če se v celici nabirajo molekule, ki jih membrana ne prepušča, bo začela vanjo prihajati voda, v celici se poveča t.i. ozmotski tlak. Celica lahko poči.  zunaj je HIPOTONIČNA raztopina.  Plazmoliza: zunaj celice se raztopi polarna snov (HIPERTONIČNA raztopina). Konc. snovi bo v celici manjša kot zunaj, voda bo začela izhajati ven, celica se bo skrčila (konzerviranje hrane s soljo ali sladkorjem) Difuzija, ozmoza, dializa https://www.youtube.com/watch?v=tHz kRtzVmUM  Transport snovi b. sprejemanje in oddajanje molekul drugih snovi skozi membrano pasivni in aktivni transport difuzija Voda, plini Stušek, Celica, 2005 Pasivni transport  (brez porabe energije):  molekule snovi preko membranskih kanalov beljakovinskih molekul  (celica transport nadzoruje)  snovi potujejo iz višje konc. proti nižji (DIFUZIJA) Višja konc. snovi zunaj Aktivni transport: Nižja konc. snovi zunaj  iz nižje proti višji koncentraciji, potrebna energija (ATP), sodelujejo membranske črpalke (posebne beljakovine v membrani) Plazmalema z beljakovinskimi  Endocitoza,eksocitoza kanalčki https://www.youtube.com/watch?v=kfy92hdaAH0 https://www.youtube.com/watch?v=moPJkCbKjBs Aktivni transport:  Endocitoza,eksocitoza: iz nižje proti višji koncentraciji, potrebna energija (ATP), ATP https://www.youtube.com/watch?v=kfy92hdaAH0 https://www.youtube.com/watch?v=moPJkCbKjBs Življenjski procesi v celici c. Pretvarjanje energije Življenjski procesi v celici c. pretvarjanje energije Vsaka celica potrebuje za delovanje energijo Ta se sprošča iz energetsko bogatih snovi Enostavne snovi (enostavni sladkorji, AK, maščobne kisline) celica neposredno iz okolja z aktivnim transportom (energija) Večje molekule (polisaharidi, maščobe, polisaharidi beljakovine)-encimi v enostavne zunaj celic encimi ❖KATABOLIZEM Sproščanje energije v biokemijskih reakcijah iz organskih snovi (razgradne reakcije) ❖ANABOLIZEM Poraba energije ob sintezi večjih molekul iz manjših (sintetski procesi) ❖METABOLIZEM ❖Razgradnja in sinteza: presnavljanje ali (KATABOLIZEM + ANABOLIZEM) Biokemijski procesi v celici - razgradnja visokomolekularnih snovi  ZA RAZGRADNJO IN SINTEZO POTREBNA ENERGIJA  Kje se nahaja v celici? Biokemijski procesi v celici - razgradnja visokomolekularnih snovi  Energija, sproščena ob cepitvi vezi se porabi za celično delo, shranjevanje v molekulah adenozin 3 fosfat ATP (gvanozin 3-P, GTP….)  Prenašalci elektronov in protonov; NAD, NADP, (nikotin amid adenin dinukleotid fosfat) FAD (flavin adenin dinukleotid), itn. NAD: katabolne reakcije NADP: anabolne reakcije Sproščanje energije  Razgradnja organskih molekul –najpogosteje do glukoze C6H12O6, sproščanje energije z oksidacijo (POSTOPOMA)  Sproščanje energije v oksido-redukcijskih procesih (pomembna energija vodikovih elektronov).  Oksidacija in redukcija  Snov, ki pri reakciji elektrone odda: reducent (npr. glukoza),  snov, ki jih sprejme: oksidant (kisik, ki sprejme elektrone od vodikovih atomov in si jih z njimi v nastali molekuli vode deli pri aerobnem dihanju  Pri anaerobnem dihanju in fermentaciji je oksidant: sulfat, nitrat, kislina, alkohol, ki se reducira, ko sprejme e-  Struktura NAD in NADH, vezava vodika na NAD nikotinamid adenin Nikotinamid adenin dinukleotid (fosfat) NAD za katabolne reakcije, NADP za anabolne reakcije Adenozin- tri-fosfat-ATP nukleotid adenin + riboza= adenozin + 3 P skupine, energetsko bogate vezi. Sprostitev energije in prehod ATP v ADP POTI PRESNOVE: 1. Biokemijski procesi katabolizma (razgradnje) in 2. Biokemijski procesi anabolizma (biosinteze)  ogljikovih hidratov,  maščob  beljakovin  nukleinskih kislin. Rezultat razgradnje: enostavne molekule in energija Rezultat biosinteze: snovi (molekule, encimi), ki jih celica potrebuje za delovanje in izgradnjo svoje strukture (poraba energije) Katabolne (razgradne) in anabolne (sintezne) poti v celici Anaerobne poti potekajo v citoplazmi, Aerobne :v mitohondrijih (evkariontske celice) oz. - v plazmalemi na uvihkih plazmaleme (prokariontske celice)  AKTIVACIJSKA ENERGIJA Za začetek vsakega biokemijskega procesa je potrebna:  aktivacijska energija; npr. toplota…hitrejše gibanje molekul;  biokatalizatorji Biokatalizatorji-encimi o usmerjeno pospešijo ali zavrejo kemijske reakcije o Začasno reagirajo s snovmi v kemijski reakciji, ko pa se pri snoveh zgodijo spremembe, se od njih nespremenjeni odcepijo o reakcija s specifičnim substratom in samo v eni reakciji Struktura: ključ - ključavnica Zgradba encima Celoten encim se imenuje HOLOENCIM. Sestavljen iz:  - APOENCIMA (beljakovinski del),  - AKTIVNEGA MESTA: a. kompleksna organska molekula (KOENCIM) b. nebeljakovinski del (KOFAKTOR)  HOLOENCIM= APOENCIM + KOENCIM (KOFAKTOR) Koencim: kompleksna organska spojina, npr. beljakovina  - vitamin (npr. vitamin B v NAD+ ali NADP+ ) Kofaktor:  lahko je: -kovinski ion (Fe, Cu, Mg, Mn, Zn, Ca, Co) tvori most med E in S Če aktivno mesto odstranimo, encim preneha delovati.  Delovanje encima: 1. Zaporedje dogodkov pri delovanju encima : površina substrata pride v stik z določenim delom površine molekule encima, ki jo imenujemo aktivno mesto, vodikove ali ionske vezi 2. Nastane encimsko-substratni kompleks, molekula substrata se spremeni tako, da se razporedijo obstoječi atomi: ali se a. razcepi molekula substrata ali b. nastane kombinacija z molekulo drugega substrata, 3. spremenjena molekula substrata, ki je končni produkt reakcije, se loči od encima, ker ne odgovarja več aktivnemu mestu, 4. encim je nespremenjen in prost ter reagira z drugo molekulo substrata. Delovanje encimov  Encimi delujejo na specifične substrate, ki so veliko manjši od encima.  specifičnost zaradi tridimenzionalne oblike svojih aktivnih centrov (ključ –ključavnica).  Kaj bo nastalo iz substrata je odvisno od encima, ki nanj deluje.  Na aktivnost encimov vplivajo: - količina substrata, - temperatura, - vrednosti pH okolja - inhibitorji: a. se premočno vežejo na aktivno mesto (npr. cianid) b. se vežejo na drugo mesto na encimu in s tem spremenijo strukturo aktivnega mesta - ALOSTERIČNI UČINEK Alosterični učinek Aktivacija encima +, reakcija Zaviranje encima, -, ni reakcije  Najeonostavnejša razgradnja monosaharidi, disaharidi GLUKOZA- osrednji in najpomembnejši vir energije GLIKOLIZA-začetna stopnja razgradnje glukoze (skupna vsem organizmom) Sledijo ji druge poti-ločijo se po končnem prejemniku elektronov vodika. GLIKOLIZA  Je encimski proces, kjer se glukoza (C6H12O6: 6C) razgradi na dva piruvata (3C), pri čemer sprosti nekaj energije.  Glikoliza poteka v CITOPLAZMI (anaerobni pogoji) v več stopnjah  STOPNJE GLIKOLIZE 1. Aktivacija molekule glukoze C6H12O6 (vezava 2 PO43- iz ATP: fosforilacija) 2. Cepitev glukoze (6C) na dva gliceraldehida (2 triozi 3C) 3. Odcepitev dveh vodikovih atomov iz vsake molekule 3C, prenos 2e- in 1p+ na NAD, dobimo NADH + H+ 4. Vezava dveh fosfatov iz citoplazme na vsako molekulo gliceraldehida 5. Odcepitev 2 fosfatov iz vsake molekule-vezava v ATP, nastaneta dve molekuli piruvata.  Shematski prikaz glikolize Aktiviranje glukoze Cepitev glukoze s 6 C na 2 gliceraldehida s 3C, odcepitev vodika Vezava vodika na prenašalce NADH Na to mesto se veže fosfat iz citoplazme (in ne iz ATP) Fosfat P se odcepi, prenese energijo na ADP preide v ATP 2x Nastaneta 2 molekuli piruvata in 4 ATP - 2 ATP 2 ATP (izkupiček glikolize) http://www.youtube.com/watch?v= 3GTjQTqUuOw Presnova piruvata:  Z nastankom piruvata se konča prvi del presnove.  Tu se razhajata poti aerobne in anaerobne razgradnje glukoze. 1. Aerobna razgradnja: na razpolago zadostna količina kisika, se ta proces nadaljuje v Krebsovem ciklu (ciklu citronske kisline). 2. Anaerobna razgradnja: ni kisika; več presnovnih poti: - FERMENTACIJA a. alkoholnem vrenju, b. mlečnokislinski fermentaciji in c. mešanokislinski fermentaciji…. - ANAEROBNO DIHANJE (nastanek nitrata, sulfata, fosfata…) Sproščanje energije iz piruvata  začetna metabolna reakcija glikoliza je enaka, konci reakcij pa so različni: 1. VRENJE ALI FERMENTACIJA  mlečnokislinsko vrenje-ml. kislina-bakterije, mišice;  alkoholno vrenje-etanol in CO2, H2O (kvasovke)  mešanokislinsko vrenje: kisline, CO2… (nekatere bakterije)  anaerobni pogoji: elektroni iz piruvata na eno izmed organskih molekul: KONČNI PREJEMNIK ELEKTRONOV ORGANSKA SNOV (etanol, mlečna kislina….) Sproščanje energije iz piruvata: 2. AEROBNO CELIČNO DIHANJE: aerobni pogoji: elektroni iz piruvata na kisik KONČNI PREJEMNIK ELEKTRONOV IN PROTONOV ANORGANSKA SNOV (kisik) 3. ANAEROBNO CELIČNO DIHANJE: KONČNI PREJEMNIK ELEKTRONOV IN PROTONOV ANORGANSKA SNOV (nitrat, sulfat) 1. AEROBNE POTI RAZGRADNJE  Piruvat acetilCoA  Krebsov cikel (cikel citronske kisline)  Dihalna veriga  NASATANEK ACETIL-KOENCIMA A (AKTIVIRANE OCETNE KISLINE).  Piruvat (3C) prehaja iz citoplazme v mitohondrije.  Encimi od piruvata odcepijo ogljikov dioksid (nastane 2C: acetil CoA) in dva vodikova atoma, ki se vežeta na prenašalec NAD+. citoplazma GLIKOLIZA mitohondriji Aktiviranje ocetne kisline Cikel citronske kisline=Krebsov cikel NASATANEK ACETIL-KOENCIMA A (AKTIVIRANE OCETNE KISLINE).  Nastane aktivirana ocetna kislina (z 2C) ali acetil koencim A (acetil CoA), ki vstopi v Krebsov ciklus ali CIKLUS CITRONSKE KISLINE. Flavin adenin dinukleotid Krebsov cikel Piruvat Acetil CoA + oksalacetat (4C), ki je vedno prisoten v celicah. ↓ 6 C - citronska kislina (citrat). Odcepitev CO2 in 2H 2× ↓ 5C(ketoglutarat) 4C(sukcinat, fumarat in oksalacetat). NAD NAD Oksalacetat + acetil CoA (nova molekula) cikel steče od začetka. Ves čas se elektroni (energija) prenašajo na molekule NAD+, dobimo NAD NADH+H+. Del te energije se pozneje porabi za sintezo molekul ATP. CO2 FAD izhaja iz celic. Glikoliza+ Krebsov cikel: 2 ×19 ATP NAD  Izkupiček Krebsovega cikla Iz 1 molekule piruvata se sprostijo 3 molekule ogljikovega dioksida, ena pri aktivaciji ocetne kisline in dve v Krebsovem ciklu. Od 10 odcepljenih vodikovih atomov se jih 8 veže na NAD+, 2 pa na drug prenašalec FAD. Ker se pri glikolizi tvorita iz glukoze 2 molekuli piruvata, se mora Krebsov cikel zavrteti dvakrat, da se porabi vsa energija iz ene molekule glukoze. https://www.youtube.com/watch?v=_SkPwVO9BFI https://www.youtube.com/watch?v=F6vQKrRjQcQ Energetska bilanca/ 1 molekulo glukoze Proces Neposreden produkt Število ATP Glikoliza 2 NADH + 2 ATP (v 6+2=8 citoplazmi) Sama glikoliza 2 ATP Piruvat v CoA (2 na 2 NADH (v mitohondriju) 6 1 glukozo) Krebsov cikel (2x 6 NADH + 2 FADH2 + 2 18 + 4 + 2 =24 na glukozo) ATP (GTP) (v mitohondriju) Skupen izkupiček 38 1 NADH 3 ATP (približno) FADH2 2 ATP (približno) Prenos H e- in p+ v dihalno verigo  Molekule dihalne verige se nahajajo v MITOHONDRIJIH (pri bakterijah v PLAZMALEMI). glikoliza Dihalna veriga Krebsov cikel Nastanek AcCoA Aerobno celično dihanje Elektroni se iz NADH (FADH) vežejo na kisik postopno v verigi oksidacij in redukcij DIHALNI VERIGI Elektroni in protoni se prenašajo po verigi prenašalcev. Vsak naslednji prenašalec v verigi je nekoliko boljši oksidant kot prejšnji. Dihalna (elektronska) veriga NADH prenaša 1 p+ in 2 e- Vodikovi atomi iz glikolize in Krebsovega cikla so vezani na NADH-+H+ in FADH- +H+ prevzamejo jih drugi prenašalci, H se razcepi v protone in elektrone. Prenašalci (CITOKROMI) sprejemajo in oddajajo v dihalni verigi samo elektrone, protoni pa ostanejo prosti v membrani. Eden od citohromov je koencim Q  Dihalna veriga-shema Zadnji od citokromov odda elektrone kisikovemu atomu, ki hkrati sprejme tudi protona iz medmembranske tekočine in nastane molekula vode. Med tem prenosom (Dihalna veriga= oksidoredukcijska veriga) potekajo oksidoredukcijski procesi, pri katerih se postopoma sprošča energija (se veže v ATP)  Prenašalci elektronov v notranji membrani mitohondrijev (bakterije v membrani) Matriks v notranjosti Matriks med zunanjo mitohondrija/evkariontske in notranjo celice membrano v H+ iz višje konc. proti nižji mitohondriju skozi membrano https://www.youtube.com/watch?v=39HTpUG1MwQ /evkariontske celice https://www.youtube.com /watch?v=39HTpUG1Mw Q https://www.youtube.com/w atch?v=rdF3mnyS1p0  Oksidativna fosforilacija Je proces sestavljen iz: 1. Prenosa H- elektronov s prenašalci elektronov (NADH, FADH) 2. Oddaje e- na citohrome v dihalni (elektronski ) verigi 3. Črpanje p+ skozi notranjo membrano v mitohondriju in nastanek njihovega koncentracijskega gradienta 4. Prenos e- H iz elektronske verige na O2 5. Sinteza ATP Prostor med zunanjo in notranjo 3 membrano v mitohondriju Matriks znotraj notranje membrane v 1 2 4 5 mitohondriju Celično dihanje V evoluciji ob pojavu avtotrofnih organizmov vedno več kisika, Kisik zelo dober oksidant, zato tekmoval za elektrone z drugimi, slabšimi oksidanti. Če elektrone prevzame kisik, se hranilne molekule razgradijo do konca (sprosti vsa energija), t.j. do vode in ogljikovega dioksida. Tako aerobno sproščanje energije je AEROBNO CELIČNO DIHANJE. Dihanje pri rastlinah? Celično dihanje V evoluciji ob pojavu avtotrofnih organizmov vedno več kisika, Kisik zelo dober oksidant, zato tekmoval za elektrone z drugimi, slabšimi oksidanti. Če elektrone prevzame kisik, se hranilne molekule razgradijo do konca (sprosti vsa energija), t.j. do vode in ogljikovega dioksida. Tako aerobno sproščanje energije je AEROBNO CELIČNO DIHANJE. Dihanje pri rastlinah? (svetlobna faza: nastanek O2 H2O in ATP, temotna faza fotosinteze-nastaja glukoza, porablja se CO2 in energija)  1. Pretvorba glukoze do piruvata pri bakterijah: Ta poteka lahko po treh poteh: A. glikolizi ali Embden-Meerhof-Parnasovi poti, B. pentozafosfatni ali fosfoglukonatni poti (intenzivna rast, heksoze v pentoze za NK) C. Entner-Doudoroffovi poti, ki so jo našli samo pri prokariontih. Pri vseh treh poteh se glukoza pretvori do gliceraldehid- 3-fosfata (PIRUVATA), vendar na različne načine. Shematski prikaz glavnih presnovnih poti glukoze do piruvata pri bakterijah 3 poti presnove =GLIKOLIZA: 2 ATP + 2 piruvata/ 1 molekulo glukoze, 2 NADH Nastajajo pentoze (za NK) in 1NADH 1 ATP/1 glukozo Pri bakterijah z aerobnim dihanjem, npr. Pseudomonas Razgradnja maščob: beta-oksidacija  Celice in bakterije lahko oksidirajo lipide (ekstracelularne lipaze)  razgradnja maščob v proste maščobne kisline in glicerol (vstop v celico).  Produkti te razgradnje vstopajo v Krebsov cikel (v celici).  Katabolizem lipidov  Propantriol (glicerol) ← maščoba→ maščobne kisline Dihidroksiaceton fosfat (Gliceraldehid-P) beta oksidacija Glikoliza acetilCoA Piruvat → Krebsov cikel  Krebsov cikel NADH- +H+ Oksidativna fosforilacija (Elektronska transportna dihalna veriga) 02 H20 glikoliza Z oksidacijo 1 molekule maščobe 8 8 AcetilCoA Razgradnja beljakovin:  M.o. proizvajajo ekstracelularne proteaze in peptidaze, ki beljakovine razgradijo najprej do peptidov, nato pa do aminokislin (zunaj celic).  AK lahko prehajajo skozi membrano.  Večji del aminokislin se porabi za izgradnjo celice, le manjši del se razgradi (katabolizira).  Preden se aminokisline uporabijo kot energija za procese v celici, se morajo pretvoriti v takšno obliko, da lahko vstopijo v Krebsov cikel. Vstop AK v Krebsov cikel  Ogljikovi hidrati Maščobe Beljakovine Sladkorji Aminokisline Maščobne Glicerol kisline Glukoza Gliceraldehid-3-P GLIKOLIZA Piruvat AcetilCoA KREBSOV CIKEL elektroni O2 Elektronska H2O transportna veriga Oksidativna fosforilacija PRI BAKTERIJAH  Oksidativna fosforilacija poteka pri (aerobnih) bakterijah tako kot pri evkariontih, le da je v citoplazemski membrani (in ne v mitohondrijih). Prenašalci elektronov so različni, prejemnik elektronov pa je vedno kisik.  Pri anaerobnih bakterijah pa je prejemnik elektronov anorganska ali organska snov. Različna je tudi množina nastalih molekul ATP. 2. Anaerobno celično dihanje  VRENJE je biokemijski proces, kjer se v celicah sprošča energija iz energetsko bogatih snovi na aneroben način.  Mlečnokislinsko vrenje: piruvat do mlečne kisline (MKB, mišice)  Alkoholno vrenje: piruvat do etanola in CO2 (nekatere kvasovke)  Mešanokislinsko vrenje: mlečna kislina, mravljična kislina, ogljikov dioksid, etanol, vodik, acetoin, butandiol, itd.  Sprostita se 2 molekuli ATP. Anaerobna razgradnja: a. Alkoholno vrenje:  Alkoholno vrenje ali presnova piruvata v etanol (nekatere kvasovke).  Piruvat v acetaldehid, nato v etanol: Glukoza + 2 ADP + 2 Pi →2 piruvata 2 acetaldehida 2 etanola (C2H5OH) + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O b. Mlečnokislinsko vrenje:  piruvat v mlečno kislino (laktat).  Laktobacili, nekateri laktokoki - streptokoki.  Glukoza + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvata 2 laktata + 2ATP + 2 H2O + 2 H+ Nastanek mlečne kisline v mišicah zaradi anaerobne razgradnje glukoze ter njena pretvorba v glikogen c. Mešanokislinska fermentacija:  nekatere vrste družine Enterobacteriaceae. Končni produkti so lahko mravljična kislina, ogljikov dioksid, etanol, vodik, acetoin, butandiol, itd. Mešanokislinska fermentacija anaeroben proces, ocetnokislinska fermentacija je aeroben proces Heterofermentativen proces Homofermentativen proces  Fermentacija in aerobno dihanje-primerjava glikoliza Končni Aerobno dihanje: prejemnik: H vključno s Krebsovim e- in p+ je ciklom organska snov: etanol, kislina… Dihalna veriga Energetski izkupiček celičnega dihanja-shema Biosintezne poti :  iz enostavnih gradbenih enot ob uporabi energij si celice gradijo lastne molekule  Procesi sinteze beljakovin, maščob, ogljikovih hidratov, nukleinskih kislin pri bakterijah potekajo podobno kot pri višje razvitih organizmih.  samo za bakterije je značilna biosinteza peptidoglikana in lipopolisaharida v bakterijski steni. Katabolne (razgradne) in anabolne (sintezne) poti v celici Biosinteza polisaharidov:  Glukoza -6-P + ATP → ADPG → glikogen (bakterije)  Glukoza-6-P → UDPNAc → peptidoglikan (bakterije) ADPG (adenin di fosfo glukozamin) uridin-difosfat N-acetil-glukozamin (UDPNAc) Biosinteza maščob:  Glikoliza → di-hidroksi-aceton-P → (piruvat) glicerol ↓  acetilCoA → maščobne kisline + glicerol → enostavne maščobe (hidratacije, poraba energije v obliki ATP) Biosinteza aminokislin in beljakovin:  1. Nekateri m.o. sintetizirajo aminokisline iz glukoze  2. Drugi m.o. dobivajo aminokisline iz zunanjega okolja.  Biosinteza purinov in pirimidinov:  Purini in pirimidini so sestavni deli molekul DNA in RNA.  Obe nukleinski kislini sta sestavljeni iz nukleotidov, ti pa so zgrajeni iz purinske ali pirimidinske dušikove baze, pentoze (riboza, dezoksiriboza) in fosfatne skupine. - Pentoza nastane iz glukoze oziroma vmesnega produkta glikolize (glukoza -6-fosfat). - purini in pirimidini - vmesni produkti Krebsovega cikla  Pregled energetskih procesov Proces Substrat Produkt Nastala energija Pogoji Organizmi Glikoliza ali 2 piruvata + 2 prokarionti, Embden- 1 glukoza 2 ATP anaerobno H2O evkarionti Meerhofova pot 2 etanola + evkarionti, Alkoholno vrenje 1 glukoza 2 CO2 + 2 ATP anaerobno (kvasovke) 2 H2O evkarionti, prokarionti Mlečnokislinsko 2 mlečni kislini + 1 glukoza 2 ATP anaerobno (Lactobacillus, vrenje 2 H2O Lactococcus, Streptococcus) prokarionti Ocetnokislinsko 2 ocetni kislini + (Acinetobacter, 1 etanol + O2 2 ATP aerobno vrenje 2 H2O Glucunobacter, itd.) Ocetna kislina, mravljična Mešanokislinsko kislina, etanol, prokarionti 1 glukoza 2 ATP anaerobno vrenje acetoin, (enterobakterije) butandiol, CO2 itd. 2 H2O + prokarionti, Aerobno dihanje 1glukoza 38 ATP aerobno 6 CO2 evkarionti