Súhrnné študijné poznámky pre LF: Biológia a Chémia

Základné biologické disciplíny a vedecké metódy

Biologické vedy: * Anatómia: Skúma stavbu orgánov, sústav a organizmu ako celku. * Histológia: Zaoberá sa mikroskopickou stavbou živočíšnych tkanív a rastlinných pletív. * Fyziológia: Skúma životné procesy prebiehajúce v organizmoch a funkcie jednotlivých orgánov. * Paleontológia: Skúma vyhynuté organizmy a fosílie. * Antropológia: Veda o človeku. * Etológia: Skúma správanie živočíchov v ich prirodzenom prostredí (Nobelova cena 1973: K. Lorenz, N. Tinbergen, K. Frisch). * Aplikované biologické vedy: Riešia praktické potreby spoločnosti (humánna a veterinárna medicína, agrobiológia, bionika). * Taxonomia (systematika): Zaoberá sa systematickým triedením organizmov (systematická botanika a zoológia).
Vedecké metódy: * Pokus (experiment): Od pozorovania sa líši aktívnym zasahovaním do prírodných dejov. * Eliminácia náhodných chýb: Vyžaduje viacnásobné opakovanie pokusov.

História biológie a významné osobnosti

Aristoteles: Zakladateľ zoológie ako vedy.
Carl Linné: Zakladateľ modernej systematiky, autor binomickej nomenklatúry (dvojslovného pomenovania).
Antoni van Leeuwenhoek: Zakladateľ mikrobiológie.
Robert Hooke: Prvýkrát pozoroval a pomenoval bunky.
M. J. Schleiden, T. Schwann, J. E. Purkyně: Nezávisle sformulovali bunkovú teóriu.
J. G. Mendel: Zakladateľ klasickej genetiky, objavil základné zákony dedičnosti na hrachu.
Ch. R. Darwin: Autor evolučnej teórie (prirodzený výber, premenlivosť).
J. Jesenius: Urobil prvú verejnú pitvu v Čechách.
J. Janský a K. Landsteiner: Prispeli k objavu krvných skupín.
Watson a Crick: V roku 1953 objavili štruktúru dvojzávitnicovej DNA (Nobelova cena 1962 spolu s Wilkinsom).
I. P. Pavlov a W. Harvey: Prispeli k rozvoju fyziológie (objav krvného obehu a podmienených reflexov).
L. Pasteur: Práca s mikroorganizmami, základy imunizácie.

Bunkový metabolizmus a energetika

Živé organizmy ako otvorené sústavy: Vymieňajú si s okolím látky, energiu a informácie.
Metabolizmus: Súhrn anabolických (syntéza zložitých látok, spotreba energie − endergonické) a katabolických dejov (rozklad zložitých látok, uvoľnenie energie − exergonické).
Energetické procesy: * Dýchanie: Katabolický proces, biologická oxidácia, exergonická reakcia. Konečné produkty sú $CO_2$ a $H_2O$ . * Fotosyntéza: Anabolický proces, asimilácia, endergonická reakcia. * Biologická oxidácia: Postupné štiepenie organických látok spojené s uvoľňovaním energie, prebieha aeróbne aj anaeróbne. * Aeróbne dýchanie: Úplná oxidácia organických látok za prítomnosti kyslíka. * Anaeróbna glykolýza: Prebieha v cytoplazme všetkých aktívnych buniek; z jednej molekuly glukózy vznikajú 2 molekuly ATP. * Aeróbna glykolýza: Výnos energie je viac ako 30 molekúl ATP.
ATP (Adenozíntrifosfát): Univerzálny prenášač energie v bunke. Energia je viazaná v chemických väzbách. Energetický metabolizmus prebieha v každej bunke samostatne.
Regulácia: * Homeostáza: Stálosť vnútorného prostredia organizmu. * Samoregulácia: Uplatňuje sa pomocou spätných väzieb.

Klasifikácia organizmov podľa výživy a štruktúry

Podľa príjmu uhlíka: * Autotrofné: Tvoria organické látky z anorganických, uhlík prijímajú vo forme $CO_2$ (zelené rastliny, sinice, chemoautotrofné baktérie). * Heterotrofné: Živia sa organickými látkami, uhlík prijímajú vo forme organických zlúčenín (živočíchy, huby, prvoky, nezelené rastliny).
Chemosyntéza: Využívanie chemickej energie na syntézu organických látok (charakteristické pre baktérie).
Organizácia tela: * Nebunkové organizmy: Vírusy. * Bunkové kolónie: Napr. váľač gúľavý ( $Volvox$ ). * Indivíduá vyššieho rádu: Spoločenstvá s anatomickou špecializáciou, ktoré nemôžu žiť samostatne (včelstvá, mraveniská).

Vírusy a Prokaryoty

Vírusy: * Nukleoproteínové častice bez vlastného metabolizmu. * Tvorené DNA alebo RNA a bielkovinovým plášťom (kapsid). * Sú to vnútrobunkové parazity; rozmnožovanie je viazané na hostiteľskú bunku. * Bakteriofágy: Vírusy napádajúce baktérie. * Onkovírusy: Spôsobujú vznik zhubných nádorov. * Ochorenia: Chrípka, hepatitída, AIDS (vírus HIV), osýpky, ovčie kiahne.
Baktérie: * Prokaryotické bunky (chýba jadrová membrána, mitochondrie, vakuoly). * Bunková stena obsahuje peptidoglykan. * Tvary: Bacily (tyčinky), koky (guľovité), streptokoky (retiazky), stafylokoky (strapce). * Genetický materiál: Jedna kruhová dvojreťazcová DNA (nukleoid) a menšie mimojadrové plazmidy. * Význam: Reducenty (mineralizácia), symbióza (v čreve produkujú vitamíny), priemyselné využitie (mliečne výrobky). * Ochorenia: Angína, tuberkulóza, salmonelóza, syfilis, kvapavka.
Archeóny: Jednobunkové prokaryoty žijúce v extrémnych podmienkach, predchodcovia baktérií.

Huby (Fungi)

Charakteristika: * Eukaryotické organizmy, nemajú chloroplasty. * Zásobná látka: Glykogén. * Bunková stena: Chitín. * Rozmnožovanie: Pohlavné (splynutie plazmy a jadier), nepohlavné (delenie, pučanie, výtrusy − konídiá).
Rozdelenie: * Vreckaté huby: Kvasinky, paplesne ( $Penicillium$ − antibiotiká), kyjanička purpurová (vytvára jedovatý námeľ). * Bazídiové huby: Sneti, hrdze, pečiarkotvaré.
Symbióza: * Mykoríza: Spolužitie húb s koreňmi vyšších rastlín. * Lichenizmus: Symbióza huby s riasou alebo sinicou (lišajníky).

Chemické zloženie živej hmoty

Prvky: * Makroprvky: $C, O, H, N, P, S$ . Kostrou organických látok je štvorväzbový uhlík. * Mikroprvky: $Mg$ (súčasť chlorofylu), $Fe$ (súčasť hemoglobínu), $Zn, Cu$ .
Voda v bunkách: Obsah závisí od veku (klesá starobou), metabolickej aktivity a typu orgánu.
Organické látky: * Sacharidy: Zdroj energie ( $škrob$ − rastliny, $glykogén$ − živočíchy a huby) a stavebná funkcia ( $celulóza, chitín$ ). * Lipidy: Stavba membrán, tepelná izolácia, bohatý zdroj energie. Tvoria prostredie pre vitamíny rozpustné v tukoch ( $A, D, E, K$ ). * Bielkoviny (Proteíny): Základná jednotka − aminokyseliny (20 druhov na proteosyntézu). Funkcie: stavebná, regulačná (hormóny), katalytická (enzýmy), obranná (imunita). * Nukleové kyseliny (DNA a RNA): Kódovanie a prenos genetickej informácie. Základná jednotka − nukleotid (dusíkatá báza, pentóza, $H_3PO_4$ ).

Cytológia - Stavba bunky

Membránové štruktúry: Jadro, mitochondrie, plastidy, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, vakuoly, lyzozómy.
Fibrilárne štruktúry: Cytoskelet (mikrotubuly, mikrofilamenty, intermediárne filamenty), brvy, bičíky, mitotický aparát, chromozómy.
Dvojitá membrána: Jadro, mitochondrie, plastidy (chloroplasty).
Ribozómy: Syntéza bielkovín, nachádzajú sa voľne alebo na drsnom endoplazmatickom retikule.
Mitochondrie: Energetické centrum bunky, prebieha v nich dýchanie a tvorba ATP.
Plastidy: Len v rastlinných bunkách (chloroplasty s tylakoidmi, leukoplasty, chromoplasty).
Vakuoly: Podmieňujú vnútrobunkový tlak, obsahujú zásobné látky a farbivá.
Cytoskelet: Dynamická kostra bunky (mikrofilamenty sú schopné kontrakcie, intermediárne filamenty majú spevňovaciu funkciu).
Endosymbiotická teória: Vysvetľuje vznik mitochondrií a chloroplastov z pôvodne samostatných prokaryotických organizmov.

Transport látok cez membrány

Pasívny transport (bez spotreby energie): * Difúzia: Rozptyl molekúl v smere koncentračného spádu (napr. $CO_2$ a $O_2$ v pľúcach). * Osmóza: Pohyb rozpúšťadla (vody) cez polopriepustnú membránu na miesto s vyššou koncentráciou rozpustenej látky.
Aktívny transport (vyžaduje energiu a prenášače): Transport proti koncentračnému spádu.
Endocytóza: Príjem látok spojený s prestavbou membrány (fagocytóza − pevné látky, pinocytóza − kvapaliny).
Osmotické javy: * Hypertonické prostredie: Vyššia koncentrácia ako v bunke; nastáva plazmolýza (zmrštenie bunky). * Hypotonické prostredie: Nižšia koncentrácia (napr. destilovaná voda); nastáva plazmoptýza (praskanie bunky − osmotická lýza). * Izotonické prostredie: Rovnaká koncentrácia.

Genetika a rozmnožovanie buniek

Bunkový cyklus: G1 fáza (rast), S fáza (replikácia DNA), G2 fáza (príprava na delenie), M fáza (mitóza/meióza).
Mitóza (nepriame delenie): Vzznikajú dve identické somatické bunky. * Profáza: Špiralizácia chromozómov, zánik jadierka, vznik deliaceho vretienka. * Metafáza: Usporiadanie chromozómov v centrálnej rovine. * Anafáza: Rozchod dcérskych chromatíd k pólom (mikrotubuly sa skracujú). * Telofáza: Dešpiralizácia, obnova jadra, cytokinéza (rozdelenie materskej bunky).
Meióza (redukčné delenie): Vznik haploidných pohlavných buniek ( $n$ ). * Heterotypické delenie (Meióza I): Redukcia počtu chromozómov. Prebieha crossing-over (prekríženie a výmena častí homologických chromozómov v profáze I). * Homeotypické delenie (Meióza II): Podobné mitóze.
Genogenetické pojmy: * Alela: Konkrétna forma génu. Lokus: Miesto génu na chromozóme. * Genotyp: Súbor alel. Fenotyp: Súbor znakov. * Znaky: Kvalitatívne (gény veľkého účinku) a kvantitatívne (polygény + prostredie). * Karyotyp človeka: 46 chromozómov (22 párov autozómov, 1 pár gonozómov − XX u ženy, XY u muža). * Dedičnosť krížom: Syn dedí znak viazaný na X od matky.

Genetické poruchy a mutácie

Génové mutácie: Substitúcia (zámena), delécia (strata), inzercia (vsunutie) nukleotidu.
Chromozómové mutácie: Napr. delécia (strata časti), inverzia.
Genómové mutácie (zmena počtu): * Aneuploidia: Chýba alebo prebýva chromozóm. * Trizómia 21: Downov syndróm. * Trizómia 18: Edwardsov syndróm. * Monozómia X (u žien): Turnerov syndróm. * XXY (u mužov): Klinefelterov syndróm.

Populácia a ekológia

Hardy-Weinbergov zákon: Pre panmiktické populácie (náhodné párenie) platí vzorec $p^2 + 2pq + q^2 = 1$ . Prenos genetickej informácie je v rovnováhe, ak sa nemení frekvencia alel.
Autogamia (samooplodnenie): Zvyšuje počet homozygotov, znižuje variabilitu.
Ekosystém: Súhrn abiotických (teplota, energia, voda, plyny) a biotických faktorov (iné organizmy).
Potravové vzťahy: * Primárne producenty: Zelené rastliny. * Konzumenty: Živočíchy (bylinožravce, mäsožravce). * Reducenty: Huby a baktérie (rozklad organickej hmoty).
Vzťahy medzi populáciami: * Konkurencia: Rovnaké nároky na priestor/potravu. * Symbióza: Vzájomne prospešné (mykoríza, lichenizmus). * Parazitizmus: Ektoparazity (kliešť, voš), endoparazity (pásomnica, svalovec). * Predácia: Dravec a korisť.
Ekologická valencia: Rozsah hodnôt od minima po maximum, ktoré druh toleruje. Stenoekné (nízka tolerancia), euryekné (vysoká tolerancia).
Sukcesia: Vývoj ekosystému (primárna − na holých skalách, sekundárna − na spálenisku).

Botanika

Pletivá: * Meristémy (delivé): Primárne (v rastových vrcholoch), sekundárne (kambium − hrubnutie, felogén). * Trváce: Parenchým (tenkostenné s medzibunkovými priestormi), kolenchým (rohovité zhrubnuté), sklerenchým (silne zhrubnuté − textilné vlákna). * Pokožkové útvary: Prieduchy (výmena plynov), hydatódy (vylučovanie vody), trichómy (chĺpky), emergencie (ostne).
Orgány: * Koreň: Prijíma vodu, upevňuje rastlinu. Homorízia (zväzkovitý), alorízia (hlavný s bočnými). * Stonka: Drží listy, vedie roztoky. Rozkonárovanie − strapcovité (dcérske neprerastú materskú) a vrcholíkovité. * List: Fotosyntéza. Bifaciálny (rôzny rub a líc) a monofaciálny. * Kvet: Okvetie (perigon) − nerozlíšený kvetný obal. Piestik má bliznu, čnelku a semenník.
Rozmnožovanie: * Gametofyt (n): Pohlavná generácia, tvorí gaméty v plemenníčkach ( $anterídiá$ ) a zárodočníkoch ( $archegóniá$ ). * Sporofyt (2n): Nepohlavná generácia, tvorí výtrusy vo výtrusniciach. * Dvojité oplodnenie (Magnóliorasty): Jedna spermatická bunka + vajcová bunka → zygota; druhá spermatická bunka + centrálne jadro → triploidný endosperm.

Zoológia

Embryológia: Zygota → Morula → Blastula → Gastrula.
Bezstavovce: * Hubky ( $Porifera$ ): Golierikovité bunky (choanocyty), vnútrobunkové trávenie. * Pŕhlivce ( $Cnidaria$ ): Štádium polypa a medúzy. Gastrovaskulárna sústava. * Ploskavce ( $Plathelminthes$ ): Bilaterálna súmernosť, parazity (pásomnice − nemajú tráviacu sústavu). * Mäkkýše ( $Mollusca$ ): Telo z troch vrstiev, majú célom. * Článkonožce ( $Arthropoda$ ): Klepietkavce ( $chelicery, pedipalpy, 4 páry nôh$ ), kôrovce, hmyz ( $hlava, hruď, bruško$ ).
Stavovce ( $Vertebrata$ ): * Kruhoústnice: Bez čeľustí ( $mihule$ ). * Drsnokožce: Chrupková kostra, nemajú plávací mechúr, Lorenziniho ampule ( $žraloky$ ). * Ryby: Kostená kostra, bočná čiara ( $mechanoreceptor$ ), žiabre. * Amfíbia (Obojživelníky): Larva žiabre, dospelý pľúca a koža. Majú kloaku a Jacobsonov orgán. * Amniota (Blanovce): Plazy, vtáky, cicavce. Majú zárodočné obaly (amnion, alantois, seróza). * Vtáky ( $Aves$ ): Letky, obrysové perie, páperie. Hrebeň na prsnej kosti, hrvoľ, dva žalúdky. * Cicavce ( $Mammalia$ ): Mliečne žľazy, srsť, bránica, štvordielne srdce.

Fyziológia človeka

Oporná sústava: Celkom 206 kostí. Lebka (mozgová a tvárová časť). Najzložitejší kĺb: kolenný (obsahuje menisky).
Svalová sústava: Kontrakcia vďaka aktínu a myozínu. Najdlhší sval: krajčírsky sval. Svalový tonus − pokojové napätie.
Obehová sústava: Malý pľúcny a veľký telový obeh. Srdce: pravá predsieň/komora (odkysličená), ľavá predsieň/komora (okysličená). Chlopne: trojcípa (pravá), dvojcípa/mitrálna (ľavá).
Krv: Krvná plazma (91-92 % vody), erytrocyty (prenos $O_2$ cez hemoglobin, životnosť 120 dní), leukocyty (imunita), trombocyty (zrážanie).
Dýchacia sústava: Horné a dolné cesty, alveoly (výmena plynov difúziou). Vitálna kapacita pľúc sa meria spirometrom.
Tráviaca sústava: Ústna dutina (ptyalín), žalúdok (HCL, pepsín, chymozín, mucín), tenké črevo (najintenzívnejšie vstrebávanie), pečeň (tvorba žlče − emulgácia tukov), pankreas (tráviace enzýmy a hormóny).
Vylučovacia sústava: Nefrón (základná jednotka). Glomerulárna filtrácia (prvotný moč) → spätná resorpcia v kanálikoch (definitívny moč).
Nervová sústava: Neurón (telo, dendrity, neurit/axón so synapsiou). CNS (mozog a miecha) − centrum dýchania v predĺženej mieche, koordinácia v mozočku.
Endokrinná sústava: * Hypofýza: Somatotropný (rastový), tyreotropný, gonadotropné hormóny. * Štítna žľaza: Tyroxín. * Pankreas: Inzulín (znižuje glukózu), glukagón (zvyšuje glukózu). * Nadobličky: Adrenalín (stres), kortikoidy.

Základy chémie

Atóm: Skladá sa z jadra (protóny, neutróny) a obalu (elektróny).
Nuklidy: Látky s rovnakým protónovým aj nukleónovým číslom.
Izotopy: Nuklidy s rovnakým protónovým číslo, ale rôznym počtom neutrónov (napr. $^1_1H, ^2_1H, ^3_1H$ ).
Zmesi: Rovnorodé (pravé roztoky − častice < 1 nm) a rôznorodé (suspenzia, emulzia, aerosól, pena).
Relatívna atómová hmotnosť ( $A_r$ ): Udáva, koľkokrát je atóm ťažší ako $1/12$ hmotnosti nuklidu $^{12}C$ .
Látkové množstvo: Jednotka mol. $1 mol = 6,022 \times 10^{23}$ častíc.

Kvantová chémia a Periodická sústava

Kvantové čísla: * Hlavné ( $n$ ): Určuje energiu a hladinu (1, 2, 3…). * Vedľajšie ( $l$ ): Určuje tvar orbitálu (0 až $n-1$ ; s, p, d, f). * Magnetické ( $m$ ): Orientácia orbitálu ( $-l$ až $+l$ ). * Spinové ( $s$ ): Rotácia elektrónu.
Pravidlá obsadzovania: Výstavbový princíp (stúpajúca energia), Pauliho princíp (v orbitále max. 2 elektróny s opačným spinom), Hundovo pravidlo (najskôr po jednom, potom spárovať).
Periodické trendy: * Elektronegativita a ionizačná energia: Stúpajú v perióde zľava doprava, klesajú v skupine zhora nadol. * Redukčné účinky: Najväčšie u alkalických kovov (I.A). * Oxidačné účinky: Najväčšie u halogénov (VII.A).

Anorganická chémia

Oxidy: Kyselinotvorné ( $CO_2, SO_3$ ), zásadotvorné ( $CaO, BaO$ ), amfotérne ( $Al_2O_3$ ).
Tvrdosť vody: Prechodná (hydrogénuhličitany $Ca, Mg$ − odstrániteľná varom), trvalá (sírany − odstrániteľná sódou $Na_2CO_3$ ).
Koncentrovaná $H_2SO_4$ : Silná kyselina, hygroskopická, silné oxidačné účinky.
Amoniak ( $NH_3$ ): Zásaditý charakter, tvorí amónne soli.
Komplexné zlúčeniny: Obsahujú centrálny atóm (akceptor e-páru) a ligandy (donory e-páru).

Fyzikálna chémia

Termochémia: * Exotermická: Teplo sa uvoľňuje ( $ΔH < 0$ ), produkty sú stabilnejšie. * Endotermická: Teplo sa spotrebúva ( $ΔH > 0$ ). * Hessov zákon: Reakčné teplo závisí len od počiatočného a koncového stavu.
Kinetika: * Rýchlosť závisí od koncentrácie reaktantov a teploty (Arrhenius: zvýšenie o $10 ^∘C$ zvýši rýchlosť 2--4 krát). * Katalyzátor: Znižuje aktivačnú energiu.
Chemická rovnováha: Stav, kedy je rýchlosť priamej a spätnej reakcie rovnaká. Ovplyvňuje ju tlak (len pri plynoch), teplota a koncentrácia (Le Chatelierov princíp).

Kyseliny a zásady (Protolytické reakcie)

Arrhenius: Kyselina odštiepi $H^+$ , zásada vytvorí $OH^-$ .
Brönsted-Lowry: Kyselina je donor protónu, zásada je akceptor protónu.
Autoprotolýza vody: $2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$ . Iónový súčin vody $K_v = 10^{-14}$ pri $25 ^∘C$ .
pH: Mirka kyslosti. $pH < 7$ (kyslé), $pH = 7$ (neutrálne), $pH > 7$ (zásadité). $pH = -\text{log}[H_3O^+]$ .
Hydrolýza solí: Reakcia iónov soli s vodou, mení pH roztoku.

Organická chémia

Izoméria: * Konštitučná: Iné poradie väzieb (napr. etanol a dimetyléter). * Cis-/trans- (geometrická): Podmienená dvojitou väzbou (napr. kyselina maleínová a fumarová). * Optická (Enantioméria): Podmienená chirálnym uhlíkom (4 rôzne substituenty).
Uhľovodíky: * Alkány: Reagujú radikálovou substitúciou ( $S_R$ ). * Alkény/Alkíny: Reagujú elektrofilnou adíciou ( $A_E$ ) podľa Markovnikovho pravidla. * Arény (Benzén): Reagujú elektrofilnou substitúciou ( $S_E$ − nitrácia, sulfonácia, halogenácia).
Deriváty: * Hydroxyderiváty: Alkoholy a fenoly (fenoly sú kyslejšie vďaka konjugácii). Oxidáciou primárnych alkoholov vzniká aldehyd, sekundárnych ketón. * Karbonylové zlúčeniny: Aldehydy (Tollensovo strieborné zrkadlo, Fehlingovo činidlo) a ketóny (acetón). * Karboxylové kyseliny: Obsahujú skupinu $-COOH$ . Kyselina mravčia má redukčné účinky. Esterifikácia: Kyselina + alkohol → ester + voda. * Heterocykly: Pyrol (hemoglobín), Pyridín (zásaditý), Pyrimidín a Purín (bázy nukleových kyselín).

Biochémia

Lipidy: Triacylglyceroly (estery glycerolu a mastných kyselín). Zmydelňovanie: Zásaditá hydrolýza lipidov za vzniku mydla.
Sacharidy: * Monosacharidy: Glukóza, fruktóza. * Disacharidy: Sacharóza (neredukujúca), laktóza, maltóza. * Polysacharidy: Škrob, glykogén, celulóza.
Enzýmy: Biokatalyzátory. Účinková a substrátová špecifickosť.
Proteosyntéza: * Replikácia: Zdvojenie DNA ( $S-fáza$ ). * Transkripcia: Prepis DNA do mRNA (v jadre). * Translácia: Preklad mRNA do proteínu (v ribozómoch na základe kodónov). * Genetický kód je degenerovaný: Jednu aminokyselinu kóduje viac kodónov. Iniciačný kodón: AUG.