Na konci 19. století vznikl obor biologie zvaný biochemie. Studuje chemické složení živé buňky. Hlavním úkolem vědy je znalost vlastností metabolismu a energie, které regulují životně důležitou činnost rostlinných a živočišných buněk.
Koncept chemického složení buňky
Výsledkem pečlivého výzkumu vědci studovali chemickou organizaci buněk a zjistili, že živé bytosti mají ve svém složení více než 85 chemických prvků. Některé z nich jsou navíc povinné pro téměř všechny organismy, zatímco jiné jsou specifické a nacházejí se u konkrétních biologických druhů. A třetí skupina chemických prvků je přítomna v buňkách mikroorganismů, rostlin a zvířat v poměrně malých množstvích. Buňky obsahují chemické prvky nejčastěji ve formě kationtů a aniontů, ze kterých se tvoří minerální soli, voda a syntetizují se organické sloučeniny obsahující uhlík: sacharidy, bílkoviny, lipidy.
Organogenní prvky
V biochemii sem patří uhlík, vodík,kyslík a dusík. Jejich celkový obsah v buňce je od 88 do 97 % ostatních chemických prvků v buňce. Zvláště důležitý je uhlík. Všechny organické látky ve složení buňky jsou složeny z molekul obsahujících ve svém složení atomy uhlíku. Jsou schopny se vzájemně propojovat, vytvářet řetězce (rozvětvené i nerozvětvené), stejně jako cykly. Tato schopnost atomů uhlíku je základem úžasné rozmanitosti organických látek, které tvoří cytoplazmu a buněčné organely.
Například vnitřní obsah buňky tvoří rozpustné oligosacharidy, hydrofilní proteiny, lipidy, různé typy ribonukleových kyselin: transferová RNA, ribozomální RNA a messenger RNA a také volné monomery – nukleotidy. Buněčné jádro má podobné chemické složení. Obsahuje také molekuly deoxyribonukleové kyseliny, které jsou součástí chromozomů. Všechny výše uvedené sloučeniny obsahují atomy dusíku, uhlíku, kyslíku, vodíku. To je důkazem jejich obzvláště důležitého významu, protože chemická organizace buněk závisí na obsahu organogenních prvků, které tvoří buněčné struktury: hyaloplazma a organely.
Makroprvky a jejich význam
Chemické prvky, které jsou také velmi běžné v buňkách různých typů organismů, se v biochemii nazývají makroživiny. Jejich obsah v buňce je 1,2 % - 1,9 %. Mezi makroprvky buňky patří: fosfor, draslík, chlor, síra, hořčík, vápník, železo a sodík. Všechny plní důležité funkce a jsou součástí různýchbuněčné organely. Železný iont je tedy přítomen v krevní bílkovině – hemoglobinu, který přenáší kyslík (v tomto případě se nazývá oxyhemoglobin), oxid uhličitý (karbohemoglobin) nebo oxid uhelnatý (karboxyhemoglobin).
Ionty sodíku zajišťují nejdůležitější typ mezibuněčného transportu: takzvanou sodíkovo-draslíkovou pumpu. Jsou také součástí intersticiální tekutiny a krevní plazmy. Ionty hořčíku jsou přítomny v molekulách chlorofylu (fotopigment vyšších rostlin) a účastní se procesu fotosyntézy, protože tvoří reakční centra, která zachycují fotony světelné energie.
Ionty vápníku zajišťují vedení nervových vzruchů podél vláken a jsou také hlavní složkou osteocytů – kostních buněk. Sloučeniny vápníku jsou široce rozšířeny ve světě bezobratlých, jejichž schránky se skládají z uhličitanu vápenatého.
Ionty chlóru se podílejí na dobíjení buněčných membrán a zajišťují výskyt elektrických impulsů, které jsou základem nervové excitace.
Atomy síry jsou součástí nativních proteinů a určují jejich terciární strukturu „zesíťováním“polypeptidového řetězce, což vede k vytvoření molekuly globulárního proteinu.
Ionty draslíku se podílejí na transportu látek přes buněčné membrány. Atomy fosforu jsou součástí tak důležité energeticky náročné látky, jako je kyselina adenosintrifosforečná, a jsou také důležitou součástí molekul deoxyribonukleové a ribonukleové kyseliny, které jsou hlavními látkami buněčné dědičnosti.
Funkce stopových prvků v buňcemetabolismus
Zhruba 50 chemických prvků, které tvoří méně než 0,1 % v buňkách, se nazývá stopové prvky. Patří sem zinek, molybden, jód, měď, kob alt, fluor. S nepatrným obsahem plní velmi důležité funkce, protože jsou součástí mnoha biologicky aktivních látek.
Například atomy zinku se nacházejí v molekulách inzulínu (hormon slinivky břišní, který reguluje hladinu glukózy v krvi), jód je nedílnou součástí hormonů štítné žlázy – tyroxinu a trijodtyroninu, které řídí hladinu metabolismu v tělo. Měď se spolu s ionty železa podílí na krvetvorbě (tvorbě erytrocytů, krevních destiček a leukocytů v červené kostní dřeni obratlovců). Ionty mědi jsou součástí hemokyaninového pigmentu přítomného v krvi bezobratlých, jako jsou měkkýši. Proto je barva jejich hemolymfy modrá.
Ještě méně obsahu v buňce chemických prvků, jako je olovo, zlato, brom, stříbro. Říká se jim ultramikroelementy a jsou součástí rostlinných a živočišných buněk. Například ionty zlata byly detekovány v kukuřičných zrnech chemickou analýzou. Atomy bromu jsou ve velkém množství součástí buněk stélku hnědých a červených řas, jako je sargassum, chaluha, fucus.
Všechny výše uvedené příklady a fakta vysvětlují, jak jsou chemické složení, funkce a struktura buňky propojeny. Níže uvedená tabulka ukazuje obsah různých chemických prvků v buňkách živých organismů.
Obecná charakteristika organických látek
Chemické vlastnosti buněk různých skupin organismů určitým způsobem závisí na atomech uhlíku, jejichž podíl tvoří více než 50 % buněčné hmoty. Téměř veškerou sušinu buňky představují sacharidy, bílkoviny, nukleové kyseliny a lipidy, které mají složitou strukturu a velkou molekulovou hmotnost. Takové molekuly se nazývají makromolekuly (polymery) a skládají se z jednodušších prvků – monomerů. Proteinové látky hrají mimořádně důležitou roli a plní mnoho funkcí, o kterých bude pojednáno níže.
Role proteinů v buňce
Biochemická analýza sloučenin, které tvoří živou buňku, potvrzuje vysoký obsah organických látek, jako jsou bílkoviny. Tato skutečnost má logické vysvětlení: proteiny plní různé funkce a podílejí se na všech projevech buněčného života.
Například ochrannou funkcí bílkovin je tvorba protilátek – imunoglobulinů produkovaných lymfocyty. Ochranné proteiny jako trombin, fibrin a tromboblastin zajišťují srážení krve a zabraňují její ztrátě při poraněních a ranách. Složení buňky zahrnuje komplexní proteiny buněčných membrán, které mají schopnost rozpoznávat cizorodé sloučeniny - antigeny. Změní svou konfiguraci a informují buňku o potenciálním nebezpečí (funkce signalizace).
Některé proteiny mají regulační funkci a jsou to hormony, například oxytocin produkovaný hypotalamem je rezervován hypofýzou. Od toho dokrve, působí oxytocin na svalové stěny dělohy a způsobuje její stažení. Protein vazopresin má také regulační funkci, řídí krevní tlak.
Ve svalových buňkách jsou aktin a myosin, které se mohou stahovat, což určuje motorickou funkci svalové tkáně. Bílkoviny mají i trofickou funkci, např. albumin využívá embryo jako živinu pro svůj vývoj. Krevní bílkoviny různých organismů, jako je hemoglobin a hemocyanin, nesou molekuly kyslíku – plní transportní funkci. Pokud jsou energeticky náročnější látky jako sacharidy a lipidy plně využity, buňka přistoupí k štěpení bílkovin. Jeden gram této látky dává 17,2 kJ energie. Jedna z nejdůležitějších funkcí proteinů je katalytická (enzymové proteiny urychlují chemické reakce probíhající v kompartmentech cytoplazmy). Na základě výše uvedeného jsme byli přesvědčeni, že proteiny plní mnoho velmi důležitých funkcí a jsou nezbytně součástí živočišné buňky.
Biosyntéza bílkovin
Zvažte proces syntézy proteinů v buňce, který probíhá v cytoplazmě pomocí organel, jako jsou ribozomy. Díky aktivitě speciálních enzymů, za účasti vápenatých iontů, se ribozomy spojují do polysomů. Hlavní funkce ribozomů v buňce jsou syntéza molekul bílkovin, která začíná procesem transkripce. V důsledku toho jsou syntetizovány molekuly mRNA, na které jsou připojeny polysomy. Poté začíná druhý proces – překlad. Přeneste RNAkombinovat s dvaceti různými typy aminokyselin a přivést je do polyzomů, a protože funkcemi ribozomů v buňce je syntéza polypeptidů, tvoří tyto organely komplexy s tRNA a molekuly aminokyselin se na sebe vážou peptidovými vazbami a vytvářejí makromolekula proteinu.
Role vody v metabolických procesech
Cytologické studie potvrdily skutečnost, že buňka, jejíž strukturu a složení studujeme, obsahuje v průměru 70 % vody a u mnoha živočichů vedoucích vodní způsob života (například coelenteráty) obsah dosahuje 97-98 %. S ohledem na to zahrnuje chemická organizace buněk hydrofilní (schopné rozpouštění) a hydrofobní (vodu odpuzující) látky. Voda jako univerzální polární rozpouštědlo hraje výjimečnou roli a přímo ovlivňuje nejen funkce, ale i samotnou strukturu buňky. Níže uvedená tabulka ukazuje obsah vody v buňkách různých typů živých organismů.
Funkce sacharidů v buňce
Jak jsme již dříve zjistili, sacharidy jsou také důležité organické látky – polymery. Patří sem polysacharidy, oligosacharidy a monosacharidy. Sacharidy jsou součástí složitějších komplexů – glykolipidů a glykoproteinů, ze kterých se budují buněčné membrány a nadmembránové struktury, např. glykokalyx.
Kromě uhlíku obsahují sacharidy atomy kyslíku a vodíku a některé polysacharidy obsahují také dusík, síru a fosfor. V rostlinných buňkách je mnoho sacharidů: hlízy bramborobsahují až 90 % škrobu, semena a plody obsahují až 70 % sacharidů a v živočišných buňkách se nacházejí ve formě sloučenin, jako je glykogen, chitin a trehalóza.
Jednoduché cukry (monosacharidy) mají obecný vzorec CnH2nOn a dělí se na tetrózy, triózy, pentózy a hexózy. Poslední dvě jsou nejčastější v buňkách živých organismů, např. ribóza a deoxyribóza jsou součástí nukleových kyselin a glukóza a fruktóza se účastní asimilačních a disimilačních reakcí. Oligosacharidy se často nacházejí v rostlinných buňkách: sacharóza je uložena v buňkách cukrové řepy a cukrové třtiny, m altóza se nachází v naklíčených zrnech žita a ječmene.
Disacharidy mají sladkou chuť a dobře se rozpouštějí ve vodě. Polysacharidy, které jsou biopolymery, jsou zastoupeny především škrobem, celulózou, glykogenem a laminarinem. Chitin patří mezi strukturní formy polysacharidů. Hlavní funkcí sacharidů v buňce je energie. V důsledku hydrolýzy a reakcí energetického metabolismu se polysacharidy štěpí na glukózu a ta se pak oxiduje na oxid uhličitý a vodu. Výsledkem je, že jeden gram glukózy uvolní 17,6 kJ energie a zásoby škrobu a glykogenu jsou ve skutečnosti rezervoárem buněčné energie.
Glykogen se ukládá hlavně ve svalové tkáni a jaterních buňkách, rostlinný škrob v hlízách, cibulích, kořenech, semenech au členovců, jako jsou pavouci, hmyz a korýši, oligosacharid trehalóza hraje hlavní roli v zásobování energií.
Sacharidyse od lipidů a proteinů liší schopností bezkyslíkatého štěpení. To je nesmírně důležité pro organismy, které žijí v podmínkách nedostatku nebo nepřítomnosti kyslíku, jako jsou anaerobní bakterie a helminti - parazité lidí a zvířat.
V buňce mají sacharidy další funkci – stavební (strukturální). Spočívá v tom, že tyto látky jsou nosnými strukturami buněk. Například celulóza je součástí buněčných stěn rostlin, chitin tvoří vnější kostru mnoha bezobratlých a nachází se v buňkách hub, olisacharidy spolu s molekulami lipidů a bílkovin tvoří glykokalyx - epimembránový komplex. Poskytuje adhezi - adhezi živočišných buněk k sobě, což vede k tvorbě tkání.
Lipidy: struktura a funkce
Tyto organické látky, které jsou hydrofobní (nerozpustné ve vodě), lze extrahovat, tj. extrahovat z buněk, pomocí nepolárních rozpouštědel, jako je aceton nebo chloroform. Funkce lipidů v buňce závisí na tom, do které ze tří skupin patří: tuky, vosky nebo steroidy. Tuky jsou nejhojnější ve všech typech buněk.
Zvířata je hromadí v podkožní tukové tkáni, nervová tkáň obsahuje tuk ve formě myelinových pochev nervů. Hromadí se také v ledvinách, játrech, u hmyzu – v tukovém těle. Tekuté tuky - oleje - se nacházejí v semenech mnoha rostlin: cedr, arašíd, slunečnice, oliva. Obsah lipidů v buňkách se pohybuje od 5 do 90 % (v tukové tkáni).
Steroidy a voskyse od tuků liší tím, že ve svých molekulách neobsahují zbytky mastných kyselin. Takže steroidy jsou hormony kůry nadledvin, které ovlivňují pubertu těla a jsou součástí testosteronu. Nacházejí se také ve vitamínech (jako je vitamín D).
Hlavní funkce lipidů v buňce jsou energetické, stavební a ochranné. První je způsoben tím, že 1 gram tuku při štípání dává 38,9 kJ energie – mnohem více než jiné organické látky – bílkoviny a sacharidy. Navíc se při oxidaci 1 g tuku uvolní téměř 1,1 g. voda. Některá zvířata, mající v těle zásobu tuku, proto mohou být delší dobu bez vody. Například gophery mohou hibernovat déle než dva měsíce, aniž by potřebovaly vodu, a velbloud nepije vodu při přechodu pouští po dobu 10–12 dní.
Stavební funkcí lipidů je, že jsou nedílnou součástí buněčných membrán a jsou také součástí nervů. Ochranná funkce lipidů spočívá v tom, že tuková vrstva pod kůží kolem ledvin a dalších vnitřních orgánů je chrání před mechanickým poškozením. Specifická tepelně izolační funkce je vlastní zvířatům, která jsou ve vodě dlouhou dobu: velryby, tuleni, tuleni. Silná vrstva podkožního tuku, například u modré velryby, je 0,5 m, chrání zvíře před podchlazením.
Význam kyslíku v buněčném metabolismu
Aerobní organismy, mezi které patří velká většina zvířat, rostlin a lidí, využívají vzdušný kyslík pro reakce energetického metabolismu,vedoucí k rozkladu organických látek a uvolnění určitého množství energie nashromážděné ve formě molekul kyseliny adenosintrifosforečné.
Při kompletní oxidaci jednoho molu glukózy, ke které dochází na kristách mitochondrií, se tedy uvolní 2800 kJ energie, z toho 1596 kJ (55 %) je uloženo ve formě molekul ATP obsahujících makroergní vazby. Hlavní funkcí kyslíku v buňce je tedy provádění aerobního dýchání, které je založeno na skupině enzymatických reakcí tzv. dýchacího řetězce, probíhajících v buněčných organelách – mitochondriích. U prokaryotických organismů - fototrofních bakterií a sinic - dochází k oxidaci živin působením kyslíku difundujícího do buněk na vnitřních výrůstcích plazmatických membrán.
Studovali jsme chemickou organizaci buněk, stejně jako procesy biosyntézy bílkovin a funkci kyslíku v buněčném energetickém metabolismu.
