Koncom 19. storočia vznikol odbor biológie s názvom biochémia. Študuje chemické zloženie živej bunky. Hlavnou úlohou vedy je poznanie charakteristík metabolizmu a energie, ktoré regulujú životnú aktivitu rastlinných a živočíšnych buniek.
Koncept chemického zloženia bunky
Výsledkom starostlivého výskumu vedci študovali chemickú organizáciu buniek a zistili, že živé bytosti majú vo svojom zložení viac ako 85 chemických prvkov. Niektoré z nich sú navyše povinné pre takmer všetky organizmy, zatiaľ čo iné sú špecifické a nachádzajú sa v konkrétnych biologických druhoch. A tretia skupina chemických prvkov je prítomná v bunkách mikroorganizmov, rastlín a zvierat v pomerne malých množstvách. Bunky obsahujú chemické prvky najčastejšie vo forme katiónov a aniónov, z ktorých vznikajú minerálne soli, voda a syntetizujú sa organické zlúčeniny obsahujúce uhlík: sacharidy, bielkoviny, lipidy.
Organogénne prvky
V biochémii sem patria uhlík, vodík,kyslík a dusík. Ich celkový obsah v bunke je od 88 do 97 % ostatných chemických prvkov v nej. Dôležitý je najmä uhlík. Všetky organické látky v zložení bunky sú zložené z molekúl obsahujúcich vo svojom zložení atómy uhlíka. Sú schopné sa navzájom spájať, vytvárať reťazce (rozvetvené a nerozvetvené), ako aj cykly. Táto schopnosť atómov uhlíka je základom úžasnej rozmanitosti organických látok, ktoré tvoria cytoplazmu a bunkové organely.
Napríklad vnútorný obsah bunky tvoria rozpustné oligosacharidy, hydrofilné proteíny, lipidy, rôzne typy ribonukleových kyselín: transferová RNA, ribozomálna RNA a messengerová RNA, ako aj voľné monoméry – nukleotidy. Bunkové jadro má podobné chemické zloženie. Obsahuje tiež molekuly deoxyribonukleovej kyseliny, ktoré sú súčasťou chromozómov. Všetky vyššie uvedené zlúčeniny obsahujú atómy dusíka, uhlíka, kyslíka, vodíka. To je dôkazom ich mimoriadne dôležitého významu, pretože chemická organizácia buniek závisí od obsahu organogénnych prvkov, ktoré tvoria bunkové štruktúry: hyaloplazma a organely.
Makro prvky a ich význam
Chemické prvky, ktoré sú tiež veľmi bežné v bunkách rôznych druhov organizmov, sa v biochémii nazývajú makroživiny. Ich obsah v bunke je 1,2 % – 1,9 %. Medzi makroprvky bunky patria: fosfor, draslík, chlór, síra, horčík, vápnik, železo a sodík. Všetky plnia dôležité funkcie a sú súčasťou rôznychbunkové organely. Železný ión je teda prítomný v krvnom proteíne - hemoglobíne, ktorý prenáša kyslík (v tomto prípade sa nazýva oxyhemoglobín), oxid uhličitý (karbohemoglobín) alebo oxid uhoľnatý (karboxyhemoglobín).
Ióny sodíka zabezpečujú najdôležitejší typ medzibunkového transportu: takzvanú sodíkovo-draslíkovú pumpu. Sú tiež súčasťou intersticiálnej tekutiny a krvnej plazmy. Ióny horčíka sú prítomné v molekulách chlorofylu (fotopigment vyšších rastlín) a podieľajú sa na procese fotosyntézy, pretože vytvárajú reakčné centrá zachytávajúce fotóny svetelnej energie.
Vápnikové ióny zabezpečujú vedenie nervových vzruchov pozdĺž vlákien a sú tiež hlavnou zložkou osteocytov – kostných buniek. Zlúčeniny vápnika sú široko rozšírené vo svete bezstavovcov, ktorých schránky sú zložené z uhličitanu vápenatého.
Ióny chlóru sa podieľajú na nabíjaní bunkových membrán a zabezpečujú výskyt elektrických impulzov, ktoré sú základom nervovej excitácie.
Atómy síry sú súčasťou natívnych proteínov a určujú ich terciárnu štruktúru „zosieťovaním“polypeptidového reťazca, čo vedie k vytvoreniu globulárnej proteínovej molekuly.
Draselné ióny sa podieľajú na transporte látok cez bunkové membrány. Atómy fosforu sú súčasťou takej dôležitej energeticky náročnej látky, akou je kyselina adenozíntrifosforečná, a sú tiež dôležitou zložkou molekúl kyseliny deoxyribonukleovej a ribonukleovej, ktoré sú hlavnými látkami bunkovej dedičnosti.
Funkcie stopových prvkov v bunkemetabolizmus
Približne 50 chemických prvkov, ktoré tvoria menej ako 0,1 % v bunkách, sa nazývajú stopové prvky. Patria sem zinok, molybdén, jód, meď, kob alt, fluór. S nepatrným obsahom plnia veľmi dôležité funkcie, keďže sú súčasťou mnohých biologicky aktívnych látok.
Napríklad atómy zinku sa nachádzajú v molekulách inzulínu (hormón pankreasu, ktorý reguluje hladinu glukózy v krvi), jód je integrálnou súčasťou hormónov štítnej žľazy - tyroxínu a trijódtyronínu, ktoré riadia úroveň metabolizmu v telo. Meď sa spolu s iónmi železa podieľa na hematopoéze (tvorbe erytrocytov, krvných doštičiek a leukocytov v červenej kostnej dreni stavovcov). Ióny medi sú súčasťou hemokyanínového pigmentu prítomného v krvi bezstavovcov, ako sú mäkkýše. Preto je farba ich hemolymfy modrá.
Ešte menší obsah v bunke chemických prvkov ako olovo, zlato, bróm, striebro. Nazývajú sa ultramikroelementy a sú súčasťou rastlinných a živočíšnych buniek. Napríklad ióny zlata boli detegované v zrnách kukurice chemickou analýzou. Atómy brómu sú vo veľkých množstvách súčasťou buniek talu hnedých a červených rias, ako sú sargassum, chaluha, fucus.
Všetky vyššie uvedené príklady a fakty vysvetľujú, ako je chemické zloženie, funkcie a štruktúra bunky vzájomne prepojené. Nižšie uvedená tabuľka zobrazuje obsah rôznych chemických prvkov v bunkách živých organizmov.
Všeobecná charakteristika organických látok
Chemické vlastnosti buniek rôznych skupín organizmov určitým spôsobom závisia od atómov uhlíka, ktorých podiel predstavuje viac ako 50 % bunkovej hmoty. Takmer všetku sušinu bunky predstavujú sacharidy, bielkoviny, nukleové kyseliny a lipidy, ktoré majú zložitú štruktúru a veľkú molekulovú hmotnosť. Takéto molekuly sa nazývajú makromolekuly (polyméry) a pozostávajú z jednoduchších prvkov - monomérov. Proteínové látky zohrávajú mimoriadne dôležitú úlohu a plnia mnoho funkcií, o ktorých sa bude diskutovať nižšie.
Úloha bielkovín v bunke
Biochemická analýza zlúčenín, ktoré tvoria živú bunku, potvrdzuje vysoký obsah takých organických látok, ako sú bielkoviny. Táto skutočnosť má logické vysvetlenie: proteíny vykonávajú rôzne funkcie a podieľajú sa na všetkých prejavoch bunkového života.
Napríklad ochrannou funkciou bielkovín je tvorba protilátok – imunoglobulínov produkovaných lymfocytmi. Ochranné proteíny ako trombín, fibrín a tromboblastín zabezpečujú zrážanie krvi a zabraňujú jej strate pri poraneniach a ranách. Zloženie bunky zahŕňa komplexné proteíny bunkových membrán, ktoré majú schopnosť rozpoznávať cudzie zlúčeniny - antigény. Zmenia svoju konfiguráciu a informujú bunku o potenciálnom nebezpečenstve (funkcia signalizácie).
Niektoré proteíny majú regulačnú funkciu a sú to hormóny, napríklad oxytocín produkovaný hypotalamom je rezervovaný hypofýzou. Od toho dokrvi, pôsobí oxytocín na svalové steny maternice a spôsobuje jej stiahnutie. Proteín vazopresín má tiež regulačnú funkciu, kontroluje krvný tlak.
V svalových bunkách sú aktín a myozín, ktoré sa môžu sťahovať, čo určuje motorickú funkciu svalového tkaniva. Bielkoviny majú aj trofickú funkciu, napríklad albumín využíva embryo ako živinu pre svoj vývoj. Krvné bielkoviny rôznych organizmov, ako je hemoglobín a hemocyanín, nesú molekuly kyslíka – plnia transportnú funkciu. Ak sú energeticky náročnejšie látky ako sacharidy a lipidy plne využité, bunka pristúpi k rozkladu bielkovín. Jeden gram tejto látky dáva 17,2 kJ energie. Jedna z najdôležitejších funkcií proteínov je katalytická (enzýmové proteíny urýchľujú chemické reakcie prebiehajúce v kompartmentoch cytoplazmy). Na základe vyššie uvedeného sme boli presvedčení, že proteíny plnia mnoho veľmi dôležitých funkcií a sú nevyhnutne súčasťou živočíšnej bunky.
Biosyntéza bielkovín
Uvažujme o procese syntézy bielkovín v bunke, ktorý prebieha v cytoplazme pomocou organel, ako sú ribozómy. Vďaka aktivite špeciálnych enzýmov, za účasti iónov vápnika, sa ribozómy spájajú do polyzómov. Hlavnými funkciami ribozómov v bunke sú syntéza proteínových molekúl, ktorá začína procesom transkripcie. V dôsledku toho sa syntetizujú molekuly mRNA, ku ktorým sú pripojené polyzómy. Potom začína druhý proces – preklad. Preneste RNAkombinujú sa s dvadsiatimi rôznymi typmi aminokyselín a privádzajú ich do polyzómov, a keďže funkciami ribozómov v bunke je syntéza polypeptidov, tieto organely tvoria komplexy s tRNA a molekuly aminokyselín sa navzájom viažu peptidovými väzbami a vytvárajú makromolekula proteínu.
Úloha vody v metabolických procesoch
Cytologické štúdie potvrdili skutočnosť, že bunka, ktorej štruktúru a zloženie študujeme, obsahuje v priemere 70 % vody a u mnohých živočíchov vedúcich vodný spôsob života (napríklad coelenteráty) obsah dosahuje 97-98 %. S ohľadom na to zahŕňa chemická organizácia buniek hydrofilné (schopné rozpúšťania) a hydrofóbne (vodu odpudzujúce) látky. Voda ako univerzálne polárne rozpúšťadlo zohráva výnimočnú úlohu a priamo ovplyvňuje nielen funkcie, ale aj samotnú štruktúru bunky. Nasledujúca tabuľka ukazuje obsah vody v bunkách rôznych druhov živých organizmov.
Funkcia sacharidov v bunke
Ako sme už skôr zistili, sacharidy sú tiež dôležité organické látky – polyméry. Patria sem polysacharidy, oligosacharidy a monosacharidy. Sacharidy sú súčasťou zložitejších komplexov - glykolipidov a glykoproteínov, z ktorých sa budujú bunkové membrány a nadmembránové štruktúry, ako je napríklad glykokalyx.
Uhľohydráty okrem uhlíka obsahujú atómy kyslíka a vodíka a niektoré polysacharidy obsahujú aj dusík, síru a fosfor. V rastlinných bunkách je veľa uhľohydrátov: hľuzy zemiakovobsahujú až 90% škrobu, semená a plody obsahujú až 70% sacharidov a v živočíšnych bunkách sa nachádzajú vo forme zlúčenín ako glykogén, chitín a trehalóza.
Jednoduché cukry (monosacharidy) majú všeobecný vzorec CnH2nOn a delia sa na tetrózy, triózy, pentózy a hexózy. Posledné dve sú najčastejšie v bunkách živých organizmov, napríklad ribóza a deoxyribóza sú súčasťou nukleových kyselín a glukóza a fruktóza sa zúčastňujú asimilačných a disimilačných reakcií. Oligosacharidy sa často nachádzajú v rastlinných bunkách: sacharóza je uložená v bunkách cukrovej repy a cukrovej trstiny, m altóza sa nachádza v naklíčených zrnách raže a jačmeňa.
Disacharidy majú sladkú chuť a dobre sa rozpúšťajú vo vode. Polysacharidy, ktoré sú biopolymérmi, sú zastúpené najmä škrobom, celulózou, glykogénom a laminarínom. Chitín patrí medzi štruktúrne formy polysacharidov. Hlavnou funkciou sacharidov v bunke je energia. V dôsledku hydrolýzy a reakcií energetického metabolizmu sa polysacharidy štiepia na glukózu a tá sa potom oxiduje na oxid uhličitý a vodu. Výsledkom je, že jeden gram glukózy uvoľní 17,6 kJ energie a zásoby škrobu a glykogénu sú v skutočnosti rezervoárom bunkovej energie.
Glykogén sa ukladá hlavne vo svalovom tkanive a pečeňových bunkách, rastlinný škrob v hľuzách, cibuľkách, koreňoch, semenách a v článkonožcoch, ako sú pavúky, hmyz a kôrovce, oligosacharid trehalóza hrá hlavnú úlohu v zásobovaní energiou.
Sacharidysa od lipidov a proteínov líšia schopnosťou bezkyslíkatého štiepenia. To je mimoriadne dôležité pre organizmy, ktoré žijú v podmienkach nedostatku alebo nedostatku kyslíka, ako sú anaeróbne baktérie a helminty – parazity ľudí a zvierat.
V bunke majú sacharidy aj ďalšiu funkciu – stavebnú (štrukturálnu). Spočíva v tom, že tieto látky sú nosnými štruktúrami buniek. Napríklad celulóza je súčasťou bunkových stien rastlín, chitín tvorí vonkajšiu kostru mnohých bezstavovcov a nachádza sa v bunkách húb, olisacharidy spolu s molekulami lipidov a bielkovín tvoria glykokalyx – epimembránový komplex. Zabezpečuje adhéziu – priľnavosť živočíšnych buniek k sebe, čo vedie k tvorbe tkanív.
Lipidy: štruktúra a funkcie
Tieto organické látky, ktoré sú hydrofóbne (nerozpustné vo vode), možno extrahovať, teda extrahovať z buniek, pomocou nepolárnych rozpúšťadiel, ako je acetón alebo chloroform. Funkcie lipidov v bunke závisia od toho, do ktorej z troch skupín patria: tuky, vosky alebo steroidy. Tuky sú najviac zastúpené vo všetkých typoch buniek.
Zvieratá ich hromadia v podkožnom tukovom tkanive, nervové tkanivo obsahuje tuk vo forme myelínových obalov nervov. Hromadí sa aj v obličkách, pečeni, v hmyze – v tukovom tele. Tekuté tuky – oleje – sa nachádzajú v semenách mnohých rastlín: céder, arašidy, slnečnica, oliva. Obsah lipidov v bunkách sa pohybuje od 5 do 90 % (v tukovom tkanive).
Steroidy a voskysa od tukov líšia tým, že vo svojich molekulách neobsahujú zvyšky mastných kyselín. Steroidy sú teda hormóny kôry nadobličiek, ktoré ovplyvňujú pubertu tela a sú súčasťou testosterónu. Nachádzajú sa aj vo vitamínoch (ako je vitamín D).
Hlavné funkcie lipidov v bunke sú energetické, stavebné a ochranné. Prvý je spôsobený tým, že 1 gram tuku pri štiepaní dáva 38,9 kJ energie – oveľa viac ako iné organické látky – bielkoviny a sacharidy. Okrem toho sa pri oxidácii 1 g tuku uvoľní takmer 1,1 g. voda. Preto niektoré zvieratá, ktoré majú v tele zásoby tuku, môžu byť dlho bez vody. Napríklad gophery môžu hibernovať viac ako dva mesiace bez toho, aby potrebovali vodu, a ťava nepije vodu, keď prechádza púšťou 10–12 dní.
Stavebná funkcia lipidov spočíva v tom, že sú neoddeliteľnou súčasťou bunkových membrán a sú tiež súčasťou nervov. Ochranná funkcia lipidov spočíva v tom, že tuková vrstva pod kožou okolo obličiek a iných vnútorných orgánov ich chráni pred mechanickým poškodením. Špecifická tepelnoizolačná funkcia je vlastná zvieratám, ktoré sú dlho vo vode: veľryby, tulene, kožušinové tulene. Hrubá vrstva podkožného tuku, napríklad u veľryby modrej, je 0,5 m, chráni zviera pred podchladením.
Význam kyslíka v bunkovom metabolizme
Aeróbne organizmy, medzi ktoré patrí veľká väčšina zvierat, rastlín a ľudí, využívajú vzdušný kyslík na reakcie energetického metabolizmu,čo vedie k rozkladu organických látok a uvoľneniu určitého množstva energie nahromadenej vo forme molekúl kyseliny adenozíntrifosforečnej.
Pri kompletnej oxidácii jedného mólu glukózy, ku ktorej dochádza na mitochondriách, sa teda uvoľní 2800 kJ energie, z čoho 1596 kJ (55%) je uložených vo forme molekúl ATP obsahujúcich makroergické dlhopisov. Hlavnou funkciou kyslíka v bunke je teda vykonávanie aeróbneho dýchania, ktoré je založené na skupine enzymatických reakcií takzvaného dýchacieho reťazca, prebiehajúcich v bunkových organelách – mitochondriách. U prokaryotických organizmov - fototrofných baktérií a siníc - dochádza k oxidácii živín pôsobením kyslíka difundujúceho do buniek na vnútorných výrastkoch plazmatických membrán.
Študovali sme chemickú organizáciu buniek, ako aj procesy biosyntézy bielkovín a funkciu kyslíka v bunkovom energetickom metabolizme.
