Anorganické a organické látky buňky, příprava na Jednotnou státní zkoušku z biologie

Přemýšlejte o tom! Ty a já se skládáme z miliard atomů. Všechny atomy jsou v cyklu a všechny atomy, které vlastníme, byly v někom, někde, po dobu 4,5 miliardy let, co Země existuje. Byly součástí zvířat, rostlin, hub a bakterií – a nyní nakrátko patří k nám.

Z chemického hlediska je odpověď na otázku „Je studovaný předmět živý?“ – nezdá se to možné. Pojem „život“ dostal kolosální množství definic. Život je sebereprodukce se změnou, způsob existence bílkovinných těl, neustálá výměna látek s vnějším prostředím.

Začneme studovat anorganické a organické látky buňky. Začněme podstatnou složkou buňky, díky které se stal život na Zemi principiálně možným – vodou.

Voda

Tvoří 60-80% buněčné hmoty. Molekula vody má unikátní vlastnost – polaritu, která vzniká rozdílem elektronegativnosti (NE) mezi atomy kyslíku a vodíku (kyslík má vyšší NE).

Protože je molekula vody polární, nazývá se dipól. Mezi molekulami vody se tvoří slabé vodíkové vazby: vodíková vazba začíná od záporně nabitého atomu kyslíku (2δ – ) jedné molekuly vody a rozšiřuje se až k kladně nabitému atomu vodíku jiné molekuly vody (δ + )

• Hydrofilní (řecky hydro – voda a philéo – miluji) – látky, které se dobře rozpouštějí ve vodě. Hydrofilní látky jsou cukry, soli, aldehydy, alkoholy, aminokyseliny.
• Hydrofobní (řecky hydro – voda a phobos – strach) – látky, které se ve vodě nerozpouštějí. Hydrofobní látky jsou tuky.

Voda je univerzální rozpouštědlo

Většina reakcí, ke kterým v buňce dochází, probíhá v roztoku (vodném prostředí). Polarita molekuly vody umožňuje, aby byla výborným rozpouštědlem pro jiné hydrofilní (polární) látky.

Voda může absorbovat teplo s minimální změnou teploty. To je skutečná „spása“ pro buňky: jakmile se změní teplota, voda začne absorbovat přebytečné teplo a chrání buňku před přehřátím. Při uvolnění na povrch kůže potem se voda odpařuje a povrch kůže se ochlazuje.

Vytváří nejen prostředí pro reakce v buňce, ale na mnoha z nich se i aktivně podílí. K rozkladu živin, které vstupují do buňky, dochází v důsledku hydrolytické reakce (řecky hydro – voda a lýza – rozpad).

Živiny a plyny se pohybují po celém těle krevním řečištěm. Voda tvoří 90-92 % krevní plazmy a je její hlavní složkou. Voda nejen dodává látky do buněk, ale také odstraňuje z těla vedlejší produkty metabolismu.

Voda dodává tkáním turgor (latinsky turgor – náplň) – vnitřní osmotický tlak v živé buňce, vytvářející napětí v buněčných membránách. Voda tvoří 60 až 95 % cytoplazmy a dává buňkám jejich tvar. Změny turgoru rostlinných buněk vedou k pohybu jejich částí, otevírání průduchů a květů.

Osmotický tlak je přebytek hydrostatického tlaku na roztok oddělený od čistého rozpouštědla semipermeabilní membránou.

Jde hlavně o to pochopit podstatu: umístíme-li živou buňku do hypertonického roztoku, pak voda (rozpouštědlo) bude z buňky spěchat do roztoku (směrem k vyšší koncentraci soli) – to povede ke smršťování buňky.

Pokud buňka skončí v hypotonickém roztoku, voda zvenčí se do buňky vrhne (opět směrem k vyšší koncentraci solí), což vede k otoku (a možnému prasknutí) buňky.

prvky

• Biogenní (základní) – C, H, O, N. Jsou součástí organických sloučenin a tvoří hlavní část buňky
• Makroprvky (řecky makrós – velký) – tvoří desetiny a setiny buňky: K, Na, Ca, Mg, Cl, P, S
• Mikroelementy (řecky mikrós – malý) – tvoří tisíciny buňky: Zn, Cu, I, Co, Mn, Fe

Procentuální obsah prvku nekoreluje s jeho důležitostí a biologickým významem. Například stopový prvek I hraje důležitou roli při syntéze hormonů štítné žlázy: tyroxinu, trijodtyroninu. Zn, Mn a Cu jsou zodpovědné za normální růst a vývoj organismů.

Zn, Ca, Mg příznivě působí na spermie, chrání je před oxidačním stresem (oxidací). Normální tvorba červených krvinek je nemožná bez správné hladiny Fe a Cu.

Sůl

Ve vodném prostředí se solné buňky disociují (rozpadají) na kladně nabité ionty – kationty (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ ) a záporně nabité – anionty (Cl -, SO₄ 2-, HPO₄ 2-, H₂PO₄ -).

Pro excitační procesy buňky (neuron, myocyt – svalová buňka) musí být uvnitř buňky udržována nízká koncentrace iontů Na + a vysoká koncentrace iontů K +. V prostředí obklopujícím buňku je vše naopak: Na je hodně a K málo. V membráně je speciální sodno-draselná pumpa, která udržuje potřebnou rovnováhu. Pokud je tento poměr narušen, neuron nebude schopen generovat nervový impuls a svalová buňka se nebude moci stahovat.

• Podílet se na aktivaci enzymů
• Vytvořte pufrovací systémy (bikarbonát, fosfát, protein)
• Udržujte acidobazickou rovnováhu (ABS)
• Vytvořte osmotický tlak v buňce
• Vytvořte potenciál buněčné membrány (sodno-draslíková pumpa)
• Jsou hlavní minerální složkou vnitřní a vnější kostry (u měkkýšů)

Přejdeme k organickým složkám buňky, mezi které patří: tuky, sacharidy, bílkoviny a nukleové kyseliny.

Proteiny nebo peptidy (řecky: πεπτος – výživný)

Proteiny jsou polymery, jejichž monomery jsou aminokyseliny. Proteiny jsou lineární strukturou tvořenou dlouhým řetězcem aminokyselin, mezi kterými se tvoří peptidové vazby. Mezi karboxylovou skupinou (COOH) jedné aminokyseliny a aminoskupinou (NH) jiné aminokyseliny se vytvoří peptidová vazba.₂).

Mezi pojmy peptidy a proteiny je určitý rozdíl. Proteiny se skládají ze stovek tisíc aminokyselin. Peptidy jsou malé proteiny obsahující až 10 aminokyselin. Jsou to některé hormony: oxytocin, vasopresin, thyroliberin – tyto peptidy plní regulační funkci.

• Primární – polypeptidový řetězec, ve kterém jsou aminokyseliny uspořádány lineárně
• Sekundární – polypeptidový řetězec je stočen do spirály, vzniká α nebo β struktura
• Terciér – spirály se stáčejí do globule (lat. globulus – koule)
• Kvartérní – vzniká v komplexních bílkovinách spojením několika globulí

Když se optimální podmínky pro bílkovinu náhle změní, podstoupí denaturaci: to zahrnuje přechod z vyšších organizačních struktur na nižší nebo „odvíjení bílkovin“. Je důležité si uvědomit, že sekvence aminokyselin (primární struktura proteinu) se nemění, ale dramaticky se mění vlastnosti proteinu (jeho hydrofilita se ztrácí).

Troufám si říct, že svůj den často začínáte denaturací bílkovin. Nejjednodušší způsob, jak provést tento experiment, je smažit vejce. Všimněte si, že zpočátku je vaječný bílek průhledný a tekutý, ale v důsledku smažení se tyto vlastnosti ztrácejí: stává se neprůhledným a viskózním.

Katalytické (řecká katalýza – ničení)

Proteiny jsou přírodní katalyzátory, které urychlují reakce v těle desítky a stovky tisíckrát. Tuto roli plní především proteinové enzymy.

Někdy proteiny obsahují tzv. kofaktory – neproteinové sloučeniny, které jsou pro enzym nezbytné pro jeho biologickou aktivitu (jako kofaktory mohou působit Zn 2+, Mg 2+).

Bílkoviny jsou součástí buněčných membrán. Komplexní proteiny: kolagen, elastin – jsou součástí pojivových tkání těla, dodávají jim určitou pevnost a pružnost.

Některé hormony, které regulují metabolické procesy v těle, jsou proteinového původu: inzulín, glukagon, adrenokortikotropní hormon (ACTH).

Když už mluvíme o této funkci, v první řadě je třeba připomenout protilátky – imunoglobuliny, které jsou syntetizovány B-lymfocyty. Protilátky neutralizují tělu cizí antigeny (ničí bakterie).

Ochrannou funkci plní kromě protilátek také proteiny systému srážení krve (trombin a fibrinogen): chrání tělo před ztrátou krve.

Při nedostatečné výživě v těle začnou molekuly bílkovin oxidovat. Při odbourání 1 g bílkovin se uvolní 17,6 kJ energie.

Některé krevní proteiny jsou schopny na sebe navazovat a transportovat různé molekuly. Albuminy se podílejí na transportu mastných kyselin, globulinů – hormonů a některých iontů (Fe, Cu). Hlavní protein červených krvinek, hemoglobin, je schopen přenášet kyslík, oxid uhličitý a oxid uhelnatý (oxid uhelnatý je pro něj samozřejmě nežádoucí, protože způsobí otravu)

Motorické proteiny, aktin a myosin, na úrovni sarkomer zajišťují svalovou kontrakci. Když je svalová tkáň vzrušená, tenká aktinová vlákna se začnou třít o silná myosinová vlákna, což způsobí kontrakci.

Na povrchu membrány tvoří proteiny četné receptory, které v kombinaci s hormony vedou ke změnám metabolismu v buňce. Hormony tedy uplatňují svůj účinek na buňky cílových orgánů.

Tuky nebo lipidy (řecký lipos – tuk)

Z chemického hlediska jsou tuky estery tvořené trojmocným alkoholem glycerolem a vyššími karboxylovými kyselinami (mastnými kyselinami). Z jejich vlastností je třeba vyzdvihnout fakt, že jsou prakticky nerozpustné ve vodě. Pamatujte, jak těžké je smýt mastnotu z rukou vodou.

Proč mýdlo smývá mastnotu z vašich rukou? Faktem je, že molekula mýdla kopíruje vlastnosti tuku: jedna jeho část je hydrofobní a druhá hydrofilní. Mýdlo se hydrofobní částí naváže na molekulu tuku a společně se snadno smývají vodou.

Při oxidaci tuků se uvolňuje velké množství energie: 1 g – 38,9 kJ. To je dvojnásobné množství energie uvolněné při štěpení 1g sacharidů.

Tuky mají schopnost se hromadit v buňkách umístěných v podkožní tukové tkáni a vnitřních orgánech. Tyto zásoby jsou rezervou těla pro případ hladovění nebo nedostatečné výživy.

Tuky také ukládají vodu: 100 g tuku obsahuje 107 ml vody. Mnoho pouštních zvířat (velbloudi) využívá tukové zásoby, aby přežili dlouhou dobu bez vody.

Tuky jsou součástí biologických membrán lidských buněk spolu s bílkovinami. Membrány všech buněk orgánů a tkání jsou postaveny z fosfolipidů!

Například cholesterol je nezbytnou součástí membrány, dodává jí určitou tuhost a je pro normální život naprosto nezbytný (nemoci se vyskytují pouze při narušení metabolismu lipidů).

Tuky mají špatnou tepelnou vodivost. Nachází se v podkožní tukové tkáni a tvoří tepelně izolační vrstvu. Je zvláště dobře vyvinut u ploutvonožců (mrožů a tuleňů) a velryb, které je chrání před podchlazením.

Některé hormony jsou svou strukturou příbuzné tukům: pohlavní hormony (androgeny – mužské a estrogeny – ženské), těhotenský hormon (progesteron), kortikosteroidy.

Derivát tuku, vitamin D, hraje důležitou roli v metabolismu vápníku a fosforu v těle. Vzniká v kůži vlivem ultrafialového záření (slunečního záření). Nedostatek vitaminu D způsobuje onemocnění zvané křivice.

Sacharidy

Monosacharidy (pouze řecký monos)

Jednoduché cukry, které se snadno rozpouštějí ve vodě a mají sladkou chuť. Monosacharidy se dělí na hexózy (mají 6 atomů uhlíku) – glukóza, fruktóza a pentózy (mají 5 atomů uhlíku) – ribóza a deoxyribóza, které jsou součástí nukleových kyselin.

Během hydrolýzy se oligosacharidy rozkládají na monosacharidy. Oligosacharidy mohou obsahovat 2 až 10 monosacharidových zbytků. Pokud oligosacharid obsahuje 2 monosacharidové zbytky, nazývá se disacharid. Mezi disacharidy patří sacharóza, laktóza a maltóza. Během hydrolýzy se sacharóza rozkládá na glukózu a fruktózu.

Jde o biopolymery, které obsahují statisíce monosacharidů. Mají vysokou molekulovou hmotnost, jsou nerozpustné ve vodě a mají nesladkou chuť.

Škrob, celulóza, glykogen, chitin a murein jsou biopolymery. Připomeňme si, kde jsou.

Buněčná stěna je tvořena: v rostlinách – celulózou, v houbách – chitinem, v bakteriích – mureinem. Rezervní živinou rostlin je škrob a ze zvířat glykogen.

Rozložením 1 g sacharidů se uvolní 17,6 kJ energie.

Rezervní živiny rostlin a živočichů jsou škrob a glykogen. Rozklad glykogenu nám umožňuje zůstat bdělí a aktivní mezi jídly.

Glykogen je rozvětvená molekula sestávající ze zbytků glukózy. Díky své velké velikosti se taková molekula dobře zadržuje v buňce a její větvení umožňuje enzymům rychle odštěpit mnoho molekul glukózy najednou.

Existují nemoci, při kterých je rozpad glykogenu narušen: v důsledku toho neurony nedostávají glukózu (zdroj energie, a proto nejsou syntetizovány molekuly ATP). Z tohoto důvodu je možná častá ztráta vědomí.

Celulóza je součástí buněčných stěn rostlin a dodává jim potřebnou tvrdost. Chitin tvoří buněčnou stěnu hub a exoskelet členovců.

Nukleové kyseliny (z latinského nucleus)

Pro DNA jsou charakteristické tyto dusíkaté báze: adenin – thymin, guanin – cytosin; pro RNA: adenin – uracil, guanin – cytosin. Na základě principu komplementarity si tyto báze navzájem odpovídají, čímž se mezi nimi vytvářejí spojení.

Mezi adeninem a thyminem jsou vytvořeny 2 vodíkové vazby a mezi guaninem a cytosinem 3.

Z tohoto důvodu se množství adeninu v molekule DNA vždy shoduje s množstvím thyminu. Pokud například DNA obsahuje 20 % adeninu, pak můžeme s jistotou říci, že obsahuje 20 % thyminu. Ukazuje se, že zbývající báze – cytosin a guanin – zůstávají 60 %, což znamená, že cytosin a guanin tvoří každý 30 % DNA. Tímto jednoduchým způsobem, když znáte procento jednoho základu, můžete vypočítat všechny ostatní.

V DNA je cukerný zbytek deoxyribóza, v RNA je to ribóza.

Ribozomální RNA (rRNA)

Je syntetizován v jadérku. rRNA je součástí malých a velkých podjednotek ribozomů. V procentuálním vyjádření tvoří rRNA 80–90 % veškeré RNA v buňce.

Je syntetizován v jádře během procesu transkripce (latinsky: transcriptio – přepisování). Enzym RNA polymeráza buduje řetězec mRNA na principu komplementarity s DNA. Na tomto principu se guanin (G) v molekule DNA spojuje s cytosinem (C) v RNA. Dále, respektive: cytosin (C) – guanin (G), adenin (A) – uracil (U), thymin (T) – adenin (A).

Zajišťuje transport aminokyselin do ribozomu během syntézy proteinů. Díky tomu je možné, aby se aminokyseliny vzájemně kombinovaly a vytvořily protein. tRNA má charakteristický tvar čtyřlístku.

© Bellevich Yury Sergeevich 2018-2025

Tento článek napsal Jurij Sergejevič Bellevič a je jeho duševním vlastnictvím. Kopírování, šíření (včetně kopírování na jiné stránky a zdroje na internetu) nebo jakékoli jiné použití informací a předmětů bez předchozího souhlasu držitele autorských práv je trestné ze zákona. Chcete-li získat materiály článku a povolení k jejich použití, kontaktujte Bellevič Jurij.