Skład chemiczny komórki

Woda

Woda jest podstawowym składnikiem chemicznym komórki - stanowi około 80% jej masy. Szczególne właściwości wody sprawiają, że jest substancją warunkującą istnienie życia.

Budowa cząsteczki i ważniejsze właściwości wody:

- cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru

- cząsteczka wody jest dipolem, to znaczy, że ma nierównomiernie rozmieszczone ładunki: po stronie atomu tlenu gromadzą się ładunki ujemne, a przy atomach wodoru znajdują się ładunki dodatnie

- w temperaturze 0° - 100°C jest cieczą

- jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem

- jest bierna chemicznie

- ma największą gęstość w temperaturze +4°C

- ma wysoką pojemność cieplną.

Rola wody w organizmie:

- jest podstawowym składnikiem budulcowym; organizmy składają się przede wszystkim z wody

- umożliwia transport rozpuszczonych w niej substancji

- jest dobrym środowiskiem reakcji chemicznych

- bierze udział w reakcjach chemicznych, np. jest substratem w procesie fotosyntezy i produktem w procesie oddychania komórkowego; woda powstała w organizmie jako produkt przemian metabolicznych nazywana jest wodą metaboliczną

- zapobiega nadmiernym wahaniom temperatury, a u organizmów stałocieplnych bierze udział w termoregulacji.

To wszystko sprawia, że procesy regulacyjne w zakresie gospodarki wodnej należą do najważniejszych czynności każdego żywego organizmu.

Poza wymienionymi wyżej funkcjami woda odgrywa niezwykle istotną rolę jako środowisko życia organizmów. Jej dość wysoka gęstość i małe wahania temperatury sprawiają, że jest miejscem przyjaznym dla organizmów w niej żyjących. Dodatkowo fakt, że największą gęstość osiąga w temperaturze +4°C sprawia, że podczas zamar-zania lód, jako lżejszy, gromadzi się na powierzchni zbiornika wodnego, umożliwiając tym samym istnienie życia w głębszych jego partiach.

Białka (proteiny)

Budowa białek

Białka zbudowane są z aminokwasów.

Aminokwasy to związki organiczne zawierające grupę aminową i karboksylową.

W skład białek wchodzi 20 rodzajów aminokwasów. Różnią się one między sobą rodnikiem. Białka są cząsteczkami dużymi - tzw. makrocząsteczkami. Jedną cząsteczkę białka stanowi co najmniej kilkaset cząsteczek aminokwasów. Przeciętnie jest ich kilkanaście tysięcy. Budowa tak dużej cząsteczki jest złożona, analizuje się ją na kilku poziomach, zwanych strukturami.

Struktura I-rzędowa

Poszczególne aminokwasy łączą się ze sobą szeregowo. Grupa aminowa jednego aminokwasu łączy się z grupą karboksylową następnego. Takie wiązanie nazywamy wiązaniem peptydowym.

Jeśli powstały w ten sposób związek liczy kilka aminokwasów, nazywamy go peptydem, jeśli więcej - mówimy o polipeptydzie. W białku długość łańcucha przekracza 100 aminokwasów, zazwyczaj jest ich znacznie więcej. Poszczególne białka różnią się ilością aminokwasów oraz kolejnością ich ułożenia (sekwencją). Istnieje niewyobrażalnie wiele możliwości ułożenia 20 rodzajów aminokwasów w łańcuchu liczącym kilka czy też kilkanaście tysięcy ogniw. Stąd bierze się ogromna różnorodność białek.

Struktura I-rzędowa to kolejność ułożenia aminokwasów w cząsteczce białka.

Struktura II-rzędowa

Pomiędzy aminokwasami tworzącymi łańcuch polipeptydowy mogą powstawać inne wiązania (nie peptydowe!). Często aminokwasy takie leżą w pewnej odległości od siebie i powstanie nowego wiązania powoduje wygięcie i określone ułożenie łańcucha w przestrzeni. Najczęściej struktura taka wygląda dość chaotycznie, ale czasami, na niektórych odcinkach łańcucha przyjmuje regularną postać helisy (α helisa), rzadziej strukturę pofałdowanej kartki (β harmonijka). Rodzaj struktury II-rzędowej zależy od rodzaju aminokwasów w łańcuchu i sposobu ich ułożenia.

Struktura II-rzędowa to sposób ułożenia łańcucha aminokwasów w przestrzeni.

Rodzaj struktury II-rzędowej zależy od struktury I-rzędowej.

Struktura III-rzędowa

Cząsteczka posiadająca już strukturę II-rzędową układa się przestrzennie, tworząc ostateczny swój kształt.

Na sposób ułożenia się cząsteczki również mają wpływ oddziaływania między aminokwasami. Szczególną rolę odgrywają tu aminokwasy zawierające siarkę. Pomiędzy nimi tworzą się wiązania zwane mostkami siarczkowymi.

Struktura III-rzędowa to ostateczny kształt cząsteczki białka w przestrzeni.

Rodzaj struktury III-rzędowej zależy od struktury I- i II-rzędowej.

W zależności od typu struktury III-rzędowej białka możemy podzielić na:

- globularne, o kształcie cząsteczki zbliżonym do kulki. Taką strukturę ma większość białek, przede wszystkim te, które są enzymami.

- fibrylarne, czyli włókniste. Występują rzadziej i są białkami budulcowymi, np. kolagen.

Struktura IV-rzędowa

Niektóre białka tworzą jeszcze bardziej skomplikowane układy - kilka cząsteczek łączy się ze sobą i dopiero wtedy powstaje ostatecznie białko. Przykładem może tu być hemoglobina, składająca się z czterech podjednostek.

Struktura IV-rzędowa to połączenie kilku białkowych podjednostek w jedną cząsteczkę.

Strukturę IV-rzędową posiadają tylko niektóre białka.

Funkcja białka zależy od kształtu cząsteczki, dlatego trwałe uszkodzenie struktury III-rzędowej powoduje, że białko staje się bezużyteczne.

Trwałe uszkodzenie struktury III-rzędowej nazywane jest denaturacją.

Białko, które uległo denaturacji nie może wykonywać swojej funkcji.

Denaturacja może być spowodowana zbyt wysoką temperaturą (powyżej 42°C) lub działaniem niektórych substancji chemicznych, takich jak alkohol czy silne kwasy.

Podział białek

Białka (proteiny):

Rola białek

- budulcowa. Obok wody stanowią podstawową substancję budulcową wszystkich organizmów.

- katalityczna. Białka są enzymami, czyli inaczej biokatalizatorami. Umożliwiają zachodzenie reakcji biochemicznych w komórkach.

- transportowa. Umożliwiają transport wielu substancji, zarówno w skali pojedynczej komórki (białka transportowe w błonie komórkowej), jak i w skali całego organizmu (hemoglobina transportująca tlen).

- regulacyjna. Większość hormonów to białka lub pokrewne im peptydy.

- umożliwiają odbieranie bodźców. Są receptorami błonowymi, np. w siatkówce oka występuje rodopsyna - białko umożliwiające widzenie.

- umożliwiają ruch, np. aktyna, miozyna w komórkach mięśniowych.

- u roślin białka są magazynowane jako materiał zapasowy. Funkcja ta nigdy nie występuje u zwierząt i u człowieka.

Lipidy (tłuszczowce)

Budowa i podział

To dość duża grupa związków chemicznych, z których najbardziej znane są tłuszcze. Lipidy składają się z alkoholu i kwasów tłuszczowych. Związki takie nazywane są estrami, a wiązanie chemiczne łączące alkohol z kwasem tłuszczowym to wiązanie estrowe.

Tłuszcze

• proste - zbudowane są wyłącznie z alkoholu i kwasów tłuszczowych
  • jeśli alkoholem jest glicerol:
    • tłuszcze właściwe
  • jeśli alkoholem jest inny alkohol (nie glicerol):
    • woski
    • steroidy
• złożone - poza alkoholem i kwasem tłuszczowym zawierają inne związki
  • fosfolipidy
  • glikolipidy

Występowanie i funkcje

Tłuszcze właściwe - to najbardziej znane lipidy. Są materiałem zapasowym w komórkach roślinnych i zwierzęcych. U zwierząt wchodzą w skład komórek tkanki tłuszczowej, u roślin spotykane są w nasionach słonecznika, rzepaku, lnu oraz w owocach drzew oliwkowych.

Woski - to substancje chroniące organizm przed utratą wody. Występują u roślin na powierzchni liści i owoców. U zwierząt mogą nadawać sprężystość włosom (lanolina u owiec), a pszczołom służą do budowy plastrów.

Steroidy - częściej spotykane w organizmach zwierzęcych. Zaliczają się do nich niektóre hormony (potocznie sterydy), są też elementem budulcowym błony komórkowej.

Fosfolipidy są podstawowym składnikiem budującym błony komórkowe (np. lecytyna). Podobną funkcję pełnią glokolipidy.

Węglowodany (cukrowce)

To grupa związków chemicznych zbudowanych z jednej, dwóch lub większej liczby cząsteczek cukru. Pojedyncze cząsteczki łączą się ze sobą wiązaniami glikozydowymi.

Węglowodany

Monosacharydy

Zbudowane są z pojedynczej cząsteczki cukru. W zależności od liczby atomów węgla w cząsteczce rozróżniamy:

- triozy (3 at. C), np. aldehyd glicerynowy będący pierwotnym produktem fotosyntezy,

- pentozy (5 at. C), np. ryboza, deoksyryboza, wchodzą w skład kwasów nukleinowych,

- heksozy (6 at. C) - glukoza, fruktoza, galaktoza, pełnią głównie funkcje energetyczne.

Disacharydy

Zbudowane są z dwóch cząsteczek heksoz, przy czym jedną z nich jest zawsze glukoza:

- maltoza (2 cz. glukozy) - składnik nektaru u roślin oraz pośredni produkt trawienia polisacharydów u zwierząt;

- sacharoza (glukoza + fruktoza) - spotykana często u roślin, a w większych ilościach w buraku cukrowym i trzcinie cukrowej (to ten cukier, którym słodzimy);

- laktoza (glukoza + galaktoza) - nazywana cukrem mlecznym, ponieważ występuje w mleku ssaków.

Polisacharydy

Zbudowane są z wielu cząsteczek cukrów, tworzących długie łańcuchy, często rozgałęzione.

- skrobia - zbudowana z połączonych ze sobą cząsteczek glukozy, jest materiałem zapasowym w komórkach roślinnych;

- glikogen - zbudowany podobnie jak skrobia, jest materiałem zapasowym w komórkach zwierząt i grzybów;

- celuloza - również zbudowana z wielu cząsteczek glukozy, ale cząsteczki te są nieco inaczej połączone (wiązania β-glikozydowe). Efektem jest powstanie długich, mocnych i odpornych na działanie czynników zewnętrznych włókienek. Celuloza buduje ścianę komórkową w komórkach roślinnych;

- chityna zbudowana jest nieco inaczej, gdyż podstawową cegiełką jest aminoglukoza. Jest podstawowym budulcem pancerzyków owadów oraz buduje ściany komórkowe grzybów.