Zagadnienia z biologicznej opracowane.1

Cechy materii ożywionej
Chemia komórek opiera się na 4 podstawowych zasadach:
1. Opiera się prawie wyłącznie na związkach węgla.
2. Zależy od reakcji prawie wyłącznie przebiegających w roztworach wodnych i w stosunkowo
wąskim zakresie temperatur
3. Jest ogromnie złożona: nawet najprostsza komórka jest znacznie bardziej skomplikowana
pod względem chemicznym niż jakikolwiek inny znany układ chemiczny.
4. Jest zdominowana przez ogromne cząsteczki polimerowe, będące łańcuchami kolejno
połączonych podjednostek. Unikatowe właściwości tych polimerów umożliwiają komórkom
i organizmom wzrost, rozmnażanie i dokonywanie tego wszystkiego, co jest
charakterystyczne dla życia.
5. Podlega ścisłej kontroli: aby zapewnić zachodzenie wszystkich reakcji chemicznych w
odpowiednim miejscu i czasie komórki wykształciły różnego rodzaju mechanizmy.
W skład komórek wchodzi niewiele rodzajów atomów, pierwiastki: C,H,N i O
Ponadto:
- złożoność molekularna
- pobieranie i przekształcanie energii
- autoregulacja
- autoreplikacja
- zbudowana z komórek i produktów wytwarzanych przez te komórki
- wzrost i rozwój
- rozmnażanie się
- ruch (organizmy mogą się poruszać, a ich składowe komórki również są w ruchu)
- reakcja na bodźce
- ewolucja i adaptacja
- metabolizm (przemiana materii i energii)
Zasady molekularnej logiki życia
Cząsteczki biologiczne:podstawowe pierwiastki, komplikacja budowy,
wielorakość funkcji, zestawy supramolekularne
1) Podstawowe pierwiastki biologiczne
• Tlen (O), Węgiel (C ), Wodór (H) – są podstawowymi składnikami związków
organicznych będącymi podstawą budowy wszelkich organizmów żywych -
węglowodanów (cukrów), białek (protein) i kwasów nukleinowych (DNA i RNA)
• Azot (N) – stanowi składnik wszystkich białek, zasad azotowych oraz związków
odpowiedzialnych za przenoszenie energii w organizmie (ATP, ADP)
• Fosfor (P) – ma wiele funkcji, między innymi jest składnikiem kwasów
nukleinowych, ATP, ADP czy witamin
• Siarka (S) – składnik metioniny i cysteiny, tworzy enzymy oraz koenzymy i bierze
udział w oddychaniu komórki
• UWAGA! Pierwiastkiem nie nazywamy pojedynczej cząsteczki, lecz całą ich sumę
we Wszechświecie.
2) Reszta : P
Mówiąc o cząsteczkach biologicznych na ogół ma się na myśli białka, węglowodany, lipidy
oraz kwasy nukleinowe.
• Białka – są związkami wielocząsteczkowymi złożonymi z aminokwasów połączonych
wiązaniami peptydowymi. Białko zwierzęce buduje 20 aminokwasów. Dzielimy je na proste
i złożone. Białka proste są złożone z samych aminokwasów. Natomiast złożone maja w
sobie cząsteczki inne niż aminokwasy, np. metale. Białka mają przede wszystkim rolę
budulcową, są składnikami każdego żyjącego organizmu. Innymi funkcjami są:
energetyczna, transportowa (hemoglobina), odpornościowa (przeciwciała), wzmacniająca i
uelastyczniająca (kolagen), a także enzymatyczna.
• Węglowodany – to po postu cukry, które pełnią funkcje energetyczną w organizmie.
Składają się przede wszystkim z łańcucha węglowodorowego (jak wskazuje ich nazwa).
Cukry dzielimy ze względu na budowę i ilość cząsteczek na proste (np. fruktoza czy
glukoza) oraz złożone: dwucukry (np. sacharoza) i wielocukry (np. celuloza i skrobia).
• Lipidy – to cząsteczki biologiczne składające się z glicerolu i ‘przyczepionych’ do niego
kwasów tłuszczowych. Tłuszcze zwierzęce są zbudowane z nasyconych . Są składnikiem
energetycznym, który pozwala na utrzymanie stałej temperatury ciała (dostarcza energii
cieplnej). Nadmiar lipidów odkłada się w tkance podskórnej (tłuszczowej) i stanowi barierę
ochronną przed zimnem.
• Kwasy nukleinowe – ich jednostką podstawową jest nukleotyd, składający się z zasady azotowej
(Adenina, Guanina, Cytozyna, Tymina), cukru (rybozy lub deoksyrybozy) oraz reszty kwasu
fosforowego. Natomiast sama zasada azotowa, połączona z cukrem, tworzy tzw. Nukleozyd. W
komórkach występują dwa rodzaje kwasów: DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas
rybonukleinowy). W DNA jest informacja w formie genów. Zawiera ona "przepis' na wszystkie
niezbędne dla organizmu białka. DNA budują dwa łańcuchy polinukleotydowe, które splatają się ze
sobą tworząc podwójną helisę. Kwas rybonukleinowy uczestniczy głównie w procesie biosyntezy
białka. W komórce spotykamy trzy jego rodzaje: mRNA, biorące udział w przekazywaniu informacji
genetycznej z jądra do cytoplazmy, tRNA, który dostarcza odpowiednie aminokwasy do rybosomów
oraz odczytuje poszczególne kodony w kwasie mRNA, oraz rRNA budujący obie podjednostki
rybosomów.
3) Ważne pojęcia
• Dysocjacja – rozdzielanie się substancji w środowisku wodnym na jony
• Kohezja – zjawisko przyciągania się cząsteczek substancji
• Adhezja - łączenie się powierzchni dwóch różnych (stałych lub ciekłych) ciał (faz) na skutek
przyciągania międzycząsteczkowego.
Typy wiązań chemicznych – wiązania silne i wiązania słabe, ich rola w
budowie cząsteczek i znaczenie dla oddziaływań między cząsteczkami,
przykłady oddziaływań opartych na strukturalnych dopasowaniu cząsteczek.
1)wiązania silne - kowalencyjne
2)wiązania słabe - niekowalencyjne (są jedynie oddziaływaniami między atomami), jonowe
1 - WIĄZANIA KOWALENCYJNE (wspólna para)- tworzą stałe cząsteczki.
np. tlen z tlenem, wodór z wodorem. ->atomy tlenu ma taką samą elektroujemność
dlatego dzielą się jednym elektronem by uzyskać oktet.
Z kolei wodór jest wyjątkiem, któremu wystaczr uzyskać 2 elektrony. Zatem wodór z jednym
elektronem łączy się z drugim wodorem z jednym elektronem, tworząc cząsteczkę H2.
jest to wiązanie NIESPOLARYZOWANE, ponieważ żaden z atomów nie przyciąga do siebie silnej drugiego
atomów – równoważą się.
Z kolei wiązania SPOLARYZOWANE są wtedy, gdy jeden atom ma większą elektroujemność od drugiego,
dlatego
przyciąga go do siebie. Wciąż jest to wiązanie kowalencyjne, ponieważ każdemu z atomów pasuje takie
dzielenie się elektronami. Np H20, gdzie tlen ma większą elektroujemność i aby uzyskać oktet, przyciąga do
siebie dwie
cząsteczki wodoru, z czego każdej zabiera po elektronie.
Wiązanie kowalencyjne jest podstawą związków organicznych.
2)- WIĄZANIE JONOWE (jeden ma za dużo, drugi ma za mało) - atom, który ma zbyt wiele elektronów,
oddaje je atomowi, który ma ich zbyt mało. Ten, który oddał jest kationem(+), ten, który przyjął staje się
anionem(-).
np Na(+)Cl(-), Ca(2+)Cl2(-)
3) - WIĄZANIE NIEKOWALENCYJNE (tak naprawdę nie powinno być nazwane wiązaniem, ponieważ nie
tworzą się dzięki niemu nowe cząsteczki. To takie oddziaływanie elektrostatyczne)
+ łączy się z - np h20
ROLA WIĄZAŃ:
a) kowalencyjne - struktura białka 1-rzędowa (kolejność aminokwasów), bądź struktura DNA (kolejność
nukleotydów)
b) niekowalencyjne (wodorowe) - wyższe struktury białek - nietrwałe oddziaływania
pozwalają na modyfikację białka. Wiązania wodorowe istnieją też pomiędzy zasadami azotowymi
Dzięki wiązaniom kowalencyjnym spolaryzowanym powstają cząstkowe ładunki elektryczne,
dzięki którym możliwe są oddziaływania między cząsteczkami. Każda wielka cząsteczka
zawierająca grupy polarne ma typowy dla siebie wzór ułożenia cząstkowych ładunków dodatnich i
ujemnych na jej powierzchni. Gdy taka cząsteczka napotka inną, z komplementarnym układem
ładunków to dochodzi do wzajemnego przyciągania się obu cząsteczek poprzez słabe
oddziaływanie jonowe, ale bardzo słabe. Jeśli wytworzy się w ten sposób dostatecznie dużo słabych
wiązań niekowalencyjnych między powierzchniami styku dwóch cząsteczek, to następuje ich
specyficzne łączenie się (niekowalencyjne). W ten sposób tworzone są białka.
Podstawy chemicznej użyteczności węgla
Prawie wszystkie cząsteczki w komórkach (oprócz wody) są związkami węgla. Cechą
wyróżniającą węgiel spośród innych pierwiastków jest jego zdolność do tworzenia wielkich
cząsteczek; daleko za nim drugie miejsce pod tym względem zajmuje krzem, pierwiastek mający
taką samą konfigurację zewnętrznej powłoki. Atom węgla jest mały, na ostatniej powłoce ma 4
atomy i 4 wolne miejsca, może więc tworzyć 4 wiązania kowalencyjne z innymi atomami. Może
również łączyć się z innymi atomami węgla wiązaniami kowalencyjnymi. tworzącą łańcuchy i
pierścienie. Mało i wielkocząsteczkowe związki węgla, wytwarzane prze komórki, nazywa się
cząsteczkami organicznymi, pozostałe związki w tym woda, nazywane są nieorganicznymi.
Małe cząsteczki organiczne mogła pełnić w komórce różne role: mogą np. łączyć się w większe lub
służyć jako źródło energii. Wszystkie cząsteczki organiczne syntetyzowane są z jednakowego
zestawu bardzo prostych związków i ulegają rozpadowi dając podobny ich zestaw.
Woda – właściwości cząsteczki i ich znaczenie dla organizacji i funkcjonowania
komórki, pojęcie hydrofobowy i hydrofilowy
Woda stanowi 70% masy komórek, a większość wewnątrzkomórkowych reakcji przebiega w
środowisku wodnym. W każdej cząsteczce wody dwa atomy wodoru są kowalencyjnie związane z
atomem tlenu. Wiązania te są silnie spolaryzowane, ponieważ tlen przyciąga elektrony znacznie
silniej niż wodór. W rezultacie w cząsteczce wody elektrony są nierównomiernie rozmieszczone, co
prowadzi do przesunięcia ładunku dodatniego na atomy wodoru, u ujemnego – na tlenu. Czyli tam
gdzie siła przyciągania elektronów jest większa, tam jest ładunek ujemny. Kiedy dodatnio
naładowany rejon H2O (jeden z atomów wodoru) przybliża się do ujemnie naładowanego rejonu
(czyli atomu tlenu) drugiej cząsteczki, ich wzajemne przyciąganie się prowadzi do powstania
słabego wiązania, wiązania wodorowego. Wiązania takie są bardzo słabe i ulegają łatwo zerwaniu
przez przypadkowe ruchy termiczne pod wpływem energii cieplnej cząsteczek, przez co czas
trwania każdego z nich jest bardzo krótki. Ale sumaryczne efekt wielu słabych wiązań nie jest mały.
Każda cząsteczka wody może tworzyć wiązania wodorowe poprzez swoje dwa atomy H z dwiema
innymi cząsteczkami, co prowadzi do powstania całej sieci, w której wiązania wodorowe stale
ulegają zrywaniu i ponownemu tworzeniu. Tylko dzięki wiązaniom wodorowym łączącym
poszczególne cząsteczki woda w temperaturze pokojowej nie jest gazem, lecz cieczą o wysokim
punkcie wrzenia i dużym napięciu powierzchniowym. Bez wiązań wodorowych życie w takiej
postaci jaką znamy, nie mogło by istnieć.
Hydrofobowy – taki, który nie wchodzi w reakcję z wodą
hydrofilowy – taki, który wchodzi w reakcje z wodą
Komórka, a prawa termodynamiki: dostępne, użyteczne i nieużyteczne postaci
energii, stan uporządkowania i nieuporządkowania
Reakcje zachodzące w organizmach żywych, podobnie jak wszystkie inne reakcje chemiczne,
podlegają zasadom termodynamiki, opisującym przepływ energii cieplnej i pracy. Według drugiej
zasady termodynamiki całkowita wartość entropii (stopnia nieuporządkowania układu) wykazuje
tendencję wzrostową w procesach zachodzących samorzutnie. Mimo że wyjątkowa złożoność
komórek zdaje się przeczyć temu prawu, faktem jest, że wszystkie żywe organizmy są tak
naprawdę układami otwartymi wymieniającymi nieustannie materię i energię z otoczeniem. Nie
pozostają one wprawdzie w stanie równowagi termodynamicznej, są jednak systemami
dyssypatywnymi( Są to dalekie od stanu równowagi stabilne stany stacjonarne, których powstaniu
towarzyszy wzrost uporządkowania. Do utrzymania tych struktur (stanów) niezbędna jest ciągła
nieodwracalna wymiana energii z otoczeniem), utrzymującymi stan wysokiej złożoności dzięki
zwiększaniu entropii swego otoczenia. Jest to osiągane dzięki łączeniu spontanicznych
(niewymagających doprowadzenia energii) reakcji katabolicznych z niespontanicznymi procesami
anabolizmu. Druga zasada termodynamiki pozostaje spełniona, ponieważ wzrost stopnia
uporządkowania wewnątrz organizmu, jest kompensowany obniżeniem stopnia uporządkowania w
środowisku otaczającym organizm. Tym samym entropia całego układu stale wzrasta. Można
powiedzieć, że metabolizm utrzymuje porządek tworząc nieporządek.
Uporządkowanie struktur komórkowych i cząsteczek związków organicznych jest możliwe tylko
dzięki stałemu dostarczaniu do komórki energii. Organizmy heterotroficzne mogą pozyskiwać
energię jedynie ze związków organicznych, natomiast istnieją też organizmy autotroficzne (głownie
rośliny), które wykorzystują energię słoneczną i zamieniają energię fal elektromagnetycznych na
energię wiązań chemicznych. Jest też mała grupa organizmów chemoautotroficznych, które potrafią
wykorzystywać energię z utleniania związków nieorganicznych powstałą w procesie zwanym
chemosyntezą.
Uwalniana w procesach katabolicznych energia przynajmniej w części jest przez komórkę
wykorzystywana do przeprowadzania procesów anabolicznych. Energia musi być łatwo dostępna, a
to gwarantuje jej magazynowanie w postaci związku o nazwie adenozynotrójfosforan (ATP).
Związek ten pełni swą rolę we wszystkich rodzajach komórek.
ATP jest uniwersalnym nośnikiem energii biologicznie użytecznej. ATP jest związkiem
zbudowanym z:
- adeniny (zasada azotowa),
- rybozy (cukier prosty - pentoza) oraz
- trzech reszt fosforanowych.
Pomiędzy resztami fosforanowymi tworzą się wysokoenergetyczne wiązania. Oznacza to, że rozpad
takiego wiązania wyzwala duże ilości energii i analogicznie, powstanie wiązania jest jednoznaczne
ze zmagazynowaniem znacznej jej ilości.
Metabolizm – poziomy regulacji, zasada działania i znaczenie enzymów,
koordynacja działania enzymów, katabolizm i anabolizm, białka alleosteryczne
Metabolizm – ogół przemian i reakcji biochemicznych, zachodzących w całym organizmie (w
wyspecjalizowanych narządach i układach), a także w poszczególnych komórkach (m.
komórkowy), niezbędnych do jego prawidłowego funkcjonowania, wzrostu i rozwoju. To
całokształt przemian materii, prowadzących do syntezy złożonych związków organicznych z
prostszych substratów organicznych lub nieorganicznych (anabolizm) ; oraz rozkładu substancji
złożonych na związki prostsze, prowadząc do uzyskania energii zmagazynowanej w postaci wiązań
chemicznych (katabolizm).
Reakcje chemiczne są zorganizowane w szlaki metaboliczne, a substraty są przekształcane za
pomocą enzymów. Owe szlaki można podzielić na dwie grupy:
- reakcje egzoenergetyczne – przekształcają zw. chemiczne, wytwarzając tym samym energię
biologicznie użyteczną ( przekształcają zw. organiczne w energię) [reakcje kataboliczne];
- reakcje endoenergetyczne – wymagają dostarczenia energii, by móc zachodzić, np. tworzenie
glukozy, lipidów albo białek [reakcje anaboliczne].
Większość reakcji metabolicznych można zakwalifikować ze względu na rodzaj przenoszonej
grupy funkcyjnej. Części metabolizmu wyspecjalizowane w przenoszeniu tych grup pomiędzy
związkami to koenzymy (każdy przyporządkowany konkretnemu rodzajowi reakcji). Są one
tworzone w komórce bez przerwy, są po jakimś czasie rozkładane i ponownie
Użytkowane przez odpowiednie enzymy. Przykładem takiego koenzymu jest ATP.
Procesy kataboliczne wszystkich organizmów mają na celu utworzenia potencjału redoks ( miara
właściwości utleniających utleniacza lub redukujących reduktora w reakcjach redoks)
pozwalającego na przenoszenie elektronów między zredukowanymi cząsteczkami. Można ten
proces podzielić na trzy etapy:
1) cząsteczki substancji organicznych są trawione w układzie pokarmowym do mniejszych;
2) mniejsze cząstki są transportowane do komórek i rozkładane na jeszcze prostsze związki
(najczęściej acetylo-CoA, czyli koenzym A związany z resztą acylową. Koenzym ten jest
odpowiedzialny za przenoszenie grup acylowych) , uwalnia się energia;
3) w cyku Krebsa gr. acetylenowa jest utleniana do CO2, energia jest przenoszona na NADH
(Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, pochodna wit. B2, koenzym, pełni funkcję
akceptora wodoru) i GTP (Guanozyno-5'-trifosforan, rybonukleotyd purynowy,
przenosi energię w komórce, powstaje w cyklu Krebsa) . NADH ulega utlenieniu w
łańcuchu oddechowym, wyzwala energię, finalnie magazynowaną w ATP.
Katabolizm węglowodanów - głównie rozkładanie ich na mniejsze cząsteczki. Są
transportowane do komórek tuż po rozłożeniu na monosacharydy.
W glikolizie, kolejnym etapie rozkładu glukozy, z cukrów powstaje kwas pirogronowy i
energia, wiązana w ATP.
Trawienie to także element procesów metabolicznych. Główne enzymy trawienne w
organizmie to:
- lipazy (rozkładają tłuszcze);
- glikozydazy (depolimeryzują polisacharydy);
– proteazy (rozkładają białka).
Poprzez hydrolizę odbywa się katabolizm tłuszczów, uwalniają się kwasy tłuszczowe (rozpadają
się w procesie beta-oksydacji, wytwarza się acetylo-CoA) i glicerol (przechodzi glikolizę).
U aminokwasów proces oksydacji zaczyna się od usunięcia gr. aminowej podczas transaminacji,
co jest częścią cyklu ornitynowego.
Kluczowym elementem wytwarzania energii dla komórki jest fosforylacja oksydacyjna, czyli
proces, w którym elektrony pobrane z cząsteczek związków organicznych są przekazywane na
tlen, a uwolniona energia pożytkowana na tworzenie ATP. Dzieje się to za sprawą białek
zawartych w błonie mitochondriom, zwanych łańcuchem oddechowym. Białka te użytkują
energię powstałą w czasie przemieszczania się cząsteczek zredukowanych na cząsteczkę tlenu,
by transportować protony na przez wewnętrzną błonę komórkową. Takie przeniesienie
protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej powoduje różnicę stężeń
i potencjałów pomiędzy obiema stronami błony i generuje potencjał elektrochemiczny. Jednak
protony mogą powracać do macierzy mitochondrialnej przez kanał jonowy enzymu – syntazy
ATP. Przepływ dodatnich ładunków powoduje rotację osi enzymu, dlatego też centrum aktywne
syntazy zmienia kształt i fosforyzuje ADP do ATP.
Glukogenezą nazywa się syntezę glukozy ze związków takich, jak kwas pirogronowy, kwas
mlekowy, glicerol, aldehyd 3-fosfoglicerynowy lub aminokwasy.
Mnóstwo jest substancji, które mogą być znaczącym zagrożeniem dla organizmu
(ksenobiotyki, np. narkotyki, naturalne trucizny, leki, antybiotyki), gdyż nie spełniają żadnych
metabolicznych funkcji. Są one detoksyfikowane za pomocą specjalnych enzymów,
działających trzyetapowo: najpierw utleniają ksenobiotyk, dołączanie do niego cząsteczki grup
hydrofilowych, wydalenie z organizmu. Dużym problemem dla organizmu jest też stres
oksydacyjny. Różne procesy, np. fosforylacja oksydacyjna, powodują powstawanie
reaktywnych form tlenu. Te oksydany są neutralizowane przez przeciwutleniacze lub enzymy:
katalazy i peroksydazy.
Homeostaza – stan stałości warunków w organizmie. Ponieważ w organizmach zachodzą
nieustanne zmiany, reakcje metaboliczne podlegają regulacji, by homeostaza była zachowana.
Owa regulacja pozwala organizmom na interakcje ze środowiskiem. Podstawowym sposobem
regulacji jest automatyczna odpowiedź na zmianę stężenia substratów. Regulacja zewnętrzna
powoduje zmiany w metabolizmie komórki, przy użyciu sygnałów płynących z innej komórki
(zazwyczaj te sygn. mają postać rozpuszczonych w wodzie substancji, np. hormonów i są
odbierane przez konkretne receptory na powierzchni innej komórki). Metabolizm komórki
podlega kontroli przez:
- regulację ilości enzymów;
- regulację katalitycznej aktywności enzymów;
- przestrzenne udzielenie zachodzących reakcji.
Regulacja ilości enzymów odbywa się także przez zmiany szybkości transkrypcji genów
kodujących dane enzymy, natomiast ich aktywności – przez modyfikację kowalencyjną
(odwracalna fosforylacja, mogąca zwiększać lub zmniejszać aktywność enzymu).
Kontrola alleosteryczna polega na zmianie aktywności przez związki chemiczne, biorące udział
w reakcjach, składających się na szlak metaboliczny.
Podział komórki na wiele przedziałów izolowanych (tzw. kompartmentacja). Poszczególne
kompartymenty są utworzone przez system błon białkowo–lipidowych (oddzielenie
poszczególnych elementów komórki – jądra, mitochondriom etc.). Taki podział umożliwia
kontrolę reakcji biochemicznych w najprostszy sposób – przez limitowanie dostępu substratów
dla zachodzących we właściwych przedziałach komórki szlaków metabolicznych.
Białka alleosteryczne to takie, które zbudowane jest z podjednostek, a jego przestrzenna
budowa i zastosowanie są zmienne (zmieniają się po przyłączeniu efektora alleosterycznego:
aktywatora lub inhibitora). Przykładem takiego białka jest hemoglobina. Białka te odgrywają
kluczową rolę w kontroli, integracji i regulacji przemian molekularnych, zachodzących w
komó...