2) chemie buněk

Chemické složení buněk

• do 19. století: těla živých organismů nemohou být jen souhrou pevných látek, tekutin a plynů; musí v tom být něco víc: „vis vitalis“ – životní síla

• pozoruhodná rozmanitost forem života, schopnost růstu, rozmnožování, účelného jednání

• živí tvorové jsou chemickými systémy

je…je to jen chemie…

• koncept vitalismu popřen pokusem Friedricha Wöhlera, který v roce 1828 povařil jednoduchou anorganickou sůl kyanát amonný a vytvořil močovinu (organickou látku vyráběnou ledvinami) – rodí se biochemie

• Friedrich Wöhler (1800-1882)

  • procesy, které se odehrávají v živých organismech, se nevymykají chemickým ani fyzikálním zákonům

• Eduard Buchner (1860-1917)

  • německý chemik, zakladatel enzymologie, 1907 Nobelova cena za chemii

  • 1897 popsal přeměnu cukru na alkohol pomocí extraktu z kvasinek

  • biochemické procesy nepotřebují živé organismy, ale jsou řízeny látkami, které organismy vyrábějí

Zvláštnosti chemie buňky

• založena na sloučeninách uhlíku a chemických reakcích, které probíhají ve vodném prostředí a v úzkém rozmezí teplot

• ve velké míře jsou v ní zastoupeny velké polymery – molekuly složené z mnoha navzájem pospojovaných podjednotek

• komplexnost: nejjednodušší buňka je velmi složitý chemický systém

• je přísně regulována: buňky disponují řadou mechanismů pro zajištění správné rychlosti chemických reakcí ve správném místě a čase

Hlavní molekuly buněk

• voda: dominantní zastoupení, mění se s věkem

Hlavní molekuly buněk

• organické makromolekuly složené ze základních jednotek:

  • uhlohydráty

  • lipidy

  • proteiny

  • nukleové kyseliny

Hmota

• Definice: objektivní realita existující nezávisle na našem vědomí, jejíž projevy lze objektivně zaznamenat nebo měřit

• Formy hmoty: látka (pevná, kapalná či plynná), molekuly, atomy i částice, z nichž se atomy skládají; pole (gravitační, elektrické, magnetické)

Hmota je složena z prvků

• prvky nemohou být chemickými prostředky rozbity nebo přeměněny

• nejmenší částicí prvku, která si udržuje rozlišovací vlastnosti, je atom

• vlastnosti všech látek závisí na atomech, které obsahují, a způsobu, jak jsou pospojovány do molekul

• na Zemi existuje přes 90 přirozených prvků

Atom

• ve svém středu obsahuje kladně nabité jádro, které je obklopeno oblakem záporně nabitých elektronů

• jádro se skládá z kladně nabitých protonů a elektricky neutrálních neutronů

• atom je elektricky neutrální (stejný počet protonů v jádře jako obíhajících elektronů)

• neutrony přispívají ke stabilitě jádra (příliš málo nebo příliš mnoho neutronů může způsobit radioaktivní štěpení), ale neovlivňují chemické vlastnosti atomu

Izotopy prvku se liší počtem neutronů, ne počtem protonů

• Izotopy se vyskytují u téměř všech prvků; některé jsou nestabilní a proto radioaktivní

• Příklad: většina uhlíku na Zemi je tvořena stabilním izotopem 12C (6 protonů + 6 neutronů); v malé míře se vyskytuje nestabilní izotop 14C (6 protonů + 8 neutronů), který se radioaktivně štěpí (poločas rozpadu cca 5730 +/- 30 let)

Datování radiokarbonovou metodou

• v atmosférickém CO2 se poměr izotopů uhlíku dlouhodobě udržuje na konstantní hodnotě (1x 14C : bilion 12C)

• živé organismy atmosférický CO2 konzumují, proto je poměr izotopů v jejich tkáních stejně konstantní jako v atmosféře

• odumřelé organismy s atmosférickým CO2 již nekomunikují: obsah 14C v jejich tkáních klesá podle zákonitostí rozpadu izotopů

Atomové číslo prvku

• definováno počtem protonů v jádře

• shoduje se s počtem elektronů

• je stejné u všech atomů daného prvku

• rozhoduje o jeho chemických vlastnostech

• nejlehčí prvek – vodík: v jádře má jediný proton; atom uhlíku má 6 protonů: atomové číslo = 6

Atomová hmotnost

• hmotnost daného atomu vzhledem k hmotnosti atomu vodíku

• určena počtem protonů a neutronů, které atom obsahuje (hmotnost elektronů je zanedbatelná)

• například glukóza C6H12O6 ≈ 180 Da (6x12 + 12x1 + 6x16);

• inzulin (51 AMK) ≈ 5808 Da ≈ 6 kDa

Biogenní prvky

• nezbytné pro život

• čtyři hlavní tvoří 96% hmotnosti organismu: kyslík, uhlík, vodík, dusík

• mezi makrobiogenní se řadí také vápník (1,5%) a fosfor (1,2%)

• biogenní prvky se vzácně vyskytují jako samostatné jednotky, ochotně spolu interagují

Využití prvků v organickém a anorganickém světě

• značné odlišnosti.

• důkaz, že v biologických systémech se uplatňuje specifická „chemie“

Prvky

• určeny počtem protonů a elektronů v atomech – spojení do molekul

• spojení mezi atomy prvků zajišťují chemické vazby:

  • kovalentní vazby spojující atomy do molekul

  • nekovalentní interakce tvořící „lepidlo“, které stabilizuje strukturu komplexů molekul a umožňuje jejich spojování

Atomy prvků se spojují chemickými vazbami

• důsledkem je vznik molekul

• reaktivitu atomů v živých tkáních určují elektrony; protony a neutrony jsou v jádře atomu těsně vázány a své partnery mění jen v extrémních podmínkách, např. během radioaktivního štěpení uvnitř Slunce nebo jaderného reaktoru

Elektrony

• elektrony se kolem jádra pohybují v určitých drahách – vrstvách/orbitech

• v každé vrstvě se může pohybovat omezený počet elektronů

• vrstva nejbližší jádru obsáhne maximálně 2 elektrony

• druhá a třetí vrstva může obsahovat po 8 elektronech (elektrony třetí vrstvy jsou vzdálenější od pozitivně nabitého jádra a jsou tak vázány méně pevně než elektrony druhé vrstvy)

• čtvrtá a pátá vrstva mohou obsahovat po 18 elektronech; atomy s větším počtem vrstev jsou v biologických systémech velmi vzácné

Elektrony určují stabilitu/reaktivitu atomů

• valenční elektron: ve vnější vrstvě

• atomy s úplně zaplněnými vnějšími vrstvami elektronů jsou velmi stabilní (chemicky nereaktivní)

• např. inertní plyny

• Helium: 2 elektrony

• Neon: 2 + 8 elektronů

• vodík má jen jeden elektron (vrstva je jen zpola zaplněna) - je velmi reaktivní

• dva sesterské atomy se spojují a tvoří molekulu

Chemické vazby

• atomy s nezaplněnými vrstvami mají sklon interagovat s ostatními atomy, aby došlo k zaplnění valenční vrstvy elektrony a stabilizaci

• následují dvě možnosti:

  • sdílení elektronů dvěma atomy (vznik kovalentní vazby)

  • přenos elektronů z jednoho atomu na druhý (vznik iontové vazby)

Kovalentní vazby

• důsledek sdílení elektronů

• řešení nestability atomů plynoucí z nezaplněných vrstev

• atomy se k sobě přiblíží, elektrony sdílejí a zaplní tak vnější vrstvy interagujících atomů

• sdílené elektrony vytvoří oblasti záporného náboje, které mají největší hustotu mezi kladně nabitými jádry

• to eliminuje přirozené odpuzování kladně nabitých jader

• přitažlivé a odpudivé síly musí být přesně vyváženy, aby vznikla kovalentní vazba

• délka vazby = charakteristická vzdálenost oddělující jádra dvou vázaných atomů (u molekuly vodíku 0,074 nm)

Kovalentní vazby

• atom vodíku má pouze jeden elektron, proto může vytvořit jedinou kovalentní vazbu

• atomy jiných prvků (C, O, N, S, P) mohou mít ve svých vrstvách více elektronů: mohou tvořit více kovalentních vazeb

• kyslík (6 elektronů ve vnější vrstvě) je nejstabilnější, když s jinými atomy sdílí dva další elektrony: vytváří 2 kovalentní vazby

• dusík (5 elektronů ve vnější vrstvě) vytváří maximálně 3 kovalentní vazby

• uhlík (4 elektrony ve vnější vrstvě) vytváří až 4 kovalentní vazby

Typy kovalentních vazeb

• jednoduchá vazba: sdílení dvou elektronů, z nichž každý je poskytován jedním z vázaných atomů

• dvojná vazba: sdílení 4 elektronů, z nichž dva poskytuje jeden atom a dva druhý atom; dvojná vazba je kratší a pevnější než jednoduchá

• dvojná vazba neumožňuje otáčení kolem osy vazby, což má vliv na trojrozměrný tvar molekul

Uhlík

• ústřední prvek biologických struktur

• vytváří vždy stejný počet stabilních kovalentních vazeb: atom uhlíku tvoří 4 kovalentní vazby se dvěma až čtyřmi atomy

• u jiných prvků jsou možné různé počty kovalentních vazeb

Kovalentní vazby v buňkách

• stabilní, odolné vůči nárazům vyvolaným termální energií (energie nutná pro jejich poškození musí být cca 100x silnější než energie termálních tenzí – v teplotním rozmezí živého systému)

• přerušení kovalentních vazeb v buňkách běžně zajišťují speciální proteinové katalyzátory - enzymy

Nerovnoměrné rozložení elektronů

• nastává u kovalentních vazeb spojujících atomy různých prvků, které přitahují elektrony různou silou

• následkem je polarizace, tj. nerovnoměrné rozložení elektronů v molekule: kladný náboj je soustředěn na jednom a záporný náboj na druhém konci

• míra schopnosti atomu přitahovat vazebné elektrony se nazývá elektronegativita

• elektronegativitu poprvé popsal Linus Pauling (NC za chemii 1954)

Polární kovalentní vazby

• důležité z biologického hlediska

• vytvářejí molekuly s různě nabitými skupinami na svém povrchu

• umožňují vzájemné interakce molekul elektrickými silami

• velké molekuly s mnoha polárními skupinami budou mít místa s částečným kladným a záporným nábojem na svém povrchu

• možnost nekovalentní iontové interakce s molekulami s komplementárním rozložením náboje

Iontové vazby

• u některých látek je elektronegativita tak odlišná, že spojované atomy elektrony nesdílí, ale přímo se přenášejí do atomu s vyšší elektronegativitou

• atomy se stabilizují: kompletního obsazení vnějších vrstev lze dosáhnout i poskytnutím „nadbytečného“ nebo přijetím „postrádaného“ elektronu

• atom, který elektron získá (má více elektronů než protonů), nese záporný náboj a nazývá se aniont; atom, který elektron ztrácí, nese kladný náboj (má více protonů než elektronů) a nazývá se kationt

• mezi opačně nabitými atomy pak vzniká nekovalentní iontová vazba

Chlorid sodný (kuchyňská sůl)

• výsledek setkání vysoce reaktivního kovu – sodíku s toxickým plynem – chlorem

• elektron vnější vrstvy atomu sodíku přeskočí na atom chloru, čímž jsou vnější vrstvy obou atomů zcela zaplněny

• oba vzniklé opačně nabité ionty jsou pak v iontové vazbě

• ionty vázané výhradně iontovými vazbami se označují jako soli

• iontové vazby jsou ve vodném prostředí 10-100x slabší než kovalentní vazby, i tak jsou pro interakce molekul v buňkách velmi důležité

Mezimolekulární interakce

• mohou být potlačeny ionty v roztoku

• např. ionty Na+ Cl- v roztoku se mohou vázat na polární skupiny molekul a tím je neutralizovat

• zvyšující se koncentrace solí v roztocích biologických molekul může oslabit nebo úplně přerušit iontové interakce, které molekuly drží pohromadě

Tvar molekul a chemické vazby

• jednoduché kovalentní vazby umožňují otáčení spojených atomů (flexibilita makromolekuly, náhodné ohyby podle tepelné energie)

• dostatečný počet nekovalentních vazeb mezi různými částmi téže molekuly brání náhodným pohybům a fixují ji v jedné konformaci

Nekovalentní vazby v biologických makromolekulách

• nejsou zprostředkovány valenčními elektrony

• iontové vazby – elektrostatické interakce mezi opačně nabitými ionty

• vodíkové můstky – interakce mezi částečně pozitivně nabitým atomem vodíku molekulárního dipólu s nespárovanými elektrony jiného atomu téže nebo jiné molekuly

• van der Waalsovy síly – elektrostatické přitahování vyvolané fluktuací elektrického náboje, ke kterému dochází, jakmile se atomy přiblíží na velice krátkou vzdálenost

• hydrofobní interakce – síly plynoucí z vytlačování hydrofobních molekul z vodného roztoku

Vodíkové můstky

• vazby mezi atomem vodíku s parciálním kladným nábojem a jiným atomem s parciálním záporným nábojem

• atom H vázaný k elektronegativnímu atomu donora může tvořit slabou (vodíkovou) vazbu s akceptorovým atomem, který disponuje párem volných elektronů

• akceptor „přitahuje“ atom H donora, kovalentní vazba mezi H a donorem se natahuje

• vodíkové vazby napomáhají stabilizaci např. proteinů, nukleových kyselin; schopnost tvořit vodíkové můstky s molekulami vody významně ovlivňuje rozpustnost látek ve vodě

Voda

• představuje cca 70% hmotnosti buněk

• většina nitrobuněčných reakcí probíhá ve vodném prostředí

• molekula vody: dvě vysoce polární kovalentní vazby H-O

• kyslík přitahuje elektrony silně, vodík slabě

• parciální kladný náboj na obou atomech H a záporný náboj na atomu O

• jedna molekula vody se tak může iontovými interakcemi vázat s jinou molekulou vody vodíkovými můstky

Vodíkové můstky

• mnohem slabší než kovalentní vazby

• snadno vznikají a snadno se rozpadají náhodným tepelným pohybem

• existují jen krátkodobě; kombinovaný účinek mnoha vodíkových můstků však není zanedbatelný

• molekuly vody tvoří síť, díky které voda za pokojové teploty není plynem, ale kapalinou s vysokým bodem varu a velkým povrchovým napětím

• bez vodíkových můstků by nebyl život

Vodíkové můstky

• nejsou omezeny jen na vodu; tvoří se vždy při přiblížení kladně nabitého atomu H vázaného polární kovalentní vazbou k atomu se záporným nábojem (typicky dusíku nebo kyslíku)

• mohou se tvořit mezi různými částmi téže molekuly: podíl na skládání; mohou se podílet na vazbách mezi různými molekulami

Rozpustnost ve vodě

• molekuly s polárními vazbami (nesoucími kladný nebo záporný náboj) mohou tvořit vodíkové můstky s vodou a proto se v ní ochotně rozpouštějí - jsou hydrofilní

• většina buněčných molekul je hydrofilních (sacharidy, DNA, RNA, většina proteinů)

• hydrofobní molekuly nenesou žádný náboj a tvoří jen velmi málo Hmůstků nebo žádné - ve vodě se nerozpouštějí (např. mastné kyseliny, alkany, atd.)

Voda je výborné rozpouštědlo

• ve vodě se rozpouští více látek než v jakékoliv jiné tekutině

van der Waalsovy síly

• na velmi krátké vzdálenosti vykazují slabou vazebnou interakci mezi kterékoliv dva atomy, díky přechodným fluktuacím v distribuci elektronů

• elektrony nejsou rovnoměrně distribuovány,

• vznikají dočasné dipóly, které spolu mohou slabě interagovat; pokud se atomy dostanou do příliš těsné blízkosti, velmi silně se odpuzují

Hydrofobní interakce

• nepolární molekuly mají ve vodě tendenci vzájemně agregovat

• hydrofobní skupiny se tlačí k sobě, aby minimalizovaly kontakt s vodou: hydrofobní efekt

• důležité pro navozování vhodných podmínek pro interakce mezi molekulami – zvláště při výstavbě buněčných membrán

Hydrofobní interakce

• nepolární molekuly jsou nerozpustné ve vodě, protože nemají nabité skupiny

• v biologických systémech jsou nejběžnějšími nepolárními vazbami kovalentní vazby C – C nebo C - H

• uhlovodíky jsou ve vodě téměř nerozpustné; molekuly vody netvoří vodíkové můstky s nepolárními látkami, místo toho tvoří uspořádané „klece“ kolem nich

• energeticky výhodnější je agregovaný stav

Nekovalentní vazby umožňují vazby mezi makromolekulami

• i když jsou slabé, mohou zajistit interakce molekul; podmínkou je komplementarita tvaru molekul

• pro dostatečné přiblížení mezi molekulami se vytváří větší počet vazeb

Nekovalentní vazby umožňují vazby mezi makromolekulami

• interakce mezi molekulami jsou specifické (vazby se vytvoří s dostatečnou stabilitou jen mezi správnými partnery)

• komplementarita molekul a jejich nekovalentní interakce jsou zodpovědné za řadu klíčových procesů v živých buňkách

Nekovalentní vazby umožňují vazby mezi makromolekulami

• kovalentní vazby spojují menší molekuly za vzniku makromolekul

• nekovalentní vazby se uplatňují při spojování makromolekul do makromolekulárních komplexů

Malé molekuly v buňkách

• jen několik málo typů malých molekul vytvořených z pár prvků zajišťuje neuvěřitelně rozmanité projevy života

• s výjimkou vody se vyskytuje téměř ve všech molekulách buňky uhlík

• uhlík je mimořádný tím, jak snadno vytváří velké molekuly

• atom uhlíku je malý a ve vnější elektronové vrstvě má 4 volná místa: vytváří 4 kovalentní vazby s jinými atomy

• často vytváří pevné kovalentní vazby C – C, čímž mohou vznikat dlouhé řetězce tvořící kostru složitých a velkých molekul (organických molekul)

Čtyři hlavní typy malých molekul v buňkách

• molekulová hmotnost v rozsahu 100 – 1000 Da, do 30 atomů uhlíku; obvykle volné v cytosolu buňky

• Různé funkce:

  • monomery pro výstavbu buněčných polymerů (proteiny, nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy)

  • zdroje energie, která se uvolňuje jejich štěpením na menší molekuly; ty se zapojují do metabolismu

Cukry

• zdroje energie (glykogen, škrob)

• polysacharidy složené z monosacharidů spojených kovalentními – glykosidickými vazbami

• spojením dvou monosacharidů vzniká disacharid, atd.

• oligosacharid: polymer 2 – 10 monosacharidů

• polysacharid: počet monomerů dosahuje stovek až tisíců

Polymery vznikají kondenzací monomerů

• kondenzační reakce: tvorba vazby doprovázená ztrátou molekuly vody – energeticky nevýhodná

• hydrolýza: rozpad polymerů na monomery za spotřeby molekuly vody – energeticky výhodná

Polysacharidy vznikají kondenzací monosacharidů

• vazba vzniká mezi hydroxylovou skupinou jednoho monosacharidu a hydroxylovou skupinou druhého monosacharidu

• každý monosacharid má více OH skupin, kterými se může spojit s jiným monosacharidem nebo jinou molekulou: větvení sacharidových řetězců, rozmanitost struktury polysacharidů

Význam glukózy

• ústřední zdroj energie buněk; jejím štěpením na menší molekuly se uvolňuje energie, kterou buňky využívají pro práci

• polysacharidové zásobárny energie: glykogen u živočichů; škrob u rostlin

Organismy udržují vysoký stupeň uspořádanosti

• odlišnost od neživé hmoty směřující k neuspořádanosti (nepravděpodobnosti);

• uspořádanost vyžaduje přísun energie, což je podmínka života

Organismy udržují vysoký stupeň uspořádanosti

• udržení této nerovnováhy vyžaduje stálou investici energie

• aby měla buňka dost vlastní energie a molekul pro vlastní výstavbu, potřebuje je umět zachytit z vnějšku, uchovat a využít podle potřeby

Buňky dokážou formy energie přeměňovat

• První zákon termodynamiky: energie nemůže vznikat nebo se ztratit, ale může se přeměňovat z jedné formy na jinou

Slunce: zdroj energie

• rostliny: zdrojem energie je světlo

• živočichové: využívají energii chemických vazeb organických molekul, které přijímají ve formě potravy;

• molekuly potravy rovněž poskytují atomy potřebné pro výstavbu živé hmoty; potravou mohou být molekuly živočišného i rostlinného původu

Fotosyntéza

• proces, který přeměňuje elektromagnetickou energii slunečního záření na energii chemických vazeb v buňkách

• sluneční energie se využije pro syntézu malých organických molekul, jako cukrů, aminokyselin, nukleotidů a mastných kyselin, ze kterých se pak tvoří biologické makromolekuly (polysacharidy, proteiny a nukleové kyseliny)

• probíhá v zelených rostlinách, řasách a některých bakteriích;

• 2 fáze: energie fotonů je zachycena aktivovanými přenašiči ATP/NADPH za současného uvolnění kyslíku z molekuly vody; pomocí aktivovaných přenašečů dochází k fixaci uhlíku z CO2 – za vzniku cukrů

Buněčná respirace

• buňky jsou závislé na schopnosti využití energie chemických vazeb v organických molekulách

• tato chemická energie je extrahována procesem jejich postupné oxidace – kontrolovaným hořením;

• energeticky nejstabilnější formou uhlíku je CO2 a vodíku H2O;

• oxidace uhlovodíkových molekul je proto energeticky velmi výhodná;

• buňka potřebující energii využije své cukry nebo jiné organické molekuly tak, že umožní reakci jejich atomů uhlíku a vodíku s kyslíkem – dojde k jejich oxidaci za vzniku CO2 a H2O;

• tímto procesem buněčné respirace se molekuly potravy rozpadají za současného uvolnění energie.

Respirace a fotosyntéza jsou komplementární procesy

• kyslík produkovaný rostlinami při fotosyntéze je konzumován téměř všemi organismy pro rozklad organických molekul;

• uhlík pocházející z CO2 a začleňovaný do organických molekul při fotosyntéze může pocházet z atmosféry, kam byl uvolněn respirací živočichů, hub nebo samotnou rostlinou.

Katabolismus a anabolismus

• katabolismus: proces zachycení energie štěpením komplexních molekul na jednodušší; např. přeměnou glukózy na CO2 a H2O; zároveň vznikají potřebné stavební bloky

• anabolismus: proces syntézy komplexních buněčných molekul z molekul jednodušších s využitím dříve zachycené energie.

Katabolismus a anabolismus

• katabolismus: proces zachycení energie štěpením komplexních molekul na jednodušší; např. přeměnou glukózy na CO2 a H2O; zároveň vznikají potřebné stavební bloky

• anabolismus: proces syntézy komplexních buněčných molekul z molekul jednodušších s využitím dříve zachycené energie.

/