Augu šūnas ķīmiskais sastāvs: Olbaltumvielas, Ogļhidrāti, Lipīdi un Nukleīnskābes

Augu šūna un tās ķīmiskais sastāvs

Augu šūnas sastāvu veido ūdens un sausna, kas tālāk iedalās organiskajās un neorganiskajās vielās.

Ūdens saturs:

• Aptuveni $80\%$ no šūnas kopējā sastāva.

Sausna (organiskās vielas):

1. Pamatorganiskās vielas:    - Olbaltumvielas    - Ogļhidrāti    - Lipīdi    - Nukleīnskābes
2. Vielmaiņas gala produkti un starpprodukti:    - Spirti    - Amīni    - Aminoskābes    - Organiskās skābes
3. Sekundārie metabolīti:    - Steroīdi    - Terpenoīdi    - Pigmenti    - Vitamīni

Sausna (neorganiskās vielas):

• Makroelementi
• Mikroelementi

Olbaltumvielas un aminoskābes

Olbaltumvielas ir augstas molekulmasas organiskie savienojumi. To pamatvienības ir aminoskābes (A.S.).

Aminoskābju klasifikācija

Aminoskābes iedala grupās pēc to ķīmiskajām īpašībām un sānu virkņu rakstura:

• Neitrālās: Glicīns ($Gly$), alanīns ($Ala$), valīns ($Val$), leicīns ($Leu$), izoleicīns ($Ile$).
• Sēru saturošās: Cisteīns ($Cys$), metionīns ($Met$).
• Oksiaminoskābes (satur $-OH$ grupu): Serīns ($Ser$), treonīns ($Thr$).
• Dikarbonskābes un to amīdi: Asparagīnskābe ($Asp$), glutamīnskābe ($Glu$), asparagīns ($Asn$), glutamīns ($Gln$).
• Bāziskās (diaminomonokarbonskābes): Lizīns ($Lys$), arginīns ($Arg$).
• Aromātiskās (satur benzola gredzenu): Fenilalanīns ($Phe$), tirozīns ($Tyr$).
• Heterocikliskās: Histidīns ($His$), triptofāns ($Trp$), prolīns ($Pro$).

Cilvēkam neaizvietojamās aminoskābes

Cilvēka organismam ir nepieciešamas $8$ (dažos avotos $10$) neaizvietojamās aminoskābes, kuras organisms pats nesintezē: $Lys$, $Trp$, $Phe$, $Met$, $Thr$, $Leu$, $Ile$, $Val$, $His$.

Aminoskābes organismā var atrasties:

• Saistītā veidā: Iekļautas olbaltumvielu sastāvā.
• Brīvā veidā: Piemēram, taurīns (kas nav $\alpha$-aminoskābe).

Olbaltumvielu daudzveidība

Olbaltumvielu sastāvā iekļaujas $20$ dažādas aminoskābes. Teorētiski ir iespējamas $2 \times 10^{18}$ dažādas olbaltumvielu kombinācijas, taču dabā realizējas tikai neliela daļa. Piemēram, cilvēka organismā ir konstatēti aptuveni $10^5$ dažādu olbaltumvielu molekulu veidi.

Olbaltumvielu funkcijas un struktūra

Olbaltumvielu funkcijas

• Struktūrfunkcija: Veido dzīvā organisma fizioloģisko struktūru (struktūras proteīni).
• Katalītiskā funkcija: Darbojas kā fermenti jeb enzīmi.
• Transporta funkcija: Pārvieto vielas organismā.
• Aizsargfunkcija: Ietver gan mikro (imūnsistēma), gan makro līmeņa aizsardzību.
• Hormonālā funkcija: Piemēram, insulīns, vazopresīns, oksitocīns.
• Rezerves barības vielu funkcija: Uzkrājas kā enerģijas vai izejvielu avots.
• Receptorā funkcija: Signālu uztveršana šūnas līmenī.
• Balsta funkcija: Nodrošina mehānisko stiprību.

Olbaltumvielu veidošanās pakāpes

1. Peptīds: Divas vai vairākas kopā savienotas aminoskābes.
2. Polipeptīds: Daudzas aminoskābes, kas saistītas ar peptīdsaitēm.
3. Proteīns: Viena vai vairākas polipeptīdu ķēdes.

Denaturācija un renaturācija

• Denaturācija: Proteīna normālās struktūras un aktivitātes zaudēšana temperatūras vai $pH$ ietekmē. Zaudējot formu, proteīns nespēj pildīt funkcijas.
• Renaturācija: Atgriezeniska denaturācija, kurā proteīns atgūst formu un aktivitāti, ja denaturējošais faktors nav bijis pārāk spēcīgs.

Struktūras līmeņi

1. Pirmējā struktūra: Aminoskābju secība ķēdē, kur aminoskābes savienotas ar peptīdsaiti. Šī saite veidojas, reaģējot vienas aminoskābes karboksilgrupai ($-COOH$) ar otras aminogrupu ($-NH_2$), atdaloties ūdens molekulai ($H_2O$).
2. Otrējā struktūra: Polipeptīda orientācija telpā, ko stabilizē ūdeņraža saites. Modeļi: $\alpha$ spirāles un $\beta$ plāksnes (paralēlas vai antiparalēlas).
3. Trešējā struktūra: Kopējā telpiskā forma (fibrillārie vai globulārie proteīni). To nosaka pirmējā struktūra. Saites: sēra tiltiņi (disulfīda saites), jonu saites, hidrofobās mijiedarbības, ūdeņraža saites.
4. Ceturtējā struktūra: Veidojas no vairākām polipeptīdu ķēdēm (subvienībām). Piemēri: mikrocauruļītes (no $\alpha$- un $\beta$-tubulīna), citohroma $bc1$ komplekss (11 subvienības), vīrusu kapsīdas.

Olbaltumvielu klasifikācija un fermenti

Klasifikācija

• Proteīni (vienkāršās olbaltumvielas):   - Albumīni: Šķīst ūdenī (piemēram, kviešu, zirņu).   - Globulīni: Šķīst neitrālos sāļos (piemēram, kaņepju).   - Prolamīni: Šķīst $50 - 70^{\circ}$ spirtā (graudzāļu sēklu).   - Histoni: Šķīst sārmu šķīdumos.
• Proteīdi (olbaltumviela + cita molekula): Fosfoproteīdi, lipoproteīdi, glikoproteīdi, hromoproteīdi (hemoglobīns, hlorofils), nukleoproteīdi.

Fermenti (enzīmi)

Tie ir bioloģiskie katalizatori ar šauru specifiskumu. Tie var būt:

• Vienkomponentu fermenti.
• Divkomponentu fermenti: Sastāv no apofermenta (olbaltumvielas daļa) un kofermenta (neolbaltumvielas daļa).

Fermentu klasifikācija:

• Oksidoreduktāzes
• Transferāzes
• Hidrolāzes
• Izomerāzes
• Liāzes
• Ligāzes jeb sintetāzes

Vides faktoru ietekme uz fermentiem:

• Temperatūra, ūdens saturs, $pH$, substrāta daudzums, adsorbcija, aktivatoru un inhibitoru klātbūtne.

Ogļhidrāti

Ogļhidrāti ir polihidroksikarbonilsavienojumi, kas veido aptuveni $80\%$ no augu sausnas. Tie augos veidojas fotosintēzes procesā: $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Vispārīgā formula: $C_mH_{2n}O_n$ Terminu "ogļhidrāti" $1844$. gadā ieviesa krievu ķīmiķis Karls Šmits.

Funkcijas

• Enerģētiskā (oksidējoties izdala enerģiju)
• Plastiskā
• Aizsargfunkcija
• Balsta funkcija (celuloze, pektīni)
• Regulatorfunkcija
• Rezerves barības viela (ciete)

Iedalījums

1. Monosaharīdi: Vienkāršākie ogļhidrāti (heksozes ar $6$ oglekļa atomiem).    - Glikoze: Sastopama medū, augļos (īpaši vīnogās).    - Fruktoze: Augļu cukurs.    - Rūgšanas procesā rauga ietekmē glikoze veido etilspirtu ($C_2H_5OH$) un $CO_2$.
2. Oligosaharīdi: Divi līdz daži monosaharīdi.    - Disaharīdi: Trehaloze (gl+gl), saharoze (gl+fr), maltoze (gl+gl).    - Trisaharīdi: Kestoze, rafinoze.
3. Polisaharīdi: Augstas molekulmasas, nešķīst ūdenī, nav saldi.    - Ciete: Veidota no $\alpha$-glikozes (amiloze un amilopektīns).    - Celuloze: Veidota no $\beta$-glikozes. Galvenā balstviela.    - Citi: Hitīns, pektīni, polifruktozāni (cigoriņos), hemicelulozes (ksilāni).

Lipīdi

Lipīdi ir ūdenī nešķīstošas vielas, kas šķīst organiskos šķīdinātājos (benzīnā, ēterī u.c.).

Klasifikācija

• Uz glicerīna bāzes:   - Vienkāršie: Eļļas un tauki.   - Saliktie: Fosfolipīdi, glikolipīdi.
• Bez glicerīna bāzes: Vaski, steroīdi, terpēni, sfingolipīdi (satur sfingozīnu).

Taukskābes

Tās ir karbonskābes ar ogļūdeņražu ķēdi un karboksilgrupu ($-COOH$).

• Piesātinātās: Nav dubultsaišu (taukos). Piemēri: Kaprilskābe ($8:0$), Kaprīnskābe ($10:0$), Laurīnskābe ($12:0$), Miristīnskābe ($14:0$), Palmitīnskābe ($16:0$), Stearīnskābe ($18:0$), Arahīnskābe ($20:0$).
• Nepiesātinātās: Ir dubultsaites (eļļās). Piemēri: Oleīnskābe ($18:1$, $cis-\Delta^9$), Linolskābe ($18:2$), Linolēnskābe ($18:2$), $\alpha$-linolēnskābe ($18:3$), Arahidonskābe ($20:4$), Erukskābe ($22:1$).

Citi lipīdi un funkcijas

• Vaski: Aizsargkārtiņa (kutikula) uz augiem. Augsts kušanas punkts.
• Fosfolipīdi: Satur polāru galvu (holīns, fosfāts) un hidrofobu asti (glicerīns, taukskābes). Veido šūnu membrānu dubultslāni.
• Funkcijas: Enerģētiskā, struktūras, aizsargfunkcija (pret bojājumiem, siltuma un ūdens zudumu).

Nukleīnskābes un enerģijas metabolisms

Nukleīnskābes ir polimēri, kas veidoti no nukleotīdiem. Nukleotīda sastāvs: fosforskābes atlikums, cukurs (pentoze), slāpekļa bāze.

DNS un RNS salīdzinājums

• DNS (Dezoksiribonukleīnskābe):   - Cukurs: Dezoksiriboze.   - Bāzes: Adenīns ($A$), Guanīns ($G$), Citozīns ($C$), Timīns ($T$).   - Struktūra: Dubultspirāle.   - Atrašanās vieta: Kodols, mitohondriji, hloroplasti.   - Funkcija: Ģenētiskās informācijas glabāšana un replikācija.
• RNS (Ribonukleīnskābe):   - Cukurs: Riboze.   - Bāzes: $A$, $G$, $C$, Uracils ($U$).   - Struktūra: Viena ķēde.   - Veidi: $i-RNS$ (informācijas pārnešana), $t-RNS$ (amino skābju transports), $r-RNS$ (veido ribosomas).

Komplimentaritātes princips

DNS molekulā bāzes savienojas specifiskos pāros:

• $A$ komplimentārs $T$
• $C$ komplimentārs $G$
• RNS gadījumā $A$ veido pāri ar $U$.

Adenozīntrifosfāts (ATF/ATP)

ATF ir galvenā enerģijas molekula šūnā. Enerģija tiek uzkrāta un atbrīvota fosfātsaišu šķelšanas procesā:

• $ATP \rightarrow ADP + P_i$ (izdalās enerģija)
• Enerģijas līmeņi: $8\,kcal$ pirmajām divām saitēm, $2\,kcal$ trešajai (saskaņā ar shēmu).

Replikācija

Process, kurā DNS molekula dubultojas pirms šūnu dalīšanās, nodrošinot iedzimto īpašību nodošanu. Jaunie nukleotīdi veido pārus ar vecās ķēdes nukleotīdiem, izveidojot divas identiskas meitmolekulas.