Biochemia
¨ Lipidy: woski (kwas tłuszczowy + alkohol monohydroksylowy o długim łańcuchu; np. wosk kaszalota olbrot, wosk owczy lanolina, wosk karnauba), kwasy tłuszczowe (są prekursorami niektórych hormonów, np. prostaglandyn, tromboksanów, hormonu juwenilnego owadów), tłuszcze właściwe (glicerol + kwasy tłuszczowe, gromadzone w tkance tłuszczowej), sfingolipidy (alkohol sfingozyna + kwas tłuszczowy, np. cerebrozydy i gangliozydy), fosfolipidy (glicerol + kwasy tłuszczowe + reszta fosforanowa, z dołączoną cząsteczką choliny à w przypadku lecytyn, z dołączoną cząsteczką etanoloaminy à w przypadku enkefalin). Tłuszcze właściwe są gromadzone w komórkach tłuszczowych – adipocytach. Ważną grupę lipidów stanowią lipidy izoprenowe. Należą do nich karotenoidy, ksantofile, terpenoidy (np. mentol odpowiadający za zapach mięty), cholesterol – który stabilizuje błony komórkowe (ograniczając ich płynność), a także jest prekursorem hormonów steroidowych: hormonów kory nadnerczy, hormonów płciowych, ekdyzonu owadów. Tłuszcze identyfikuje się za pomocą odczynnika sudan (zabarwia się on na czerwono w ich obecności). Tłuszcze roślinne są nienasycone i mają konsystencję płynną (z wyjątkiem masła kakaowego), a zwierzęcie nienasycone i mają stałą konsystencję (z wyjątkiem tranu). Przemysłowe ,,utwardzanie“ tłuszczów roślinnych, np. przy produkcji margaryny, często zmienia konformację cis, typową dla roślinnych nienasyconych kwasów tłuszczowych, na konformację trans. Spożywanie takich produktów może być szkodliwe dla człowieka.
¨ Węglowodany – monosacharydy: glukoza, fruktoza (najsłodszy cukier), galaktoza (współtworzy cząsteczki glikolipidów w błonach komórkowych, jest składnikiem śluzów), mannoza (rzadszy cukier występujący m.in. w ścianach komórkowych grzybów i łupinach orzechów), ryboza (składnik RNA, ATP, NADH, NADPH, FADH2), deoksyryboza (składnik DNA); disacharydy: laktoza (składnik mleka, zbudowana z cząsteczki glukozy i galaktozy) a maltoza (składnik nektaru i owoców, zbudowana z dwóch cząsteczek glukozy), sacharoza (używany w przemyśle do słodzenia, cukier transportowy roślin, zbudowana z cząsteczki glukozy i fruktozy), celobioza (przejściowy produkt degradacji celulozy, zbudowana z dwóch cząsteczek glukozy), polisacharydy: glikogen (cukier zapasowy zwierząt i grzybów, zbudowany z cząsteczek glukozy, bardziej rozgałęziony niż skrobia, zawiera większy stosunek rozgałęzionej amylopektyny do amylozy), skrobia (cukier zapasowy roślin, złożona z amylozy i amylopektyny), celuloza (buduje ściany komórkowe roślin i glonów), dekstran (polimer glukozy, stosowany jako czynnik krwiozastępczy), inulina (polimer glukozy z terminalną cząsteczką fruktozy, stosowana jako środek przydatny w diagnostyce chorób nerek do określania szybkości filtacji w kłębuszkach nerkowych, a także w dietetyce jako preparat wspomagający odchudzanie), kaloza (polimer glukozy, wydzielany w miejscach zranienia rośliny, zimą zatyka sita łyka rośliny), pektyny (polisacharydy roślinne o zmiennym składzie, głównie złożone z kwasu galakturonowego, tworzą blaszkę środkową między komórkami roślin), hemicelulozy (polisacharydy roślinne złożone głównie z ksylozy, kalozy, mannozy i galaktozy, współtworzą ścianę komórkową roślin).
¨ Pochodne węglowodanów: chityna (polimer N-acetyloglukozaminy, buduje szkielet zewnętrzny stawonogów i ściany komórkowe grzybów), heparyna (złożona z reszt aminowych i kwasów uronowych, substancja wytwarzana w wątrobie człowieka, zapobiega krzepnięciu krwi), kwas hialuronowego (glikozoaminoglikan, związek wiążący wodę w naskórku człowieka, stosowany w medycynie jako składnik płynów do soczewek kontaktowych, kropli do oczu, żelu wypełniającego ubytki w tkankach), chondroityna (glikozoaminoglikan, jeden z głównych składników chrząstki stawowej, stosowany w medycynie jako suplement diety).
¨ Glikozydy - specyficzna grupa węglowodanów. Składają się one z części cukrowej i alkoholowej lub fenolowej, połączonych wiązaniem O-glikozydowym. Niektóre z nich wykazują działanie nasercowe, obniżając częstość skurczu serca, ale zwiększając jego siłę. Do tej grupy należą: digitalina, otrzymywana z naparstnicy, strofantyna, otrzymywana ze strofantu, a także scilaryna, otrzymywana z cebuli morskiej. Istnieją również glikozydy irydoidowe o działaniu przeciwzapalnym i przeciwbakteryjnym, a także glikozydy przeczyszczające (antrachinowe, pozyskiwane z senesu i kruszyny).
¨ Rola węglowodanów w determinacji grup krwi: na powierzchni erytrocytów znajdują się łańcuhy polisacharydowe związane wiązaniami glikozydowymi z grupami hydroksylowymi białek. Posiadanie określonej grupy krwi wynika z obecności cząsteczek cukrów będących jej swoistymi znacznikami. Dla grupy krwi A jest to cząsteczka N – acetylo – D – galaktozoaminy, dla grupy krwi B – cząsteczka D – galaktozy, natomiast dla grupy krwi 0 – brak któregokolwiek z tych cukrów. Erytrocyty AB mają znaczniki charakterystyczne dla obydwu grup A i B. Grupy krwi mają istotne znaczenie przy transfuzjach, ze względu na fakt wytwarzania antygenów przeciwko znacznikom, których dana grupa krwi nie posiada. (*ciekawostką związaną z tym tematem są preferencje żywnościowe posiadaczy danej grupy krwi. Osoby z erytrocytami typu A najlepiej przyswajają pokarm roślinny, typu B – pokarm z dużą zawartością białka, natomiast typu 0 – głównie białka zwierzęce i pokarm bogaty w witaminy. Posiadanie danej grupy krwi wiąże się również z podatnością na pewne choroby. Osoby z grupą krwi A częściej zapadają na choroby serca i naczyń wieńcowych oraz cukrzycę, posiadacze grupy krwi B – na stwardnienie rozsiadne, a grupy krwi AB wykazują mniejszą odporność na nowotwory).
¨ Wykrywanie cukrów: próba Trommera i Tollensa (zmodyfikowana próba Trommera to próba Benedicta i Fehlinga), pozwalające wykryć cukry redukujące (grupa aldehydowa).
¨ Aminokwasy – związki amfoteryczne (posiadają co najmniej po jednej grupie kwasowej i zasadowej), w organizmie człowieka występuje 20 aminokwasów budujących białka, istnieją również aminokwasy niebiałkowe, takie jak cytrulina i ornityna (àcykl mocznikowy). (* niezwykle rzadkie jest występowanie w białkach aminokwasów nie należących do tych 20: u człowieka w enzymie peroksydazie glutationowej występuje aminokwas selenocysteina, a u bakterii w niektórych białkach występuje pirolizyna). Aminokwasy egzogenne (które muszą być dostarczane z pokarmem): izoleucyna, leucyna, lizyna, fenyloalanina, treonina, tryptofan, metionina, walina, u dzieci również arginina i histydyna. Aminokwasy endogenne (organizm sam je wytwarza): glicyna, alanina, asparagina, kwas asparaginowy, glutamina, kwas glutaminowy, prolina, seryna, cysteina. Tyrozyna jest wytwarzana z fenyloalaniny, więc jest względnie endogenna.
¨ Białka – polimery aminokwasów. Struktura pierwszorzędowa – sekwencja białka. Struktura dwugorzędowa – struktura przestrzenna wynikająca z oddziaływań przestrzennych między aminokwasami (wiązania wodorowe): alfa-helisa (oddziałują ze sobą grupy aminowe i karboksylowe co czwartego aminokwasu, kształt cylindra, występuje m.in. we włosach), beta-harmonijka (oddziałują się sobą grupy aminowe i karboksylowe bardziej oddalonych aminokwasów jednego łańcucha lub dwóch różnych łańcuchów. Występuje m.in.w fibroinie jedwabiu. Struktura trzeciorzędowa – struktura przestrzenna zdeterminowana innymi wiązaniami wodorowymi, jonowymi, van der Waalsa, mostkami disiarczkowymi (powstałymi przez połączenie dwóch cząsteczek cysteiny). Struktura czwartorzędowa – powstała przez połączenie więcej niż jednego łańcucha białkowego wiązaniami niekowalencyjnymi. Występuje w hemoglobinie, przeciwciałach, kolagenie.
¨ Białka proste (wyłącznie aminokwasy): protaminy (silnie zasadowe białka występujące w połączaniach z DNA w plemnikach zamiast histonów), histony (silnie zasadowe i dobrze rozpuszczają się w wodzie, sekwencja konserwatywna dla różnych grup organizmów, występują w połączeniu z DNA tworząc nukleosomy. W ich skład wchodzi duża ilość takich aminokwasów jak lizyna i arginina), albuminy (białka obojętne, spełniające szereg ważnych funkcji biologicznych, dobrze rozpuszczają się w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli), globuliny (źle rozpuszczalne w wodzie, natomiast dobrze w rozcieńczonych roztworach soli),prolaminy (białka roślinne, występują w nasionach), gluteliny (białka roślinne), skleroproteiny (białka o budowie włóknistej, dzięki temu pełnią funkcje podporowe. Do tej grupy białek należy keratyna, białka sieci pajęczej).
¨ Białka złożone: glikoproteiny (połączenie białek z cukrami, np. erytropoetyna, mukopolisacharydy występujące w śluzach), fosfoproteiny (z grupą fosforanową, np. kazeina występująca w mleku), lipoproteiny (połączone z tłuszczami, np. transportujące cholesterol lipoproteiny o małej gęstości), chromoproteiny (połączone z barwną częścią niebiałkową, np.flawoproteiny oraz hemoproteiny zawierające hem: hemoglobina, mioglobina, katalaza, cytochromy), metaloproteiny (zawierają jon metalu, np. ureaza niklu, nitrogenaza żelaza i molibdenu, anhydraza węglanowa cynku, ceruloplazmina miedzy, ferrytyna żelaza), nukleoproteiny (nukleosomy – połączenia DNA z histonami).
Szczegółowa charakterystyka organelli komórkowych:
¨ Ściana komórkowa – nadaje kształt komórce, oddziela ją od środowiska zewnętrznego, pełni funkcję ochronną. Nie występuje u zwierząt.
- Roślinna ściana komórkowa – pierwotna ściana komórkowa zawiera celulozę, hemicelulozy (będące heteroglikanami – polimerami glukozy oraz ksylozy lub kalozy), pektyny (będące najczęściej polimerami kwasu galakturonowego), a także niewielkie ilości białek. Włókna celulozowe w pierwotnej ścianie komórkowej nie tworzą regularnej struktury, są ułożone chaotycznie. Wtórna ściana komórkowa tworzy się u starszych roślin, u których ustał już wzrost. Zbudowana jest z regularnie ułożonych włókien celulozowych, które tworzą mikrofibryle, te z kolei układają się w krystaliczne struktury zwane micelami. (*Takie regularne sieci celulozy tworzą trzy warstwy ściany komórkowej, w każdej w nich włókna układają się w innej płaszczyźnie: pionowo, poziomo lub skośnie). Ściana komórkowa ulega modyfikacjom: adkrustacji, czyli odkładaniu się substancji, takich jak kutyna (warstwa wosków), suberyna (substancja tłuszczowa), śluzy, pomiędzy pierwotną, a wtórną ścianą komórkową, a także inkrustacji, czyli wbudowywaniu w strukturę ściany komórkowej substancji, takich jak: krzemionka, węglan wapnia, lignina (polimer złożony z polifenoli). Modyfikacje te maja na celu wzmocnienie ściany komórkowej, a także dodatkową ochronę komórki. Sąsiednie komórki komunikują się poprzez plazmodesmy. Są to kanały z siateczką śródplazmatyczną (zwaną tutaj desmotubulą) i cytoplazmą w środku, występujące pomiędzy komórkami. Mogą przez nie przechodzić różne związki organiczne oraz wirusy, ale nie organelle.
- Ściana komórkowa grzybów – jest zbudowana u większości grzybów z chityny (N-acetyloglukozaminy), u lęgniowców (protistów grzybopodobnych) głównie z celulozy. Oprócz chityny u grzybów występuje również w małych ilościach chitozan, β-glukan, mannan. W ścianie komórkowej grzybów występują na tyle duże perforacje, że jest możliwe przemieszczanie się organelli z komórki do komórki.
- Ściana komórkowa bakterii – jest zbudowana z mureiny (*polimeru kwasu muraminowego i N-acetyloglukozaminy) oraz kwasu pimelinowego. U bakterii Gram(+) występują w niej również kwasy tejchojowe, będące polimerami glicerolu i kwasu fosforowego. (*U bakterii archeanów zamiast mureiny występuje w ścianie komórkowej pseudomureina.)
¨ Błona komórkowa – inaczej plazmalema, otacza cytoplazmę komórki, oddziela ją od środowiska zewnętrznego.
- Budowa – zasadniczy zrąb błony tworzą fosfolipidy. Tworzą one dwuwarstwę lipidową. Na zewnątrz błony jest skierowana ich hydrofilowa część (zawierająca glicerol), a do wewnątrz części hydrofobowe (czyli łańcuchy węglowodorowe). Oprócz tego występują w niej białka integralne (przechodzące przez całą błonę komórkową, czyli transbłonowe, lub ,,zanurzone“ w błonie; białka integralne są związane z błoną komórkową wiązaniami kowalencyjnymi) oraz peryferyjne (występujące na powierzchni błony, związane z nią wiązaniami niekowalencyjnymi). Białka błonowe są rozmieszczone asymetrycznie.
- Cholesterol – występuje w błonie komórkowej, wpływając na jej płynność. Jest rozmieszczony asymetrycznie, podobnie jak białka. Jego obecność zmniejsza płynność błony komórkowej. Szczególnie obficie występuje w błonach komórkowych erytrocytów. U roślin nie występuje cholesterol, tylko zamiast niego inne sterole: sitosterol i stigmasterol (*a u bakterii hopanoidy).
- Glikokaliks – płaszcz cukrowców, występujący na powierzchni zewnętrznej błon komórkowych zwierząt. Składa się z glikoprotein i glikolipidów. Spełnia istotną rolę w rozpoznawaniu się komórek (odpowiadają za to reszty cukrowe glikokaliksu).
- U roślin w błonie komórkowej znajduje się syntaza celulozy.
¨ Cytoplazma to cytozol i zanurzone w nim organelle. Jest środowiskiem wielu reakcji chemicznych i procesow zachodzących w komórce (glikoliza, synteza kwasów tłuszczowych, cykl pentozofosforanowy, translacja). Cytozol zawiera enzymy, jony metali, *a także niektóre barwniki – betalainy.
¨ Jądro komórkowe – oddzielone od cytozolu podwójną błoną, zawiera materiał genetyczny komórki oraz nukleoplazmę, w nim zachodzi proces replikacji DNA, transkrypcji oraz splicingu (potranskrypcyjnej obróbki RNA). Niektóre komórki, takie jak erytrocyty i rurki sitowe roślin, nie posiadają go. Jądro komórkowe występuje tylko w komórkach eukariotycznych. W komórkach prokariotycznych materiał genetyczny jest zlokalizowany w obszarze zwanym nukleoidem, ma postać genoforu (formy kolistej). *Osobliwymi tworami w jądrze komórkowym są ciałka Cajala.
¨ Jąderko – organellum znajdujące się w jądrze komórkowym, nie oddzielone błoną od nukleoplazmy, zachodzi tam proces transkrypcji rybosomowego RNA i składania rybosomów. Może być ich kilka w jednej komórce. *Znajduje się na chromosomach: 13, 14, 15, 21, 22.
¨ Mitochondrium - oddzielone od cytozolu podwójną błoną, zachodzą w nim następujące procesy: reakcja pomostowa (w matrix), łańcuch oddechowy (grzebienie), beta-oksydacja kwasów tłuszczowych (matrix) i część reacji cyklu mocznikowego (matrix). Organellum półautonomiczne: posiada własny materiał genetyczny w postaci kolistych cząsteczek DNA i własne rybosomy, syntetyzuje samodzielnie 10% potrzebnych białek, pozostałe są syntetyzowane na rybosomach w cytoplazmie. Mitochondria występują tylko w komórkach eukariotycznych, w komórkach prokariotycznych ich odpowiednikami są mezosomy, na których zachodzi łańcuch oddechowy i do których może być przyczepiony genofor.
¨ Plastydy - oddzielone od cytozolu podwójną błoną, występują w komórkach roślin i niektórych protistów. Podobnie jak mitochondrium, organellem półautonomiczne. Występują w nich tylakoidy gran i stromy, grana (stosy tylakoidów), a także stroma, plastoglobule (pęcherzyki zawierające substancje tłuszczowe) i kryształki fitoferrytyny (kompleks żelaza z białkiem). Rozróżnia sie różne typy plastydów:
- Proplastydy – prekursorowe plastydy, z których powstają pozostałę typy plastydów. Zawierają protochlorofilid (prekursor chlorofilu) oraz ciała prolamelarne (z których powstają tylakoidy).
- Chloroplasty - Zachodzi w nich proces fotosyntezy (reakcje fazy świetlnej na tylakoidach, fazy ciemnej w stromie). W komórkach prokariotycznych występują, zamiast chloroplastów, tylakoidy (chromatofory), na których zachodzą procesy fazy jasnej fotosyntezy. Zawierają barwnik chlorofil oraz barwniki pomocnicze: karotenoidy i ksantofile.
- Chromoplasty – zawierają karoteinoidy i ksantofile, nie zawierają chlorofilu. Odpowiadają za barwę owoców i kwiatów roślin.
- Leukoplasty – pełnią rolę magazynującą w różnych częściach roślin, są bezbarwne. Gromadzą skrobię (amyloplasty), tłuszcze (lipoplasty) lub białka (proteinoplasty).
- Etioplasty – powstają w częściach roślin niewystawionych na działanie światła, na świetle mogą przekształcić się w chloroplasty.
- *Gerontoplasty – plastydy w komórkach starzejących się. Nie zawierają tylakoidów, posiadają natomiast dużą ilość plastoglobuli.
¨ Wakuola – organellum oddzielone pojedynczą błoną (tonoplastem) od środowiska. Występuje głównie w komórkach roślin i grzybów, u niektórych protistów zwierzęcych (orzęsków) zwana jest wodniczką i pełni rolę osmoregulacyjną. Wakuole powstają z aparatu Golgiego lub siateczki śródplazmatycznej. U roślin i grzybów utrzymuje turgor komórki, a także magazynuje wiele substancji:
- Jony nieorganiczne, a także kryształy szczawianu wapnia (w zależności od kształtu druzy, rafidy i styloidy) i węglanu wapnia (cystolity).
- Barwniki: antocyjany (w zależności od pH mają barwę czerwoną, w środowisku kwaśnym, lub niebieską, w środowisku zasadowy, dobrym przykładem są kwiaty niezapominajki i hortensji), flawony (żółte lub pomarańczowe).
- Białka – zlokalizowane w ziarnach aleuronowych.
- Garbniki – np. tanina w korze brzóz, działają garbująco na skórę zwierząt, ponieważ wiążą się z kolagenem, funkcja głównie ochronna.
- Alkaloidy – heterocykliczne związki chemiczne zawierające azot, produkty przemiany materii roślin, należą do nich: chinina (przydatna w leczeniu malarii), kurara (silna trucizna, jednak przydatna podczas operacji jako środek powodujący zwiotczenie mięśni), nikotyna, kofeina, teina, teobromina (zawarta w kakao, działanie podobne do kofeiny), strychnina (blokuje synapsy hamujące) atropina (zawarta w wilczej jagodzie, hamuje receptor muskarynowy acetylocholiny, przydatna w okulistyce do rozszerzania źrenic), kolchicyna (pozyskiwana z ziemowita jesiennego, hamuje rozdział chromosomów podczas podziałów komórkowych), winblastyna (pozyskiwana z barwinka, wiąże się z tubuliną, hamując podziały komórkowe).
¨ Mikrociałka – małe organelle otoczone pojedynczą błoną komórkową.
- Peroksysomy – uczestniczą w utlenianiu kwasów tłuszczowych z wydzieleniem ciepła, w detoksykacji związków chemicznych, katalizują reakcję rozkładu nadtlenku wodoru na tlen i wodę z udziałem enzymu katalazy *zlokalizowanej w krystaloidach – tworach wewnątrz peroksysomów. Występują u wszystkich eukariontów, ale nie u prokariontów. *W peroksysomach odbywa się również synteza plazmalogenów, substancji tłuszczowych występujących w komórkach mięśniowych i nerwowych (zaburzenia syntezy tych związków wykazują osoby z zespołem Zellwegera).
- Glioksysomy – występują tylko w tych częściach roślin, które pozyskują energię z kwasów tłuszczowych (np.w nasionach). W glioksysomach kwasy tłuszczowe są przekształcane w glukozę w cyklu glioksalowym, a następnie glukoza jest wykorzystywana do wytwarzania energii.
- *Glikosomy – u niektórych protistów (lambli) odbywa się w nich proces glikolizy.
- *Hydrogenosomy – występują u niektórych organizmów beztlenowych i zachodzi w nich reakcja rozkładu pirogronianu na octan, dwutlenek węgla i wodór cząsteczkowy.
¨ Cytoszkielet:
- Mikrofilamenty – są polimerami białka aktyny, odpowiadają za budowę mikrokosmków, ruch cytoplazmy,podział komórki zwierzęcej (tworzenie bruzdy podziałowej), endocytozę, ruch pełzakowaty (pseudopodialny).
- Filamenty pośrednie – są zbudowane z keratyny (w błonach podstawnych komórek nabłonkowych), desminy (w desmosomach, a także komórkach mięśniowych), laminy (w otoczce jądrowej), skręconych w superhelisę, pełnią przede wszystkim rolę mechaniczną.
- Mikrotubule – są zbudowane z podjednostek alfa- i beta-tubuliny, są najgrubsze spośród elementów cytoszkieletu, uczestniczą w tworzeniu wrzeciona podziałowego, ruchu komórek, transporcie organelli komórkowych....
MaaRysiaxD