Chemické složení, fyzikální a chemické děje v živých soustavách

Chemické složení organismů
Všechny organismy mají jednotné (společné) chemické složení – různé látky se v různých organismech liší pouze mírou zastoupení.
Prvky
Všechny prvky, které se vyskytují v tělech organismů a jsou pro jejich život nezbytné, se nazývají biogenní. Dělíme je na: makrobiogenní prvky – společně se podílí na složení živé hmoty z 99%, patří sem C, H, O, N, P a Ca mikrobiogenní prvky – menší zastoupení, např. S, K, Na, Mg, Cl,… stopové prvky – jsou zastoupeny pouze v nepatrném množství, např. Co, Zn, Mn
Biogenní sloučeniny se vyskytují v živých soustavách téměř výhradně ve sloučeninách, jak v organických, tak anorganických.
Anorganické sloučeniny
VODA – Nejvíce zastoupenou anorganickou látkou v tělech všech organismů je voda. Podílí se (podle biologického druhu, stáří jedince a druhu tkáně nebo pletiva) 60 % až 90 % na celkové hmotnosti organismu. Voda plní v organismech rozmanité funkce, v nichž je nenahraditelná jinými látkami. Např. je prostředím, v němž probíhají fyzikální i chemické děje, umožňuje příjem a výdej látek na základě difúze nebo osmózy. Rozpouští a ionizuje anorganické i mnohé organické látky a umožňuje iontům pohyb a účast na biochemických reakcích. Bývá součástí sekundárních a terciárních struktur makromolekulárních látek. Proto i po vysušení rostlinného nebo živočišného materiálu zůstává část vody v sušině. Voda je i reaktantem mnoha biochemických reakcí (hydrolýza, adice, fotolýza vody). Protože je dobrým vodičem tepla, je důležitá pro tepelnou regulaci organismu a přenos tepla z teplejších částí organismu na chladnější.
OXID UHLIČITÝ – Je to výchozí látka fotosyntézy (výroba sacharidů:
a konečný produkt biologické oxidace organických sloučenin.
AMONIAK – Je to zároveň výchozí látka biosyntézy, ale také konečný produkt metabolismu bílkovin.
MINERÁLNÍ LÁTKY – Vyskytují se v malém množství převážně ve formě iontů (kationty např. Na+, K+, Ca2+ nebo anionty např. PO43-, CO32-) a ovlivňují osmotický tlak, pH a acidobazickou rovnováhu.
Organické sloučeniny
PROTEINY – Proteiny jsou stavební jednotkou všech živých organismů a kromě stavební mají
ještě několik další funkcí. Především katalytickou (enzymy), regulační (hormony), obrannou
(protilátky) a transportní (hemoglobin). Mohou být jednoduché (pouze z aminokyselin) nebo
složené (obsahují nebílkovinnou část – prostetickou skupinu). Bílkoviny (proteiny) patří mezi
důležité biopolymery. Svou chemickou podstatou jsou shodné s peptidy. Základní stavební
jednotkou jsou aminokyseliny (asi 20 základních proteinogenních aminokyselin), rozdíl mezi
peptidy a bílkovinami je v polymeračním stupni. Hranice mezi peptidy a bílkovinami je
umělá a u různých autorů se liší. Hranici lze stanovit:
a) počtem kondenzovaných aminokyselin (polymeračním stupněm). Peptidy mají
polymerační stupeň 2 – 100, bílkoviny větší,
b) relativní molekulovou hmotností. Peptidy mají relativní molekulovou hmotnost menší
než 10.000, bílkoviny větší.
SACHARIDY – Základem všech sacharidů jsou monosacharidové jednotky. Z chemického
hlediska je považujeme za polyhydroxyketony nebo polyhydroxyaldehydy, ve svých
molekulách obsahují hydroxylové skupiny a skupinu ketonovou nebo aldehydovou – podle
těch rozlišujeme monosacharidy na ketózy a aldózy. Složité sacharidy vznikají kondenzací
(resp. polykondenzací) monosacharidů o různém polymeračním stupni – rozlišujeme
oligosacharidy a polysacharidy. Oligosacharidy jsou tvořeny dvěma až deseti cukernými
jednotkami, hranice mezi oligosacharidy a polysacharidy (10 cukerných jednotek) je běžně
akceptována; je však uměle zvolená a nemá žádný fyzikálně-chemický ani biochemický
význam. Jednoduché sacharidy jsou zdrojem energie, složitější jsou zásobárnou energie
nebo mají stavební funkci.
LIPIDY – Jsou to přírodní nízkomolekulární látky – estery alkoholů a vyšších mastných kyselin.
Mají funkci stavební, jsou součástí biomembrán
NUKLEOVÉ KYSELINY – Jsou to biopolymery tvořící dlouhé vláknité molekuly. Vznikají
polykondenzací základních stavebních jednotek – nukleotidů. Nukleotidy jsou složité
molekuly tvořené třemi různými látkami: dusíkatou bází odvozenou od purinu (adenin a
guanin) nebo pyrimidinu (cytosin, thymin – pouze v DNA, uracil – pouze v RNA), sacharidem
– pentózou (2-deoxy-D-ribóza v DNA, D-ribóza v RNA) a zbytkem od kyseliny
trihydrogenfosforečné. Jejich úkolem je uchovávat, předávat a realizovat genetickou
informaci.
Fyzikálně chemické procesy
DIFÚZE – Jde o samovolný přechod částic z míst s vyšší koncentrací na místa s nižší
koncentrací, tedy ve směru koncentračního spádu. Difúze je hnací silou pohybu iontu a
molekul v plynném a kapalném prostředí.
USNADNĚNÝ TRANSPORT – Je to vlastně usnadněná difúze. Probíhá pomocí bílkovinných
přenašečů přes membránu ve směru koncentračního spádu.
AKTIVNÍ TRANSPORT – Jedná se o
pohyb částic proti chemickému
gradientu za pomoci bílkovinných
pump (např. sodíko-draselná
pumpa v nervových buňkách nebo
ATP-syntetáza v mitochondriích).
Probíhá za spotřeby energie (ATP se mění na ADP).
OSMÓZA – Je to podtyp difúze, samovolný průchod menších molekul rozpouštědla
semipermeabilní membránou (nepropouští větší molekuly rozpuštěných látek). Dochází
k vyrovnání koncentrací a současně se na jedné straně zvýší a na druhé klesne objem
roztoku. Kvantitativní mírou osmózy je osmotický tlak, který je přímo úměrný koncentraci
roztoku a teplotě. Lze jej vyjádřit i výškou sloupce vytlačené kapaliny nebo hodnotou tlaku,
kterým musíme působit na povrch roztoku, abychom zabránili zvětšování jeho objemu
(abychom zabránili osmóze).
Osmóza umožňuje transport
vody například v rostlinách –
osmotický tlak v listech
stromů dosahuje hodnoty až
2 MPa a umožňuje tak
nasávání vody kořeny stromů
i do značných výšek do
koruny stromů. Osmotický
tlak krve při 37°C je cca 0,78
MPa.
Chemické procesy
Neustálá přeměna látek a návaznost jednotlivých reakcí je jednou ze základních vlastností
všech živých soustav. Produkt jedné reakce se stává substrátem reakce následující. Vytvářejí
se tak různě dlouhé metabolické dráhy. Výchozí látka se postupně mění přes meziprodukty
až na konečný produkt.
Metabolické dráhy mohou tedy mít různý charakter a různý směr. Rozlišujeme dvě hlavní
metabolické dráhy: anabolické (syntetické, asmilační), kterými se z jednoduchých látek
vytvářejí složitější molekuly za spotřeby energie, a katabolické (rozkladné, disimilační),
kterými ze složitějších substrátů vznikají jednodušší produkty a které energii uvolňují.
Živiny přijímané potravou se přeměňují buď na strukturní látky, nebo na makroenergetické
sloučeniny jako je ATP, jejichž postupnou oxidací se pak získává energie.
Buňky správně fungují jen v určitých podmínkách, v těchto stálých podmínkách by však
většina chemických dějů nemohla probíhat bez přítomnosti enzymů.
Koloidní a heterogenní
charakter živých soustav
Živé soustavy mají charakter koloidního
roztoku, což je prostředí, kde mají
dispergované částice velikost 10-7 až
10-9 m. Tuto velikost mají
makromolekulární látky
(polysacharidy, proteiny a nukleové
kyseliny) nebo nízkomolekulární látky
se schopností shlukovat (agregovat) se do větších celků zvaných micely, dvojvrstvy nebo
membrány (např. fosfolipidy, většina metabolických dějů probíhá právě na membránách, na
kterých jsou uchyceny enzymy a transportní systémy). Biomembrány je potřeba udržovat
stabilní, aby se nevyloučily z roztoku jako nerozpustné sraženiny. Toho se docílí elektrickým
nábojem na povrchu koloidních částic. U fosfolipidové micely je záporný náboj způsoben
záporně nabitým zbytkem kyseliny fosforečné. Okolo takto nabitých koloidních částic vzniká
obal z molekul rozpouštědla (vody…). Molekuly vody se orientují ke koloidní částici opačným
nábojem, než jakým je nabit její povrch. Tomuto obalu z molekul rozpouštědla (solu) se říká
solvatační obal – a je-li rozpouštědlem voda, pak se solvatační obal nazývá „hydratační
obal“. Narušením hydratačního obalu ztrácejí koloidní částice stabilitu, shlukují se (agregují),
čímž se vyloučí z roztoku, neboli přestanou být rozpustné. Toho lze dosáhnout např.
přidáním anorganických solí (posolením roztoku), výraznou změnou pH roztoku (tedy
přidáním silných kyselin nebo zásad) atd.