LÁTKOVÉ SLOŽENÍ ORGANISMŮ Úvod do biologie 1.r. Př 1/0/0 Doc. RNDr. B. Rychnovský, CSc. Kat. biologie PdF MU Živá hmota – skladba ze sloučenin odlišného charakteru než hmota neživá. Shodná prvková podstata Prvkové složení v jednoduché formě, jednoduchých, ale i složitých sloučeninách. Biogenní prvky – tj. prvky obsažené v živé hmotě – asi 60 A.1. Prvky ve větších množstvích: O – 65 %, C – 21 %, H – 10 %, N – 3 %, Ca – 2%, P – 1 % 2. P. v malých množstvích: Cl, F, S, K, Na, Mg, (Al) 3. P. v nepatrných množstvích: Fe,Cu,Si,Mn,Zn,Br,B,Sr,Ti, Ba,F,Rb,Se,Mo,I,Hg,Ra) 4. P. ve stopách: As,Li,Pb,Sn,Co,Ni B. Makroelementy (10 – 10-2) (po Fe) Mikroelementy (10-3 – 10-5) (po I) Ultramikroelementy (<10-5) (Hg, Ra a další) C. I. Invariabilní (ve všech živých organismech) a) makrobiogenní (1 – 60%) O,C,H,N,Ca,P b) oligobiogenní (0,05 – 1%) Mg,S,Cl,Na,K,Fe c) mikrobiogenní (<0,05%) Cu,Co,Zn,Mn,F,I,Mo II. Variabilní (jen u některých skupin) a) mikroprvky Br,Si,B b) stopové prvky Li,As D. Stálé prvky prvotní (1 – 60%) O,C,H,P (nepostradatelné) " " druhotné K,Na,Mg,Ca,Fe,S,Cl " " mikrosložky (<0,05%) Cu,Mn,B,Si,F,I (ve všech formách) Nestálé prvky druhotné (jen u některých, i více) Zn,Ti,V,Br " mikrosložky (jen u některých) Li,Rb,Cs,Ag,Be,Sr,Ba, Cd,Al,Ge,Sn,Pb,As,Cr,Mo,Co,Ni Kontaminující He,Ar,Hg,Tl,Bi,Se,Au Tab. 1: Průměrné prvkové složení suchozemských živočichů Prvek % Prvek % Prvek % Prvek % O C H 70 18 10 Ca N K Si P Mg S Cl Na Al Fe 5 . 10-1 3 3 1,5 7 . 10-2 5 4 2 2 2 2 Mn B Sr Ti Zn Li Cu Ba 7 . 10-3 1 1 8 . 10-4 3 1 1 1 F Br Rb Se Ni As Mo Co I Hg Ra 8 . 10-5 8 5 5 3 3 2 1 1 1 . 10-7 1 . 10-12 Tab. 2: Průměrné prvkové složení lidského organismu Prvek % Prvek % Prvek % Prvek % O C H N Ca 65 18 10 3 1,6-2,2 P K S Cl Na Mg Fe 0,8 – 1,1 3,5. 10-1 2,5 1,5 1,5 5 . 10-2 4 . 10-3 Mn Cu I Co 3 . 10-4 1,5 4 . 10-5 4 Zn F Ni stopy “ “ Funkce: OCHN – nepostradatelné O oxidace, C řetězení, H energetické hospodaření, N složka bílkovin Ca – regulátor enzymatické aktivity, metabolismus kostí P – přenašeč energie, metabolismus cukrů, kostí Cl – chloridy v tekutinách F – zpevňující opornou soustavu S – bílkoviny K – vnitrobuněčná tekutina Na – mimobuněčná tekutina Mg – nervosvalová dráždivost Fe – oxidační děje – dýchací barvivo Cu – enzymy, dýchací barvivo I – jodované tyroziny pro metabolismus Br – inhibitor nervových procesů Mn – aktivátor enzymů Zn – inhibitor nukleotidáz Co – krvetvorba, B12 polár voda polár voda Voda Základní substrát v živé hmotě. Největší část těla organismů. a) Fylogenetickým vývojem se obsah vody snižuje b) Aktivní tkáně s větším obsahem vody c) Ontogenetickým vývojem se obsah vody snižuje Tab. 3: Podíl vody v některých živočišných organismech Organismus Obsah vody (%) Chobotnice Trepka, medůza Dešťovka Pstruh Skokan Rak Myš Až 99(?) 90 88 84 80 74 67 Člověk 60 – 70 (80) Funkce vody: 1. Rozpouštědlo, ionizace solí, zásad, kyselin, osmotické jevy 2. Disperzní fáze pro koloidy (bílkoviny, glykogén) 3. Reakce prostředí (koncentrace H+ a OH- iontů) 4. Termoregulace živočichů Přísun vody x ztráty vody Tab. 4: Obsah vody v orgánech, tkáních a tělesných tekutinách dospělého člověka Orgán, tkáň, tekutina Obsah vody (%) Tuk Kosti Játra Kůže Mozek – bílá hmota Mozek – šedá hmota Svaly Srdce Vazivo Plíce Ledviny Krev Krevní plazma Žluč Mléko Moč Slina Pot 25 – 30 16 – 46 70 72 70 84 76 79 60 – 80 79 82 83 92 86 89 95 99,4 99,5 Anorganické soli a) rozpustné b) nerozpustné Organické látky Základ: řetězce atomů C (otevřené, cyklické) Uhlovodíky – C a H, nepolární látky, nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech Polarita funkčních skupin – většina organických látek jedna a více funkčních skupin s polárními vlastnostmi (tj. schopnost tvorby vodíkových vazeb) nebo elektrolyticky disociovat. Cukry – sacharidy Přirozené organické látky, většinou rostlinného původu. Odvozeny z polyalkoholů dehydrogenací jedné alkoholické (hydroxylové –OH) skupiny v karboxylovou (=O). Chemické vlastnosti v důsledku mnoha –OH polárních hydroxylových skupin. Triózy až heptózy, aminocukry. Monosacharidy, disacharidy, polysacharidy. Jednoduché cukry (glycidy) – –OH na každém C + aldehydická nebo ketonická skupina. Tato tvoří s –OH na vzdálenějším konci poloacetalovou vazbu – vzniká 5-i (6-i)členný cyklus s O. Místo původní karbox(n)ylové skupiny poloacetalový hydroxyl. cukry-glykosidy celul celul Molekula glukózy poloacetal Složité cukry – kondenzace minimálně dvou a více molekul prostřednictvím reaktivního hydroxylu (poloacetalu) Složené cukry – s necukernou složkou Pohotovostní zdroj energie, málo stavební látky. Příklady živočišných cukrů: glukóza, galaktóza (laktóza), glukózamin (►chitin), glykogen, heparin. Glykosidy – kondenzace s necukernou složkou (aglykanem). Nestálost glykosidické vazby (v kyselém prostředí, enzymatické štěpení …) i glukázami. Oxidace na posledním C – karboxylové kyseliny – s vysokou polaritou –COOH. Monokarboxylové kyseliny – slabé, soli hydrolyzovány, malé rovnovážné množství nedisociovaných molekul. Di- a trikarboxylové kyseliny polárnější, v neutrálním roztoku se jako nedisociované nevyskytují. kys hyaluron Kyselina glukuronová svojí vazbou na málo polární látky zvyšuje jejich rozpustnost ve vodě a tím vylučovatelnost. R–COO- + H+ R–COOH Aminokyseliny – proteiny – bílkoviny jsou peptidy ze zbytků aminokyselin (Ak). Jejich vazba (peptidická v.) je spojení aminoskupiny (– NH2) a karboxylové skupiny (–COOH) tj. (–NH – CO– ). Řetězením ztrácí tyto funkční skupiny význam a uplatňují se postranní řetězce s různými funkčními skupinami. 1 Ak (20) → oligopeptidy (<10 Ak-zbytků) → polypeptidy (10 – 100 Ak-zbytků) → makropeptidy = bílkoviny (>100 Ak-zbytků). Stejně jako u polysacharidů jsou bílkoviny nepolární. peptid vazba Protaminy (bazické polypeptidy s mnoho argininem v mlíčí). Peptidové hormony hypofýzy (ocytocin_9 Ak a vasopresin_9 Ak), slinivky břišní (insulin_A:21Ak,B: 30Ak, glukagon_29 Ak). Antibiotika a jedy (penicilin aj., faloidin, amanitin) peptid Akj ednodu Ak obec Ak kys Ak aromat Ak vzorce Ak nekód Esenciální (nepostradatelné) „lidské“ aminokyseliny: Valin, leucin izo-, treonin, metionin, lyzin, arginin, tyrozin a tryptofan Tab. 5: Dělení aminokyselin Aminokyseliny nepolární alanin valin isoleuci leucin fenylala tryptofa methioni prolin Aminokyseliny polární glycin threonin serin tyrosin asparagi glutamin cystein Aminokyseliny kyselé kysgluta kysaspar Aminokyseliny bazické lysin arginin histidin Primární struktura proteinů – posloupnost aminokyselin (kódovaných Ak, tj. určených genetickým kódem) v polypeptidovém řetězci. Nekódované (nestandardní) Ak vznikají dodatečnou změnou kódovaných, např. dva zbytky cysteinu se spojují disulfidickou vazbou na cystin, hydroxylace Sekundární struktura proteinu – prostorové uspořádání peptidického řetězce udržované vodíkovými můstky mezi karboxylovou a amino-skupinou &-helix šroubovice Β-struktura skládaného listu Terciární struktura – prostorové uspořádání dílčích úseků udržovaná vodíkovými můstky, elektrostatickými silami postranních skupin, disulfidickými vazbami. Význam: postranní řetězce nabývají jiné prostorové vztahy a vytváří ligandy, vazebná místa. Někdy kvarterní struktura – stavba bílkovinné molekuly (ovčí vlna – podoba splétaného lana). bílk strukt bílk strukt bílk strukt bílk strukt Denaturace proteinů – změna prostorové struktury se ztrátou vazebných případně katalytických vlastností tj. ztráta biologické aktivity). Vratná (mírná) versus nevratná denaturace. Přechod z vysoce uspořádaného stavu do stavu „náhodného“ klubka (snadnější štěpení) Globulární bílkoviny (sféroproteiny) – rozpustné koloidní téměř kulovité látky s polárními skupinami. Protáhlé molekuly koloidu – značná viskozita: stav sol (tekutý) → stav gel (polotuhý) (vratný děj). Nerozpustné bílkoviny (skleroproteiny – fibrin, β-keratin, &-keratin, myosin, fibrinogen a kolageny) – řetězce vedle sebe v dlouhých vláknech jsou nerozpustné ve vodě a pevné. Funkce bílkovin: strukturální a stavební, energetická, mechanicko-chemická, informační a regulační, obranná. Další dusíkaté látky Alkaloidy – dusíkaté rostlinné sloučeniny většinou toxické pro živočichy. Meziprodukt vzniku nikotinu tabáku amid kyseliny nikotinové (vitamin řady B) je složkou koenzymů NAD (nikotinamid-adenin-dinukleotid) a NADP (n…fosfát) pro přenos vodíku v buňce alkaloidy Nukleotidy – trojsložková makroergní sloučenina (viz dál): ● N-cyklická báze ● pentóza (ribóza nebo deoxyribóza) ● kyselina hydrofosforečná (mono až tri) nukletid kompl nukleoti Další nepolární látky Zmíněné uhlovodíky – hlavně rostlinného původu. Odvozeny od izoprenu (2-metylbutadienu) Izoprenoidy vznikají kondenzací nejméně dvou pětiuhlíkatých jednotek – viz limonen z citrusů. Patří sem i karotenoidy (žlutá a červená barviva rostlin), významné i pro živočichy jako vitamin A. 20C 20C Od izoprenoidů odvozujeme i málo polární steroly. Živočišný cholesterol se vyskytuje v membránách. Odvozují se od něj živočišné steroidní hormony, žlučové kyseliny i vitamin D. Uh karot cholest Uh LIPIDY obecně jsou estery vyšších karboxylových kyselin (tuky, vosky, a složené lipidy jako fosfolipidy, lecitiny, kefaliny, sulf(on)amidy, steroly, glykolipidy, lipoproteidy aj. Tuky jsou estery vyšších mastných kyselin (MK) a glycerolu. Nerozpustné ve vodě, nezbytná součást výživy živočichů, dlouhodobý a zásobní zdroj energie. Nasycené a nenasycené MK (s dvojnými vazbami). Nízký obsah kyslíku v molekule tuku. Vosky – estery jednosytných víceuhlíkatých alkoholů a MK. Stálejší než tuky. Rostlinné i živočišné vosky (včelí v. – myricin – ester k palmitové s myricialkoholem C30H61OH). Mastné kyseliny MK: Nasycené: Máselná 4C máslo (3-4 %) Kapronová 6C máslo, kozí mléko, kokosový olej, palmový olej Kaprylová 8C dtto Kaprynová 10C dtto Laurová 12C tuk: vavřínový (35), kokosový (<50), palmový ořech Myristová 14C palmový olej (<47), kokos (<18), vorvaní tuk (16) Palmitová 16C palmový tuk (<47), bavlněný olej (<23), kostní tuk (20), máslo (<29), sádlo (vepř. <32, hovězí <33) Stearová 18C lůj (<29), kost.t. (20), sádlo(<16), máslo(<11), palmový o.(<8) Arachová 20C olej podzemnicový (<4), řepkový olej behenová, lignocerová, feritová Nenasycené: Palmitoolejová 16C II rybí olej, máslo (4) Olejová 18C II všechny oleje (80), tuky (30-50) Eruková 22C II olej řepkový (45-55), hořčičný(>30) Linolová 18C II.II oleje(±50): lněný, mákový, slunečnicový Linolenová 18C II.II.II o. vysýchavé: (lněný, konopný) Eleostearová 18C II.II.II.II. dtto (čínský dřevní) Arachidonová 20C II.II.II.II. jaterní tuky, fosfolipidy Klupanodonová 22C II.II.II.II.II rybí olej, fosfolipidy K. linolová, linoleová a arachidonová nepostradatelné (esenciální) – vitamín „F“ Membránové lipidy – stavbou podobné tukům: dva dlouhé nepolární řetězce a silně polární skupina. Fosfolipidy – zbytek kyseliny trihydrofosforečné s malou polární organickou molekulou (třeba cholin) Glykolipidy – hexóza nebo polysacharid, s trisacharidem N-acetylglukosamin-galaktoza-fukóza (0) jsou součástí krevních skupin glykolipidy Nukleové kyseliny mají také nerozvětvený řetězec z nukleotidů. Základ nukleotidu tvoří cukr – pentóza (ribóza pro RNA nebo deoxyribóza pro DNA), fosfát (zbytek kyseliny fosforečné) a postranní (komplementární) dusíkaté báze Purinové: adenin A guanin G ││ │││ Pyrimidinové: tymin T cytozin C (uracyl U) Dvouřetězcový útvar mezi komplementárními řetězci s vazbami komplementárních bází je stočený do dvoušroubovice. Řetězce jsou antiparalelní. Stabilní. Denaturací se oba řetězce oddělí (tají). RNA: většinou jednořetězcová (někdy intramolekulární komplementární sekvence), méně dvouřetězcová DNA: jedno – čtyřřetězcová. Viry: jedno- a dvouřetězcová, buňky dvouřetězcová v podobě dvoušroubovice nukleoti báze NK řetěz nukletid kompl nukleoti Makroergní nukleotidy (pro srovnání) replik transkripce transkripce translace K čemu? Replikace transkripce výsledná translace