Biologia Komórki/Skład molekularny komórek

Pierwiastki i ich znaczenie biologiczne

Pierwiastki, których masa u człowieka nie przekracza 2% masy całkowitej oraz ważniejsze skutki przy niedoborze (tabela pochodzi z polskiej wikipedii):

Nazwa pierwiastka	Znaczenie u zwierząt	Ważniejsze skutki przy niedoborze
Tlen, O	Pierwiastki te tworzą cukry, tłuszcze i białka — podstawowe budulce wszystkich żywych organizmów.	Śmierć organizmu (z głodu, odwodnienia lub uduszenia).
Węgiel, C
Wodór, H
Azot, N
Wapń, Ca	Budulec kości i zębów, bierze udział w procesie krzepnięcia krwi (tzw. IV czynnik), przewodnictwo impulsów nerwowych.	Niedostateczna mineralizacja kośćca, próchnica zębów, krzywica (u dzieci), osteoporoza (u dorosłych), zaburzenia krzepnięcia krwi, zaburzenia pracy serca i mięśni szkieletowych, skurcze mięśni, mrowienia i drętwienia kończyn.
Fosfor, P	Jest składnikiem kości; DNA i RNA oraz przenośnikiem energii ATP.	Zaburzenia wzrostu, brak apetytu, utrata masy ciała, nerwowość.
Chlor, Cl	Wraz z jonami sodu i potasu odpowiedzialny jest za równowagę wodno-mineralną. Tworzy kwas solny w żołądku. Prawidłowe rozmieszczenie płynów w organizmie.	Gwałtowne wymioty, obrzęk komórek, osłabienie fizyczne i psychiczne, zmniejszenie łaknienia.
Magnez, Mg	Głównie regulacyjna (przewodnictwo nerwowe i in.)	Wzmożona aktywność układu nerwowo-mięśniowego (drżenia mięśniowe, kurcze, fascykulacje, drętwienie, drgawki), rzadziej: osłabienie mięśni, zaburzenia rytmu serca, apatia, biegunka, mdłości, ubytki w zębach, dolegliwości kostne, uczucie mrowienia w kończynach, nerwowość, niepokój, stan zagubienia, stan depresja.
Żelazo, Fe	Składnik hemoglobiny i mioglobiny.	Anemia, zmiany w śluzówce.
Fluor, F	Tworzy szkliwo zębów, występuje w kośćcu.	Większa podatność na próchnicę zębów.
Jod, I	Niezbędny do wytwarzania tyroksyny, odpowiada za prawidłowe działanie tarczycy.	Wole tarczycy. U dzieci matołectwo, spadek wydajności fizycznej, znużenie, brak energii życiowej, powolności w myśleniu, uczucie zagubienia, drżenie kończyn, kołatanie serca, suchość i łamliwość włosów, marznięcie.
Sód, Na	Uczestniczy w utrzymaniu ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych. Bierze udział w przewodzeniu impulsów przez neurony.	Utrata pobudliwości komórek i zanik różnicy potencjałów.
Siarka, S	Składnik niektórych aminokwasów i białek. Zależy od niej cała uroda — piękne włosy, nawilżona i elastyczna skóra, mocna tkanka łączna, mocne paznokcie, sprawne stawy), gospodarka hormonalna (pozytywna osłona stresowa, poczucie szczęścia i radości, zrównoważony nastrój i uczucie odprężenia), układ odpornościowy (ochrona oczu, ochrona komórek, oczyszczanie wątroby z toksyn), przemiana tłuszczowa, przemiana węglowodanowa, regeneracja jąder komórkowych, oddychanie komórkowe, procesy energetyczne, ukrwienie oraz funkcjonowanie stawów.	Niedobory siarki w organizmie skutkują: przygnębieniem, niepokojem, twardymi włosami, bladą cerą, łamliwymi paznokciami, zwiotczałą tkanką łączną, zaćmą, zatruciami wątrobowymi, zaburzeniami procesów ukrwienia, dolegliwościami stawów.
Potas, K	Bierze udział w przewodzeniu impulsów nerwowych. Podwyższa stopień uwodnienia koloidów komórkowych.
Selen, Se	Wchodzi w skład selenocysteiny i peroksydazy glutationowej. Jest przeciwutleniaczem, antyseptykiem, środkiem przeciwzapalnym, przeciwwysiękowym, przeciwalergicznym, przeciwnowotworowym, odtruwającym, immunostymulującym,. Stymuluje peroksydazę glutationową, która zapobiega powstawaniu wolnych rodników, odpowiedzialnych za degeneracje organów, indukcję nowotworów i przyśpieszone procesy starzenia oraz powstawanie stanów zapalnych. Zapobiega również nowotworom jelita grubego, płuc i gruczołu krokowego. Hamuje rozwój bakterii, wirusów takich jak zapalenia wątroby, HIV, opryszczki, grypy, zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych oraz grzybów. Ułatwia odtrucie w razie zatrucia arsenem, kadmem, ołowiem, glinem, talem, rtęcią czy antymonem. Zwiększa liczbę limfocytów B. Jest niezbędny do prawidłowej spermatogenezy, chroni plemniki przed uszkodzeniami nadtlenkami.	Jego niedobór może sprzyjać powstawaniu depresji, miopatii, zwapnienia mięśni, zaburzeń skurczu mięśnia sercowego, zwyrodnieniom naczyń krwionośnych. Jest zalecamy do terapii wszystkich rodzajów trądziku. Węglowodany mogą z łatwością zniszczyć selen nawet w całości.
Rubid, Rb	Może zastępować ubytki wapnia w kościach.
Stront, Sr	Może zastępować wapń w kościach.
Chrom, Cr	Wpływa na produkcję insuliny, składnik czynnika tolerancji glukozy, obniża poziom cholesterolu we krwi.	Napady nudności, bóle głowy,stany lękowe, silny pociąg do słodyczy i alkoholu, ryzyko cukrzycy i choroby niedokrwiennej serca.
Mangan, Mn	Wpływa na wzrost kości. Składnik arginazy, enzymu uczestniczącego w przemianach aminokwasów.
Kobalt, Co	Składnik witaminy B12.	Zaburzenia procesu krzepnięcia krwi.
Miedź, Cu	Wchodzi w skład enzymów oddechowych. Ma wpływ na metabolizm żelaza w organizmie.
Cynk, Zn	Odgrywa ważną rolę w procesie gojenia ran.	Zaburzenia erekcji.
Molibden, Mo

Woda

Spełnia rolę zarówno środowiska, w którym przebiegają różnego rodzaju reakcje chemiczne; składnik płynów wewnątrzustrojowych (cytoplazma, krew, limfa, płyny jamy ciała, soki roślinne); uczestniczy w termoregulacji (regulacji temperatury ciała) i osmoregulacji (regulacji stężenia płynów i soli w organizmie); udział w reakcjach hydrolizy; substrat i produkt wielu reakcji metabolicznych.

Cechy:

• rozpuszczalnik dla wielu substancji (nieorganicznych: np. soli mineralnych i organicznych: proste białka, cukry proste i dwucukry),
• wysokie ciepło właściwe (wolno ogrzewa się i wolno ochładza),
• wysokie napięcie powierzchniowe,
• duża lepkość i gęstość,
• niesymetrycznie rozmieszczone ładunki elektryczne (charakter dipola),
• odczyn obojętny (pH=7).

Cukrowce

Cukry (cukrowce, sacharydy, węglowodany) — w tkankach w postaci cukrów prostych (np. glukoza — podczas oddychania komórkowego ulega rozpadowi na dwutlenek węgla i wodę, zrywają się wiązania między cząsteczkami glukozy, co powoduje uwalnianie się zmagazynowanej w nich energii, która zostaje zużyta w energochłonnych procesach życiowych; także ryboza i deoksyryboza — wchodzące w skład kwasów nukleinowych), wielocukrów, glikoprotein, kompleksów wielocukrów, białek i glikolipidów (połączenia węglowodanów z tłuszczami; obecne na powierzchni komórek zwierzęcych, uczestniczą w oddziaływaniach międzykomórkowych); wchodzą w skład innych związków, takich jak kwasy nukleinowe czy glikoproteiny.

Klasyfikacja

• cukry proste (monosacharydy):
  • triozy (3 atomy węgla) — w komórce do syntezy cukrów składających się z większej liczby węgli; stanowią substancję wyjściową do produkcji glicerolu,
  • tetrozy (4 atomy węgla),
  • pentozy (5 atomów węgla) — występują w kwasach nukleinowych (RNA i DNA),
  • heksozy (6 atomów węgla) — np.: glukoza, fruktoza, galaktoza,
• cukry złożone — większa od 1 liczba cząsteczek cukrów prostych połączonych wiązaniem glikozydowym;
  • dwucukry (disacharydy) — zbudowane z dwóch cukrów prostych; hydroliza cząsteczki dwucukru prowadzi do utworzenia dwóch cząsteczek cukru prostego:
    • sacharoza (glukoza + fruktoza),
    • laktoza (glukoza + galaktoza);
  • wielocukry (polisacharydy) — składające się z tysięcy cząsteczek cukrów prostych (złożone z merów będących cukrami prostymi):
    • celuloza,
    • skrobia,
    • glikogen,
    • chityna.

Funkcje:

• budulcowa — budują ściany komórkowe; np. celuloza, hemiceluloza; materiał zapasowy (skrobia i glikogen),
• energetyczna — są paliwem biologicznym w komórce (np. glukoza); służą do uzyskania energii w procesie biologicznego utleniania (oddychania komórkowego):

substrat organiczny + O₂→ CO₂ + H₂O + energia (zatrzymana w ATP),

• zapasowa — cukry złożone mogą być na długo odkładane w komórce, bo nie rozpuszczają się w wodzie; podczas wieloetapowego spalania 1 g glukozy w komórkach wyzwala się 17,2 kJ energii,
• transportowa (sacharoza u roślin, glukoza u ludzi),
• materiał odżywczy (maltoza, laktoza, rafinoza),
• materiał energetyczny (fruktoza),
• hamują krzepnięcie krwi — heparyna.

Białka

W zakresie 40-60% suchej masy komórki występują białka (funkcja budulcowa, regulacyjna, katalityczna, transportowa i in.) zbudowane z aminokwasów. Aminokwasy budują także związki mniejsze niż białka czyli — peptydy i polipeptydy, które pełnią różne funkcje (między innymi są hormonami). Białka wytwarzane są jako peptydy (związki organiczne powstające przez połączenie cząsteczek aminokwasów wiązaniem peptydowym) o określonej sekwencji aminokwasów (Przypomnij sobie wiadomości dotyczące aminokwasów z wykładu Podstawy chemii i Biochemii). Poza glicyną (najprostszym spośród 20 standardowych aminokwasów wchodzących w skład białek; stanowi średnio około 7,2% reszt aminokwasowych występujących w białkach, poza kolagenem, w którym stanowi 30% wszystkich budujących go aminokwasów) w skład białek wchodzą L-aminokwasy (izomeryczna forma aminokwasów, skręcająca płaszczyznę światła spolaryzowanego L). W niektórych białkach do aminokwasów dołączone są inne związki, co nadaje im specyficzne właściwości (np. hemoglobina — składnik czerwonych krwinek — białko zawierające barwnik — hem). W przeważającej części liczba reszt aminokwasowych w pojedynczym łańcuchu polipeptydowym jest większa niż 100 (cała cząsteczka może być zbudowana z wielu łańcuchów). W skład białek wchodzą głównie: węgiel (C), tlen (O), wodór (H), azot (N), siarka (S), fosfor (P) a także kationy metali Mn²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Co²⁺ (i inne). Skład białek nie pokrywa się ze składem aminokwasów, ponieważ większość białek ma dołączone do reszt aminokwasowych różne inne cząsteczki (np. cukry) — są to tzw. białka złożone lub proteidy. Ważne: przypomnij sobie wiadomości o rzędach struktur białka z wykładu Podstawy chemii i Biochemii.

Funkcje:

• budulcowa — budują błony biologiczne, tworzą komórki i organizują wnętrze komórki,
• regulatorowa — jako enzymy umożliwiają zachodzenie wielu reakcji w komórce; odpowiadają za prawidłowy przebieg procesów w organizmie (jako hormony),
• zapasowa — szczególnie u roślin,
• energetyczna — bardzo rzadko (dopiero gdy organizm zużyje zapas cukrów i tłuszczów).

Tłuszczowce

Lipidy — w tym tłuszcze (trójglicerydy, wraz z wolnymi kwasami tłuszczowymi są jednym z głównych materiałów energetycznych zużywanym na bieżące potrzeby organizmu lub są też magazynowane jako materiał zapasowy w postaci tkanki tłuszczowej), cholesterol (substrat do syntezy wielu hormonów) oraz glikolipidy (wchodzące w skład błon komórkowych, wytwarzające warstwy izolacyjne w wielu nabłonkach). Ważne: podwyższony poziom triglicerydów ma większy wpływ na podniesienie ryzyka zawału serca lub udaru mózgu niż podwyższony poziom cholesterolu. Przypomnij sobie wiadomości o tłuszczach z wykładu Podstawy chemii i Biochemii.

Klasyfikacja:

• tłuszcze proste (trójglicerydy, tłuszcze właściwe) — są jednym z głównych materiałów energetycznych zużywanym na bieżące potrzeby organizmu lub są też magazynowane jako materiał zapasowy w postaci tkanki tłuszczowej; spełniają rolę ochronną, powlekają cienką warstwą pióra, liście (chroniąc przed transpiracją), owoce; w skórze zwierząt wpływają na jej elastyczność, hydrofobowość i chronią przed wnikaniem drobnoustrojów,
• tłuszcze złożone :
  • fosfolipidy — stanowią istotny składnik budowy błony komórkowej,
  • glikolipidy — są ważnym składnikiem błony komórkowej;
• lipidy izoprenowe:
  • steroidy — spełnią w ich organizmach rozmaite funkcje; np. kortykosterydy to hormony regulujące w organizmie przemiany białek, węglowodanów i tłuszczów;
• pochodne — hormony płciowe (testosteron — hormon męski, estradiol — hormon żeński); kwasy tłuszczowe pełnią istotną rolę biologiczną, głównie jako materiał energetyczny i zapasowy.

Funkcje:

• zapasowa — tłuszcze gromadzone są w cytoplazmie komórek, u zwierząt jest to tkanka podskórna,
• ochronna — chronią organizmy przed niskimi temperaturami, nadmierną utratą wody (woski pokrywające liście i owoce wielu roślin), urazami mechanicznymi (np. warstwa tkanki tłuszczowej chroniąca gałkę oczną),
• budulcowa — budują błony biologiczne,
• energetyczna — spalone służą do uzyskania w komórce energii.

Kwasy nukleinowe

Ich ilość w komórce jest niewielka, ale spełniają ogromną rolę warunkują bowiem zjawisko dziedziczności. W cząsteczkach tych kwasów jest zapisana informacja o budowie i właściwościach organizmu.

• DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) — wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych występujący w chromosomach; zawarty jest w nim zestaw informacji genetycznych komórki (genotyp), który odpowiada za zespół cech strukturalnych i czynnościowych komórek i tkanek (fenotyp). Informacje genetyczne znajdują się w genach (około miliona w każdej komórce), w tym RNA,
• RNA (kwasy rybonukleinowe) — występuje głównie w rybosomach, w jądrze komórkowym, na szorstkim retikulum endoplazmatycznym i w cytoplazmie (jest go 5-10 razy więcej niż DNA). RNA przepisywane jest z DNA i bierze udział w biosyntezie białek, transkrypcji (przepisywaniu) i translacji (tłumaczeniu) języka sekwencji nukleotydów DNA na język sekwencji aminokwasów białka.