VODA Živé bytosti jsou závislé na vodě. Souvisí to s tím, že neživá hmota se začala přeměňovat na živou ve vodě. Voda proniká všemi částmi každé buňky a je základním prostředím, v němž probíhá veškeré dění v buňce. není však při tom inertní kapalinou, ale vysoce reaktivní látkou: Ř je výborným rozpouštědlem polárních a iontových sloučenin Ř účastní se řady hydrolytických a hydratačních reakcí a acidobazických dějů Ř interakcemi s biomakromolekulami a biomembránami určuje jejich tvar. Tyto biologické funkce vody jsou podmíněny jejími neobvyklými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Fyzikální vlastnosti vody: - vyšší body tání a varu než by odpovídalo její nízké molekulové hmotnosti - vysoká relativní permitivita Chemické vlastnosti vody: - schopnost tvorby vodíkových vazeb - vyvolání hydrofobního efektu - schopnost autoionizace Základní biologické funkce vody: a) Voda je rozpouštědlo a transpoprtér Většina organických a anorganických složek buněk je rozpustná ve vodě. U mnohobuněčných organismů existuje nejen voda v buňkách (= intracelulární voda), ale je tu i voda v tělních tekutinách (= extracelulární voda) -- zde funguje hlavně jako transportér rozvádějící rozpuštěné látky po organismu. b) Voda se účastní chemického dění v buňkách ˙ Některé reakce by v bezvodém prostředí nemohly probíhat. Voda se ale většinou v chemických rovnicích popisujících průběh těchto reakcí nevyskytuje. ˙ Důležitými prvky v reakcích jsou atomy vodíku, mnohé z nich pocházejí z vody. c) Voda vytváří stálost vnitřního prostředí § Voda udržuje stálost hladiny protonů, tedy stálé pH=7, při němž probíhá většina procesů v organismech. § Pronikání vody do roztoků rozpuštěných látek v buňce má vliv na udržování stálosti koncentrace rozpuštěných látek. Roztoky o stejné koncentraci rozpuštěných látek (a tedy i o stejném osmotickém tlaku) jsou isotonické (např. tekutiny v organismu). X hypertonické = roztoky s vyšším obsahem látek X hypotonické = roztoky s nižším obsahem látek Buňka v hypertonickém prostředí voda z ní uniká ven buňka zmenšuje svůj objem plasmolýza. Buňka v hypotonickém prostředí přijímá vodu z okolí zvětšuje svůj objem, může dojí k prasknutí plsmoptýza. Vyšší organismy mají mechanismy realizované specifickými hormony centrální nervovou soustavou na regulaci isotonie svého vnitřního prostředí homeostáza. Voda se také podílí na udržování konstantní teploty organismů. Umožňuje jí to její velká tepelná kapacita. Tabulka: Nejdůležitější subcelulární struktury a v nich probíhající děje Buněčná struktura Metabolický děj jádro Biosyntéza DNA, biosyntéza RNA a modifikace RNA cytoplasma Glykolýza, pentosový cyklus, biosyntéza sacharidů a mastných kyselin mitochondrie Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace, citrátový cyklus, odbourávání mastných kyselin, metabolismu aminokyselin ribosomy Biosyntéza bílkovin endoplasmatické Syntéza, modifikace a transport retikulum některých bílkovin, syntéza cholesterolu, fosfolipidů a triacylglycerolů, detoxikace Golgiho komplex Modifikace, třídění, transport a vylučování některých bílkovin lysosomy Odbourávání opotřebených biomakromolekul a cizorodých struktur peroxisomy Oxidace za vzniku peroxidu vodíku, fotorespirace chloroplasty Fotosyntéza, syntéza mastných kyselin glyoxysomy Glyoxylátový cyklus SACHARIDY ˙ v těle člověka jen 2 % (v sušině) ˙ v rostlinách 85 -- 90 % Funkce sacharidů v buňce: - zdroj energie (např. glukosa) - zásobní energetická surovina (škrob, glykogen) - zpevnění a ochrana buňky (celulosa, chitin) - složky biologicky účinných látek (koenzymy, hormony, antibiotika) Vznik sacharidů -- v přírodě v buňkách autotrofů asimilací CO2 v přítomnosti H2O FOTOSYNTÉZA Prvkové složení sacharidů: C, H, O Základem je C-řetězec s 3 -- 9 atomy C (3 - triosy, 4 -- tetrosy, 5 -- pentosy, 6 -- hexosy, 7 -- heptosy, 8 -- oktosy, 9 -- nonosy). Deriváty sacharidů obsahují navíc: P = fosforečné estery sacharidů N = aminocukry S = sirné heteroglykosidy Dělení sacharidů: 1. monosacharidy 2. oligosacharidy 3. polysacharidy 4. hetoroglykosidy -- je zde vázána necukerná složka, tzv. aglykon MONOSACHARIDY Monosacharidy obsahují: o 3 -- 9 atomů C o alkoholické skupiny o aldehydickou nebo ketonickou skupinu Vlastnosti minosacharid: Ř bezbarvé krystalické látky Ř dobře rozpustné ve vodě, částečně ve zředěném ethanolu Ř nerozpustné v organických rozpouštědlech Ř sladkost Nejjednodušší sacharid: glyceraldehyd Tabulka: Porovnání údajů sladkosti různých sacharidů Sacharid Sladkost Sacharosa 100 Fruktosa 173 Glukosa 74 Invertní cukr 130 Sorbitol 48 Glycerol 48 Sylosa 40 Maltosa 32 Ramnosa 32 Galaktosa 32 Rafinosa 23 Laktosa 16 Důležité pojmy týkající se sacharidů Stereoizomerie -- 2 izomery se k sobě mají jako předmět a jeho zrcadlový obraz, jsou neztotožnitelné. Více chorálních C více opticky aktivních izomerů n = 2C n .... počet opticky aktivních izomerů C .... počet asymetrických uhlíků v molekule sacharidu Optická aktivita -- monosacharidy otáčí rovinu polarizovaného světla + doprava optické antipody - doleva (Nemá spojitost s L- a D-.) D- a L- forma Racemická směs -- směs stejných množství optických antipod opticky neaktivní Vzorce monosacharidů: Fischerovy -- v lineární formě Tollensovy -- projekční vzorce Haworthovy -- perspektivní vzorce Konformace -- uspořádání v prostoru v furanosy rovinný tvar v pyranosy 2 krajní formy: vanička a židlička (stabilnější) Monosacharidy označujeme: Ř podle počtu atomů C: triosy, tetrosy, pentosy atd. Ř podle funkční skupiny: aldosa, ketosa Ř podle velikosti kruhu u cyklických vzorců: furanosa, pyranosa Ř podle formy: -D-....., -D-....., -L-....., -L-..... Výskyt minosacharid v přírodě: - volné - vázané v oligosacharidech, polysacharidech, heteroglykosidech VĚTŠINA MONOSACHARIDŮ JE ODVOZENA OD ŘADY D- ! DŮLEŽITÉ MONOSACHARIDY Triosy Ve formě fosforečných esterů jsou meziprodukty odbourávání a biosyntézy sacharidů v organismech. Aldopentosy -L-arabinopyranosa Je rozšířena v roslinách ve formě polysacharid zvaných arabany: arabská guma, třešňová guma. -D-arabinosa Je součástí některých heteroglykosidů. -D-xylosa Je obsažena ve zdřevnatělých rostlinných buňkách. -D-ribofuranosa Je obsažena v nuikleoproteinech, kde tvoří součást ribonukleových kyselin. Je komponentou i některých enzymů. 2-deoxy-D-ribosa Je obsažena v nukleoproteinech, kde tvoří součást deoxyribonukleových kyselin. Ketopentosy Mají význam ve formě fosforečných esterů jako intermediární metaboliy. D-ribulosa D-xylulosa Aldohexosy -D-mannosa Je obsažena ve svatojánském chlebu. Mannan je rezervní látkou mnohých semen. -D-galaktosa Je vázána s glukosou v mléčném cukru ( laktosa). -D-glukosa (= dextrosa = hroznový cukr, = škrobový cukr) Ve zralém ovoci se nachází buď volná nebo častěji ve směsi s D- -fruktosou. U živočichů se nachází v krvi v koncentraci 100 mg/100g. Bývá vázána v polysacharidech (celulosa, škrob). Ketohexosy -D-fruktosa (= levulosa = ovocný cukr) Nachází se ve zralém ovoci, též v inulinu v čekankových kořenech nebo v hlízách jiřinek. S glukosou jsou vázány v disacharidu sacharose. -L-sorbosa Je obsažena např. v jeřabinové šťávě. Je meziproduktem při výrobě kyseliny L-askorbové (vitamin C). Ketoheptosy D-sedoheptulosa Ve formě fosforečného esteru je důležitým meziproduktem fotosyntézy. DERIVÁTY MONOSACHARIDŮ Fosforečné estery monosacharidů -D-glukosa -1-fosfát D- glukosa-6-fosfát (Coriho ester) (Robinsonův ester) D-fruktosa-6-fosfát D-fruktosa-1,6-bisfosfát (Neubergův ester) (Harden-Yongův ester) Kyseliny -- vznikají oxidací monosacharidů (např. kys. glukonová, kys. glukuronová, kys. cukrová) Alditoly (alkoholové cukry) -- vznikají redukcí monosacharidů. Např. redukcí D-glukosy vzniká D-glucitol. Některé redukcí ztrácejí asymetričnost molekuly, takže nejsou opticky aktivní, nemají formy D- či L- , ale meso-. Aminocukry -- vznikají náhradou skupiny --OH za --NH2 D-glukosamin D-galaktosamin OLIGOSACHARIDY Rozdělení oligosacharidů: Ř volné -- vyskytují se samostatně Ř vázané -- jsou složkou polysacharidů Nejvýznamnější disacharidy: sacharosa (= cukr třtinový = cukr řepný) Je rozšířena v celé rostlinné říši, ale průmyslově se zpracovává pouze cukrovka a cukrová třtina. Směs po hydrolýze (invertní cukr) je vedle sacharosy hlavní složkou medu. maltosa (= sladový cukr) Vzniká při odbourávání škrobu a je přítomna ve sladu. isomaltosa Získává se hydrolýzou škrobu. cellobiosa Je složkou celulosy u rostlin. laktosa (= mléčný cukr) Je nejdůležitějším cukrem v mléce všech savců (mateřské mléko = 6 % , kravské = 4,5 %). trehalosa Vyskytuje se v rostlinách a jako krevní cukr hmyzu. Nejvýznamnější trisacharid: raffinosa POLYSACHARIDY Nejvýznamnější polysacharidy: Škrob V rostlinách je ve formě škrobových zrn v kořenech, plodech a semenech. Průmyslovým zdrojem škrobu jsou brambory a obiloviny. Degradací škrobu kyselinami nebo zahříváním na vyšší teplotu vznikají dextriny užívané k výrobě lepidel. Glykogen Je rezervním polysacharidem savců, v jejichž játrech z něho vzniká v případě potřeby D-glukosa. Celulosa Je hlavním stavebním materiálem vyšších rostlin. V přírodě se vyskytuje ve velmi čisté formě jako bavlna, ve dřevě je provázena dalšími látkami, především ligninem a hemicelulosami. Pektiny Jsou to velmi složité polysacharidy přítomné zejména v mladých tkáních vyšších rostlin. Získávají se ze slupek ovoce a slouží např. k výrobě džemů. Polysacharidového charakteru jsou i: rostlinné slizy klovatiny aminopolysacharidy, které mají důležitou funkci v různých fyziologických procesech v tělech živočichů. Chitin Polysacharid obsahující dusík. Je obsažen v houbách a tvoří i součást kostry členovců. LIPIDY Lipidy jsou nesourodá skupina látek, které mají podobné vlastnosti: - nerozpustnost ve vodě - rozpustnost v organických rozpouštědlech Podle chemického složení se lipidy dělí na: ˙ lipidy jednoduché (tuky, vosky a isoprenoidní lipidy) ˙ lipidy složené Hlavní stavební složky lipidů: - vyšší mastné kyseliny - alkoholy (glycerol, sfingosin) často: - dusíkaté báze - esterově vázaná kyselina fosforečná někdy: - cukry Podle struktury a chování se lipidy dělí do 5-ti tříd: 1. neutrální lipidy = tuky, triacylglyceroly 2. vosky 3. polární lipidy 4. isoprenoidní lipidy = isoprenoidy 5. lipoproteiny Funkce lipidů v organismu: Ř zdroj energie a rezervní funkce -- neutrální lipidy a triacylglyceroly (energie pro hybernující zvířata a tažné ptáky) Ř stavební funkce -- polární lipidy (biomembrány) Ř ochranná funkce: podkožní tuk a vnitřní tuk Ř katalytická funkce: např. vitaminy A a D, pohlavní hormony a kortikoidy Ad 1) NEUTRÁLNÍ LIPIDY = TUKY Jsou to triacylglyceroly s vyššími mastnými kyselinami. Mastné kyseliny obsažené v tucích mívají obvykle nerozvětvený řetězec a sudý počet C. Mastné kyseliny mohou být nasycené nebo nenasycené. monoacylglycerol diacylglycerol triacylglycerol Mastné kyseliny nejčastěji obsažené v tucích: ˙ nasycené: máselná = butanová (4C), kapronová = hexanová (4C), kaprylová = oktanová (8 C), kaprinová = dekanová (10 C), laurová (12 C), myristová (14 C), palmitová (16 C), stearová (18 C), arachová (20 C), behenová (22 C), lignocerová (24 C), cerotová (26 C), ... ˙ nenasycené: palmitoolejová (16 C): CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH olejová (18 C): CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH linolová (18 C): CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH linolenová (18 C): CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH arachidonová (20C): CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH eruková (22 C): CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH tuhé (živočišné) TUKY Dřívější dělení -- podle konzistence při pokojové teplotě: kapalné (rostlinné) OLEJE Nyní: vše je TUK bez ohledu na konzistenci. Ad 2) VOSKY Jsou to estery mastných kyselin s vyššími jednosytnými alifatickými alkoholy. R1 -- CO -- O -- CH2 -- R2 Složky vosků: - kyseliny: palmitová, stearová a olejová - alkoholy: nejběžnější je cetylalkohol Vosky bývají v přírodě často doprovázeny parafiny. Vlastnosti vosků: v ve vodě nerozpustné v v alkoholu málo rozpustné v v organických nepolárních rozpouštědlech dobře rozpustné Výskyt vosků v přírodě: § v rostlinách: na povrchu listů a plodů (palmový vosk, lněný vosk) § v živočišných tkáních: lanolin z ovčí vlny, včelí vosk Užití vosků: při výrobě svíček, krémů, mýdel a různých náplastí Ad 3) POLÁRNÍ LIPIDY Mají amfipatickou (=amfifilní) povahu. Obsahují kromě alkoholu a mastných kyselin ještě složku, která jim dodává polární charakter. Nejčastěji je to kyselina fosforečná, na níž bývá vázán cholin, ethanolamin nebo serin, popř. i sacharid. Polární lipidy se dělí z několika hledisek. 1. Podle hlavního alkoholu: ˙ fosfoacylglyceroly -- základem je glycerol ˙ sfingolipidy -- základem je aminoalkohol sfingosin 2. Podle obsahu kyseliny fosforečné: ˙ fosfolipidy -- mají v molekule kyselinu fosforečnou: o fosfoacylglyceroly o sfingomyeliny (nejpočetnější skupina sfingolipidů) ˙ nemají v molekule kyselinu fosforečnou (je jich méně) 3. Podle obsahu cukerné složky ˙ glykolipidy: o cerebrosidy o gangliosidy ˙ ostatní Nejhojnější skupinou polárních lipidů jsou FOSFOLIPIDY. Jsou přítomny v každé buňce, zejména v mozku a myelinových obalech nervových buněk, v semenech a vejcích. Nejznámější fosfoacylglyceroly: lecitin, kefalin, fosfatidylserin, fosfatidylinositol. Funkce v organismu: - základní stavební jednotky všech biomembrán - některé se účastní přenosu vzruchu v nervové tkáni Ad 4) ISOPRENOIDY (=isopreny, dříve terpenoidy) Jsou odvozeny od isoprenu Za zvláštní skupinu je považována skupina triterpenů odvoditelná od tetracyklického uhlovodíku steranu steroidy. U ostatních isoprenoidů převládá lineární isoprenoidní řetězec. Steroidní látky dělíme na několik skupin: 1. Steroidní hormony Ř kortikoidy (=hormony kůry nadledvinek) § glukokortikoidy -- regulují metabolismus sacharidů § mineralokortikoidy -- kontrolují metabolismus minerálních látek Ř gonadální (pohlavní) hormony § mužské: androgeny, např. testosteron § ženské ˙ estrogeny (folikulární hormony); estradiol ˙ gestageny (hormony žlutého tělíska); progesteron 2. Žlučové kyseliny = steroidní karboxylové kyseliny - jsou to bezbarvé krystalické látky, hořké chuti - ve vodě málo rozpustné - ve žluči se nevyskytují volné, ale vázané na glycin nebo taurin 3. Vlastní steroly: § zoosteroly (např. cholesterol) § fytosteroly (např. sitosterol, stigmatosterol) § mykosteroly (např. ergosterol z nižších hub) § mořské steroly = steroly mořských živočichů a rostlin 4. Steroidní vitaminy -- sem patří vitaminy skupiny D -- tzv. kalciferoly. Vznikají ozařováním některých sterolů UV paprsky. § vitamin D2 -- ergokalciferol § vitamin D3 -- cholekalciferol 5. Geniny -- jsou v rostlinách vázány na cukerné složky ve formě heteroglykosidů. Patří sem: § srdeční jedy § saponiny 6. Steroidní alkaloidy -- byly nalezeny v rostlinách. Z potravinářského hlediska je významná skupina steroidních alkaloidů z čeledi Solanaceae (=lilkovité): § solanin (= solanin T) z bramboru (Solanum tuberosum) § demissin -- z divokého bramboru (Solamun demissum) § tomatin (=lycopersicin) z rajských jablíček (Lycopersicum esculentum) BÍLKOVINY (=PROTEINY) V biosféře existuje 108 -- 1010 bílkovin. Mají stejnou základní stavbu a liší se jen pořadím 20-ti různých stavebních jednotek -- jednotlivých aminokyselin. Bílkoviny se dělí na: Ř jednoduché bílkoviny -- obsahují pouze aminokyseliny Ř složené bílkoviny -- obsahují i neaminokyselinovou strukturu = prostetickou skupinu AMINOKYSELINY Rozdělení aminokyselin: I. kódované aminokyseliny -- je jich 20 1. aminokyseliny alifatické ˙ monoaminomonokarbonové AMK: glycin, alanin, valin, leucin, isoleucin ˙ monoaminodikarbonové AMK (kyselé AMK): kys. asparagová, kys. glutamová, asparagin, glutamin ˙ diaminomonokarbonové AMK (bazické AMK): arginin, lysin ˙ hydroxideriváty AMK: serin, threonin ˙ sirné deriváty AMK: cystein, methionin 2. aminokyseliny aromatické: phenylalanin, tyrosin 3. aminokyseliny heterocyklické: tryptofan, histidin, prolin II. vzácné aminokyseliny -- není pro ně genetický kód: 4- hydroxyprolin, 5-hydroxylysin, ornithin, citrulin, penicylamin III. nebílkovinné aminokyseliny -- nikdy se nenašly v bílkovinách, ale jsou v živých organismech: -alanin, - aminomáselná kyselina Biologické vlastnosti a význam aminokyselin: Ř stavební jednotky bílkovin Ř stavební jednotky enzymů, proteohormonů, antibiotik atd. Ř z hlediska výživy: o 8 esenciálních AMK plnohodnotné: val, leu, ile, thr, met, lys, fen, try (8 x 1g = 8 g denně pro člověka) o relativně postradatelné lze je vytvořit, je-li dostatek esenciálních aminokyselin Ř významné pro syntézu mnohých biologicky aktivních látek nebílkovinného charakteru: vznik některých vitaminů, rostlinných barviv, alkaloidů. PEPTIDY Jádrem struktury peptidů i bílkovin je peptidový řetězec. Peptidy: - oligopeptidy -- do 10 AMK (dipeptidy, tripeptidy, ...) - polypeptidy (do 100 AMK) nad 100 AMK bílkoviny Nejvýznamnější oligopeptidy: Dipeptidy karnosin = -alanylhistidin nacházejí se ve svalové tkáni, jejich anserin význam je zatím nejasný Tripeptid glutathion = -L-glutamoyl-L-cystylglycin Nonapeptidy oxytocyn vasopresin Dekapeptidy: antibiotika, např. gramicidin S bacitraciny -- antibiotika produkovaná mikroorganismy Cyklické peptidy: např. gramicidin S Polypeptidy: nisiny -- směs polypeptidů produkovaná mléčnými baktériemi BÍLKOVINY Struktura bílkovin: 1. primární -- sled AMK v peptidickém řetězci 2. sekundární -- vzájemné prostorové pozice sousedních nebo blízkých stavebních jednotek molekuly -helix = -šroubovice nebo -list 3. terciární -- prostorová relace vzdálených stavebních prvků 4. kvartérní -- uspořádání molekul bílkoviny v nadmolekulárních soustavách. Bílkovinné molekuly tvoří agregáty, jejichž molekulová hmotnost je násobkem základní jednotky. Tvorba mycel. Tvar bílkovin: Ř globulární = sféroproteiny (z řeč.: sfaíra = koule) - peptidový řetězec je svinutý do klubíčka: § hydrofóbní nepolární skupiny do nitra globule § hydrofilní polární skupiny k povrchu globule Ř fibrilární = vláknité -- jejich molekuly vytvářejí vláknité útvary Existují i různé přechodné typy. Podle rozpustnosti se dělí bílkoviny na: ˙ nerozpustné: většina fibrilárních bílkovin zvaných skleroproteiny (z řeč.: scléros = tuhý) a globulární bílkoviny obilných zrn ˙ rozpustné: o v čisté vodě -- globulární bílkoviny zvané albuminy o silně bazické histony ˙ jen ve zředěných roztocích solí - globuliny