PODSTAWY BIOCHEMII

Pod względem zawartości w
organizmach pierwiastki biologicznie
istotne dzieli się na trzy grupy:
makroelementy, mikroelementy i
ultraelementy.

Makroelementy

• makroelementami mającymi największy

udział w budowie organizmów są: węgiel

(C), tlen (O), wodór (H), azot (N), wapń

(Ca), fosfor (P), potas (K), siarka (S),

sód (Na), chlor (Cl) i magnez (Mg);

• każdy z nich stanowi nie mnie niż 0,01 %

suchej masy organizmu;

• C, O, H, N, P i S określa się mianem

biogennych lub budulcowych, ponieważ

występują w większości biologicznie

ważnych związków organicznych (węgiel i

wodór we wszystkich)

Mikroelementy

• mikroelementy - nieodzowne do

właściwego funkcjonowania
organizmów; są to: fluor (F), żelazo
(Fe), krzem (Si), jod (I), cynk (Zn),
miedź (Cu), mangan (Mn), bór (B),
wanad (V);

• udział poszczególnych

mikroelementów w suchej masie waha
się w granicach 0,00001-0,01 %.

Ultraelementy

• ultraelementy odgrywające istotną rolę

w regulacji procesów metabolicznych;
są to: molibden (Mo), selen (Se),
kobalt (Co), chrom (Cr), nikiel (Ni);

• występują w ilościach śladowych (w

stumilionowych częściach suchej masy);

• w większych ilościach mogą wykazywać

działanie toksyczne.

• Niektórym pierwiastkom nie przypisuje

się żadnej roli fizjologicznej, natomiast
stwierdzono, że często działają one
toksycznie. Zalicza się do nich m.in.
glin (Al), kadm (Cd), rtęć (Hg), ołów
(Pb). Ich akumulacja w organizmie
niejednokrotnie osiąga znaczące ilości
(nawet rzędu 0,001 % suchej masy).

Wiązania chemiczne

• Pierwiastki chemiczne występują w organizmach w

postaci związków chemicznych - substancji złożonych

z atomów dwóch lub więcej pierwiastków

połączonych ze sobą w określonych stosunkach

ilościowych za pomocą wiązań chemicznych.

• O sile i trwałości wiązań chemicznych decyduje

energia wiązania (wyrażana w kJ * mol

-1

), czyli ilość

energii, jaką należy dostarczyć, aby rozerwać

wiązanie.

• Skłonność atomów do łączenia się z innymi atomami

lub cząsteczkami określa się mianem reaktywności.

Wiązania chemiczne

Ze względu na charakter wiązań chemicznych

wyróżnia się wiązania kowalencyjne i

niekowalencyjne.

Wiązania o energii od kilkudziesięciu do kilkuset kJ/mol

to wiązania silne (KOWALENCYJNE), wiązania o

energii od kilku do kilkunastu kJ/mol są wiązaniami

słabymi (NIEKOWALENCYJNYMI).

Słabe wiązania chemiczne są co najmniej 20 razy

słabsze niż wiązania kowalencyjne. Jeśli jednak tworzy

się równocześnie duża liczba słabych wiązań, to

umożliwiają one silne oddziaływania między dwiema

cząsteczkami, co ma istotne znaczenie w układach

biologicznych.

• Wiązania kowalencyjne (atomowe) są

tworzone przez parę elektronów pochodzących od

dwóch atomów budujących wiązanie.

• Wiązania kowalencyjne są bardzo trwałe

(energia wiązania wynosi 50-700 kJ * mol

-1

).

• Jeżeli wiązanie kowalencyjne jest budowane przez

atomy o takiej samej elektroujemności, elektrony

wchodzące w skład wiązania znajdują się w równej

odległości od jąder obu atomów. Takie wiązanie

nazywamy wiązaniem kowalencyjnym

niespolaryzowanym.

• Atomy różniące się elektroujemnością tworzą

wiązanie kowalencyjne spolaryzowane.

Dochodzi wówczas do przesunięcia się wspólnej

pary elektronowej w kierunku jednego z atomów

(o wyższej elektroujemności).

Wiązania niekowalencyjne powstają na
ogół wskutek oddziaływań
elektrostatycznych między atomami lub
grupami atomów. Cechuje je znacznie niższa
energia wiązania niż wiązania kowalencyjne.
Do wiązań niekowalencyjnych o znaczeniu
biologicznym zalicza się:

• ODDZIAŁYWANIA JONOWE
• WIĄZANIA WODOROWE
• WIĄZANIA (ODDZIAŁYWANIA) VAN DER

WAALSA

• ODDZIAŁYWANIA HYDROFOBOWE

Oddziaływania jonowe

-

występujące między jonami
przeciwnego znaku (w środowisku
wodnym w ten sposób oddziałują np.
aniony grup karboksylowych i
uprotonowane grupy aminowe).
Zgodnie z prawem Coulomba siła
oddziaływań elektrostatycznych jest
odwrotnie proporcjonalna do
kwadratu odległości między
naładowanymi grupami atomów.

Wiązania wodorowe

- polegające na współdzieleniu

protonu przez dwa atomy elektroujemne (np. atomy

tlenu, azotu, siarki), leżące w dostatecznie niewielkiej

odległości (rzędu nanometra). Proton pochodzi z

atomu wodoru kowalencyjnie związanego z jednym z

atomów (donorem) i oscyluje między nim a drugim

atomem, dysponującym wolną parą elektronową

(akceptorem). Energia wiązania wodorowego (12,6-

29,3 kJ*mol

-1

) zależy od jego geometrii - najsilniejsze

są wiązania utworzone przez atomy leżące w linii

prostej.
Przykłady w makrocząsteczkach:

• W łańcuchach polipeptydowych reszty

aminokwasowe są zaangażowane w tworzeniu

licznych wiązań wodorowych.

• W DNA lub RNA wiązania wodorowe łączą dwie

zasady azotowe (G z C lub A z T)

Wiązania (oddziaływania) van
der Waalsa

- tworzące się na skutek

oddziaływań elektrostatycznych
pojawiających się między
elektronami powłok elektronowych a
jądrami atomowymi dwóch atomów
znajdujących się w odpowiedniej
odległości (rzędu 0,2-0,4 nm).
Energia oddziaływań van der Waalsa
jest niewielka, wynosi
ok. 4 kJ * mol

-1

.

Odziaływania

hydrofobowe

Woda wymusza łączenie się grup
hydrofobowych, żeby zminimalizować
zrywanie przez nie wiązań wodorowych
w sieci wodorowo związanych cząsteczek
wody. Łączenie się grup hydrofobowych
jest czasami określane jako „wiązanie
hydrofobowe” chociaż zjawisko to polega
na głównie na usuwaniu cząsteczek
hydrofobowych poza fazę wodną.

• Składnikami organizmu są: związki nieorganiczne

oraz związki organiczne.

• Składniki organiczne występują w postaci substancji

drobnocząsteczkowych lub wielkocząsteczkowych

(makrocząsteczek). Makrocząsteczkami są zazwyczaj

polimery powstałe z połączenia setek, tysięcy, a

nawet milionów mniejszych cząsteczek, czyli

monomerów.

• W zależności od typu monomeru wyróżniamy

heteropolimery i homopolimery.

• Związki nieorganiczne występują najczęściej w postaci

kationów (np. Mg

2+

) lub anionów (np. Cl

-

)

• Rośliny i grzyby przyswajają jony z roztworu

glebowego, bakterie i protisty - bezpośrednio z

otoczenia, zwierzęta - z pokarmu. Ilość związków

organicznych i nieorganicznych w różnego typu

komórkach jest inna. Zależy to nie tylko od pełnionych

przez nie funkcji, ale także od stanu i wieku organizmu.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Woda stanowi średnio 2/3 masy
organizmów. Do organizmów
zawierających najwięcej wody w
przeliczeniu na jednostkę masy ciała
zalicza się meduzy parzydełkowców (97
% masy ich ciała stanowi woda).
Stosunkowo dużo wody jest także w:
tkance nerwowej - 88 %, osoczu krwi - 90
% i limfie - 95 %. Najmniej wody
występuje w nasionach roślin - 10 % i
szkliwie zębów - 0,2 %.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Właściwości fizykochemiczne wody wynikają z

budowy jej cząsteczek. Cząsteczka wody jest

polarna, tzn. cechuje się asymetrycznym rozkładem

ładunku elektrycznego (co jest konsekwencją faktu,

że nie jest cząsteczką liniową). Wokół jądra atomu

tlenu, na skutek przyciągania elektronów atomów

wodoru, tworzy się obszar o ładunku miejscowo

ujemnym, natomiast wokół jąder atomów wodoru - o

ładunku miejscowo dodatnim. Z tej przyczyny

między cząsteczkami wody łatwo powstają wiązania

wodorowe. W temperaturze poniżej

O°C 1cząsteczka łączy się wiązaniami wodorowymi z

4 innymi cząsteczkami wody; w stanie ciekłym liczba

cząsteczek oddziałujących ze sobą jest mniejsza

(średnio 3,4).

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Proces rozpuszczania się substancji w wodzie zachodzi w ten

sposób, że wokół cząsteczek tej substancji powstają otoczki z

cząsteczek wody zwane otoczkami solwatacyjnymi. Aby

wytworzyła się otoczka solwatacyjna, cząsteczki

rozpuszczanej substancji muszą być obdarzone ładunkiem

(jak jony metali) albo być polarne, albo mieć dużą zdolność

do tworzenia wiązań wodorowych. Takie substancje określa

się mianem hydrofilowych (dosłownie: „lubiących wodę").

Substancje, które nie są obdarzone ładunkiem i wykazują

brak polarności (np. węglowodory), nie rozpuszczają się w

wodzie. Pojawienie się cząsteczek takich substancji rozbija

część wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. Jest to

energetycznie niekorzystne, dlatego czasteczki wody dążą do

„wypchnięcia intruzów". Cząsteczki substancji

nierozpuszczalnych w roztworach wodnych wykazują

tendencję do gromadzenia się w warstwie powierzchniowej

roztworu albo w skupiskach, tak aby powierzchnia ich

kontaktu z wodą była minimalna. Takie substancje określa się

mianem hydrofobowych (dosłownie: „bojących się wody").

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Pojawienie się w wodzie cząsteczek

amfifilowych [amfipatycznych) (tj.

mających region zarówno hydrofilowy, jak i

hydrofobowy), na skutek opisanej tendencji

cząsteczek wody do minimalizacji

oddziaływań ze związkami hydrofobowymi,

prowadzi do powstawania micelli – kropelek

substancji amfifilowych. Zewnętrzną warstwę

micelli stanowią regiony hydrofilowe, a rdzeń

- regiony hydrofobowe. Do substancji

amfifilowych zalicza się m.in. fosfolipidy.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Opisane mechanizmy mają również olbrzymie

znaczenie przy fałdowaniu się łańcucha

polipetydowego w cząsteczkę białka. W białkach

rozpuszczalnych w wodzie łańcuchy boczne reszt

aminokwasów hydrofobowych wykazują

tendencję do chowania się wewnątrz cząsteczki,

na powierzchni zaś są eksponowane łańcuchy

boczne reszt aminokwasowych polarnych. Z kolei

fragmenty białek integralnych błon zanurzone w

hydrofobowym rdzeniu dwuwarstwy lipidowej

mają tendencję do eksponowania na powierzchni

reszt hydrofobowych. W ten sposób ustala się

struktura przestrzenna cząsteczki białka.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Tworzenie wiązań wodorowych między cząsteczkami

wody jest również przyczyną jej stosunkowo

wysokiego napięcia powierzchniowego. Woda dąży

do minimalizacji powierzchni swojego kontaktu z

powietrzem, którego cząsteczki mogą być traktowane

jako hydrofobowe. Dlatego też na powierzchni

roztworów wodnych tworzy się tzw. błona

powierzchniowa. Jest ona wystarczająco spójna, aby

nie rozerwać się pod ciężarem leżących na niej

odpowiednio lekkich przedmiotów. Tę właściwość

wody wykorzystują niektóre owady polujące na jej

powierzchni, np. nartnik. Dzięki wysokiemu napięciu

powierzchniowemu wody także możliwe jest m.in.

podnoszenie słupa wody w kapilarach. Na tej zasadzie

odbywa się transport wody i soli mineralnych przez

ksylem (siły kohezji uniemożliwiają rozerwanie

cienkich słupów wody w cewkach i naczyniach.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Również duża wartość ciepła właściwego wody

i względnie wysoka temperatura jej wrzenia

wynikają z istnienia wiązań wodorowych między jej

cząsteczkami. Ich zerwanie wymaga dostarczenia

dużej ilości energii, np. w postaci ciepła.
Duże ciepło właściwe i ciepło parowania wody są

właściwościami niezwykle cennymi dla licznych

organizmów, które dzięki nim utrzymują

odpowiednią temperaturę ciała. Niewielka ilość

wody parująca z liścia usuwa nadmiar ciepła, które

dociera do rośliny przy silnym nasłonecznieniu.

Podobnie skuteczne jest usuwanie ciepła z naszego

organizmu podczas pocenia się.

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Cząsteczki wody dysocjują na jony wodorotlenkowe

(OH

-

) i wodorowe (H

+

). Do określenia stężenia

jonów wodorowych w komórce oraz w płynach

ustrojowych stosuje się pojęcie pH. Właściwości

biologiczne i fizyczne wielu cząsteczek, ważnych z

fizjologicznego punktu widzenia, zależą od wartości

pH. Przykładem może być aktywność enzymów.

Odczyn chemicznie czystej wody jest obojętny (pH

= 7,0), natomiast pH płynów ustrojowych zależy od

związków, które są w nich rozpuszczone (pH soku

żołądkowego, zawierającego kwas solny, mieści się

w granicach 1,5-2,7).

Woda
Właściwości
fizykochemiczne

Dla organizmów wodnych ważną cechą wody (jako

środowiska ich życia) jest zależność jej gęstości od

zmian temperatury otoczenia. Woda w postaci

lodu ma strukturę uporządkowaną, krystaliczną.

Powoduje to zwiększenie jej objętości i w konsekwencji

zmniejszenie gęstości. W miarę wzrostu temperatury

gęstość wody się zwiększa, osiągając wartość

maksymalną w 4 °C, po czym ponownie spada. Tą

właściwością wody tłumaczy się fakt, że zimą

zamarzają tylko powierzchniowe warstwy głębokich

zbiorników wodnych, natomiast warstwy przydenne

utrzymują się w stanie ciekłym.
Konsekwencje biologiczne tej cechy wody są ogromne.

Lód jest lżejszy od stykającej się z nim wody, wypływa

na jej powierzchnię. Dzięki temu zbiorniki wodne

zamarzają od góry, pozwalają przetrwać pod lodem

zamieszkującym je organizmom.

Rola biologiczna

Woda jest podstawowym składnikiem wszystkich struktur

komórkowych i płynów ustrojowych, a także niezbędnym

elementem pokarmów. Stanowi środowisko dla większości reakcji

chemicznych i czynnie uczestniczy w wielu przemianach

biochemicznych. W reakcjach hydrolizy enzymatycznej czy też w

reakcjach syntezy węglowodanów podczas fotosyntezy jest

substratem, natomiast w procesach oddychania komórkowego

stanowi produkt (tzw. wodę metaboliczną).
Woda jest również wykorzystywana jako środek transportu

wewnątrzustrojowego, służący do rozprowadzania np. substancji

odżywczych, hormonów, witamin. Rozpuszczone w niej produkty

przemiany materii są wraz z nią usuwane na zewnątrz.
Poza tym woda uczestniczy w regulacji ciśnienia osmotycznego, pH

oraz temperatury. Podczas parowania pochłania duże ilości ciepła

(wartość ciepła parowania wody wynosi 2,3 MJ • kg

-1

przy ciśnieniu

101,3 kPa), co umożliwia pozbycie się jego nadmiaru, np. przez

pocenie się. Ma wysoką pojemność cieplną (ciepło właściwe wody

wynosi 4,2 kJ • kg

-1

• K

-1

), dzięki czemu chroni komórki przed

nagłymi zmianami termicznymi.
Utrzymuje odpowiednie rozmiary i kształty komórek; wraz z

rozpuszczonymi w niej substancjami wpływa na turgor (jędrność)

komórki.