Ćwiczenie nr 2

Skład chemiczny komórek

1. Wszystkie pierwiastki występujące w komórce można posegregować w trzy kategorie

• Podstawowe - ich zawartość waha się od 2 do 60% (tlen, węgiel, wodór i azot

• Śladowe (makroelementy) - od 0,02 do 2% (wapń, siarka, fosfor, sód, potas, chlor i magnez

• Mikroelementy - w ilości mniejszej od 0,01% (bor, chrom, cynk, cyna, fluor, jod, kobalt, krzem, miedź, mangan, molibden, nikiel, selen, wanad, żelazo)

Składniki mineralne wchodzą w skład struktur organizmu lub uczestniczą w różnych procesach metabolicznych. Można je podzielić na trzy grupy ze względu na pełnioną funkcję.

Makroelementy to związki mineralne, które tworzą elementy strukturalne kości i innych tkanek, należą do nich związki wapnia, fosforu i siarki oraz pierwiastki biorące udział w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej krwi i tkanek, oraz utrzymania potencjału spoczynkowego błon komórkowych. Należą do nich: sód, potas, magnez, wapń, chlor, fosfor i siarka.

Najliczniejszą grupę stanowią mikroelementy, niezbędne w tworzeniu enzymów, hormonów i białek transportowych oraz przebiegu procesów metabolicznych. Należą do nich pierwiastki; żelazo, miedź, jod, cynk, mangan, kobalt, molibden, nikiel, chrom, cyna, fluor, wanad, selen, krzem i bor. W śladowych ilościach występuje w organizmie człowieka glin i kadm, pierwiastki, których funkcja nie jest jeszcze dobrze wyjaśniona.

Biopierwiastki występują w organizmie w postaci kwasów, zasad lub soli. Rozpuszczone w wodzie dysocjują na jony dodatnie - kationy i jony ujemne - aniony.

PIERWIASTEK	ROLA	WYSTĘPOWANIE
TLEN (O)	pierwiastek chem. podstawowy - w organizmie człowieka (70 kg) jest ok. 45 kg t. w postaci podstawowych dla życia związków: wody, węglowodanów, tłuszczów, białek, kwasów nukleinowych, witamin i in.; pierwiastek najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie.
WĘGIEL ( C )	Pierwiastek podstawowy - w organizmie człowieka (70 kg) jest ok. 13 kg w. wchodzącego w skład podstawowych dla życia związków: węglowodanów, tłuszczów, białek, kwasów nukleinowych, witamin .
WODÓR (H)	Pierwiastek podstawowy- w organizmie człowieka (70 kg) jest ok. 7 kg w. (składnik podstawowych dla życia związków: wody, węglowodanów, tłuszczów
AZOT (N)	Pierwiastek podstawowy - 5,1% masy, występuje zawsze w aminokwasach (budujących białka) i zasadach azotowych, wchodzących w skład DNA i RNA. Azot znajduje się też w witaminach: B1, B2, B6, B12 i PP
MAKROELEMENTY
WAPŃ (Ca)	1,4% masy, w postaci fosforanu wapnia buduje kości i zęby Poza tym, pełni ważną rolę w odbiorze sygnału płynącego do komórki z zewnątrz (np. sygnału do skurczu mięśnia, przewodnictwie bodźców nerwowych), kofaktor wielu enzymów, Rola w przepuszczalności błon komórkowych, regulacji pobudliwości nerwów, krzepliwości krwi,
FOSFOR (P)	0,63% masy, występuje w ATP - uniwersalnym nośniku energii komórki, w DNA, RNA, fosfocukrach, ufosforylowanych białkach i w fosfolipidach - integralnych składnikach błon komórkowych. Fosforan wapnia to główny budulec kości składnik kości i zębów, kwasów nukleinowych, tkanki mózgowej, błon komórkowych, związków wysokoenergetycznych, koenzymów, główny anion wewnątrzkomórkowy, udział w reakcjach fosforylacji, utrzymaniu pH krwi (składnik buforów)
MAGNEZ (Mg)	składnik kości i zębów, tkanek miękkich; bierze udział w przewodnictwie nerwowym, kurczliwości mięsni (antagonista wapnia), syntezie kwasów nukleinowych i białka, metabolizmie lipidów, termoregulacji, aktywator enzymów (głównie kinaz).	proszek kakaowy, kasza gryczana, groch, fasola, orzechy, płatki kukurydziane i zbożowe z pełnego przemiału, makarony
SÓD (Na)	główny kation płynu zewnątrzkomórkowego, występuje w soku trzustkowym i jelitowym, kościach; składnik Na+/K+ ATP-azy, reguluje gospodarkę wodną (objętość osocza, ciśnienie osmotyczne płynów pozakomórkowych), wpływa na równowagę kwasowo-zasadową, bierze udział w kurczliwości mięśni i przewodnictwie nerwowym, transporcie aminokwasów, cukrów itp. W ostatnich latach stwierdzono niekorzystne działanie nadmiaru spożywanego sodu objawiające się powstawaniem nadciśnienia tętniczego krwi, szczególnie u osób mających genetycznie uwarunkowane skłonności do tej choroby. Nadmiar sodu zwiększa też ryzyko powstawania raka żołądka i udarów mózgu.	sól kuchenna, ryby solone wędliny i wędzonki, konserwy mięsne, sery podpuszczkowe, pieczywo

PIERWIASTEK	ROLA	WYSTĘPOWANIE
POTAS (K)	główny kation płynu wewnątrzkomórkowego, występuje w sokach trawiennych i kościach, składnik Na+/K+ ATP-azy, reguluje gospodarkę wodną (objętość komórek, ciśnienie osmotyczne wewnątrzkomórkowe), wpływa na równowagę kwasowo-zasadową, reguluje czynności mięśni i nerwów (potencjał błon komórkowych), zwiększa przepuszczalność błon komórkowych (antagonista Ca)	Rośliny strączkowe, orzechy, ziemniaki, niektóre ryby, banany, porzeczki, mięso, produkty zbożowe-całe ziarno
CHLOR (Cl)	główny anion płynów pozakomórkowych, występuje w soku żołądkowym i ślinie (aktywuje amylazę), uczestniczy w regulacji gospodarki wodnej i równowagi kwasowo-zasadowej	sól kuchenna, wędliny, sery podpuszczkowe
SIARKA (S)	składnik bułek, mukopolisacharydów i sulfolipidów (włosy, skóra, paznokcie, chrząstki), składnik ważnych biologicznie związków: koenzymu A, tiaminy, biotyny, kwasu liponowego, hormonów przedniego płata przysadki, insuliny, glutationu, bierze udział w detoksykacji	sery podpuszczkowe mięso, ryby, rośliny strączkowe warzywa, jaja
MIKROELEMENTY
ŻELAZO (Fe)	składnik hemoglobiny, mioglobiny i wielu enzymów, niezbędny do transportu i magazynowania tlenu, transportu elektronów (cytochromy), desaturacji kwasów tłuszczowych, rozkładu nadtlenku wodoru (katalaza), jodowania tyrozyny (peroksydaza tarczycowa), biosyntezy prostaglandyn, katabolizmu tryptofanu, detoksykacji związków obcych (cytochrom P-450)	Wątroba, rośliny strączkowe, szczypiorek, pietruszka - korzeń, mięso, produkty zbożowe
CYNK (Zn)	niezbędny dla ponad 200 enzymów, m.in. polimeraz DNA i RNA, dysmutazy ponadtlenkowej, anhydrazy węglanowej, niezbędny do syntezy białka i kwasów nukleinowych, ochrony przed wolnymi rodnikami, stabilności błon komórkowych, odporności humoralnej i komórkowej, syntezy białka wiążącego wit A, produkcji i/lub sekrecji hormonów (testosteron, insulina, tyroksyna), odczuwania smaku i zapachu, metabolizmu alkoholu	Mięso, wątroba, sery podpuszczkowe fasola, groch, kasza gryczana, orzechy, przetwory zbożowe

PIERWIASTEK	ROLA	WYSTĘPOWANIE
MIEDŹ (Cu)	składnik wielu enzymów, niezbędna do transportu Fe (ceruloplazmina), dekompozycji wolnych rodników (dysmutaza ponadtlenkowa), syntezy noradrenaliny (hydrolaza dopaminy), tworzenia wiązań krzyżowych w kolagenie i elastynie (oksydaza lizylowa), syntezy melaminy (tyrozynaza), utrzymania struktury keratyny (oksydaza tiolowa)	Orzechy, wątroba, groch, fasola, kasza gryczana, pieczarka, makarony, produkty zbożowe, ryby
MANGAN (Mn)	składnik metaloenzymów, niezbędny do przemiany pirogronianu w szczawiooctan (karboksylaza pirogronianowa), dekompozycji wolnych rodników (dysmutaza ponadtlenkowa), syntezy mocznika (arginaza), aktywator wielu enzymów m in glikozylotransferazy, syntetazy glutamimanowej, ważny dla tworzenia tkanki łącznej i kości, funkcji mózgu i trzustki	Orzechy, produkty zbożowe z pełnego przemiału, czarne jagody, fasola, groch, czekolada, herbata-napar
FLUOR (F)	składnik kości i zębowy przeciwdziała próchnicy, zwiększa gęstość kości	Ryby, soja, wątroba
MOLIBDEN (Md)	składnik enzymów, niezbędny do utleniania aldehydów (oksydaza aldehydowa), metabolizmu puryn i pirymidyn (oksydaza ksantynowa), detoksykacji siarczynów (oksydaza siarczynowa).	Rośliny strączkowe, wątroba, kapusta czerwona, jaja, wołowina, kasza gryczana
JOD (I)	wchodzi w skład hormonów tarczycy, zapobiega powstawaniu wola endemicznego	Sól kuchenna jodowana, ryby
SELEN (Se)	składnik peroksydazy glutationowej (rozkład nadtlenku wodoru i nadtlenków lipidowych), niezbędny do przemiany hormonów tarczycy (dejodynaza), chroni przed stresem oksydacyjnym	Nerki, ryby, kukurydza, wątroba, orzechy
CHROM (Cr)	składnik czynnika tolerancji glukozy, obniża stężenie cholesterolu w surowicy	drożdże piwne, wątroba wołowa, groszek zielony, halibut, cebula, kukurydza, jaja
KOBALT (Co)	wchodzi w skład witaminy B12 (4%), w formie nieorganicznej działa korzystnie na erytropoezę.	fasola, cebula, smalec, wątroba, kapusta

2. Woda i płyny ustrojowe

Woda stanowi około 70% masy komórek a większość wewnątrzkomórkowych reakcji przebiega w środowisku wodnym. Tylko woda może swobodnie przechodzić przez błonę komórkową (barierę oddzielającą wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego). W wodzie rozpuszczonych jest szereg substancji organicznych i nieorganicznych. Taki płyn składający się z wody i substancji w niej rozpuszczonych nazywamy płynem ustrojowym. W zależności od lokalizacji tego płynu możemy wyróżnić:

Płyn wypełniający wnętrze komórki - płyn śródkomórkowy stanowi aż 2/3 wody organizmu

Płyn wypełniający przestrzenie pozakomórkowe ale nie naczynia krwionośne - płyn śródmiąższowy (= pozakomórkowy pozanaczyniowy)

Płyn wypełniający łożysko naczyniowe - osocze

Skład elektrolitowy płynu śródkomórkowego różni się istotnie od składu płynu pozakomórkowego. Głównym kationem płynu śródkomórkowego jest potas a anionami fosforany i białczany natomiast w płynie zewnątrzkomórkowym (śródmiąższowy i osocze) dominują sód (kation) oraz chlor i wodorowęglany (aniony). Niezależnie od tego z jakim płynem ustrojowym mamy do czynienia stosuje się on do prawa elektroobojętności czyli suma kationów zawsze równa się sumie anionów.

3. Cząsteczki chemiczne w komórkach

Poza wodą prawie wszystkie cząsteczki w komórkach są związkami węgla. Cechą wyróżniającą węgiel od innych pierwiastków jest jego zdolność do tworzenia cząsteczek . Cząsteczki węgla łączą się ze sobą silnym wiązaniem kowalencyjnym tworząc łańcuchy lub pierścienie. Takie związki węgla nazywamy organicznymi.

Małe cząsteczki organiczne występujące w komórce są związkami węgla o masie cząsteczkowej i zawierają do 30 atomów węgla. Zwykle występują jako wolne cząsteczki w roztworze cytoplazmy. Część z nich jest wykorzystywana do budowy większych cząsteczek (makrocząsteczek) czyli białek, kwasów nukleinowych lub polisacharydów. Pozostałe służą jako źródło energii ulegając przekształceniu w mniejsze cząsteczki w wewnątrzkomórkowych szlakach metabolicznych.

Ogólnie komórki zawierają cztery główne rodziny małocząsteczkowych związków organicznych:

Cukry

Kwasy tłuszczowe

Aminokwasy

Nukleotydy

4. Cukry

Cukry i cząsteczki z nich utworzone często nazywa się węglowodanami. Węglowodany są aldehydami lub ketonami zawierającymi wiele grup hydroksylowych. Funkcje węglowodanów:

stanowią materiał zapasowy

są paliwem energetycznym dla komórki

są intermadiatami w szlakach metabolicznych

tworzą szkielet dla kwasów nukleinowych (ryboza i deoksyryboza)

są elementami strukturalnymi ścian komórkowych bakterii i roślin

odgrywają rolę w procesach rozpoznawania międzykomórkowego (wiązanie plemnika z komórka jajową, adhezja leukocytów do powierzchni zaktywowanego śródbłonka naczyń)

a. glukoza - główne źródło energii

Wszystkie tkanki wymagają pewnej minimalnej podaży glukozy a dla niektórych tkanek jest to wymóg zasadniczy (komórki mózgu, erytrocyty). Glikoliza jest głównym szlakiem katabolizmu glukozy i przebiega we wszystkich komórkach. Szlak ten może przebiegać zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych (anaerobowych). Glikoliza służy do wytwarzania acetylo-CoA, ATP (głównego nośnika energii) oraz stanowi główny szlak metabolizmu fruktozy i galaktozy pochodzenia pokarmowego. W zależności od rodzaju tkanki komórki mogą lepiej lub gorzej wykorzystywać glukozę w procesie glikolizy np. komórki mięśni szkieletowych wykazującą wysoka aktywność glikolityczną co pozwala komórka na przetrwanie w warunkach niedostatecznej podaży tlenu. Z kolei komórki mięśnia sercowego cechują się słaba aktywnością glikolityczną i zarazem słabą zdolnością do przetrwania w warunkach niedotlenienia. Upośledzenie szlaku glikolizy może prowadzić do szeregu chorób min. niedokrwistości hemolitycznej wynikającej z braku lub nieprawidłowego działania jednego z enzymów biorącego udział w procesie glikolizy

b. glikogen - materiał zapasowy komórek zwierzęcych

Jest główna formą zmagazynowania węglowodanów u zwierząt i jest odpowiednikiem skrobi u roślin. Występuje głównie w wątrobie (do 6%) oraz w mięśniach (do 1%). Glikogen jest rozgałęzionym polimerem glukozy. Glikogen komórek mięśni jest łatwo dostępnym źródłem heksoz wykorzystywanych w glikolizie w trakcie pracy mięśnia. Glikogen zmagazynowany w komórkach wątroby głównie służy jako magazyn i dostawca heksoz w celu utrzymania fizjologicznego stężenia glukozy we krwi zwłaszcza między posiłkami.

c. pentozy - dostawcy rybozy do syntezy kwasów nukleinowych

Szlak pentozofosforanowy nie generuje ATP ale służy do wytwarzania NADPH (wykorzystywany min w biosyntezie kwasów tłuszczowych i steroidów) oraz dostarcza rybozy do biosyntezy kwasów nukleinowych.

5. Kwasy tłuszczowe

Służą komórce jako skondensowane zapasy pokarmowe: ich rozpad dostarcza komórce około 6 razy więcej energii niż taka samo wagowo ilość glukozy. W cytoplazmie wielu komórek są one przechowywane w formie triacylogliceroli których cząsteczka składa się z trzech kwasów tłuszczowych związanych z cząsteczką glicerolu. Gdy komórka potrzebuje energii uwalnia kwasy tłuszczowe z triacylogliceroli i rozkłada na jednostki dwuwęglowe. Są one identyczne z jednostkami pochodzącymi z rozkładu glukozy i wchodzą w takie same szlaki metaboliczne uwalniające energię.

Najważniejszą funkcja kwasów tłuszczowych jest ich udział w budowie błon komórkowych. Błony zbudowane są głównie z fosfolipidów (glicerol połączony z dwoma łańcuchami kwasów tłuszczowych, trzecie miejsce w glicerolu połączone jest z resztą fosforanową do której przyłączony jest mały związek hydrofilowy np. cholina. Każda cząsteczka fosfolipidy zawiera hydrofobowy ogon oraz hydrofilową głowę. Jest to tzw. amfipatyczny charakter fosfolipidów.

6. Nukleotydy - jednostki budujące DNA i RNA

Nukleozydem jest cząsteczka zbudowana z zasady azotowej połączonej z pięciowęglowym cukrem którym może być ryboza lub deoksyryboza.

Nukleozyd z przyłączonym do jego cukru grupą fosforanową nazywany jest nukleotydem. Nukleotydy w skład których wchodzi ryboza nazywane są rybonukleotydami a zawierające deoksyrybozę - deoksyrybonukleotydami.

Nukleotydy w zależności od zasad w nich zawartych możemy podzielić na puryny (adenina i guanina) oraz pirymidyny (cytozyna tymina oraz uracyl).

Nukleotydy mogą funkcjonować jako krótkotrwałe nośniki energii chemicznej np. ATP (trifosforan adenozyny).

Najbardziej podstawową funkcją nukleotydów w komórkach jest magazynowanie i przekazywanie informacji biologicznej. Nukleotydy służą bowiem jako elementy do konstruowania kwasów nukleinowych DNA i RNA. W skład RNA wchodzą adenina, guanina, cytozyna i uracyl; w skład DNA adenina, guanina, cytozyna tymina.

7. Aminokwasy jako składniki białek

Są klasą różnorodnych cząsteczek ale mają cechę wspólną wszystkie zawierają grupę karboksylową oraz grupę aminową. Chemiczna różnorodność wynika z łańcuchów bocznych.

Aminokwasy odgrywają istotna rolę w komórce gdyż służą do wytwarzania białek. Białka są długimi łańcuchowymi polimerami aminokwasów pofałdowanymi w strukturę przestrzenną, unikatową dla każdego typu białka. Powszechnie w białkach występuje 20 różnych aminokwasów Poza budulcem dla białek istnieje znamienna liczba aminokwasów które nie występują w białkach ale spełniają istotną rolę w metabolizmie ssaków:

Homocysteina - związek pośredni w metabolizmie metioniny. Nadmiar jej w komórce działa degradujaco

3-monojodotyrozyna - prekursor dla hormonów tarczycy

Dopa (3,4-dihydroksyfenyloalanina) - prekursor w syntezie melaniny

Funkcje białek:

Kataliza enzymatyczna

Transport i magazynowanie (hemoglobina, mioglobina, transferyna, ferrytyna)

Ruch (mięśnie, chromosomy, plemniki)

Funkcje mechaniczno-strukturalne

Ochrona immunologiczna

Wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych

Kontrola wzrostu i różnicowania

---