Chemické zloženie bunky

Živá bunka ako nositeľ všetkých životných procesov sa skladá z rôznych chemických zlúčenín, ktorých základom sú chemické prvky prítomné aj v neživej prírode. Kvalitatívny rozdiel v chemickom zložení jednobunkovca a zrnka piesku teda nespočíva v prítomnosti unikátnych "živých" atómov, ale v komplexite chemických zlúčenín založených na jedinečných vlastnostiach uhlíka, ktoré umožňujú vytvárať dlhé a dostatočne stabilné reťazce so sebou samým. Uhlík je teda základným prvkom organických látok, medzi ktoré patria bielkoviny, sacharidy, lipidy a nukleové kyseliny. Štúdiom chemických vlastností uhlíkatých zlúčenín sa zaoberá organická chémia. Chemické procesy v živých organizmoch študuje biochémia.

Uhlík patrí medzi tzv. základné, alebo primárne biogénne prvky (biogénny = tvoriaci živú hmotu) spolu s ďalšími chemickými prvkami, z ktorých sa skladajú spomenuté organické látky. Tieto biogénne prvky sa nazývajú aj makroelementy:

• uhlík (C) - všetky organické látky + CO₂
• vodík (H) - zložka bunkovej vody a organických nízkomolekulových aj makromolekulových zložiek bunky
• kyslík (O) - zložka bunkovej vody a organických látok, O₂ je akceptorom elektrónov pri aeróbnom dýchaní
• dusík (N) - zložka aminokyselín, peptidov a bielkovín, nukleotidov, nukleových kyselín, kofaktorov a niektorých sekundárnych metabolitov
• fosfor (P) - fosfátová kostra polynukleotidových reťazcov, membránové fosfolipidy, ATP, koenzýmy, intermediárne metabolity sacharidov
• síra (S) - súčasť mnohých bielkovín, aminokyseliny metionín a cysteín, niektoré kofaktory (acetylkoenzým A)

K týmto šiestim základným biogénnym prvkom patrí ešte niekoľko ďalších chemických prvkov, bez ktorých si život nevieme predstaviť, a ktorých prítomnosť je z hľadiska prežitia bunky úplne nevyhnutná. Z hľadiska výskytu sú to stále makroelementy, ale netvoria priamo súčasť hlavných organických látok, preto sa niekedy nazývajú vedľajšie, alebo sekundárne biogénne prvky. Okrem horeuvedených makroelementov sú to tieto:

• draslík (K) - základný anorganický katión bunky, aktivátor niektorých enzýmov, osmotická regulácia, svalová činnosť
• vápnik (Ca) - regulácia vylučovania vody, zložka proteáz, medzibunková komunikácia, činnosť svalov, základ opornej sústavy
• horčík (Mg) - dôležitá zložka metabolizmu nukleových kyselín, zložka chlorofylu
• sodík (Na) - zadržiavanie vody v bunke, regulácia osmotického tlaku, prenos nervového vzruchu (pre väčšinu mikroorganizmov nie je esenciálny)
• chlór (Cl) - regulácia pH bunkového prostredia

Okrem makroelementov, živá hmota obsahuje celý rad stopových prvkov, alebo mikroelementov (bór - B, zinok - Zn, kobalt - Co, mangán - Mn, železo - Fe, meď - Cu, molybdén - Mo a iné), ktorých nedostatok má za následok porušenie fyziologických procesov (ich spomalenie alebo úplné zastavenie) a spôsobuje rôzne ochorenia rastlín a živočíchov.

Anorganické látky sú jednoduchšie zlúčeniny biogénnych prvkov (v prenesenom slova zmysle sú nimi aj samotné chemické prvky), v ktorých spravidla nefiguruje uhlík. V bunke sa môžu nachádzať viazané vo forme solí (chloridy, fluoridy, uhličitany, fosforečnany a pod.), súčasť enzýmov (železo v hemoglobíne) alebo ako voľné ióny (Na⁺, Ca²⁺).

Zastúpenie látok závisí od mnohých kritérií, akými sú vek, typ bunky, vonkajšie prostredie, konkrétny druh organizmu.

Najdôležitejšou anorganickou zlúčeninou každej bunky je voda, ktorá tvorí 60-90% (~65%) hmotnosti bunky. Jej úloha je nezastupiteľná v mnohých procesoch:

• rozpúšťadlo anorganických a niektorých organických látok
• tvorí prostredie pre priebeh chemických reakcií
• rozvádza rozpustené látky do buniek, tkanív a pletív
• podmieňuje fyzikálne procesy (difúzia, osmóza)
• termoregulačná funkcia
• fotolýza vody ako súčasť fotosyntetického procesu u rastlín

Bielkoviny link

Bielkoviny (proteíny, gr. protos = prvý, prvotný) sú biomakromolekuly zložené z lineárne usporiadaných aminokyselín, ktoré vytvárajú polypeptidový reťazec. V polypeptidovom reťazci sú aminokyseliny spojené peptidovou väzbou. Existuje 20 štandardných (tzv. proteinogénnych) aminokyselín, ktorých zaradenie do polypeptidového reťazca je "zapísané" v genetickej informácii. Vzájomné pôsobenie aminokyselín vytvára komplikovanú, ale prísne determinovanú trojrozmernú štruktúru proteínu so špecifickou funkciou. Ak je priemerný proteín zložený z 50 aminokyselín, ich kombináciou môže vzniknúť 20⁵⁰ = 1,13.10⁶⁵ možných kombinácií, čo predstavuje nesmierne veľkú funkčnú variabilitu týchto štruktúr.

Funkciu bielkovín v bunke možno zhrnúť do niekoľkých kategórií:

• mechanické bielkoviny - mikrofilamenty
• transportné bielkoviny - funkcia prenášačov v biomembránach
• štruktúrne bielkoviny - stavebná funkcia
• metabolické bielkoviny - enzýmy
• informačné bielkoviny - regulácia bunkových procesov

Bielkoviny sú pre život úplne nevyhnutné a nedajú sa nahradiť žiadnymi inými látkami. Rastlinné bunky obsahujú menej bielkovín, ale zato viac polysacharidov. Bielkoviny si vytvárajú z jednoduchých anorganických látok. V živočíšnych bunkách pripadá na bielkoviny až 80% organických látok. Živočíšny organizmus prijíma bielkoviny v potrave, štiepi ich na jednotlivé aminokyseliny a z nich stavia svoje špecifické bielkoviny.

Lipidy link

Z lipidov (gr. lipos = tuk) sú najvýznamnejšie tuky, čo sú estery vyšších mastných kyselín a glycerolu. Obsah a druh tuku závisí od druhu, výživy, fyziologického stavu, veku. Tuky majú v bunke niekoľko významných funkcií:

• zdroj energie (1g = 38 kJ)
• stavebná funkcia - fosfolipidová vrstva biomembrán
• metabolická funkcia
• izolačná, resp. termoregulačná funkcia
• zásobná funkcia (tukové tkanivo u živočíchov, endosperm u rastlín)
• ochranná funkcia - okolo dôležitých orgánov (vosky u rastlín)
• sú rozpúšťadlom pre vitamíny A, D, E, K (vitamíny rozpustné v tukoch)

Typické membránové lipidy sú zložené z glycerolu, polárnej skupiny (oligosacharidového zvyšku) a vyššej mastnej kyseliny, ktorá je nepolárna. Z toho dôvodu má celá molekula glycerolfosfolipidu polárny charakter, ktorý určuje jej orientáciu vo vodnom prostredí. Takáto štruktúra má veľký význam pri tvorbe biomembrán.

Sacharidy link

Sacharidy (lat. saccharum = cukor) sú základnou zložkou všetkých živých organizmov a zároveň najrozsiahlejšou triedou biologicky aktívnych molekúl. Vznikajú z neústrojných (anorganických) látok v zelených rastlinách v procese fotosyntézy, počas ktorého sa slnečná energia premieňa na energiu chemických väzieb atómov v molekule sacharidu. Živočíchy prijímajú sacharidy v potrave a dýchaním, ktorého základom je biologická oxidácia, sa táto energia uvoľňuje pre ostatné metabolické procesy.

Fotosyntézou vzniknuté monosacharidy sú najjednoduchšie cukry a zároveň najmenšie zložky zložitejších sacharidov, v ktorých sú jednotlivé monosacharidy pospájané navzájom glykozidovou väzbou.

Sacharidy sa podľa počtu monosacharidových jednotiek delia na:

• monosacharidy
• disacharidy - 2 jednotky
• oligosacharidy - niekoľko jednotiek, súčasti glykoproteínov a glykolipidov
• polysacharidy - veľký počet jednotiek; pre svoju veľkosť niekoľko 100 tisíc Daltonov a viac patria spolu s bielkovinami a nukleovými kyselinami k biomakromolekulám

Nukleové kyseliny link

Nukleové kyseliny sú makromolekulové zlúčeniny, ktoré sa nachádzajú v bunkovom jadre a niektorých organelách (mitochondrie, chloroplasty). Ich základnou stavebnou jednotkou sú nukleotidy, ktoré sa spájajú do lineárneho polynukleotidového reťazca prostredníctvom fosfodiesterovej väzby. Každý nukleotid sa skladá z 3 zložiek:

1. dusíkatá báza - adenín (s označením A), guanín (G), cytozín (C), tymín (T), uracil (U)
2. 5-uhlíkatý cukor - ribóza (RNA) alebo deoxyribóza (DNA)
3. zvyšok kys. trihydrogenfosforečnej (H₃PO₄) - tvorí vonkajšiu kostru polynukleotidového reťazca

DNA vo väčšine živých organizmov je tvorená z dvoch špirálovite zatočených polynukleotidových reťazcov, ktoré ležia oproti sebe. Podľa pravidla o párovaní báz leží A oproti T a C leží oproti G. Párovanie je zabezpečené prostredníctvom vodíkových mostíkov.

V nukleových kyselinách je uložená genetická informácia, ktorá určuje, (i.) v ktorom čase, (ii.) za akých podmienok a (iii.) ktoré bielkoviny a s tým spojené produkty metabolických dráh bude bunka obsahovať. Pre život prevažnej väčšiny buniek (okrem niektorých vysoko špecializovaných typov - červené krvinky cicavcov, cievy a cievice rastlín) je nepoškodená genetická informácia životne dôležitá. Nukleové kyseliny predstavujú hmotný základ dedičnosti a premenlivosti živých organizmov.