Cytologia

1. SKŁAD CHEMICZNY KOMÓRKI

W skład organizmów żywych wchodzą pierwiastki (makro-, mikro- i ultraelementy), które budują związki nieorganiczne (woda i sole mineralne) oraz związki organiczne (cukrowce, tłuszczowce, białka i kwasy nukleinowe).

1. Skład pierwiastkowy:

• makroelementy to: C, H, N, O, P, S (te sześć pierwiastków to pierwiastki biogenne) oraz K, Na, Ca, Mg, Cl.
• mikroelementy: Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co, B, J, F, Se, Si.
• ultraelementy: Au, Ag, Hg, (czasami: Cd, Pb).

Większość pierwiastków jest przyswajana przez rośliny z roztworu glebowego lub wodnego w postaci jonów. Natomiast zwierzęta (w tym człowiek ) pobierają pierwiastki w postaci złożonych związków występujących w pożywieniu oraz w wodzie.

2. Woda:

cechy fizykochemiczne wody:

• przezroczysta, bez smaku, bez zapachu;
• dobry rozpuszczalnik dla wielu substancji (nieorganicznych: rozmaitych soli mineralnych i organicznych: proste białka, cukry proste i dwucukry);
• wysoka temperatura topnienia (0°C) i wrzenia (100°C);
• bardzo dobry przewodnik cieplny, wysokie ciepło parowania;
• duża pojemność cieplna;
• wysokie ciepło właściwe - woda wolno ogrzewa się i wolno ochładza;
• wysokie napięcie powierzchniowe;
• duża lepkość;
• duża gęstość;
• niesymetrycznie rozmieszczone ładunki elektryczne nadają jej charakter dipolu;
• odczyn obojętny (pH=7).

cechy biologiczne wody:

• transporter - 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);
• bierze udział w reakcjach hydrolizy - rozpadzie różnych związków pod wpływem wody;
• środowisko wewnętrzne komórek i organizmów - środowisko zachodzenia wszystkich procesów biochemicznych;
• substrat i produkt wielu reakcji metabolicznych;
• środowisko życia wielu organizmów żywych.

3. Cukrowce (sacharydy):

Są to związki zbudowane z węgla, wodoru i tlenu, bardzo rozpowszechnione w przyrodzie i spełniające ważne funkcje w organizmach.

Klasyfikacja cukrowców:

Ze względu na budowę i wielkość cząsteczki dzielimy cukry na:

• cukry proste (monosacharydy), które dzielimy ze względu na liczbę atomów węgla w cząsteczce:
  
  
  • triozy - 3 atomy węgla (3C) - rzadko występujące w stanie wolnym, ale świetnie nadające się w komórce do syntezy cukrów składających się z większej liczby węgli
  • tetrozy - 4 atomy węgla (4C) - występujące jeszcze rzadziej
  • pentozy - 5 atomów węgla (5C) - występujące w kwasach nukleinowych (RNA i DNA) i związkach będących akumulatorami i przenośnikami energii (ATP), np.: ryboza i deoksyryboza
  • heksozy - 6 atomów węgla (6C) - najczęściej występujące, np.: glukoza, fruktoza (cukier występujący w owocach, cukier winny), galaktoza (cukier występujący w mleku)

wzory strukturalne pentozy (ryboza) i heksozy (a-glukoza):

• cukry złożone składające się z dwu lub większej liczby cząsteczek cukrów prostych połączonych wiązaniem glikozydowym
  
  
  • dwucukry (disacharydy) - zbudowane z dwóch cukrów prostych
    
    • sacharoza (glukoza + fruktoza) - pospolicie występująca w roślinach: bulwach ziemniaka, łodydze i liściach trzciny cukrowej
    • laktoza (glukoza + galaktoza) - dużo zawiera jej mleko krowie
  • wielocukry (polisacharydy) - składające się z wielu tysięcy cząsteczek cukrów prostych
    
    • celuloza - podstawowy budulec ścian komórek roślinnych
    • skrobia - cukier zapasowy większości roślin
    • glikogen - cukier zapasowy większości zwierząt gromadzony w wątrobie i mięśniach szkieletowych
    • chityna - cukier budulcowy, występuje w pancerzykach stawonogów

	schematyczna budowa wielocukru:

      Ponieważ polisacharydy nie rozpuszczają się w wodzie doskonale nadają się na materiał budulcowy w komórce (celuloza) lub zapasowy (skrobia i glikogen).

Funkcje cukrowców:

• budulcowa - budują ściany komórkowe
• energetyczna - znaczy to, że cukry proste, szczególnie glukoza, są paliwem biologicznym w komórce; służą do uzyskania energii w procesie biologicznego utleniania czyli oddychania komórkowego zgodnie z reakcją:
  
  substrat organiczny + O₂-> > CO₂ + H₂O + energia (zatrzymana w ATP)
  
  Dlaczego to cukry proste używane są przez organizmy żywe do uzyskiwania energii? Dlaczego nie tłuszcze, które są bardziej kaloryczne? Odpowiedź jest bardzo prosta. Cukry jest łatwiej transportować i łatwiej rozłożyć gdyż mają prostszą budowę niż tłuszcze.
• zapasowa - cukry złożone mogą być na długo odkładane w komórce, bo nie rozpuszczają się w wodzie, jeżeli zaistnieje taka potrzeba mogą być znów rozłożone do cukrów prostych, a te spalone w celu uzyskania energii.

4. Białka:

Jest to największa i jedna z najważniejszych grup związków organicznych. Białka zaliczamy do związków polimerycznych, a polimer to związek zbudowany z powtarzających się elementów: monomerów.

Tak więc: polimer = n (monomer).

Budowa białek:

Monomerem białek jest aminokwas, stąd: białko = n (aminokwas). Aminokwasy ułożone są szeregowo i połączone wiązaniami peptydowymi.

	cztery stopnie komplikacji budowy białek
	struktury od lewej: I; II; III; IV rzędowa

Znamy około 20 aminokwasów , które ułożone w dowolny sposób tworzą białka. Liczba kombinacji jest niewyobrażalnie wielka! Pomyśl tylko: w alfabecie łacińskim jest mniej więcej tyle znaków-liter co znanych aminokwasów; ile wyrazów i zdań możesz z tych liter ułożyć w języku polskim? ile wyrazów i zdań w innych językach opartych na tym samym alfabecie?

Białka są związkami wielkocząsteczkowymi, co znaczy, że mają bardzo dużą masę cząsteczkową. Ponieważ są bardzo duże mają też skomplikowaną budowę. Mówimy o czterech stopniach rzędowości w budowie białek.

Klasyfikacja białek:

• białka proste (proteiny) - zbudowane są tylko z aminokwasów np.:
  
  
  • białko jaja kurzego - np.albumina,
  • białka osocza krwi - np. globuliny,
  • białka odpornościowe - np. przeciwciała,
  • białko budujące włosy i paznokcie - np. keratyna;
• białka złożone (proteidy) - zbudowane z aminokwasów i elementu nie białkowego, "czegoś innego", co nie jest aminokwasem np.:
  
  
  • łańcuch aminokwasów + cząsteczka barwnika, czyli chromoproteid, np. hemoglobina, barwnik oddechowy krwi,
  • łańcuch aminokwasów + atom metalu, czyli metaloproteid, np. wiele enzymów,
  • łańcuch aminokwasów + reszta cukrowa, czyli glikoproteid, np. białka błon biologicznych.

Funkcje białek:

• budulcowa - białka budują błony biologiczne, czyli tworzą komórki i organizują wnętrze komórki; budują włosy, paznokcie, kopyta, rogi; współtworzą szkielet kręgowców
• regulatorowa - białka mogą być enzymami, czyli takimi związkami, które umożliwiają zachodzenie wielu reakcji w komórce (biokatalizatorami); białka mogą też być hormonami, które odpowiadają za prawidłowy przebieg procesów w organizmie, np. adrenalina, która jest przekształconym aminokwasem
• zapasowa - złożone białko jest substancją zapasową u roślin, szczególnie w nasionach roślin strączkowych takich jak: fasola, bób, soja, groch; u zwierząt białka bardzo rzadko pełnią funkcje zapasową, wyjątkiem są komórki jajowe
• energetyczna - tę funkcję białka pełnią bardzo rzadko, najczęściej zużywane są dopiero gdy organizm zużyje zapas cukrów i tłuszczów.
  Ponieważ białka pełnią tak rozliczne role w komórce i całym organizmie żywym to właśnie ich budowa została zapisana w budowie kwasów nukleinowych.

5. Tłuszczowce (lipidy):

Są to związki, które powstają w reakcji alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych. Na przykład glicerolu z kwasem palmitynowym czy stearynowym.
Choć jest to duża i zróżnicowana grupa ich wspólną cechą jest to, iż nie rozpuszczają się w wodzie.

Klasyfikacja tłuszczowców:

• tłuszcze proste (trójglicerydy, tłuszcze właściwe) - z alkoholem łączą się trzy kwasy tłuszczowe, wszystkie takie same lub każdy inny; zaliczamy tu także woski np.: wosk pszczeli.
• tłuszcze złożone - z alkoholem łączą się dwa kwasy tłuszczowe oraz coś innego, inna cząsteczka:
  
  
  • kwas fosforowy - tworzy się wtedy fosfolipid (występuje w błonach komórkowych)
  
  

  	schemat budowy tłuszczu prostego

  	schemat budowy tłuszczu złożonego

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
• cukier - powstaje glikolipid (też spotkamy go w błonach komórkowych).
• pochodne tłuszczów - o dość skomplikowanej budowie np.: hormony płciowe (testosteron - hormon męski, estradiol - hormon żeński)

Tłuszcze mogą występować w postaci stałej: łój, wosk roślinny, wosk zwierzęcy (pszczeli, kaszalota tzw. olbrot, z wełny owczej tzw. lanolina) albo w postaci ciekłej: tran, oleje roślinne.

Funkcje tłuszczy:

• zapasowa - magazynowane są u roślin w nasionach (słonecznika, soi, rzepaku), owocach i korzeniach a także u zwierząt np. zapadających w sen zimowy (suseł, niedźwiedź, borsuk); tłuszcze gromadzone są w cytoplazmie komórek, u zwierząt jest to tkanka podskórna;
• ochronna - tłuszcze chronią organizmy przed:
  
  
  • niskimi temperaturami u ssaków morskich jak foka, wieloryb czy mors,
  • nadmierną utratą wody jak woski pokrywające liście i owoce wielu roślin,
  • urazami mechanicznymi jak warstwa tkanki tłuszczowej chroniąca gałkę oczną, nerki i inne narządy jamy brzusznej;
• budulcowa - budują błony biologiczne;
• energetyczna - spalone służą do uzyskania w komórce energii.

6. Kwasy nukleinowe. Porównanie budowy DNA i RNA:

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.

Kwasy nukleinowe są polimerami. Monomerem kwasów nukleinowych jest nukleotyd, czyli budowę kwasów nukleinowych możemy zapisać:

kwas nukleinowy = n (nukleotyd)

Każdy nukleotyd jest zbudowany z trzech elementów:

• jednej z zasad azotowych - adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C), tyminy (T) lub uracylu (U);
• cukru pentozy - rybozy (R) lub deoksyrybozy (D);
• reszty kwasu fosforowego (P).

Znamy dwa typy kwasów nukleinowych: kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). Różnią się one budową i funkcją.

	schematy budowy DNA i RNA

Kwasy nukleinowe powstają w komórkach zawsze na matrycy innego kwasu nukleinowego. Zwykle DNA powstaje na wzór już istniejącego DNA (replikacja, = powielenie), rzadko DNA powstaje na matrycy RNA (tak dzieje się w czasie inwazji pewnych wirusów np. HIV do komórek, których informacja genetyczna wystepuje w postaci DNA), natomiast RNA powstaje na matrycy fragmentu DNA (transkrypcja, = przepisanie).

W 1953r. James D. Watson i Francis H. Crick otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie spiralnej struktury DNA.