CHEMICZNY SKŁAD ORGANIZMÓW

Transkrypt

1 Rozdział CHEMICZNY SKŁAD ORGANIZMÓW Ogólny skład chemiczny. Według nowoczesnych danych biomasa jednocześnie żyjących na Ziemi organizmów (a jest ich ok. 2 mln gatunków) stanowi, ,4 0 2 t w przeliczeniu na masę suchą, przy tym corocznie produkują one ok. 0 t suchej substancji. W organizmach, które stanowią biomasę Ziemi, odkryto ponad 60 pierwiastków chemicznych. W skład każdego organizmu, niezależnie od przynależności do tego czy innego gatunku i poziomu organizacji, wchodzą następujące pierwiastki: C, N, H, O, S, P, Na, K, Ca, Mg, Zn, Cu, Co, Mo, B, V, I oraz Cl. Pierwszym sześciu przypisuje się ważną rolę w biosyntezach, z nich zbudowane są związki tworzące podstawę żywej materii białka, kwasy nukleinowe, węglowodany, lipidy itp.; 0 następnych nazwanych jest metalami życia są one bardzo istotne w podtrzymywaniu struktur i funkcjonalnej aktywności biopolimerów; bor i wanad są bardzo ważne dla roślin i zwierząt, a chlor jest najbardziej rozpowszechnionym anionem. Pozostałe pierwiastki odkryte w biomasie nie są spotykane w żywej przyrodzie tak często, a ich biologiczne znaczenie nie zostało jeszcze w większości przypadków wyjaśnione. Ze względu na zawartość pierwiastków w żywych organizmach można je podzielić na trzy kategorie: makroelementy, których stężenie przekracza 0.00% (O, C, H, Ca, N, P, S, Mg, Na, Cl, Fe), mikroelementy, których ilość waha się w granicach od 0,00 do 0,00000% (Mn, Zn, Cu, B, Mo, Co i wiele innych), i ultramikroelementy, ich skład nie przekracza % (Hg, Au, Ra i in.). Większość biomasy stanowią makroelementy: O, C, H, N oraz Ca, a wśród nich tylko O oraz Ca są szeroko rozpowszechnione w skorupie ziemskiej. Większość pierwiastków, które istnieją w litosferze w znacznej ilości (Si, Al, Fe, i in.), w świecie organicznym spotyka się w nieporównywalnie niskich stężeniach. Analogiczna sytuacja obserwowana jest, gdy porówna się zawartość różnych pierwiastków w hydrosferze oraz organizmach żywych ją zamieszkujących, chociaż jakościowo skład pierwszej i drugiej jest prawie jednakowy. Można powiedzieć, że bezpośredniej zależności pomiędzy rozpowszechnieniem pierwiastków chemicznych w nieorganicznej i organicznej materii nie ma, ale to nie oznacza, że nie istnieją między nimi żadne związki. Ustalono bezprzecznie, że między organizmem a środowiskiem istnieje wzajemna zależność. Na przykład, te pierwiastki, które łatwo tworzą rozpuszczalne i gazowe związki tworzą podstawową masę biosfery (C, N, P, S), chociaż ich ilość w skorupie ziemskiej jest stosunkowo niewielka.

2 4 Podstawy biochemii Pierwiastki, które nie tworzą związków rozpuszczalnych w wodzie rozpowszechnione są w materii nieorganicznej, a w składzie organizmów spotykane są w niewielkich ilościach (Si, Fe, Al). To znaczy, że dostępność pierwiastków w biosferze odgrywa ważną rolę w budowie żywego organizmu. Ustalono pewną zależność między biologiczną rolą pierwiastków a ich miejscem w układzie okresowym pierwiastków. Świat organiczny zbudowany jest głównie z lekkich pierwiastków. W większości przypadków przejściu od lekkich do ciężkich pierwiastków w ramach jednej i tej samej grupy towarzyszy wzrost toksyczności i jednocześnie zmniejsza się ich ilość w biomasie (Zn, Cd, Hg ). Pierwiastki niektórych podgrup wzajemnie zamieniają się w biologicznych obiektach (Ca, Sr, Ba). Funkcjonalne znaczenie pierwiastków jednego szeregu podgrup jest swoiste, np. pierwiastki ósmej podgrupy (Fe, Co, Ni) są składnikami enzymów katalizujących reakcje utleniania redukcji. W ostatnim czasie badania nad biologiczną rolą Se, F, Si, Sn, As, Cr, Pb, W i innych pierwiastków zyskały na aktywności. Przypuszcza się, że pierwiastki H, O, C, N i P stanowią razem ok. 99% masy żywej materii, a posiadany przez nie zbiór specjalnych właściwości sprawia, że odgrywają ważną rolę w istnieniu życia. Pierwsza właściwość polega na zdolności tworzenia wiązań wielokrotnych. Z tego powodu np. pierwiastek C wyprzedza Si, gdyż posiada zdolności do tworzenia ogromnej liczby związków o unikalnych cechach. Kolejną właściwością tych pierwiastków jest ich budowa: atomy posiadające małe rozmiary tworzą molekuły z minimalnymi odległościami między atomami. Molekuły te są bardziej odporne na działanie różnych związków. Trzecia właściwość, dotycząca pierwiastków P i S oraz w niewielkim stopniu N, sprowadza się do tworzenia nielicznych specyficznych związków, przy rozszczepieniu których wydziela się powiększona ilość energii wykorzystywanej do procesów życiowych. Wiele makro- i mikropierwiastków, tworzących żywą materię, obecnych jest w niej w postaci różnorodnych związków chemicznych. Woda stanowi ok. 75% biomasy, chociaż jej zawartość w organizmach różnych gatunków waha się (40-60% rośliny drzewiaste, do 99% meduza). Odgrywa ona ogromną rolę w tworzeniu warunków do funkcjonowania organizmów. Środowisko, które tworzy sprawia, że przebiegają w nim procesy fizyko-chemiczne, zapewniające stałe odnawianie się materii żywej. Woda bierze również udział w reakcjach hydrolizy. Drugą klasą związków pod względem powszechności występującą w obiektach biologicznych są białka. Zakłada się, że średnio sucha masa organizmów zawiera 40-50% białka w świecie roślinnym poniżej, a organizmach żywych powyżej tej średniej. Mikroorganizmy są zazwyczaj bogatsze w białka (niektóre wirusy są prawie czystymi białkami). Reasumując można powiedzieć, że 0% biomasy Ziemi to białka tzn., że jego ilość można oszacować na (0,9-,2)0 2 t. W biochemii dawno już ustalono znaczącą rolę białka w realizacji funkcji życiowych. Białka posiadające szereg specyficznych właściwości stanowią główną część żywych organizmów. Bardzo ważną rolę w pełnieniu życiowych procesów odgrywają kwasy nukleinowe (przekazują one informację o specyficznym odro- 4

3 Rozdział. Chemiczny skład organizmów 5 dzeniu się struktury bardzo ważnych biopolimerów), węglowodany złożone (zabezpieczają kontakty międzykomórkowe), niektóre rodzaje lipidów (są składnikami błon komórkowych). Pozostałe 50% suchej masy organizmów składa się z substancji innych klas. Są to kwasy nukleinowe (ich udział w suchej masie jest dość stały i sięga kilku procent), węglowodany i lipidy (ich zawartość w organizmach znacznie się waha; w świecie roślin dominują węglowodany, natomiast świecie zwierzęcym lipidy) oraz związki mineralne (stanowią średnio ok. 0% suchej biomasy). Oprócz białek, kwasów nukleinowych, węglowodanów, lipidów i związków mineralnych w skład organizmów wchodzą w niewielkich ilościach także węglowodory, alkohole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe, aminokwasy, aminy i wiele innych. W niektórych organizmach zwierzęcych, roślinnych i mikroorganizmach związki te gromadzą się w wielkiej ilości i mogą stanowić cechę systematyczną (np. niektóre aminokwasy). Wiele z wyżej wymienionych posiada właściwości aktywności fizjologicznej i pełni rolę katalizatorów albo inhibitorów procesów życiowych. Występują jako związki biologicznie czynne, choć chemicznie są bardzo różnorodne. Są to witaminy, hormony, substancje zapewniające wzrost organizmów, biostymulatory, antybiotyki i in. Do nich też należą związki przejściowe, powstające podczas tych lub innych reakcji chemicznych w organizmie. Te związki nazywają się metabolitami. Pośród związków które wchodzą w skład organizmów wyróżniono substancje budulcowe i energetyczne. Pierwsze służą materiałem budowlanym podczas kształtowania się wewnątrzkomórkowych struktur, komórek i tkanek. Głównie są to: białka, kwasy nukleinowe, niektóre lipidy i makromolekularne węglowodany. Substancje energetyczne spełniają rolę dostawców energii potrzebnej procesom życiowym, rozkładając przy tym do CO 2 i H 2 O. Do nich należą węglowodany proste, niektóre węglowodany złożone (np. glikogen i skrobia) oraz niektóre grupy lipidów (zwłaszcza tłuszcze). Przeprowadzona klasyfikacja ma umowny charakter, np. wiele bioaktywnych związków w organizmie pełni funkcje plastyczne (niektóre enzymy), jednocześnie w tych warunkach związki plastyczne mogą być wykorzystane jako substancje utleniające, tzn. odgrywają rolę energetyczną. Zdarza się często, że trudno jest znaleźć granicę między metabolitami i bioaktywnymi związkami, ponieważ ostatnie powstają w procesie chemicznych przekształceń tych pierwszych. Do żadnej z tych kategorii nie można odnieść związków, które organizm produkuje dla pełnienia specyficznych funkcji (jady, pigmenty, substancje aromatyczne, alkaloidy i in.). Zbiorcze dane o chemicznych związkach w składzie biomasy Ziemi pokazane zostały na rysunku.. Oceniając skład chemiczny organizmów warto mieć na uwadze, że prawdopodobnie nie wszystkie pierwiastki chemiczne obecne w układach biologicznych są niezbędne do realizacji procesów życiowych. Badania zapotrzebowania zwierząt, roślin i mikroorganizmów na zawartość określonych pierwiastków wykazały, że 5

4 6 Podstawy biochemii absolutnie niezbędne dla wszystkich organizmów są C, H, N, O, P i S. Wszystkie żywe istoty potrzebują: Mg, Na, K, Ca, Fe, Zn, Mn, Cu, Co i Mo. Bardzo ważną rolę odgrywają takie pierwiastki, jak: Cd, Se, Li, B, Cl, Br, I i V. Natomiast rola Al, As, Si, Cr, F, Rb, i W dla funkcjonowania materii organicznej jeszcze nie została zbadana do końca. Ostatnio uwaga badaczy skupiona jest na biologicznej roli m.in. lantanowców oraz na problemie antagonizmu i synergizmu w działaniu mikropierwiastków. Rys... Skład biomasy Ziemi Chemiczny skład tkanki. Przejdziemy do danych, które charakteryzują chemiczny skład żywej materii, tzn. rozpatrzymy skład ważniejszych związków chemicznych w najdrobniejszej jednostce strukturalnej żywych organizmów komórce. Przykładem może tu być najprostszy żywy organizm komórka bakteryjna (tab..). Z danych zawartych w tabeli. wynika, że przy ograniczonej liczbie molekuł DNA i rybosomalnych RNA komórka zawiera kilka tysięcy różnych białek, ok. jeden tysiąc informacyjnych RNA i setki różnorodnych niskomolekularnych związków, które odnoszą się do tych albo innych klas związków organicznych (ostatnia kolumna tabeli). Liczba cząsteczek makromolekularnych związków w komórce bakteryjnej jest stosunkowo niewielka i wyraża się ogólnie w dziesiątkach i setkach tysięcy sztuk, natomiast niskomolekularnych w dziesiątkach milionów, a największa molekuła DNA o masie cząsteczkowej wynoszącej kilka milionów, jest obecna w bakteryjnej komórce w jednym egzemplarzu. Wskazane stosunki ilościowe charakterystyczne są w ogóle dla komórek jakichkolwiek organizmów, chociaż w komórkach wysokozorganizowanych form liczbę makromolekuł określa się w setkach milionów, a nawet miliardów, ogólna liczba molekuł stanowi Szacuje się, że µm 3 protoplazmy zawiera do 40 miliardów molekuł. 6

5 Rozdział. Chemiczny skład organizmów 7 Tabela.. Przybliżony skład chemiczny komórki pałeczki okrężnicy Składnik Zawartość w komórce, % Średnia masa molekularna, dalton* Średnia liczba molekuł w komórce Liczba rodzaju molekuł Woda Nieorganiczne jony Węglowodany i ich prekursory Aminokwasy i ich prekursory Nukleotydy i ich prekursory Lipidy i ich prekursory Inne substancje niskocząsteczkowe: Białka DNA RNA w tym: 6SpRNA 23SpRNA trna mrna 0, * Zgodnie z Międzynarodowym Układem Jednostek SI masa molekularna (M) mierzona jest w jednostkach atomowych masy (j.a.m.); j.a.m kg. W biochemii masa molekularna zwykle podawana jest w daltonach; dalton = j.a.m. Liczne i różnorodne biopolimery, które wchodzą w skład materii żywej w znacznym stopniu realnie istnieją w formie biokompleksów, tzn. połączeń kwasów nukleinowych i białek, polisacharydów i białek, lipidów i białek, polisacharydów i lipidów, różnych białek powiązanych pomiędzy sobą itp. Dzięki tym połączeniom powstają nowe właściwości, które nie są charakterystyczne dla biopolimerów w stanie swobodnym. Dlatego badania struktury i funkcjonalnej aktywności biokompleksów nabierają w nowoczesnej biochemii wielkiego znaczenia. Wyższy poziom nadcząsteczkowej organizacji biopolimerów w komórce posiadają struktury subkomórkowe. Połączenie białek z lipidami daje początek membranie endoplazmatycznej sieci, mitochondrii, lizosomów i innych. Połączenie białek z polisacharydami charakterystyczne jest dla ścianek komórek. Kwasy rybonukleinowe podczas oddziaływań z białkiem tworzą rybonukleoproteinowe cząstki, w tym rybosomy. Połączenie DNA z białkami z niewielką ilością RNA powoduje powstawanie chromatyny i aparatu chromosomowego, a w ostatecznym rozrachunku jądrowego aparatu komórki. Okazuje się, że w jądrach, gdzie jest skoncentrowane prawie całe komórkowe DNA, zachodzi zarówno jego biosynteza, jak i powstawanie wszystkich rodzajów RNA. W mitochondriach odbywają się procesy biochemicznego utleniania, połączonego z tworzeniem ważniejszego związku makroergicznego kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP), dzięki czemu mitochondria są zaliczane do centrów energetycznych komórki. Funkcja lizosomu polega na prowadzeniu procesów destrukcji biopolimerów przy udziale rozmaitych hydrolitycznych enzymów, w które komórka jest bogata. Rybosomy, wg nowoczesnych danych, są to mechanoche- 7

6 8 Podstawy biochemii miczne maszyny molekularnych rozmiarów, zabezpieczające biosyntezę wszystkich białek komórkowych. Membrany endoplazmatycznego retikulum dzielą komórkę na szereg części, zabezpieczając indywidualność procesów chemicznych w komórce, selektywne przenoszenie substancji z jednej części komórki do drugiej, a również przebieg wielu chemicznych reakcji z udziałem enzymów wbudowanych w membranę endoplazmatycznej siatki. Centriole mają wpływ na bardzo ważny proces przemieszczania chromosomów w komórce podczas jej podziału. Prawidłowe połączenie cząstek subkomórkowych jest podstawą czynności życiowych komórki, regulacji wymiany substancji, szybkiej przebudowy komórki na nowe stacjonarne reżymy funkcjonowania. Zabezpiecza ono oszczędnościowy reżym zużycia substancji oraz istotny wzrost wielostopniowych reakcji biochemicznych. Dzięki temu w przyrodzie zachodzą ciągle odnawianie i samoregulacja przemiany materii żywej, ciągły i jeszcze w znacznym stopniu nie poznany proces życiowy. 8