Клетката основна единица на живота

Интервалът на буферния капацитет е обикновено между 1 рН единица под и 1 рН единица над pK_a на спрегнатата двойка. Но буферният капацитет зависи и от концентрациите на спрегнатата киселина и база. Това проличава от сравнение на фосфатния и бикарбонатния буфери в кръвната плазма, където рН е 7,4. pK_a на фосфатния буфер е 6,7. Би могло да се предположи, че този буфер е ефективен. Но концентрацията му е много по-ниска (около 20 пъти) от тази на бикарбонатния буфер, чиято рК_a е 6,1. Ето защо бикарбонатният буфер допринася много повече за буферния капацитет на кръвта. Повечето органични киселини в клетъчната течност нямат голямо значение като буфери, защото техните pK_a са с няколко рН единици под рН на клетката и концентрациите им са твърде ниски в сравнение с фосфатния и бикарбонатния буфери.

При биохимични експерименти се използват нефизиологични буфери, от които най-известни са ТРИС (pK 8,2) и ХЕПЕС (pK 7,6). Сравнително високият буферен капацитет на вътреклетъчната среда и на телесните течности поддържа почти константно рН в тях. Това има много голямо, решаващо значение за нормалното протичане на биохимичните процеси (виж глава "Ензими").

1.4.3. Други неорганични вещества освен водата

Организмите съдържат освен вода и други неорганични съединения. Най-често те се намират в разтворено състояние и при това почти напълно дисоцирани до неорганични йони. Концентрацията на водородните (респ. хидроксилните) йони обуславя рН на средата. В организмите, респ. клетките има тенденция към леко алкална реакция - рН около 7,3 - 7,4. Познати са обаче биологични среди с кисела реакция. При човека това е стомашният сок. Водородните и хидроксилни йони участват в редица биохимични реакции. Концентрацията на водородните йони има значение за активността на ензимите (виж глава "Ензими").

В организмите могат да се открият почти всички известни неорганични йони. Една част от тях е необходимо да се доставят на човека с храната в по-големи количества (над 100 mg ежедневно). Условно се наричат "макроминерали". Други са необходими в количества под 100 mg на ден, прието е да се наричат "микроминерали". Други елементи не са полезни за човека и дори някои от тях имат токсичен ефект. Те попадат в него от околната среда като замърсявания. Опасността от навлизането им в организма нараства с развитие на индустриализацията.

Към макроминералите принадлежат шест елементи: четири метала - натрий, калий, калций и магнезий и два металоиди (неметали) - фосфор и хлор. Те се намират в организма обикновено в разтворено и дисоциирано състояние като катиони или аниони. От катионите в най-големи количества са натриевите и калиевите. Общобиологична тенденция е калиевите йони да се концентрират в клетките, а натриевите - в междуклетъчните пространства. Това движение се извършва срещу концентрационен градиент с разход на енергия и с активното участие на белтъчни преносители, включени в клетъчната мембрана. Калиевите катиони са необходими за нормалното функциониране на нервните и мускулните клетки.

Натриевите катиони играят съществена роля при регулиране на плазмения обем и киселинно-алкалното равнонесие. Имат значение също така за нормалната функция на нервите и мускулите.

Калциевите йони заемат централно място при регулиране на нервната и мускулна дейност. Голяма част от калция в организма на гръбначните (човека) се намира като "утайка" в състава на костите и зъбите, заедно с магнезий и други неорганични съединения.

Магнезият заедно с калция изграждат основно костното вещество. Калциевите и особено магнезиевите йони са много съществени за действието на много ензими, най-вече като кофактори, а в някои случаи и като активатори (виж глава "Ензими").

От неметалите като макроминерали се приемат хлорът и фосфорът. Хлоридните аниони играят съществена роля заедно с натриевите при формиране на осмотичното налягане на телесните течности и при електролитния и воден баланс в организма. Обменят се с бикарбонатните йони при еритроцитите и така участват в транспорта на въглеродния диоксид. Стомашният сок съдържа голямо количество хлоридни йони.

Фосфорът се намира в по-голямата си част като фосфатни аниони, свързан с органични съединения: нуклеотиди, фосфорилирани захари, фосфолипиди и др. Свободни йони на фосфорната киселина (първични и вторични фосфати) формират една от съществените буферни системи на организма. Фосфати участват заедно с калция като съществени компоненти на неорганичната съставка на костите и зъбите. За ролята на фосфатите в биоенергетиката виж в глава "Биоенергетика".

Към микроминералите в човешкия организъм могат да се посочат: желязо, манган, мед, кобалт, цинк, селен, хром, молибден (катиони) и йод и флуор (аниони).

Желязото, включено в порфиринов пръстен, е съставка на хемоглобина и на голям брой ензими. Всъщност организмът съдържа количества желязо, сравними с тези на макроминералите. Но се третира като микроминерал, защото организмът го пести и хранителните изисквания за желязо са твърде малки.

Хромът е компонент на ниско-молекулен белтък, наречен хромодулин или "глюкозо-толерансен фактор", който усилва ефекта на инсулина, вероятно улеснявайки свързването на инсулин към специфичните за него рецептори. Кобалтът действа само включен в състава на витамин В₁₂ като кофактор на някои съществени ензимни реакции. Медта действа главно като кофактор на някои оксидази, от които най-съществени са цитохром c оксидазата и цитозолната супероксиддисмутаза. Влияе при резорбцията на желязото. Манганът е кофактор на пируват карбоксилаза и други ензими. Митохондрийната супероксиддисмутаза изисква манган. Молибденът е известен като кофактор на ксантин оксидазата, а селенът - на глутатион пероксидазата. Цинкът е също така кофактор на редица ензими, например карбоанхидраза, лактат дехидрогеназа и др.

Биологичната роля на йода се свързва с участието му в структурата на хормоните на щитовидната жлеза: тироксин и трийодтиронин. Флуорът има голямо значение за поддържане устойчивостта на костите и на зъбите. Доказана е ролята му при предпазване на зъбите от кариес. Сулфатни йони се намират свързани с органични молекули, най-вече хетерозахариди като естерифицират техни хидроксилни групи; явяват се и като крайни продукти при изнасяне на органично свързаната сяра от организма.

Микроминералите с изключение на желязото се съдържат в малки количества в организмите, вкл. и в човека и затова се наричат микро(олиго) елементи.

1.4.4. Органични съединения

Първоначално под понятието "органични съединения" се е
подразбирало вещества, които не само се съдържат, но се и синтезират
изключително в живите организми. От там произлиза и терминът “органични”. След
смъртта на организмите тези съединения се подлагат на различни химични промени
(предимно окислителни), докато накрая се превърнат в неорганични молекули,
процес известен като минерализиране на живата материя.

Органични съединения могат да се синтезират и

Органичната химия е въвела добре мотивирана и стройна класификация на

1.4.5. Основни и производни органични структури - определение

Основни структури притежават тези органични съединения, които не подлежат на
хидролиза, т.е. не притежават ковалентни връзки, които се разкъсват чрез
внасяне на вода - хидролиза. Макар и по-рядко в организмите
тези връзки могат да се разкъсват и чрез внасяне на фосфорна
киселина, процес известен като фосфоролиза.

Основанията да се въведе такова подразделение са следните: В клетките е

1.4.6. Видове основни органични структури

Основни органични структури се намират в сравнително малки
количества в организмите. Причината е, че те или се
разграждат много бързо в катаболитните вериги, или изграждат по-сложни
производни структури. Техният полуживот в организмите по принцип е твърде
кратък.

В живата материя се срещат основни структури от всички типове, познати на

1.4.6.1. Карбоксилови киселини

Обикновено това са алифатни монокарбоксилови киселини. Те са един от двата (наред с монозахаридите) основни източници на енергия за организмите. Голямо значение имат и като
съставки на сложните (комплексни) липиди: триацилглицероли, фосфолипиди,
холестеролови естери и др. Мастните киселини са предимно с четен брой
въглеродни атоми, и то най-вече такива с по-голям брой от 14 въглеродни атоми,
наречени висши мастни киселини. От киселините с нечетен брой въглеродни атоми в
природата са познати: мравчената, пропионовата, валериановата и пеларгоновата.
В табл. 1-1 са представени по-съществените от биохимична гледна точка
монокарбоксилови алифатни киселини.

Табл. 1-1. Някои природни наситени монокарбоксилови мастни киселини.



Някои от монокарбоксиловите киселини съдържат двойни връзки - ненаситени
мастни киселини. По-съществените от тях са представени на табл.1- 2. Наричат се
общо “енови” киселини: моноенови с една, диенови с две, триенови с три,
тетраенови с четири и т.н. двойни връзки.

Табл. 1-2. Някои природни ненаситени монокарбоксилови мастни киселини.



В природата се срещат алифатни карбоксилови киселини, които съдържат и други
функционални групи (виж фиг. 1-3). С хидроксилна група са напр. млечна, ябълчна киселина и др. Други съдържат карбонилна (оксо, респ. кето-група и алдехидна група). С оксо-група са напр. пирогроздена киселина, -кетоглутарова киселина, оксалоцетна киселина; с алдехидна група - напр. полуалдехид на -кетоглутарова киселина). Съществена роля играят киселини с две и повече карбоксилови групи. С две групи са напр. янтърна киселина,-кетоглутарова киселина, оксалоцетна киселина, ябълчна и др.; с три карбоксилови групи и една хидроксилна е напр. лимонена киселина.



Фиг. 1-3. Примери за алифатни карбоксилови киселини с допълнителни
функционални групи.
При оксо-киселините (напр. пирогроздена ) се наблюдава кето-енолна
изомерия (тавтомерия (фиг. 1-4 ).



Фиг. 1-4. Кето-енолна тавтомерия при пирогроздена киселина. Вляво е кето-формата, а вдясно - енолната форма.

Някои киселини са производни на монозахариди, при които алдехидната група е

Макар и по-рядко се срещат и ароматни карбоксилови киселини като бензоена, салицилова и канелена (фиг. 1-6), р-кумарова и др. Те са присъщи

Поради голямото значение на карбоксилови киселини с амино-группи, и особено -аминокарбоксиловите киселини, те ще бъдат разгледани отделно в т. 1.4.6.3.

1.4.6.2. Монозахариди (монози, захари)

Те са полихидроксимоноалдехиди и полихидроксимонокетони. Това е голяма група съединения от много съществено значение за процесите в биосферата. Според броя на въглеродните си атоми биват триози (с три), тетрози (с четири), пентози (с пет), хексози (с шест), хептози

Познати са и монози с хидроксилна група, естерифицирана със сярна

Монозахаридите съдържат асиметрични въглеродни атоми и показват оптична изомерия. Асиметричен въглероден атом е този, при който четирите му валенции са наситени с различни други групи. Съвременното

Глицералдехидът и дихидроксиацетонът се разглеждат като най-нискомолекулни алдоза, респ. кетоза с биологично значение. Дихидроксиацетонът не притежава хирален център, а глицералдехидът има един хирален център и следователно две изомерни (енантиомерни) форми: D- и L-глицералдехид (фиг. 1-7), отнасящи се като огледални образи.

(Наред с означенията D и L, използват се и означенията R (rectus, десен) и S (sinister, ляв) съгласно системата на Cahn-Ingold-Prelog).

Монозахаридите с повече от три въглеродни атома (триози)
имат повече от един хирален център. Броят на възможните изомери на дадено съединение е равен на 2ⁿ, където n e брой на асиметричните атоми. Прието е тези изомери да се подреждат в две серии - D и L. При алдохексозите има четири хирални центра. Следователно при тях броят на възможните изомери е 16 (осем в D-серия и осем в L-серия). Кетохексозите притежават три хирални въглеродни атома и при тях броят на изомерите е осем.

От D-серия са хексозите, при които конфигурацията на петия С атом (последният асиметричен С атом) е както при D-глицералдехида, от L-серия са хексозите, при които конфигурацията на петия С атом е както при L-глицералдехида. Т.е. водеща за определяне вида на един монозахарид се приема хиралността (асиметрията) при най-отдалечения от карбонилната група въглероден

Енантиомерите, които са неразличими физически и химически, се отнасят различно, когато когато лъч на плоско-поларизована светлина се пропусне през разтвор на оптично активен изомер. Наличието на асиметрични атоми обуславя свойството оптична активност - способност да въртят равнината на поляризована светлина. Посоката и ъгълът на въртене се измерват с уред, наречен полярометър. Изомерите могат да бъдат дясновъртящи (+) или лявовъртящи (-).

Известно е, че алкохоли могат да реагират с алдехиди и кетони, при което се получават съответно хемиацетали и хемикетали, както е показано на фиг. 1-9. По подобен начин в монозахаридите с повече от четири въглеродни атома хидроксилни групи могат да реагират с алдехидни групи (или кето-групи). Водороден атом от една от хидроксилните групи

Пръстените биват шест атомни (пет

В действителност атомите

При циклизирането се създава нов

Полуацеталната (гликозидната) хидроксилна

Това са изомери, които се различават по конфигурацията на хидроксилната група и водородния атом при втория или третия, или четвъртия С атоми на глюкоза. С най-голямо биологично значение са епимерите на глюкоза - галактоза и маноза (виж фиг. 1-7).

Захарите са най-предпочитаният от организмите материал за окислително разграждане, свързано с получаване на енергия в използваема форма. Фосфорилирани производни на монозахаридите участват във важни метаболитни пътища като гликолиза и пентозофосфатен път. Пентозите участват в образуване на нуклеозиди, нуклеотиди, нуклеинови киселини и важни коензими.

1.4.6.3. -Аминокарбоксилови киселини

Това са съединения, при които

-Аминокиселините притежават задължително (с

-Аминокиселините имат голямо биологично значение. Много от тях изпълняват самостоятелни биологични функции в метаболизма. Но най-същественото значение е, че двадесет -аминокиселини от L-стеричен ред са градивни единици (мономери) на белтъците във висшите организми, вкл. човек. Техните формули са представени на фиг. 1-12, а по-подробно са разгледани в точки 2.1.3 - 2.1.6.