Клетката основна единица на живота



страница2/5
Дата17.12.2017
Размер0.71 Mb.
1   2   3   4   5

Буферите са смеси от слаби киселини и техните конюгирани бази (или, което е равнозначно, смеси от слаби бази и техните конюгиране киселини). Те имат способността да се съпротивляват на промяната на рН при прибавяне или отстраняване на протони от водните им разтвори (т.е. прибавяне към тях на киселини или основи). Биологична роля в организма имат:
- бикарбонатният буфер (HCO3 / H2CO3),
- неорганичният ортофосфатен буфер (H2PO4 / HPO4),
- вътреклетъчните белтъци.

Интервалът на буферния капацитет е обикновено между 1 рН единица под и 1 рН единица над pKa 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. pKa 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 рКa 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 pKa 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


лабораторно. Освен това са синтезирани по лабораторен път и много органични
съединения, които не са присъщи на живите организми. Затова съвременната
дефиниция на органичните съединения е следната: те са съединения на въглерода.
Изключения правят въглеродните оксиди и техните производни (киселини и соли),
които се приемат за неорганични съединения.

Органичната химия е въвела добре мотивирана и стройна класификация на


огромния брой органични съединения. Тя се основава на техните структурни
особености и на наличието на различни функционални групи. Биохимията възприема
напълно тази класификация. Но за по-задълбоченото вникване в биохимичните
процеси е много удобно подразделянето на всички органични съединения на две
основни групи - основни и производни органични структури.

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


“забранено” да постъпват от околната среда производни органични структури, т.е. молекули, които биха могли да се подложат на хидролиза или фосфоролиза. Ако
такива се намират в околната на клетките среда (например хранителната среда) ,
те предварително се хидролизират до съставящите ги “основни структури”, процес
известен като (храно)смилане, и едва след това се усвояват (резорбират). Смилането може да се извърши извънклетъчно или вътреклетъчно, като
веществата след процеса, наречен ендоцитоза, се поемат в клетката в така
наречените (храно)смилателни вакуоли, на които може да се гледа (макар и включени
в клетката) все още като на извънклетъчна среда. В тях производните структури се
хидролизират до своите съставки. Ендогенни производни структури с по-ниски молекулни маси (олигомери) или с по-високи молекулни маси (полимери) се синтезират в биосинтетичните (анаболитни) пътища. Производните структури или
изграждат биомасата на организмите, или се съхраняват като запасни хранителни
вещества (хранителни резерви). Някои от тях изпълняват по-специфични биохимични
задачи. При противоположните метаболитни процеси, наречени катаболитни, производните
структури се разграждат до основни структури, които по-нататък се разпадат,
предимно окислително, с основна цел - освобождаване на енергия, необходима за
поддържане на жизнените процеси.

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


органичната химия. В по-големи количества и с по-голямо значение са, обаче, три
типа: карбоксилови киселини, монозахариди (захари) и -аминокиселини.

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


окислена до карбоксилова. Те се наричат “онови” киселини (напр. глюконова
киселина - виж фиг. 1-5) и заемат съществено място в метаболитните процеси.




Фиг. 1-5. Глюконова киселина - пример за "онови" киселини,
производни на монозахариди.

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


предимно на растителните организми.



Фиг. 1-6. Пример за ароматни карбоксилови киселини.

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


(със седем) атоми (фиг. 1-7). Най-застъпени в природата са пентозите и хексозите.




Фиг. 1-7. Пример за монозахариди с три, четири, пет, шест и седем въглеродни атоми, представени с проекциите на Fischer.
Познати са и различни производни на монозахаридите: аминозахари (фиг.
1-8), при които една от хидроксилните групи (най-често тази на второ място) е
заместена с аминогрупа; дезоксизахари, при които една от хидроксилните
групи липсва (напр. дезоксирибоза), карбоксилни производни, при които
най-отдалечената от карбонилната група хидроксилна група е окислена до карбоксилова
(уронови киселини).




Фиг. 1-8. Примери за аминозахари (глюкозамин), дезоксизахари (дезоксирибоза) и уронови киселини (глюкуронова киселина).

Познати са и монози с хидроксилна група, естерифицирана със сярна


киселина (сулфатирана). Те, обаче, се третират като
производни структури и обикновено се намират в състава на олиго- и полизахариди.

Изомерни форми

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


название на асиметричен въглероден атом е “хирален атом", респ. “хирален
център” (от гръцки “хеир” - ръка, длан). Съединения, които имат еднаква стуктурна формула, но различна пространствена конфигурация, се означават като стереоизомери.

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


атом. С малки изключения всички природни монозахариди са от
D-серия. Всички монозахариди от D серия се срещат в природата, но
най-застъпени са: еритроза (алдотетроза), рибоза и дезоксирибоза (алдопентози),
ксилулоза и рибулоза (оксопентози), глюкоза, галактоза, маноза и гулоза (алдохексози),
фруктоза (оксохексоза), седохептулоза (оксохептоза).


Оптична активност

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 (-).


Няма обаче ясна зависимост между структурата на молекулата и посоката на въртене. Така че дадено съединение може да бъде D(+), D(-), L(+) или L(-). Смес от равни количества от D и L форми няма оптична активност, тъй като активностите на двата изомера се неутрализират. Такава смес се нарича рацемична. Обикновено ензимите различават и действат само на единия от двата изомера.

Полуацетални и полукетални форми

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


преминава към карбонилната група.Така се получават полуацетални и полукетални производни с циклична пръстенна структура (фиг. 1-10).




Фиг. 1-9. Възможности за получаване на полуацетали и полукетали.

Пръстените биват шест атомни (пет


въглеродни и един кислороден хетероатом) или пет атомни (четири
въглеродни и един кислороден хетероатом). Първите се наричат “пиранозни”
(от структурата на хетеропръстенното съединение пиран), а другите се наричат “фуранозни”
(от структурата на хетеропръстенното съединение “фуран”). Така например
D-глюкозата в разтвор е над 99% под форма на D-глюкопираноза, а при фруктозата преобладава D-фруктофуранозната форма.




Фиг. 1-10. Примери за полуацетални и полукетални форми на хексози, представени в горния ред като Фишерови, а в долния ред като Хейуъртови проекции. Дадени са и пръстенните структури на пиран и фуран.

В действителност атомите


(въглеродни и кислороден), които образуват пиранозните или фуранозни структури
на захарите не лежат напълно в една плоскост. При шестатомния пиранозен пръстен
са възможни две пространствени конфигурации на пръстена, обозначени като “вана”
и “стол” (фиг.1-11). Енергетично предпочитаната конфигурация е тази на “стол”.




Фиг. 1-11. Пространствени конфигурации "вана" и "стол" за глюкопираноза.

При циклизирането се създава нов


хирален център и съответно на това два полуацетални изомери.
Новообразуваната полуацетална хидроксилна група при този център се отличава с
по-висока химична реактивност и с по-особени биохимични отнасяния. В бихимията
за нея се предпочита названието гликозидна хидроксилна група. Преминаването на
карбонилната в полуацетална или полукетална форми е обратимо и се извършва спонтанно във воден
разтвор. Обратимото преминаване на монозахаридите
от карбонилна в полуацетална или полукетална форма има голямо значение в биохимията. При някои биохимични реакции монозахаридите се включват със своите карбонилни, а при други
- със своите полуацетатни или полукетални форми. Вместо плоскостните Фишерови проекции (фиг. 1-9) за изписване на цикличните форми на монозахаридите се използват обикновено пространствените структури, известни като Хейуъртови
проекции, или формули. При тях пръстенът се представя като хекса- или
пентагонална форма, която се проектира под известен ъгъл спрямо плоскостта на
екрана (листа). Връзките между въглеродните атоми, които се намират пред тази
плоскост се представят по-удебелени. Хидроксилните групи в D-позиция лежат под
плоскостта на пръстена, а тези в L-позиции - над плоскоста на пръстена. Лежащите извън пръстена въглеродни
атоми, например шестият въглероден атом при D-глюкопиранозата, също се изписват над плоскостта на пръстена.

Алфа и бета аномери

Полуацеталната (гликозидната) хидроксилна


група може да заема две позиции спрямо плоскостта на пръстена. За разлика от
позициите на хидроксилните групи при останалите хирални центрове, които биват D
и L, тези се бележат като “, когато са под плоскостта на пръстена, или като “ “, когато са над плоскостта. Тези две форми, наречени аномери, за разлика от останалите
преминават спонтанно една в друга. Във воден разтвор се установява равновесие
между карбонилната и двете полуацетални форми на захарите. Примери за “ и “  аномери има на фиг. 1-10.

Епимери

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).



Алдо и кето-изомерия
Като примери могат да се посочат глицералдехид и дихидроксиацетон, глюкоза и фруктоза и др., които имат еднакви молекулни формули, но се различават по вида на карбонилната група - алдехидна или кето-група.

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


първият по ред въглероден атом във въглеродния им скелет, обозначен като
-въглероден атом е свързан задължително с една аминна (наричана -аминна) и
една карбоксилна (наричана -карбоксилна) група.

-Аминокиселините притежават задължително (с


изключение на глицина) най-малко един хирален център. Това е -въглеродният
атом. Съобразно с разположението на заместителите при тези атоми всяка -
аминокиселина ще се явява в две изомерни форми - D- и L-. Някои аминокиселини (напр. треонин, изолевцин)
притежават и други хирални центрове.

-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.






1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница