Клетката – основна единица на живота

Клетката - основна единица на живота

1. Цели

Автор Проф. Тодор Николов

Цели на преподавателя:

В тази преговорна глава се прави кратък преглед на изученото в химията и биологията. Затова целите са да се акцентира на значението, видовете, състава и структурната организация на клетките, да се въведе представата за протичащите в тях метаболитни процеси и да се разгледат примери за значението на тези знания за клиниката.

След работа с този раздел студентите ще могат да демонстрират:

А. Знания

1. Да дадат определение и примери за едноклетъчни и многоклетъчни организми и за прокариотни и еукариотни клетки;

2. Да изброят физикохимическите свойства на водата, които я правят "подходяща" вътрешна среда на организмите;

3. Да дефинират какво представлява водородният експонент (рН) и константата на дисоциация на слаби киселини (рКa) съгласно уравнението на Henderson-Hasselbalch;

4. Да дадат определение и примери за буфери с биологично значение;

5. Да изброят макроминералите и микроминералите в организма и посочат значението им;

6. Да дадат определение за органични съединения, основни и производни структури;

7. Да дадат определение за стереоизомери и илюстрират с примери изомерията при монозахариди; да дадат примери за монозахариди с пиранозни и фуранозни пръстени;

8. Да дадат примери за други основни органични структури като алифатни алкохоли, алдехиди, кетони и амини, изопренови производни, ароматни съединения, хетероциклени съединения;

9. Да дадат определение за комплексни органични съединения и биологични макромолекули;

10. Да дадат определение за биологична обмяна и междинна обмяна, за обменни пътища, обменни стъпала и обменни цикли;

11. Да дадат определение за автотрофни и хетеротрофни организми и за анаеробни и аеробни организми;

Б. Разбирания

1. Да обяснят как дисоциират водните молекули и изведат дисоциационната константа и йонното произведение на водата;

2. Да класифицират карбоксиловите киселини;

3. Да класифицират монозахаридите;

4. Да илюстрират с примери и обяснят разликата между алдози и кетози, между a и b-аномери и между епимери;

5. Да обяснят механизмите за получаване на производни органични структури: полимеризация и кондензация;

6. Да обяснят структурата и функциите на клетъчните мембрани и видовете транспорт през тях:

7. Да обяснят структурата и функциите на субклетъчните органели: ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, рибозоми, комплекс на Голджи, лизизоми и пероксизоми, а също и на немебранните цитоплазмени компоненти;

8. Да преценят преимуществата на цикличните процеси;

9. Да обяснят кои фактори и как повлияват регулирането на обменните процеси във времето и пространството;

В. Умения

1. Да представят с формули представители на наситените и ненаситените мастни монокарбоксилови киселини с четен и нечетен брой и техни производни с допълнителни функционални групи: хидроксилна, оксо, алдехидна, карбоксилова; производни на монозахариди (онови киселини) и ароматни карбоксилови киселини;

2. Да представят с формули представители на монозахариди: триози, тетрози, пентози, хексози, хептози и техни производни: аминозахари и дезоксизахари;

3. Да представят с формули двадесетте a-аминокиселини, участващи в състава на белтъците;

4. Да представят с формули представители на алифатни алкохоли, алдехиди, кетони и амини, изопренови производни, ароматни съединения, хетероциклени съединения;

5. Да илюстрират с примери образуването на киселинно-амидна, естерна, гликозидна и киселинно-анхидридна връзка,

6. Да направят характеристика на анаболитните и катаболитните процеси.

1.1. Резюме

Всички съвременни организми от бактерии до човек са изградени от клетки. Клетката е основната и най-малка структурна и функционална единица за биологична активност. Eдноклетъчните организми се състоят само от една клетка. Многоклетъчните организми представляват съобщества от много клетки. Вирусите не притежават типичната клетъчна организация. Те проявяват признаци на живот само когато проникнат в други организми.

Клетките, независимо дали на едно- или многоклетъчни организми, биват два типа: прокариотни и еукариотни. Най-съществената разлика между двата типа клетки е, че прокариотните клетки не притежават морфологично обособено ядро. Между двата типа клетки съществуват и други структурни различия. Най-общо организацията на прокариотните клетки е значително по-проста от тази на еукариотните, което отразява и по-опростен метаболизъм.

Молекулите, които изграждат живата материя биват неорганични и органични. Органичните съединения преобладават, както по видове, така и по количество. Единствено изключение е неорганичното съединение вода, която безспорно представлява далеч по-голяма част от масата на живата материя. Водата притежава редица физикохимични свойства, които я правят "подходяща" за среда на организмите. Водата е много добър разтворител на голям брой неорганични и органични вещества с изключение на липидите. Водните диполи имат склонност да се свързват с неорганични йони и с полярни химични групи, образувайки около тях хидратационни обвивки. Водата участва активно в химичните процеси и е краен продукт на аеробните окислителни процеси в биосферата.

Водата дисоцира в слаба степен до H+ и OH-. Концентрацията на протоните, изразена като pН, определя киселинността на разтвора. Киселина е вещество, което може да освобождава протони, база или основа е вещество, което може да приема протони. Протонната дисоциация на киселините се характеризира с константата
на дисоциация Кa, представяна обикновено като рКa (рКa= - log Ka). Тази константа
отразява относителната сила (реципрочен афинитет към протона) на дадена
група като слаба киселина. Съгласно уравнението на Henderson-Hasselbalch рКa на дадена група е това рН, при което са дисоциирали 50 %
от групата, т.е. концентрацията на спрегнатата база е равна на тази на спрегнатата
киселина.

Буферите са смеси от слаби киселини и техните спрегнати (конюгирани) бази. Те имат способността да се съпротивляват на промяната на рН при прибавяне или отстраняване на протони от водните им разтвори. Най-голям е буферният капацитет в рН интервала около рКa.

Организмите съдържат голям брой неорганични вещества - макроелементи (натрий, калий, калций и магнезий, фосфор и хлор) и микроелементи: катиони (желязо, манган, мед, кобалт, цинк, селен, хром, молибден) и аниони (йод и флуор).

Въглерод, кислород, водород и азот са главните съставки на повечето биомолекули.

Органичните съединения се делят на две основни групи - основни и производни органични структури. Основни структури притежават тези органични съединения, които не подлежат на хидролиза. Производни органични структури, т.е. молекули, са тези, които биха могли да се подложат на хидролиза. Разгледани са карбоксилови киселини, монозахариди, аминокарбоксилови киселини и други органични структури, без претенции за изчерпателност, но от гледна точка на значението им за организма, както и възможностите за свързване между тях чрез ковалентни връзки или нековалентни взаимодействия.

Петте главни биологични макромолекули са ДНК, РНК, белтъци, полизахариди и липиди. Една част от тях са хомобиополимери (изградени чрез свързването на еднотипни, в някои случаи идентични основни структури). Когато градивните единици при полимерите са еднотипни, но не идентични, се говори за хетебиорополимери.

Биополимерите със своята склонност към конюгиране и агрегиране играят централна роля при създаване на закономерна и стройна вътреклетъчна организация. Описани са накратко от гледна точка на тяхната биологична функция клетъчните органели и други субклетъчни компоненти: мембрани, ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи, лизозоми, пероксизоми. Рибозомите, цитоскелетът и цитозолът са други важни компоненти, които могат да се изолират като субклетъчни фракции. Чрез координираните функции на тези субклетъчни органели се осъществява дейността на клетките в човешкия организъм.

Организмът поема от околната среда вещества и енергия, които преобразува за свои нужди, но също така връща в нея преработени продукти и енергия. Именно това взаимодействие на организма със средата се нарича биологична обмяна. Попаднали в организма, хранителните вещества се подлагат на най-разнообразни химични превръщания, съвкупността от които се нарича междинна обмяна. Превръщането на хранителните вещества в собствени, характерни за организма биополимери и в необходими за функционирането му активни съединения обхваща част от обменните процеси, наречени анаболитни. Едновременно с анаболитните процеси в организмите се извършват непрекъснато процеси на разграждане на биополимерите и хранителните вещества до по-нискомолекулни съединения. Тези процеси обхващат втората страна от обмяната на веществата и се наричат катаболитни. Освободената при тях енергия се използва за нуждите на организма - за провеждане на ендергоничните синтези, за извършване на друг вид работа и т.н. Следователно най-общо катаболитните процеси са необходимо допълнение на анаболитните процеси. Анаболитните и катаболитните процеси, асимилационните и дисимилационните процеси са противоположни, но свързани неразривно едни с други.

Както анаболитните, така и катаболитните процеси са вериги от химични реакции - свързани една с друга, следващи една след друга. Тези вериги се наричат обменни пътища, а отделните реакции в обменните пътища - обменни стъпала. Стъпалата в обменните пътища се катализират от ензими. Друга характерна особеност на обмяната на веществата е наличието на кръгови процеси, или т. нар. обменни цикли. Цикличните процеси позволяват посредством малки количества междинни метаболити или кофактори да се преработва голямо количество вещество; те са израз на тенденцията в организмите към пестене на средства.

Обменните пътища са разположени не само във времето, но и в пространството. Сложната структура на еукариотната клетка позволява едновременното осъществяване на огромен брой реакции и функции. Клетките на многоклетъчните организми взаимодействат и помежду си, влияят си и участват в поддържане на клетъчния и тъканен баланс и така осигуряват добро състояние на целия организъм. За тази цел метаболитните пътища са строго регулирани и сложно координирани.

Според типа на обмяната организмите се делят на автотрофни и хетеротрофни. Автотрофните организми използват като източници за своите биологични синтези неорганични съединения, които получават от околната среда, т.е. те се "хранят" с неорганични вещества. Хетеротрофните организми се "хранят" с органична материя. Освен на автотрофни и хетеротрофни обменните процеси се разделят на други две големи групи - аеробни и анаеробни. Аеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват за сметка на атмосферен кислород. Аеробните организми дишат - т.е. приемат непрекъснато кислород от атмосферата. Анаеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват в отсъствие на кислород.

Познаване структурата, функциите и метаболизма на клетките в нормален здрав организъм е необходима предпоставка за разбиране отклоненията, които са в основата на много болести. Предложени са три примери (митохондрийни болести, апоптоза, подагра), за да се демонстрира значението на знанията върху клетъчната структура, функции и регулационни механизми за медицината.

1.2. Едноклетъчни и многоклетъчни организми

Клетката е най-малката структурна и функционална единица на живота. Тя е в основата на всички съвременни организми от бактерии до човек. Много от организмите се състоят само от една клетка. Това са едноклетъчните организми. Други представляват съобщества от много клетки. Това са многоклетъчните организми. Човешкият организъм се състои от около 100 трилиона клетки. Пространствата между клетките на многоклетъчните организми съдържат вещество, наречено междуклетъчен или интерстициален матрикс. Компонентите на интерстициалния матрикс се синтезират в клетките и излъчват от тях. Извън клетките те могат да претърпят малки биохимични промени.

Най-старите организми са били едноклетъчни и се предполага, че са били и хипертермофилни, т.е. извършвали са жизнените си функции при твърде високи температури, каквито са били температурите на земната повърхност по време на появата на живота. И понастоящем на Земята обитават едноклетъчни организми, включително и термофилни. Повечето от тях са бактерии.

На Земята обитават и организми, които не притежават типичната клетъчна организация. Това са вирусите. Те проявяват признаци на живот само при известни условия, от които най-същественото е да проникнат в други организми - както едноклетъчни, така и многоклетъчни. Предполага се, че вирусите са възникнали в по-късни пероди от развитието на живота на Земята, като изява на максимално развит паразитизъм.

1.3. Прокариотни и еукариотни клетки
По своята организация и морфология клетките, независимо дали на едно- или многоклетъчни организми, биват два типа: прокариотни и еукариотни. Най-съществената разлика между двата типа клетки е, че прокариотните клетки не притежават морфологично обособено ядро. Между двата типа клетки съществуват и други структурни различия. Най-общо организацията на прокариотните клетки е значително по-проста от тази на еукариотните, което отразява и по-опростен метаболизъм. Протоплазмата на прокариотните клетки е най-общо казано недиференцирана, докато еукариотните клетки съдържат в протоплазмата си различни цитоплазмени структури, повечето от които са отделени от цитозола с мембрани. Това създава при еукариотните клетки така наречената компартментализация. И двата типа клетки са отделени от околната среда с клетъчна мембрана. Прокариотните клетки, и някои еукариотни клетки обаче, притежават и клетъчна стена, която обгражда мембраната им от вън и ги предпазва от разнообразни неблагоприятни влияния на средата и най-вече от промени в осмотичното налягане. Това се отнася предимно до едноклетъчните прокариоти и еукариоти.
Много по-голяма част от едноклетъчните организми са прокариоти. Такива са архибактериите и бактериите. Прокариотните организми са еволютивно по-стари от еукариотните. По-подробното устройство на еукариотната животинска клетка ще бъде разгледано в т. 1.5.

1.4. Химичен състав на клетката
Живата материя е изградена от огромно количество различни видове молекули. Те формират веществото на клетката, а при многоклетъчните организми - и интерстициалния матрикс. Всъщност живата материя представлява съвкупност от огромно количество различни видове молекули.
Молекулите, които изграждат живата материя биват неорганични и органични. Органичните съединения преобладават, както по видове, така и по количество. Единствено изключение е неорганичното съединение вода, която безспорно представлява далеч по-голяма част от масата на живата материя.

1.4.1. Вода и нейното значение

Живата материя се е зародила във водна среда (първичния океан) и затова водата е основна съставка на организмите. Някои организми, например медузите, съдържат над 99% вода. Възрастният човек съдържа около 60% вода, докато новородените - около 70%. През ранните стадии на ембрионалното развитие водното съдържание достига до 97%.

При многоклетъчните организми, вкл. човека, водата се намира в клетките, в междуклетъчните пространства и в телесните течности (кръвна плазма, лимфа). Около две трети от водата при човека се намира вътреклетъчно. Около една четвърт от останалата една трета вода се намира в кръвната плазма, а останалите три четвърти в междуклетъчните пространства и лимфата. Някои органи при човека са "по-водни", напр. бъбреци, мускули, а други съдържат по-малко вода. Сравнително бедни на вода са костната, хрущялната и мастната тъкани.

Водата притежава редица физикохимически свойства, които я правят "подходяща" вътрешна среда на организмите. Тя има висока топлоемкост - 4,19 kJ/градус/мол, много висока топлина на изпарение и след металите е най-добър проводник на топлината. Тези нейни свойства, съчетани с нейното голямо процентно съдържание в организма правят от водата отлично средство за неутрализиране на значителните количества топлена, отделяни в организма при екзотермични процеси. Водата поглъща отделяната топлина, като при това възможно най-малко повишава температурата си, а след това я излъчва чрез изпарение (пот) или чрез отделяните екскрети (урина). Поради добрата си топлопроводимост водата спомага за поддържане на почти еднаква температура във всички клетки на тялото и не позволява микропрегрявания.

След живака водата има най-високо повърхностно напрежение в сравнение с останалите течности - около 72 дини/cm-1 при 20oC. Повечето вещества, разтворени във водата, понижават повърхностното напрежение, поради което се "стремят" да се натрупат на граничната повърхност вода/друга фаза.

Водата има сравнително нисък вискозитет (1,36 сантипоаза при 0oC), което я прави леко подвижна и с нисък коефициент на триене при преминаване през капилярите. Освен това тя има много висока диелектрична константа (78,54 при 25oC) - по-висока от почти всички други познати течности, което позволява висока степен на дисоциация на разтворените в нея електролити, т.е. възможността им да действат физиологично като йони, а не като цели молекули. Това е от съществено значение за поддържане на сравнително високо осмотично налягане на телесните течности и за протичане на много други биологични процеси. Водата е много добър разтворител на по-голямата част от органичните вещества в организма (хидрофилни молекули). Изключение правят липидите (хидрофобни молекули).

Тези изключително съществени физични константи на водата са свързани със структурата на водната молекула. Молекулата на водата представлява леко "изкривен" тетраедър, в центъра на който е разположен кислородният атом. Двете му връзки с водорода са насочени към два от върховете на тетраедъра, докато несподелените електрони от двата sp3-хибридизирани орбитала заемат двата останали върха (фиг. 1-1). Най-забележително е, че ъгълът между двата водородни атома (105o) е малко по-малък от съответния ъгъл при един правилен тетраедър (109,5o). Тази "дребна" разлика "изкривява" тетраедъра и е причина за повече от особените физико-химични свойства на водата, а оттам и за биологичните и функции.

screen22

Едно от следствията е, че електронният облак около кислородния атом e концентриран в областта, противоположна на водородните атоми. Неекранираните водородни атоми образуват област с леко позитивен товар. Така водната молекула придобива диполен характер. Водните диполи в "течната" вода се отнасят помежду си приблизително така, както във твърдата вода (леда). Те се "стремят" да се свързват една с друга чрез водородни връзки (мостове) - виж фиг. 1-2.

screen23

Разликата е, че при твърдата вода тези връзки са доста трайни, докато при течната вода времето на полу-живот е не повече от една микросекунда (непрекъснато се образуват и разпадат). Затова водата замръзва едва при 0oC. В леда един воден дипол се свързва трайно с четири други, докато в течната вода свързването е статистически с не повече е от 3,5.

Освен помежду си, водните диполи се свързват по подобен начин и с други йони или полярни (електрически натоварени молекули), респ. химични групи (-COO-, NH3+, -S- и др.). Това е причина за сравнително високия вискозитет и повърхностното напрежение на водата, за високата степен на разтворимост на йони и полярни органични молекули. То е причина и за добрата разтворимост и стабилност на такива биополимери като белтъци и нуклеинови киселини. Тяхната пространствена структура (конформация) зависи твърде много от свързването на техни йонизирани групи с водните диполи. Във водна среда техните вериги се нагъват така, че по-голяма част от йонизиращите се групи излизат на повърхността на молекулите им, докато хидрофобните участъци "се заравят" предимно във вътрешността. Това повишава разтворимостта им и допринася за стабилността на тяхната конформация. Поради високото съдържание на хидрофилни белтъци в клетките, в междуклетъчните пространства и в телесните течности, голяма част от водата е свързана чрез водородни връзки с тях. Такива водни диполи са трудно подвижни за разлика от състоянието им в свободната от електролити и заредени групи течна вода. Такава "свързана" вода се нарича хидратационна. Хидратираните биополимери (хидрофилни белтъци) са стуктурно много по-стабилни.

Водата участва активно в химичните процеси и е краен продукт на аеробните окислителни процеси в биосферата, затова човешкият организъм отделя малко повече вода, отколкото приема за 24 часа.

1.4.2. Дисоциация на водата. рН. Буфери

Макар и в много ниска степен водата йонизира до водородни катиони (протони) и хидроксилни аниони. В чиста вода една молекула вода от всеки 1,8.109 се намира статистически в дисоциирано състояние.

screen24

Тази макар и в много слаба степен йонизация на водата има огромно значение за живота на земята. Фактически протоните не съществуват самостоятелно, а се свързват с водородни връзки с водните диполи, образувайки "гроздове" от протонирани водни молекули като H3O+, H5O2+ и т. н.

screen25

За практически цели обаче се приема, че във водата се намират свободни протони.

Дисоциационната константа на водата се намира в основата на измерването на така наречената киселинност на водните разтвори, т.е. концентрацията на водородните катиони в нея. Дисоциационната константа на водата се определя като:

screen26

Количеството на водата в един литър е 55,56 мола и остава (поради ниската степен на дисоциация) практически постоянно. Тогава

screen27

От тук може да се изведе нова константа [H+] [OH-], която се нарича йонно произведение на водата (Kw), равно на 10-14 (mol/L)2.

Много важен извод от това е, че йонното произведение на водата не се изменя от прибавяне на киселини или основи към нея. Прибавянето на киселини повишава концентрацията на H+, но съответно намалява концентрацията на OH-. Обратното става при прибавяне на основа. Йонното произведение на водата свързва тези две концентрации една с друга.

Поради ниските стойности на концентрацията на водородните, респ. хидроксилните йони, Сьоренсен през 1909 г. е въвел понятието водороден експонент (рН). Това е отрицателният логаритъм от концентрацията на водородните йони. В чистата вода тази концентрация, както видяхме, е 10-7 и следователно рН на водата е 7,0. Това определя неутрална среда, в която концентрациите на водородните и хидроксилните йони са равни. Прибавяне на киселина във водата повишава концентрацията на водородните йони и респективно намалява тази на хидроксилните йони; рН става по-ниско от 7 и това определя кисела среда. Обратно, рН над 7 определя алкална среда.

В организма съществена роля играят съединения, които се третират като слаби киселини или основи. В химията понятието киселина кореспондира със състояние, при което съответната й функционална група е протонирана. Така например протонираната -COOH група е кисела и протонираната -NH2 група като -NH3+ е също кисела. Депротонираните групи - COO- и -NH2 се дефинират като конюгирани (свързани) бази на тези киселини.

Протонната дисоциация на киселините се характеризира с константата
на дисоциация Кa (индексът а идва от английското название на киселина -
acid), представяна обикновено като рКa (рКa= - log Ka). Тази константа
отразява относителната сила (реципрочен афинитет към протона) на дадена
група като слаба киселина. Съгласно уравнението на Henderson-Hasselbalch (ур. 1-1) рКa на дадена група е това рН, при което са дисоциирали 50 %
от групата, т.е. концентрацията на спрегнатата база е равна на тази на спрегнатата
киселина (тъй като log1=0):

screen28

Киселинността на тези групи се определя от pK - отрицателният логаритъм на тяхната дисоциационна константа. Колкото стойността на pK е по-ниска, толкова съответното съединение е по-силна киселина и обратно. Така pK на карбоксилната група е при рН между 4 - 5 и това показва, че тя е значително по-кисела от аминната група, чието pK е при рН = 9 -10.

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 (H2PO4-1 / HPO4-2),
- 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 a-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.

screen29

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.

screen30

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, a-кетоглутарова киселина, оксалоцетна киселина; с алдехидна група - напр. полуалдехид на a-кетоглутарова киселина). Съществена роля играят киселини с две и повече карбоксилови групи. С две групи са напр. янтърна киселина,a-кетоглутарова киселина, оксалоцетна киселина, ябълчна и др.; с три карбоксилови групи и една хидроксилна е напр. лимонена киселина.

screen31

 

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 ).

Formula1

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.

Formula2

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.

Screenshot01

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

Поради голямото значение на карбоксилови киселини с амино-группи, и особено a-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.

Screenshot02

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).

Screenshot03

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).

Screenshot04

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.

Screenshot05

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”.

Screenshot06

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 a“, когато са под плоскостта на пръстена, или като “ b“, 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 a“ и “ b 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. a-Аминокарбоксилови киселини
Това са съединения, при които
първият по ред въглероден атом във въглеродния им скелет, обозначен като
a-въглероден атом е свързан задължително с една аминна (наричана a-аминна) и
една карбоксилна (наричана a-карбоксилна) група.

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

a-Аминокиселините имат голямо биологично значение. Много от тях изпълняват самостоятелни биологични функции в метаболизма. Но най-същественото значение е, че двадесет a-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.

Screenshot07

Screenshot08

Фиг. 1-12. Формули на двадесетте L-a-аминокиселини, изграждащи белтъците. Освен названията са дадени приетите трибуквени съкращения на кирилица и еднобуквените съкращения на латиница.

Тези двадесет аминокиселини се наричат кодирани, защото за тях има специфични кодони в генома. В полипептидните вериги на белтъците се срещат и още няколко аминокиселини като
например хидроксипролин, хидроксилизин и др., които не са кодирани; те се
образуват чрез допълнителни следсинтетични биохимични операции в полипептидните
вериги. Една от
кодираните аминокиселини, а именно пролинът, е всъщност циклична иминокиселина.

В разтвор при неутрална среда a-карбоксилната и a-аминогрупите на аминокиселините се
йонизират, т.е. аминогрупата е протонирана и получава положителен електричен
заряд, а карбоксилната - е депротонирна и получава отрицателен електричен заряд. В такава среда аминокиселините се явяват както близначни (”цвитер”) йони (фиг. 1-13). Съединения като аминокиселините, които притежават както
базични така и кисели групи, се наричат амфотерни. Амфотерните своства на
аминокиселините определят техния буферен капацитет в широк диапазон от рН. Зарядовите свойства на аминокиселините са разгледани в т. 2.1.6.

Screenshot09

Фиг. 1-13. Цвитерионна форма на аланин, в която са йонизирани, както a-карбоксилната група, така и a-амино- групата.

 

Макар и рядко в организмите се срещат и аминокиселини от
D-серия, но обикновено включени в производни структури, например D-аланин в
структурата на бактерийния муреин.

1.4.6.4. Други основни органични структури
Освен мастни киселини, монозахариди и
a-аминокиселини в природата се срещат и много други органични съединения -
основни структури. В свободен вид те се намират сравнително малко, а обикновено
са включени в производни структури. Изпълняват също така съществени биологични
функции.

1) Алифатни алкохоли, алдехиди, кетони и амини

Някои от тях се намират в свободно състояние и изпълняват съществени биологични функции. Поливалентни алкохоли се получават като производни на монозахариди (глицерол,
ксилитол, сорбитол и др.) - виж фиг. 1-14.

Screenshot010

Фиг. 1-14. Примери за поливалентни алифатни алкохоли.

 

От карбонилните съединения (фиг. 1-15) се срещат ацетон,
ацеталдехид и техни фосфорилирани производни и др. Особено внимание
заслужава групата на т. нар. биогенни амини: хистамин, серотонин и др. (фиг. 1-15).

Screenshot011

Фиг. 1-15. Примери за алдехиди, кетони и амини.

 

2) Изопренови (пренилови) производни

Това е много разпространена група съединения
както при растителни и животински организми, така и при микроорганизми.
Третират се като полимери (а неполикондензати) на изопрен (пренил). Такива са терпените, застъпени във висшите растителни организми, каротиноидите, чието производно е аксерфтолът (витамин А или ретинол) и неговото алдехидно производно ретинал (фиг. 1-16).

Screenshot012

Фиг. 1-16. Формули на изопрен, аксерофтол (витамин А) и 11-транс-ретинал.

 

Най-разпространената група изопренови
производни са стероидите. В основата на тяхната структура лежи
циклопентаноперхидрофенантреновият пръстен (фиг. 1-17). Тук принадлежат
животинските стероли (холестерол и неговите производни жлъчни
киселини, стероидни хормони и др.), растителните стероли (ергостерол и
негови производни като сърдечните гликозиди, сапонините и стероидни алкалоиди и
др.).

Screenshot013

Фиг. 1-17. Формули на холестерол и ергостерол, производни на циклопентаноперхидрофенантреновия пръстен.

 

3) Ароматни съединения се срещат сравнително по-рядко в организмите.
Най-застъпени са три от кодираните аминокиселини: фенилаланин, тирозин и
триптофан (фиг. 1-12). По-голямо разнообразие от ароматни съединения има в растителните
организми (бензоена киселина, р-аминобензоена киселина - съставка на фолиевите
киселини), фенол, крезол, салицилова киселина, канелена киселина, р-кумарова
киселина (фиг. 1-6) и много други. Ароматни пръстени се съдържат в много производни
структури, също така застъпени в растенията като дъбилни вещества (танин),
флавоноиди, лигнини и лигнани и др.

4) Карбоциклени съединения, включително
хидроароматни се срещат рядко в живата матрия. От по-съществено значение е групата
на циклитолите, например инозитолът (фиг.1-18).

Screenshot014

Фиг. 1-18. Формула на инозитол.

 

5) Хетероциклени съединения
Те са
сравнително по-разпространени. Към тях принадлежат както основни, така и
производни органични структури. В природата се срещат съединения, съдържащи
почти всички познати на органичната химия хетеропръстени (фиг 1-19). На първо място
и като особено важни трябва да се споменат пуриновите и пиримидинови
производни, съставки на такива много съществени производни структури като
нуклеозидите, нуклеотидите и нуклеиновите киселини. Голям брой кофактори
съдържат в структурата си хетеропръстени; например никотинамид динуклеотид (пиридинов
пръстен), фолиева киселина (птеридинов пръстен), биотин (тиофенов пръстен),
тиаминпирофосфат - производно на витамин В1 (имидазолов и тиазолов пръстени), пиридоксол
или витамин В6 (пиридинов пръстен) и др. Две от кодираните аминокиселини
съдържат хетеропръстени: хистидин (имидазолов пръстен) и триптофан (индолов
пръстен). Цикличните иминокиселини пролин и хидроксипролин, както и порфирините съдържат в структурата си пиролов пръстен.

Screenshot015

Фиг. 1-19. Формули на хетероциклени пръстенни системи (основни съединения).

 

1.4.7. Свързване на основните органични структури. Производни органични структури

В природата броят на органичните съединения с производни
структури е значително по-голям. Това се дължи на различните
възможности за свързване на основните структури помежду им, на многобройните
комбинации от свързване на такива структури, както и на възможността да се
свързват не само две, но и много по-голям брой такива съединения и по този начин
да се получават молекули със значително по-високи молекулни маси. Освен това
съединенията - производни структури съставляват значително по-голяма част от
масата на организмите. Причината е, че голяма част от тези структури се задържат
по-продължително време в организмите, като изпълняват структурообразувателни
функции, или се натрупват като хранителни (енергийни) резерви. Основните
органични структури се свързват помежду си по два принципно различни механизма,
известни в органичната химия като полимеризация и кондензация.

Полимеризацията се дължи най-често на разкъсване на двойна връзка. Тя следователно изисква
ненаситени съединения. При разкъсване на двойната връзка се освобождават две
валенции, които могат да се наситят чрез свързване с други подходящи органични структури.
Такъв пример е представен на фиг. 20. Разкъсването на двойни връзки се извършва обикновено
чрез редукция. В организмите за това съдействат ензими от
групата на оксидоредуктазите. Получените съединения се наричат полимери (в
организмите биополимери). Типични органични полимери в живата материя
са лигнините, кондензираните танини и др., представени предимно в растителните организми.
Такива полимери не се хидролизират и за това се причисляват само условно към
производните структури (виж пренилови полимери и стероиди).

Screenshot016

Фиг. 1-20. Пример за полимеризация.

 

Кондензацията е процес, при който основните органични
структури се свързват чрез отделяне на молекула вода (понякога в организмите
това става чрез отделяне на фосфорна киселина) между реагиращи помежду си
функционални групи. Получените съединения са поликондензати, но в биохимията и
за тях е възприет и широко употребяван, макар и неправилно, терминът полимери,
респ. биополимери.

В живата природа са познати четири начина за свързванe чрез
кондензация, при които се получават и четири типа връзки: гликозидна, естерна,
киселинноамидна (в някои случаи наричана пептидна) и киселинноанхидридна. Съответно
на това се получават и четири типа производни полимери (респ.
поликондензати): гликозиди, естери, киселинни амиди (респ. пептиди) и киселинни
анхидриди.

1) Киселинноамидна (пептидна) връзка. Киселинни амиди (пептиди)
Тя се получава при обезводняване на карбоксилна и амино-групи. Понякога вместо
амино-група може да участва и амоняк (фиг. 1-21).

Screenshot017

Фиг. 1-21. Образуване на киселинно-амидна връзка.

 

Когато киселинноамидната връзка
се образува между алфа-амино и алфа-карбоксилната група на две алфа-аминокиселини, тя се нарича пептидна връзка (фиг. 1-22). Свързаните с пептидна
връзка амино- и карбоксилна групи образуват пептидна група, която е основен
структурен елемент при олиго- респ. полипептиди и белтъци. Тази група има
особени свойства, които имат огромно значение за биологичните отнасяния на
белтъчните молкули и ще бъдат разгледани в главата за структура на белтъците.

Screenshot018

Фиг. 1-22. Взаимодействие на алфа-карбоксилна и алфа-амино-групи на две алфа-аминокиселини
за образуване на пептидна връзка.

 

2) Естерна връзка

Естерната връзка е много застъпена в природата. Естерите са
кондензати, получавани от обезводняването на алкохолна група с различни киселини:
карбоксилови, фосфорна, сярна и др. (фиг. 1-23). Естери с карбоксилови киселини са например
триацилглицеролите, восъците и етеричните масла. Естерна връзка има и при стероидите - например естерифициран с мастна киселина холестерол.

Screenshot019

Фиг. 1-23. Пример за естерна връзка (между карбоксилова киселина и алкохол ) и формули на триацилглицерол и естерифициран холестерол.

 

Други естери са представени на фиг. 1-24. Много важна роля имат естерите на фосфорната киселина. Тя е триосновна, но в
природата се срещат само нейни моно- и диестери. Моноестери на фосфорната
киселина с голямо биологично значение са фосфорилираните монозахариди (например
глюкозо-монофосфати). Естери с фосфорна киселина съдържат различните
глицеролфосфолипиди - например лецитините. Нуклеотидите са моноестери
на нуклеозидите, но при изграждането на полинуклеотидните вериги на
нуклиновите киселини връзките между отделните нуклеотиди са фосфодиестерни.

Screenshot020

Фиг. 1-24. Примери за естери на фосфорната киселина.

 

3) Гликозидна връзка
Тя се получава при обезводняване на гликозидната
(полуацеталната) хидроксилна група на монозахарид с всякаква друга хидроксилна, тиолова, или
циклична аминогрупа. Това “задължава” въглехидратите при образуването на
гликозидни производни да реагират със своите циклични (полуацетални) структури.
Най-застъпени в природата са гликозидните връзки с хидроксилни групи. Това са
така наречените кислород-гликозиди (фиг. 1-25). Кислород-гликозидни са връзките
при всички олиго- и полизахариди.

Screenshot021

Фиг. 1-25. Образуване на O-гликозидна връзка.

 

Най-разпространените дизахариди като
обикновената захар (захароза - фиг. 1-26), и представените на фиг. 1-27 млечна захар (лактоза) и малцовата
захар (малтоза) притежават такива връзки. При захарозата гликозидната
връзка се получава от обезводняването на две полуацетални хидроксилни групи,
затова тази захар няма редуктивни свойства (захари от трехалозов тип). При другите два дицахарида остава свободна гликозидна хидроксилна група, която обуславя редуктивни свойства. Тази гликозидна хидроксилна група може да заема както a така и b позиция.

Screenshot022

Фиг. 1-26. Формула на разпространения дизахарид захароза (нередуцираща захар поради свързване на двата карбонилни С атоми). Систематичното название е
O- a-D-Глюкопиранозил-(1-->2)- b-D-фруктофуранозид.

 Screenshot023

Фиг. 1-27. Формули на дизахаридите лактоза и малтоза (редуциращи захари поради наличие на свободна гликозидна хидроксилна група, която може да бъде a или b).

Когато кислород-гликозидната връзка се образува с немонозахаридни хидроксилни групи, се
получават хетерозиди; при тях невъглеродната съставка се нарича агликон. Такива
съединения са например сърдечните гликозиди (строфантин), някои стероиди,
стрептомицинът и др.

Към азот-гликозидите принадлежи важната група на
нуклеозидите (фиг. 1-28), съставки на нуклеотидите, нуклеиновите киселини и други
биологично активни съединения. Сяра-гликозидите се срещат по-рядко. Те се получават при
обезводняване на полуацетални с тиолови групи.

Screenshot024

Фиг. 1-28. Формули на нуклеозиди, съдържащи N-гликозидна връзка.

 

4) Киселинно-анхидридна връзка
Тя се получава при обезводняване на две химични групи, които са склонни да се
депротонират при биологични условия, т.е. групи с “киселинен" характер (фиг.1-29).

Screenshot025

Фиг. 1-29. Примери за съединения с киселинно-анхидридна връзка.

 

Такива
са съединенията, получавани от обезводняване на карбоксилна група с фосфорна
киселина. Пирофосфорната киселина, неорганично съединение, се получава при обезводняване на две молекули
ортофосфорна киселина и също притежава киселинно-анхидридна връзка.
Киселинно-анхидридните връзки са твърде нестабилни. Съединенията, които ги
съдържат, се наричат макроергични съединения; това са твърде реактивоспособни
молекули, които заемат особено място в биохимичната енергетика; ще бъдат
разгледани по-обстойно там. Най-съществени представители
на тази група производни структури са аденозинтри- и аденозиндифосфорната
киселина (АТФ и АДФ), креатинфосфатът, фосфоенолпируватът, ацилфосфатите (на
първо място ацетилфосфатът) и др. (виж структурите им в същия раздел).

1.4.8. Комплексни органични съединения. Биологични макромолекули

Органичните съединения с производни структури се образуват обикновено от свързването на еднотипни, а в някои случаи и идентични основни структури (мономери). Такива молекули съдържат и еднотипни връзки, напр. само пептидни, само гликозидни и т.н.

В природата обаче се срещат и производни структури, изградени от свързването на разнородни мономери. Така например глицерофосфолипидите (лецитини и др.) съдържат не само карбоксилестерни, но и фосфоестерни връзки.

Някои производни структури на въглехидратите съдържат освен монозахаридни единици, още и нуклеозидфосфати (напр. уридиндифосфатглюкоза), а някои и липидни компоненти и т.н. При тях, освен гликозидни, се съдържат още и фосфоестерни, карбоксилестерни и други видове анхидридни връзки. Такива съединения се наричат комплексни. Говори се напр. за комплексни захари, комплексни липиди и т.н. По правило комплексните съединения съдържат повече от един тип връзки.

Свързването на основните химични структури в бисферата води до образуване на молекули с по-високи молекулни маси. Особено значение от биологична гледна точка имат онези от тях, чиято молекулна маса надвишава 8000 - 10 000. Това са биологичните макромолекули. С малки изключения те се получават формално чрез кондензация на основните структури и затова могат да бъдат наречени биополикондензати, но в биохимичната литература за тях се е утвърдил терминът биополимери, макар и не съвсем издържан от химична гледна точка. От структурна гледна точка макромолекулите не се отличават рязко от аналогичните на тях полимери с по-ниска молекулна маса - напр. белтъците от полипептидите. Условната граница и големината на молекулната маса отбелязва предела, над който тези молекули имат достатъчни размери, за да образуват колоидни разтвори, без да се асоциират.

Една част от биологичните макромолекули са изградени чрез свързването на еднотипни, в някои случаи идентични основни структури. Тази група - хомополимерите играят най-често ролята на резервни хранителни вещества, на защитни или скелетни структури. Например целулозата, образувана от свързването на голям брой глюкозни мономери с b-глюкозидни връзки, е типичен хомополимер. Резервен хомополимер при човека е гликогенът, образуван от свързването на голям брой глюкозни мономери с a-1,4-глюкозидни връзки.

Когато градивните единици при полимерите са еднотипни, но не идентични, се говори за хетерополимери. Полипептидните вериги на белтъците са типични хетерополимери, защото са изградени от еднотипното свързване на двадесет различни аминокиселини.

Въпреки огромното привидно разнообразие в биосферата се намират само пет основни типа биологични макромолекули: полимери на въглеводородите, полимери на фенолите, полизахариди, белтъци и нуклеинови киселини. Първите два типа не са предмет на този курс, а структурата и обмяната на последните три типа са разгледани в следващи глави.

1.5. Общ поглед върху устройство и функции на клетка от животински произход
Молекулите, които изграждат клетката, не се намират безпорядъчно разпръснати в нея. Основните органични структури изграждат производни структури. Биополимерите със своята склонност към конюгиране и агрегиране играят централна роля при създаване на закономерна и стройна вътреклетъчна организация (фиг. 1-30). Малка част от тях се намират молекулно диспергирани в течната среда на клетката, а повечето са свързани помежду си с други големи и малки молекули по строго определен начин, изграждайки многомолекулни структури. Тези структури имат значително по-големи размери от размерите на изграждащите ги молекули и вече могат да бъдат наблюдавани с електронен и дори със специален или обикновен светлинен микроскоп. Това са субклетъчните органели (фиг. 1-31), всяка от които е ограничена от мембрана. Тук спадат плазмена мембрана, ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи, лизозоми, пероксизоми.
Рибозомите, цитоскелетът и цитозолът са други важни компоненти, които могат да се изолират като субклетъчни фракции. Чрез координираните функции на тези субклетъчни органели се осъществява дейността на клетките в човешкия организъм.

Screenshot026

Фиг. 1-30. Йерархия на вътреклетъчната организация.

Screenshot027

Фиг. 1-31. Схематично представяне устройството на клетка от животински произход.

 

Субклетъчните органели могат да се изолират чрез клетъчно фракциониране и утаяване на различните фракции във високоскоростни центрофуги (диференциално центрофугиране).

Кратък преглед на основните функции на субклетъчните органели е представен в табл. 1-3.

Табл. 1-3. Функции на субклетъчните органели.

Screenshot028
1.5.1. Мембрани. Компартментализация
Най-честа срещаната многомолекулна структура в клетката е мембраната. Клетката притежава много мембрани: клетъчна мембрана, която ограничава клетката от околната й среда; ядрена мембрана, ограничаваща ядрото от протоплазмата; мембрани,ограничаващи и структурно оформящи митохондриите; ергастоплазмени мембрани, които образуват мрежа от каналчета в цитоплазмата (ендоплазмен ретикулум); мембрани, заграждащи различни вакуоли и формиращи апарата на Голджи, ограничаващи лизозомите и пр.

Всички мембрани, независимо от разнообразието на функциите, които изпълняват, си приличат по състав и устройство. Те са изградени от два основни компонента - белтъци и липиди. Съотношението между тях обаче може да варира в твърде широки граници и изглежда, че тези вариации са свързани с функционалните особености на мембраните. Могат да бъдат разграничени три типа мембрани:

1) с високо липидно съдържание - около 80% (такива са например миелиновите мембрани при нервните клетки);

2) със средно липидно съдържание - до 50% (такива са напр. повечето външни клетъчни мембрани, външните митохондрийни мембрани и мембраните, които образуват каналчетата на ендоплазмения ретикулум);

3) с ниско липидно съдържание - под 30% (напр. вътрешните митохондрийни мембрани, мембраните на бактериалните протопласти и др.).

От различните видове липиди в мембраните са застъпени най-много фосфолипидите (лeцитини и кефалини). Освен тях обаче в различни количества се срещат и други липиди - холестерол, висши мастни киселини, гликолипиди и пр. Например миелиновите мембрани се характеризират с високо холестеролово съдържание и наличие на гликолипиди, докато вътрешните митохондрийни мембрани почти не съдържат холестерол.

Мембраннитe белтъци са все още недостатъчно проучени. Изглежда, че значителна част от тях изпълняват специфични ензимни функции. Така например вътрешните митохондрийни мембрани съдържат пълни комплекти от ензимите, провеждащи електронния транспорт по дихателните вериги и окислителното фосфорилиране, свързано с този транспорт. Те съдържат и други ензимни комплекси. Освен такива специфични белтъчни молекули мембраните съдържат и структурни или т. нар. инертни белтъци. Такива например са били изолирани от митохондрии - неразтворими в неутрална, обаче разтворими в леко кисела и леко алкална среда; с високо изразено сродство към липиди.

Към мембраните могат да бъдат прикрепени стабилно или по-слабо и други високо- и нискомолекулни вещества - кофактори, полизахариди и пр. Особено много полизахариди се съдържат в бактериалните мембрани и въобще във външните клетъчни мембрани.

Под електронен микроскоп всички мембрани най-общо изглеждат еднакво: два тъмни слоя ограждат един централен светъл слой. И при багрене този централен слой остава неоцветен - има малък афинитет към багрила. Мембраните се отличават малко по своята дебелина - тя варира между 6 и 10 нм. Тънки са вътрешните митохондрийни мембрани - около 5,5 нм. Ядрените мембрани имат дебелина около 7,5 нм и пр.

Най-задоволителен засега е предложеният през 1972 г. модел на Сингер и Никълсън (фиг.1-32). Два слоя фосфолипидни молекули образуват основата на мембраната. Хидрофилните им участъци са насочени навън, а хидрофобните към вътрешността. Преобладава фосфатидилхолинът, но освен него в различни съотношения според вида на мембраната участвуват фосфатидилетаноламин, фосфатидилсерин, сфингозинфосфатиди и др. В някои типове мембрани (цитоплазмени, миелинови) се съдържат гликолипиди и холестерол.

Screenshot029

Фиг. 1-32. Схематично представяне структурата на мембрана.

 

Специфичността на мембраната се обуславя най-вече от включените в нея белтъци. Белтъчните молекули са "потопени" в липидния слой. Някои се подават към външната повърхност, други - към вътрешната повърхност, а трети (с удължена структура) пронизват целия мембранен слой и се показват от двете страни. Обикновено азотният край на полипептидните вериги се намира на повърхността на мембраната, а въглеродният край е "заровен" в липидния слой. Някои от мембранните белтъци са гликопротеини. Такъв например е гликофоринът, изолиран от еритроцитна мембрана на бозайници. Той пронизва мембраната, но целият му въглехидратен компонент (както това е и при всички останали мембранни гликопротеини) се намира на външната повърхност на мембраната. Друг белтък, който също пронизва еритроцитната мембрана, е свързан с транспорта на аниони през мембраната. Той е димер. Между двете субединици се образува "канал", през който вероятно преминават анионите.

Някои белтъци са прикрепени сравнително по-слабо към вътрешната повърхност на мембраната. Те се наричат периферни белтъци. Периферните белтъци се отмиват сравнително лесно от мембраните. Такива са някои ензими (напр. глицералдехид-3-фосфатдехдрогеназа) или белтъци, които имат контрактилни свойства, подобни на мускулните белтъци актин и миозин, напр. спектрин, мембранен или цитоплазмен "актин". На тях се дължи възможността мембраните да се свиват и разпускат. Характерен белег на мембраните е тяхната асиметрия - двете им повърхности (вътрешна и външна) не са равнозначни и по състав, и функционално. Това се дължи преди всичко на нееднаквото разположение на белтъци към вътрешната и външната мембранна повърхност. Но и липидният състав на двата липидни полуслоя на мембраните не е еднакъв. Обикновено във външния полуслой преобладават липидни молекули, чиято хидрофилна "глава" е по-голяма, напр. сфингомиелин и фосфатидилхолин.

Мембранният модел на Сингер и Никълсън е наречен "течно-мозаичен". Гъстотата на мембраната е от 100 до 1000 пъти по голяма от тази на водата. По тази причина и главно заради най-общо хидрофобния й характер тя се разграничава като фаза. Въпреки това тази гъстота все още позволява, макар и затруднени, латерални движения на липидните и особено на белтъчните й компоненти. Някои белтъци могат да извършват и ротационни движения, което е свързано с функциите им да провеждат активен транспорт на йони и молекули. Течно-мозаичният модел обяснява за сега най-задоволително повечето свойства на биологичните мембрани - електричните им отнасяния, асиметричността им, различната им дебелина, разнородното липидно и белтъчно съдържание; служи като добра основа за обяснение на явленията на мембранен транспорт.

Характерна черта на мембраните е тяхната непрекъснатост. Те образуват повърхности от мехурчест или тръбен тип, като заграждат пространства - сферични, елипсоидни или каналчести. Така мембраните изграждат вътреклетъчни образувания със специфични биологични функции - митохондрии, ядра, ергастоплазматични каналчета и др. Те разделят клетката на отделения (компартменти) със специфичен състав и различна метаболитна активност. В тях се извършват различни, понякога противоположни, но координирани химични процеси - синтеза и разграждане, естерификация и хидролиза, окисление и редукция. Това разделяне на клетката на компартменти чрез мембрани се нарича компартаментализация. Компартаментализацията позволява синхронизация и строга регулация на процесите в клетката (виж също т. 10.1.4).

Когато мембраните се разкъсват напр. чрез третиране с ултразвук, сегментите "се съшиват" така, че отново се образуват мехурчета.

Основна функция на мембраните е да ограничават или улесняват преминаването на веществата от една в друга част на клетката или от външната среда в клетката. Тази им способност се проявява по разнообразен начин: непропускливост или ограничена пропускливост за някои молекули или, обратно, активно натрупване на други - създаване на концентрационен градиент. Тази функция на мембраните се мени в широки граници, като е подложена на контрол. Изглежда, че мембранната асиметрия има съществено значение за насочения (векторен) транспорт на молекули и йони през мембраните. Към мембраните са прикрепени ензимни ансамбли, които провеждат сложни, многостъпални биохимични процеси. Голямо количество еднородни ансамбли, разположени върху една мембрана позволяват мултиплицирането и синхронизирането на биохимичните процеси. Някои специализирани мембрани поддържат или генерират електрични потенциали, свързани например с провеждането на дразнения при нервните клетки.

Клетъчната мембрана (в животински организми се използва и терминът "плазмена мембрана") има типичния липопротеинов строеж. Клетъчните мембрани са с избирателна пропускливост. Част от мембранните белтъци са транспортни белтъци (пасивни канали и помпи), които позволяват пренос на вещества отвън-навътре и обратно. Други белтъци имат различни функции - някои са ензими, други са структурни белтъци, от които зависи формата или възможността за движение. Има и рецепторни белтъци, които разпознават и свързват сигнални молекули от външната страна и предават сигнала навътре в клетката.

1.5.2. Транспорт през мембраните

Хидрофобните бариери, които мембраните оформят около клетките или субклетъчните органели, не позволяват на полярни вещества да излизат или влизат. Но мембраните не са просто прегради. Те са високоспецифични посредници между клетката и околната среда или между органелите и обкръжението им. За да съществуват, клетките трябва непрекъснато и селективно да поемат вещества от външната среда и да изхвърлят свои вещества в тази среда. Това се осъществява чрез транспортни механизми за пасивен или активен транспорт.

При пасивния транспорт веществата се движат по концентрационен градиент от място с по-висока концентрация към място с по-ниска концентрация или по електрохимичен градиент от място, където веществото е с по-висок заряд към място с по-нисък едноименен заряд или пък към място, където противоположният заряд е по-висок. Пасивният транспорт включва проста дифузия през мембраната (фиг. 1-33) и улеснена дифузия през мембранни канали (фиг. 1-34). Мембранните канали могат да бъдат отваряни или затваряни в отговор на свързване на регулаторни молекули или промяна във волтажа.

Screenshot030

Малките незаредени молекули на кислорода, водата и СО2 и хидробни вещества (напр. стероидни хормони) минават през мембраните чрез проста дифузия. Повечето клетки поемат глюкоза чрез пасивен транспорт. Концентрацията на глюкоза в извънклетъчната среда е по-висока в сравнение с вътреклетъчната, където глюкозата бързо се включва в метаболизма. АДФ също се пренася в митохондриите пасивно в обмен на АТФ. По същия начин Cl- се обменят за HCO3-.

Транспортните белтъци, участващи в пасивен или активен транспорт, имат специфични свързващи места за определени вещества. Свързването на веществото от едната страна на мембраната, променя конформацията на белтъка и това позволява веществото да бъде пренесено и освободено от другата страна на мембраната (фиг. 1-35). Когато свързващите места се заемат и системата е наситена, скоростта на транспорт достига максималната скорост. Инхибиторни вещества могат да снижат скоростта на транспорт като директно блокират свързващите места или като взаимодействат с транспортните белтъци в други места и променят тяхната конформация.

Screenshot031

Фиг. 1-35. Действие на мембранните транспортни белтъци при пасивен транспорт.

 

Активният транспорт представлява движение на вещество срещу химичния или електрохимичния градиент, което изисква разход на енергия (хидролиза на АТФ - виж глава "Биоенергетика") - виж фиг. 1-36. За разлика от простата дифузия, не изискваща специфични транспортни белтъци, те са абсолютно необходими за осъществяване на активен транспорт.

Screenshot032

Фиг. 1-36. Активен транспорт.

 

Концентрациите на Na+ и K+ във вътреклетъчната и извънклетъчната течности се поддържат чрез ензимна система за активен транспорт, наречена Na+,K+-АТФаза или Na+,K+-помпа (фиг. 1-37). Тази именно система изразходва около една трета от енергията, необходима за базалния метаболизъм при човека (виж т. 19.2.13).

Screenshot033

Фиг. 1-37. Действие на Na+,K+-АТФаза (Na+,K+ помпа).

 

Вторичен активен транспорт се извършва, когато веществото се транспортира срещу градиент, едновременно спрегнато с транспорт на друго вещество по градиент чрез активен транспорт. Пример за такъв вид транспорт е усвояване на глюкоза в клетките на проксималните бъбречни тубули или чревния епител успоредно с Na+ (симпорт - и двете вещества се движат в една посока). Възможен е и антипорт - напр. размяна на H+ и Na+ в бъбречния тубул при амониогенеза.

1.5.3. Ядро

Сред субклетъчните органели ядрото е с най-големи размери и може да се наблюдава с обикновен микроскоп. То съставлява средно 5 - 20% от масата на клетката. Основна функция на ядрото е да запазва, предава в потомството и използва за синтеза на белтъци генетичната информация на клетката, фиксирана в специфичните структури на ДНК. Бактериите (прокариотите) нямат морфологично обособени ядра (ограничени с ядрена мембрана), но също така съдържат ДНК с генетична функция, които се струпват през определен период от развитието на микроорганизма в морфологично определени структури.

Ядрото на почиващи клетки (които не са в процес на делене) съдържа едно или две морфологично обособени ядърца (нуклеоли) и е ограничено от цитоплазмата с двойна мембрана с дебелина 20-30 nm. Ядрото е изпълнено с основна маса - ядрен сок - нуклеоплазма, който изглежда леко зърнест под електронния микроскоп. Външната ядрена мембрана е свързана с ендоплазмения ретикулум и съдържа рибозоми. Пори (с дебелина 20-40 nm) в двете мембрани позволяват комуникация между нуклеоплазмата и цитоплазмата. Пространството между двете мебрани е свързано с вътрешността на ендоплазматичните каналчета. Така ядрото, въпреки че е разположено във вътрешността на клетката, изглежда да има пряка връзка с клетъчната околност.

Ядрото съдържа почти цялата ДНК на клетката и част от РНК (съотношението между ДНК и РНК е около 9:1 за чернодробни клетки). Освен ДНК, специфични за ядрата са и алкални нискомолекулни белтъци (хистони) и различни други белтъци. При делене ДНК с част от ядрените белтъци се групират в добре оформени нишковидни образувания - хромозоми. В почиващата клетка ДНК-молекулите се разпръскват в ядрената субстанция и образуват ядрения хроматин.

Ядърцата имат по-голяма плътност от нуклеоплазмата. Те са богати на РНК. Ядрото не притежава ензимни системи, които да окисляват субстрати, но в него се синтезират изцяло необходимите за клетката НАД и НАДФ.

1.5.4. Митохондрии

Митохондриите са видими под електронен и дори с обикновен микроскоп. Имат среден диаметър от 0,5 до 2 mи са от сферични до силно удължени. Ограничени са с двойна мембрана (фиг. 1-38). Външната мембрана е свободно пропусклива за малки молекули и йони.

 

Screenshot034

Фиг. 1-38. Схематично представяне структурата на митохондрии.
1 - външна мембрана, 2 - вътрешна мембрана, 3 - междумембранно пространство, 4 - кристи (огъвания на вътрешната мембрана, 5 - матрикс.

 

Вътрешната мембрана се вгъва към вътрешността на митохондрия, образувайки напречни преградки (кристи). По такъв начин нейната повърхност е значително увеличена. Митохондрийните мембрани съдържат много фосфолипиди, но са бедни на холестерол. Вътрешната мембрана е непропусклива за повечето малки молекули и йони, включително и H+. Тя съдържа ензими и други фактори за пренасяне на електрони и свързаното с това окислително фосфорилиране (ензимни комплекси І - ІV от дихателната верига, АДФ-АТФ транслокази, АТФ синтаза и други мембранни преносители). В митохондриите се генерира преобладаващата част от необходимите за работата на клетката макроергични връзки. Затова на митохондриите се гледа фигуративно като на енергетичните централи на клетката.

Пространството, затворено между двете мембрани, е бедно на белтъци и съдържа нискомолекулни съединения - кофактори и субстрати на биологичното окисление.

Пространството, заградено от вътрешната мембрана, се нарича матриксно пространство. То е изпълнено с богата на белтъци течност. Съдържа пируватдехидрогеназният комплекс за окислително декарбоксилиране на пируват, ензимите на цитратния цикъл, ензимите на b-окислението на мастни киселини, аминоацидо оксидази, много други ензими, АТФ, АДФ, неорганичен фосфат, Mg2+, Ca2+, K+ и много други разтворими метаболити. Там има и митохондрийна ДНК и рибозоми. Митохондриите притежават известна генетична автономност - тази ДНК се използва за синтеза на белтъци. Но, освен това, много митохондрийни белтъци се кодират от ядрени гени, синтезират се в цитоплазмените рибозоми и след това се импортират в митохондриите чрез сложен процес.

Митохондриите са динамични структури. Техният брой и формата им се менят в зависимост от функционалното състояние на клетката.

1.5.5. Ендоплазмен ретикулум. Рибозоми

Ендоплазменият ретикулум е мрежа от мембранни тубули (каналчести образувания) в клетката. Към една част от тази мрежа има присъединени рибозоми - тя се нарича груб ендоплазмен ретикулум. Останалата част не съдържа рибозоми и се нарича гладък ендоплазмен ретикулум. При диференциално центрофугиране се изолират фрагменти от разкъсани мембрани, свързани с рибозоми - т. нар. микрозомна клетъчна фракция. От нея чрез третиране с агенти (напр. дезоксихолат), които разграждат липопротеиновите комплекси, и центрофугиране над 100 000 х g могат да се изолират рибозоми.

Ендоплазменият ретикулум има разнообразни функции. В него има ензими, участващи в липидния метаболизъм. В участъци, богати на гладък ендоплазмен ретикулум, се съхранява гликоген. В гладкия ендоплазмен ретикулум има окислителни ензими, и по-специално цитохром Р450-хидроксилазните системи, необходими за синтеза на стероидни хормони и обезвреждане на различни чужди за клетката вещества (лекарства, токсини и пр).

В рибозомите, прикрепени към грубия ендоплазмен ретикулум се синтезират различни белтъци. Тези белтъци навлизат в лумена на ретикулума, пренасят се до комплекса на Голджи и впоследствие се секретират извън клетката, или се насочват към лизозоми, или се включват в клетъчните мембрани.

Рибозомите са компактни частици, съставени почти само от РНК и белтъци. Затова се наричат рибонуклеопротеинови частици. В тях се синтезират белтъчните молекули. По-голямата част от рибозомите са прикрепени към външната повърхност на участъци от ендоплазмения ретикулум, но има и свободни рибозоми. Наблюдавани са и групи от рибозоми, свързани с информационна РНК (иРНК) - т. нар. полизоми. Молекулната маса на еукариотни рибозоми е около 4,5.106 (80 S), а молекулната маса на рибозоми от микроорганизми е около 3.106 (70 S). Съотношението между РНК и белтък при еукариотните рибозоми е около 1, а бактериалните рибозоми са по-богати на РНК - съотношението е около 2. Освен белтък и РНК, рибозомите съдържат магнезиеви йони и полиамини: спермин, спермидин, путресцин и кадаверин. Рибозоми има и в ядрото, в митохондриите и в хлоропластите. По-подробно тяхната функция ще бъде разгледана в глава "Синтеза на белтъци".

1.5.6. Комплекс на Голджи (Golgi) или апарат на Голджи

Комплексът (или апаратът) на Голджи (Golgi) се различава трудно от ендоплазмения ретикулум. Състои се от набор от плоски, леко извити удължени плоски весикули (цистерни) в цитоплазмата. До краищата на цистерните има голям брой други много по-малки сферични весикули (транспортни мехурчета ). Комплексът като цяло е асиметричен структурно и функционално. Вдлъбнатата (cis) страна е обърната към ендоплазмения ретикулум. Изпъкналата страна на комплекса се означава като trans-страна и е обърната към клетъчната мембрана.

Комплексът участва в модифициране на белтъци и разпределяне на тези белтъци за различни участъци на клетката (например лизозоми) или за извънклетъчната среда.

Белтъците, които се синтезират в рибозомите, прикрепени към грубия ендоплазмен ретикулум, се придвижват в мехурчета към cis-страната на комплекса и навлизат в неговия лумен. Там ензимите на Голджиевия комплекс добавят сулфатни, въглехидратни или липидни групи към някои аминокиселинни остатъци или удължават вече присъединени въглехидрати. Получаването на тези модифицирани белтъци (най-често гликозилирани белтъци или гликопротеини) и пакетирането им в транспортни мехурчета има за цел да улесни тяхната адресация към определени участъци в клетката. В комплекса на Голджи се синтезират и гликолипиди.

Весикулите, освободени от trans-страната на комплекса, могат да се придвижат до клетъчната мембрана. След сливане с нея, белтъците могат да бъдат освободени в извънклетъчното пространство (екзоцитоза), но гликопротеините и гликолипидите, които са били свързани с мембраната на весикулите, остават включени в клетъчната мембрана.

Комплексът на Голджи се багри селективно с осмиеви и сребърни соли.

1.5.7. Лизозоми и пероксизоми

Лизозомите са сферични мехурчета с размери на малки митохондри (диаметър около 1 mm). Оградени са от единична мембрана, която съдържа протонни помпи, поддържащи вътрешното рН около 5. Лизозомите съдържат ензими, които катализират хидролиза на белтъци до аминокиселини, полизахариди до монозахариди, нуклеинови киселини до нуклеотиди, липиди: триацилглицероли до мастни киселини и глицерол и фосфоглицероли до техните съставки. Получените продукти се изнасят в цитозола.

Лизозомната мембрана е непропусклива както за тези ензими, така и за макромолекулите в цитоплазмата. Затова при нормални условия лизозомната мембрана предпазва клетките от авторазграждане. То настъпва само при увреждане на лизозомните мембрани. Но извън лизозомите рН на цитоплазмата е около 7 и лизозомните ензими са по-неактивни. Това е второ ниво на защита на цитозолните макромолекули от авторазграждане.

Няколко важни механизми съществуват за внасяне на субстратите на лизозомните ензими в лизозомите: ендоцитоза (фагоцитоза или пиноцитоза) и друг строго контролиран процес на автофагия (самоизяждане). Големи частици като бактерии и дрожди се поглъщат от клетката чрез фагоцитоза (phago, ям, изяждам). Тези частици обикновено се свързват към мембранни рецептори, след което комплексът от частица и рецептор се придвижва към подплатени с белтъка клатрин ямки (вдлъбвания) в мембраната, които след включване на чуждия материал се затварят в мехурчета. Мембраната на такова мехурче се слива с мебрана на лизозома, получава се т. нар. вторична лизозома и лизозомните ензими осъществяват разграждането. Пиноцитозата (pino, пия) е подобен механизъм за ендоцитоза и смилане на по-малки частици като белтъци. При автофагията клетката оформя мембрана около вътреклетъчните компоненти, които подлежат на разграждане. Тази мембрана се слива с лизозомната мембрана и лизозомните ензими осъществяват разграждането.

Следователно лизозомите имат съществено значение за елиминиране на нежелани за клетката материали. В организма има специализирани фагоцитиращи клетки - макрофаги и полиморфноядрени левкоцити, които поглъщат патогенни микроорганизми и осъществяват защита срещу инфекции. Те също почистват клетъчни останки и мъртви клетки. Увредени клетки могат да оцелеят, включвайки автофагия, за да елиминират увредените компоненти. Чрез фагоцитоза се отстраняват клетки, които имат по-къс живот от този на целия организъм.

Фагоцитозата и автофагията се използват и в процеси на ремоделиране - възстановяване на променена функция - напр. възвръщане клетките на лактираща млечна жлеза към нелактиращо състояние.

В някои случаи в част от мембранните мехурчета остават неразградени материали. Тези мехурчета се означават като остатъчни телца. Някои клетки могат да изхвърлят тези телца чрез екзоцитоза, но в други те се натрупват с увеличение на възрастта.

Пероксизомите са цитоплазмени органели, близки по размер до лизозомите. Названието идва от факта, че те могат да образуват и да разграждат водороден пероксид. Последният се получава в пероксизомите при окислителното разграждане на аминокиселини, а също и при разграждането на висши мастни киселини с дължина на веригата над 20 С атоми до по-късоверижни мастни киселини. H2O2 е много токсичен, но той се използва в пероксизомите за други окислителни реакции или се разгражда под дйствието на ензима каталаза до вода и молекулен кислород.

1.5.8. Немебранни цитоплазмени компоненти (цитоскелет, цитозол)

Цитоскелетът е мрежа от три вида филаменти: микрофиламенти с диаметър 6-7 nm, междинни филаменти с диаметър 8-10 nm и микротубули с диаметър 22 nm.

Ролята на цитоскелета е да поддържа клетъчната форма, структурата на цитоплазмата, вътреклетъчния транспорт, клетъчната подвижност и клетъчното делене.

Всеки от тези филаменти се състои от белтъчни субединици, които могат да полимеризират в нишковидни образувания с определена дебелина. Филаментите не са постоянни структури. Те непрекъснато се разграждат до субединици и реасоциират във филаменти. Нямат ясно определено място в клетката. Напротив, то се променя при делене на ядрото (митоза), делене на клетката (цитокинеза), или промени във формата на клетката.

Микрофиламентите са изградени от актин. Междинните филаменти съдържат различни белтъци за различните клетки (виментин в ендотелни клетки в стените на кръвоносни съдове, дезмин в напречно набраздена мускулна тъкан и др.). Микротубулите са кухи цилиндрични образувания, чиито стени са изградени от 13 асоциирани a- b димери на белтъка тубулин.

За движението на вътреклетъчните органели по протежение на филаментите на цитоскелета са важни и други три белтъка с АТФ-азна активност, които използват химическата енергия на АТФ и я превръщат в механична енергия. Това са свързаните с цитоскелета миозин, динеин и кинезин, наричани молекулни мотори. Актин и миозин осъществяват мускулното съкращение в напречно-набраздени мускули. Динеин и тубулин участват в движението на ресни и камшичета. Кинезин е особено важен за движението на весикули и органели по протежение на микротубулите в невроналните аксони.

Цитозолът съдържа разтворимите клетъчни компоненти (субстрати, междинни метаболити, ензими). Тук се извършват разнообразни реакции и метаболитни процеси, предимно биосинтезни. Въпреки че цитозолът няма ясно изразена структура, поради високото белтъчно съдържание, цитозолът не е хомогенна смес от разтворими компоненти. Приема се, че и в него има функционално разделение (функционални компартменти).

Макар че повечето ензими са в разтворено състояние, когато се изолира цитозолът, възможно е в интактната клетка много от тях да са прикрепни хлабаво към мембранни структури или към компоненти на цитоскелета.

1.6. Основни положения в обмяната на веществата

1.6.1. 1.6.1. Понятие за биологична обмяна

Съществуването и развитието на организма са невъзможни без непрекъсната взаимовръзка с околната среда. Организмът поема от нея вещества и енергия, които преобразува за свои нужди, но също така връща в околната среда преработени продукти и енергия. Именно това взаимодействие на организма със средата се нарича биологична обмяна. Тя е най-елементарната функция на живата материя. Най-сигурният начин, по който може да определим дали "едно късче материя е живо", е да проверим способно ли е то на биологична обмяна с околната среда.

Обмяната на веществата е свързана най-интимно преди всичко с основните общобиологични прояви на организмите - растеж, запазване на индивидуалността и развитие. Всяко нарастване на клетъчната маса е свързано с поемането на по-голямо количество вещество от средата и връщане на по-малко количество в нея, т.е. с положителен обменен баланс. Опити с белязани съединения (с радиоактивни изотопи) са показали по безспорен начин, че градивните вещества на клетките се обменят непрекъснато, т.е. молекулите, които съставят клетъчното тяло, непрекъснато се разграждат, а на тяхно място се синтезират нови - така след по-къс или по-дълъг период от време почти целият организъм се преизгражда от поетата отвън материя. И въпреки това той си остава същият. В основата на тази особеност лежи определена стабилност, определена способност към запазване на даден тип обменни процеси. С това биологичната обмяна на веществата се различава от обмяната, която съществува в неорганичната природа. Неживите тела взаимодействат с околната среда, поемат от нея вещества или търпят енергетични въздействия, но в резултат телата не се запазват, не се развиват, а се изменят и превръщат в други. Напр. варовиковите скали (калциев карбонат) непрекъснато се свързват с малките количества въглена киселина, разтворена в почвените води и се превръщат в калциев бикарбонат, който е по-лесно разтворим и се отнася - скалите се размиват, разрушават, изчезват.

1.6.2. Анаболитни и катаболитни процеси

Значителна част от веществата, които организмите поемат от околната среда, се оползотворяват. От биологична гледна точка това са т. нар. хранителни вещества. Попаднали в организма, хранителните вещества се подлагат на най-разнообразни химични превръщания, съвкупността от които се нарича междинна обмяна. Така организмите, респ. отделните клетки изграждат вещества, от които самите те са съставени, изграждат своята собствена маса, а също получават и енергията, необходима за изпълнение на жизнените им функции.

Клетките са изградени преди всичко от биополимери и липиди. Затова най-съществената страна на обменните процеси е синтезата на специфичните макромолекули, които изграждат организма. Чрез тях при растежа и развитието, при деленето и размножаването се запазват особеностите на организма, неговата индивидуалност.

Заедно със синтезирането на биополимери организмът синтезира и други, обикновено нискомолекулни съединения, които са необходими за различни биологични функции. Повечето от тези съединения са простетични групи и коензими и следователно са тясно свързани с катализирането на биохимичните процеси. Друга част участват активно при оползотворяване на енергията. Трети по съответни пътища водят до проявяване на различни физиологични ефекти (предаване на нервни импулси, свиване на кръвоносни съдове и пр.) или пък имат регулиращ обменните процеси ефект (хормони, ензимни ефектори, репресори и др.).

Превръщането на хранителните вещества в собствени, характерни за организма биополимери и в необходими за функционирането му активни съединения обхваща част от обменните процеси, наречени анаболитни. Тъй като при тях се изграждат специфични за организмите вещества и на първо място биополимери, те от биологична гледна точка представляват асимилационни процеси, защото водят до усвояване (асимилация) на чуждата за организма материя.

От химична гледна точка анаболитните процеси като цяло са синтезни. С малки изключения веществата, необходими за извършване на жизнените процеси, имат по-големи и сложни молекули от хранителните вещества, които постъпват в клетките. Изграждането им става в резултат на т. нар. биологични синтези (биосинтези). Анаболитните процеси като цяло са редукционни процеси. Биополимерите, а също и значителна част от нискомолекулните биологичноактивни вещества имат по-нисък редокс-потенциал от веществата, които клетката поема отвън. Затова при синтезите се срещат често редукционни процеси (стъпала), за които са необходими редуктори. Анаболитните процеси обикновено са ендергонични. Енергетичното съдържание на биополимерите и на повечето биологичноактивни вещества е по-високо от това на приетите хранителни съединения. Процесите на тяхната синтеза протичат, общо взето, с увеличение на свободната енергия. Следователно от термодинамична гледна точка биосинтезите като цяло не могат да протичат самоволно, а е необходимо да бъдат съчетани с процеси - източници на енергия.

Едновременно с анаболитните процеси в организмите се извършват непрекъснато процеси на разграждане на биополимерите и хранителните вещества до по-нискомолекулни съединения. Тези процеси обхващат втората страна от обмяната на веществата и се наричат катаболитни. Тъй като при катаболитните процеси се разграждат специфични за организмите съединения и на първо място биополимери, те се наричат дисимилационни, понеже чрез тях организмът превръща специфичните си молекули в общи за повечето или за всички организми.

Катаболитните процеси са процеси на разграждане на по-големи молекули до по-малки. Те са, общо взето, окислителни - при тях твърде често се срещат окислителни стъпала и продуктите на разграждането имат по-висок редокс-потенциал, отколкото изходните съединения. Най-сетне дисимилационните процеси са като цяло екзергонични - при тях се отделя енергия, те протичат с намаление в свободната енергия на системите и продуктите им са по-бедни на енергия. Твърде често по пътя на разграждането на веществата в организмите се получават и съединения с биологична активност. Биологичноактивни нискомолекулни вещество следователно може да се образуват в резултат както на синтезни процеси, така и на процеси на разграждане. Посредством процесите на разграждане организмите се освобождават непрекъснато от асимилираната в тях материя. Най-същественото значение на катаболитните процеси е това, че освободената при тях енергия се използва за нуждите на организма - за провеждане на ендергоничните синтези, за извършване на друг вид работа и т.н. Следователно най-общо катаболитните процеси са необходимо допълнение на анаболитните процеси. Анаболитните и катаболитните процеси, асимилационните и дисимилационните процеси са противоположни, но свързани неразривно едни с други. Не е възможно да се представи съществуването на организъм, който да синтезира веществата, без обаче да ги разгражда.

1.6.3. Обменни вериги. Обменни стъпала. Циклични процеси

Както анаболитните, така и катаболитните процеси са вериги от химични реакции - свързани една с друга, следващи една след друга. Тези вериги се наричат обменни пътища, а отделните реакции в обменните пътища - обменни стъпала. Стъпалата в обменните пътища се катализират от ензими. Обменните пътища са сложно преплетени помежду си. По тях се явяват много често разклонения, напр. пентозофосфатният път е се отклонява от гликолизата на ниво глюкозо-6-фосфат (виж глава "Обмяна на въглехидрати"). По този начин като се тръгне от едно вещество, може да се стигне до няколко крайни продукти. Често явление от една до друга точка в обменните пътища да се минава по няколко пътя, всеки водещ през различни междинни съединения. Най-често един от тези пътища е главен, а другите са второстепенни, или както се наричат още, алтернативни.

Друга характерна особеност на обмяната на веществата е наличието на кръгови процеси, или т. нар. обменни цикли. Те не са затворени процеси. Към тях се насочват и се увличат в кръговия процес вещества, а други съединения ги напускат. Смисълът на кръговите процеси е да въвличат субстрати и обменни реакции и след известна химична трансформация да ги изнасят извън цикличния процес. Цикличните процеси позволяват посредством малки количества междинни метаболити или кофактори да се преработва голямо количество вещество; те са израз на тенденцията в организмите към пестене на средства. Обикновено цикличните процеси са свързани едни с други ( например цитратен и уреен цикъл). Те се допират помежду си в една, а понякога в повече точки (притежават общи метаболити или общи стъпала). Такова устройство най-общо способства за прехвърлянето на едно съединение от цикъл в цикъл, свързано с последователната му преработка.

Движението на веществата по обменните пътища може да бъде и двупосочно - в анаболитно и катаболитно направление. Това е свързано с обратимостта на биохимичните реакции. Някои от обменните стъпала са обратими термодинамично, но се срещат и такива, които са силно ендергонични, т.е. необратими. Преодоляването им става чрез преминаване по околни, термодинамично възможни пътища, съчетани с процеси, които дават енергия.

По хода на обменните вериги се срещат междинни продукти, които явно заемат по-съществено място в обмяната на веществата. Това обикновено са такива съединения, от които се разклоняват или към които се концентрират няколко обменни пътя. Това са т.нар. възлови метаболити - напр. глюкозо-6-фосфат, пируват, глицераледихид-3-фосфат, ацетил-КоА и др.

1.6.4. Връзки и регулиране на обменните процеси във времето и пространството

Насочването на веществата към едни или други обменни пътища, интензивността, с която ще се използва даден обменен път в сравнение с други, и изобщо порядъкът в мрежата от обменни пътища зависят най-общо от два свързани помежду си фактора:

1) активността на ензимите, които катализират отделните стъпала в обменните вериги;

2) концентрацията на субстратите, които се доставят за отделните химични реакции.

Ако даден ензим, катализиращ определено стъпало от една обменна верига, понижи активността си, преминаването по веригата ще бъде затруднено (общата скорост по веригата от процеси се оопределя от най-бавното звено). Ако над потиснатато стъпало се намира разклонение, обменният процес ще се насочи към него. Ако обаче такова липсва или пък капацитетът му е нисък, ще се стигне до натрупване на субстрата на смутената ензимна реакция. Веществата, следващи потиснато стъпало, ще бъдат в намалени количества, ако към тях не води друг обменен път с достатъчно висок капацитет. Смущения във функцията на определени ензими са обикновено първопричина за смущения в обмяната, които по-нататък верижно се разпространяват и върху други звена от обмяната.

Постоянни и фино координирани колебания в активността на ензимите имат за резултат регулиране движението на вещества по обменните пътища в посоки и със скорост, полезна и необходима за правилното развитие на организма, съответстваща на неговите нужди.

Притокът на вещества към местата на обменните реакции в клетката или пък отстраняването на продуктите от реакциите от тези места са също фактори, които се отразяват върху протичането на обменните процеси. Скоростта на химичните реакции зависи и от концентрацията на реагиращите вещества. Процесите в организма протичат в открити (отворени) системи и това обстоятелство трябва да се има винаги предвид. При процесите не се установява по принцип равновесие, а е налице тенденция към стационарно състояние. Притокът и оттокът на метаболити към и от местата на реакциите зависят твърде много от активността на ензимите, катализиращи отделните стъпала на обменните пътища. Те зависят и от други фактори - напр. свойствата и активността на мембраните, през които преминават веществата, от концентрацията на веществата в околната среда и понякога от чисто физични причини, като напр. дифузия, осмоза и пр.

Обменните пътища са разположени не само във времето, но и в пространството. Абсурдно е да се счита, че биохимичните реакции се реализират при случайно срещане на субстратите със съответните им ензими при движението им в течната фаза на протоплазмата. Такава представа би направила невъзможен какъвто и да е порядък в обменните пътища и би свела до минимум възможностите за тяхното регулиране. Повечето от ензимите обаче са разположени върху мембранни образувания в клетката, и се намират следователно в твърда фаза. Това обстоятелство позволява пространственото им подреждане във вериги, по които субстратите се придвижват с последователна химическа обработка, подобно придвижване на машинни детайли по конвейрна лента. Доставянето на субстратите към съответните ензими или набори от ензими се направлява от дейността на многобройни вътреклетъчни мембрани. Субклетъчното и молекулното устройство на клетката се намират в неразривна връзка и единство с протичането на обменните процеси.

1.6.5. Типове обмяна

На фона на единството в биохимичните обменни процеси се проявява тяхното богато разнообразие. Сборът от всички особености в обменните процеси при даден организъм или даден тип клетки от един организъм обуславя т. нар. тип на обмяната. Типът на обмяната определя функционалните и морфологични особености на една клетка или един организъм. Според типа на обмяната организмите се делят на автотрофни и хетеротрофни.

Автотрофните организми използват като източници за своите биол

огични синтези неорганични съединения, които получават от околната среда, т.е. те се "хранят" с неорганични вещества (напр. СО2, азот, амоняк, сероводород и др.). Енергията се доставя от външни за организма източници. По-голямата част използват светлинна енергия, която въвличат в синтезни процеси - това са т. нар.фотосинтезиращи автотрофи. Такива са всички зелени растения. Друга група са хемосинтезиращите автотрофи, които са микроорганизми. Те използват енергия, получена при окисление на нискомолекулни неорганични вещества от околната среда (сероводород, сяра, нитрити и пр.).

Хетеротрофните организми се "хранят" с органична материя. Материали за биосинтезите при тях са органични съединения (напр. монозахариди, аминокиселини, мастни киселини). Единственият източник на енергия при тях е енергията, получена при разграждане на органични вещества.

Не съществува рязка граница между автотрофност и хетеротрофност. Между двата типа на обмяната се срещат всички възможни преходи. Дори и най-проявените хетеротрофни организми могат да използват за синтетични цели неорганични вещества - напр. включване на СО2, амоняк и вода. Обратно, строго автотрофните микроорганизми се развиват по-добре в присъствието на определени органични вещества, наречени растежни фактори.

Освен на автотрофни и хетеротрофни обменните процеси се разделят на други две големи групи - аеробни и анаеробни. Аеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват за сметка на атмосферен кислород. Аеробните организми дишат - т.е. приемат непрекъснато кислород от атмосферата. Анаеробен е този тип на обмяната, при който окислителните процеси се извършват в отсъствие на кислород. Анаеробните организми не дишат. При тях отделеният при окислителните процеси водород се фиксира върху други вещества - акцептори, които се натрупват в организма или се изнасят от него. Повечето от организмите в биосферата са аероби.

Между аеробните и анаеробните организми не съществува рязка граница. И най-проявените аероби (напр. човекът) могат да извършват обменни процеси отчасти по анаеробен път. При това едни тъкани (напр. мускулна) са "по-склонни" към анаеробен начин на обмяна от други. Нервната тъкан не може да разгражда веществата анаеробно, т.е. тя е почти абсолютно аеробна. Има много организми, които са еднакво способни да водят и аеробен, и анаеробен начин на живот.

1.7. Примери за значение на познанията върху клетъчната структура и функции за медицината

Познаване структурата, функциите и метаболизма на клетките в нормален здрав организъм е необходима предпоставка за разбиране отклоненията, които са в основата на много болести. Нормалният метаболизъм включва вариации и адаптации при различни условия - бременност, лактация, гладуване, усилена физическа дейност. Патологични отклонения в метаболизма може да има при хранителна недостатъчност, при недостиг на ензими и нарушена секреция на хормони също се развиват заболявания. По-долу са подбрани три примера за начално запознаване с някои болести, за да се демонстрира значението на знанията върху клетъчната структура, функции и регулационни механизми за медицината. Не всичко на този начален етап от изучаването на биохимията може да бъде разбрано, но при повторно четене тези връзки с клиниката ще бъдат полезни за начинаещия медик.

1.7. 1. Митохондрийни болести

За първи път за митохондрийни болести се заговорва през 1962 год., когато за един тридесетгодишен пациент с обща слабост, изобилно потене, поднормено тегло въпреки изобилно поемане на храна и много висок базален метаболизъм (виж т. 19.2.13) е показано, че има дефект в механизма, който контролира използването на кислород в митохондриите (виж глава "Биоенергетика"). Оттогава са открити над 150 генетични дефекти, които са причина за дефекти в ензими, РНК, компоненти на дихателните вериги и мембранни транспортни системи в митохондриите [1-3]. Засегнатите гени могат да принадлежат както на митохондрийна, така и на ядрена ДНК. Първата болест, за която е установен дефект в митохондрийна ДНК , е наследствената оптична невропатия на Leber (внезапна слепота в ранна възраст). При много от заболяванията има увреждане на скелетните мускули и централната нервна система. Причина за увреждане на митохондрийната ДНК могат да бъдат свободни радикали (супероксид и други), които се образуват в митохондриите при метаболизма на аминокиселини и мастни киселини. Днес се приема, че митохондрийни увреждания може да допринасят в известна степен за възрастови дегенеративни болести като тези на Parkinson, на Alzheimer и кардиомиопатии. (В този курс на болестта на Паркинсон е посветена симулацията на клиничния случай "Димитър").

1.7. 2. Апоптоза

Апоптозата или програмираната клетъчна смърт е процес, при който клетки, които са изпълнили своята биологична функция, умират като с това допринасят полза за целия организъм. Апоптозата е важна през развитието на зародиша и на организма през целия му живот[4 - 6]. Различна е от некротичната смърт на клетката поради увреждане от радиация, недостиг на кислород (аноксия) и др. Протича в три фази: улавяне на инициационен сигнал, активиране на каскада от реакции, включващи белтъчни фактори, активиране на специфични ензими, разграждащи белтъци (протеази).

Специфични белтъци изпълняват ролята на инициационен сигнал, наричан сигнал на смъртта. Такъв например е факторът на туморната некроза (tumor necrosis factor или TNF). Сигналите на смъртта биват разпознавани от разположените в клетъчните мембрани високо специализирани рецептори, наречени рецептори на смъртта. Специфичността на сигналите и рецепторите определя кои клетки ще претърпят апоптоза. Рецепторите на смъртта са трансмембранни белтъци с вътреклетъчен домейн (участък), наречен домейн на смъртта. При свързване на рецептора с извънклетъчния сигнал, се активира домейнът на смъртта. Той се свързва със специфични белтъци и задвижва каскада от белтък-белтъчни взаимодействия. Активират се две протеази от семейството на каспазите - каспаза 8 и каспаза 9, които след това активират други каспази, а те активират високоспецифични клетъчни белтъци, което води до разрушаване на клетката. Каскадите се регулират от про- и анти-апоптични белтъци. Нарушения в баланса между тях може да доведе до преждевременна клетъчна смърт или до неконтролирано клетъчно делене.

Нарушения в пътищата на апоптоза са в основата на автоимунни, възпалителни, злокачествени и невродегенеративни и др. заболявания. Изясняване механизмите на апоптоза може да допринесе за лечението на тези заболявания.

1.7. 3. Подагра и лизозомни ензими

Подаграта е заболяване, при което се образува пикочна киселина в излишък. Клиничните признаци включват възпаление, болка, подуване и затопляне на някои стави, най-често на палеца на крака. Пикочната киселина се образува при катаболизма на пурини и нормално се изхвърля с урината. Разтворимостта на пикочната киселина е много ниска. При понишаване на концентрацията й в кръвта, тя започва да се отлага в ставите под форма на уратни иглести кристали. Кристалите се поемат от клетките на ставата чрез фагоцитоза и се натрупват в смилателни вакуоли, които се сливат с лизозоми [7 - 8]. Кристалите увреждат вакуолите, което води до освобождаване на лизозомни хидролитични ензими в цитозола. рН в лизозомите е около 5, а в цитозола над 7. Т.е. лизозомните ензими в цитозола са при неподходящо за тях рН, но въпреки това те все пак проявяват своята хидролитна активност. Това води до смилане (разграждане) на клетъчните компоненти, освобождаване на вещества от клетката и автолиза.

(За подагра виж също т. 4.2.10.1, 4.3.8.1, 4.4.6 и 9.5.1).

1.8. Насоки за самостоятелна работа

1. Използвайки уравнението на Henderson-Haselbalch

Screenshot035

изчислете съотношението на HPO42- / H2PO4- ( pKa = 6,7) при рН 5,7; 6,7 и 8,7.

Отговори: 1/10; 1/1; 100/1.

Решение:

pH = pKa + log ([HPO42-] / [H2PO4-])

 Screenshot036

2. В здрави хора буферните системи в кръвта поддържат рН около 7,4. Под рН 7,35 състоянието се означава като ацидоза. При рН около 7,0 последиците са сериозни, може да настъпи дори смърт. Затова при ацидоза, предизвикана от промени в метаболизма (метаболитна ацидоза) е важно в кръвта да се следи както рН, така и концентрациите на НСО3- и на СО2. Нормалните стойности за здрав човек са дадени в таблицата по-долу. рКa за [НСО3- ] / [СО2] е 6,1.

Използвайки уравнението на Henderson-Haselbalch изчислете концентрацията на кръвния бикарбонат в пациент с метаболитна ацидоза (рН = 7,1 и [CO2] = 0,8 mM.

Отговор: 8 mM

Решение:

pH = pK + log ([НСО3- ] / [СО2])

 Screenshot037

1.9. Литература

1. Chalmers, R. M. and A. H. V. Schapira (1999) Clinical, biochemical and molecular genetic features of Leber's hereditary optic neuropathy. Biochim. Biophys. Acta 1410, 147.

2. Wallace. D. C. (1997) Mitohondrial DNA in aging and disease. Sci. Am. 280, 40.

3. Wallace. D. C. (1999) Mitohondrial diseases in man and mouse. Science 283, 1482.

4. Randhawa, B. A. S. (2000) Apoptosis, Mol. pathol. 53, 55.

5. Konopleva, M., S. Zhao, Z. Xie, H. Segall, et al. (1999) Apoptosis. Molecules and mechanisms. Adv. Exp. Med. Biol. 457, 217.

6. Wei, M. C., W. Zong, E. H. Cheng, T. Lindsen et al. (2001) Proapoptoxic BAX and BAK: A requisite gateway to mitochondrial disfunction and death. Science 292, 727.

7. Weissman, G. (1974) Crystals, lysosomes and gout. Adv. Intern Med. 19, 239.

8. Burt, H. M., P. H. Kalkman and D. Mauldin (1983) Membranolytic effects of crystalline monosodium urate monohydrate. J. Rheumatol. 10, 443.

 

Bookmark and Share