Obsah
Dynamická biochemie
Hodně zjednodušeně řečeno je to nauka o dějích v živých organismech, tedy nauka o metabolismu. Hledá souvislost chemických reakcí s fyziologickými procesy. Zkoumá uspořádání biomolekul a organizaci biochemických dějů. Má velký význam pro medicínu, bioinženýrství a výživu.
Živočichy zpravidla dělíme podle příjmu uhlíku na autotrofy, kteří uhlík přijímají ve formě CO2 a na heterotrofy, kteří uhlík musí přijímat ve složitějších strukturách.
V dynamické biochemii se setkáváme se dvěmi základními metabolickými procesy, s katabolismem a anabolismem. Katabolické reakce jsou reakce rozkladné, dochází při nich k rozkladu složitějších molekul za vzniku molekul jednodušších, zpravidla při anabolismu dochází k redukci, při katabolismu k oxidaci. Dochází často k přeměně složité organické na jednoduchou anorganickou molekulu. Anabolické reakce jsou reakce syntetické. Dochází při nich k přeměně jednoduchých anorganických molekul složité organické. Látky, jako přenašeče vodíku, se vyskytují v každém druhu těchto chemických reakcí v odlišné formě, ale v rámci jednoho typu reakce se vyskytují vždy ty samé sloučeniny. Obě reakce jsou odlišné nejen funkčně ale i místně. Některé organické reakce mohou mít obojí charakter. Takovéto metabolické procesy se označují jako amfibolické dráhy. Takovýmto procesem je třeba Krebsův cyklus, kde dochází k odbourávání acetylkoenzymu A a zároveň poskytuje vstupní produkty pro syntézu aminokyselin, hemu a jiných sloučenin.
Znaky živých soustav
K základním znakům živých soustav patří jednotný chemický základ, tedy přítomnost stejných látek (prvků, sloučenin) v organismu. Dalším znakem je metabolismus, tedy chemická přeměna, návaznost biochemických dějů. Třetím znakem je látková výměna, kdy dochází k výměně energie i částic. Dalším znakem je nutnost dodávat energie, v rámci udržování uspořádanosti. Pátý znakem je katalýza dějů enzymy. Všechny organismy mají společné vodní prostředí, schopnost reprodukce, schopnost komunikace s okolím, adaptace a dráždivost. Jejich další vlastností je stálost vnitřního prostředí, tedy homeostáza a časově omezená existence. Závěrem lze snad jen podotknout, že se jedná o vysoce organizované systémy v dynamické rovnováze, kde jednotlivé procesy většinou na sebe navazují.
Chemické složení organismu
Prvky, které jsou v organismech přítomny, jsou velmi často i v zemské kůže. I jejich koncentrace je v procentuálním zastoupení podobná. Ve všech organismech je přítomno 28 z celkových 90 přírodních prvků. Tyto prvky, které tvoří organismy, se označují jako biogenní. Ty můžeme rozdělit na makro, oligo a mikrobiogenní prvky. Toto rozdělení je založeno na základě procentuálního zastoupení v organismech. Pro zdraví život organismů jsou důležité všechny biogenní prvky. Určuje se jejich koncentrace v sušině, což je zbytek těla po odstranění vody. Sušina obsahuje jak organické tak anorganické látky. Další možností je koncentrace v popelovině, což je zbytek po spálení těla. Spálením došlo k odstranění organických látek a obsahuje pouze anorganické látky. Makrobiogenní prvky jsou obsažené v koncentraci 0,1 až 50 % sušiny. Jsou to základní stavební prvky. Jsou to C, H, O, N, P. Dále se sem někdy řadí S a Ca, ale tyto dva jsou zároveň někdy řazeny k oligobiogenním prvkům. Mimo ně jsou za oligobiogenní prvky považovány Fe, K, Mg, Na, Cl. Mikrobiogenní prvky jsou v sušině obsaženy v koncentraci 0,01 až 0,001 %. Tyto prvky společně se stopovými prvky podmiňují funkci katalyzátorů a jsou to tyto: Zn, Mn, Cu, Mo, I, Co. Stopové prvky, neboli ultrabiogenní prvky jsou v sušině obsaženy v méně něž 0,001 %. Jsou to prvky: F, B, Br, Se, As, Ci, Al, Li, Ti, V, Ni a Au. Mikrobiogenní prvky jsou přítomné například v následujících příkladech. Jód je přítomen v hormonu tyroxinu. Zinek je přítomen v enzymu zvanému zinkové prsty. Ten chrání DNA před mutacemi. Z křemíku se tvoří schránky některých živočichů. Měď je součástí barviva hemocyaninu. Kobalt je ve vitamínu B12, jako centrální atom v porfirinovém jádře, hořčík se centrálním atomem v porfirinovém kruhu chlorofylu. Selen je přítomen jako aminokyseliny selenocystein a molybden je součástí enzymu nitrogenázy u hlízkových bakterií. Jiné rozdělení chemických látek v organismu je podle sloučenin, které se v nich vyskytují. Nejvýznamnější složkou je u všech organismů voda. V různých organismech se pochopitelně její koncentrace liší. V extrémních případech může dosahovat až 95 % jako u kmene Cnidaria, opakem jsou semena rostlin, která jsou téměř bezvodá, obsahují pouze 5 % vody. Procentuální zastoupení vody v lidském organismu je 65 %. Dalšími složkami organismu jsou proteiny a to zhruba ze 12 % a sacharidy 9 % s lipidy 8 %. Nukleové kyseliny a minerální látky se na složení organismu podílí z 3 %.
Voda
Z anorganických látek jsou v přírodních organismech následující důležité složky. Patří sem především voda a minerální soli jako Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+, Fe2+, Cl-, HCO3-, NO3-, H2PO4-, SO42-, I-. Výskyt vody v organismu je vázán na některé její vlastnosti. Mezi tyto její vlastnosti patří to, že je voda dobré a poměrně univerzální rozpouštědlo, voda je také dobré prostředí pro reakce. Voda je schopna při rozpouštění vytvářet okolo molekul tzv. solvatační, neboli hydratační obal. Její další vlastností je velká tepelná kapacita a povrchové napětí,, které umožňuje pohyb v kapilárách. Pro rostliny je voda zdrojem H pro redukce při fotosyntéze. Díky vodě tedy může dojít ke vzniku energie a to nejen při fotosyntéze. Hydrolýzou, tedy štěpením některých vazeb (např. esterových nebo glykosidických) může docházet k uvolnění energie. Procentuální zastoupení vody v organismu se mění s narůstajícím věkem a s postupujícím vývojem organismu. Šestitýdenní plod je téměř celý tvořen z vody, obsahuje jí 97 %. U novorozence se již procentuální zastoupení více podobá normálu, voda tvoří 76 % novorozence. Ve stáří se zastoupení vody redukuje, starci jsou tvořeny z pouhých 50 % vody. U dospělého může, který váží dejme tomu 70 kg, se v buňkách vyskytuje 28 litrů vody, dohromady tvoří 40% hmotnosti. Intracelulární voda tvoří 2/3 celkové vody v organismu. Zbytek vody je tvořen vodou extracelulární, která tedy tvoří 1/3 celkové vody v organismu. Dohromady dává asi 1/5 hmotnosti a je jí asi 14 litrů. Extracelulární voda u kojenců převládá. Zajímavé je, že muži mají více vody než ženy. Celkově tedy lidský organismus obsahuje cca. 65 % vody. Když budeme pozorovat hmotností zlomek vody z histologického hlediska, zjistíme, že nejvíce vody je obsaženo v krvi a to 83 %. Druhé nejvyšší zastoupení vody v organismu je v plících a to 79 %. Svaly mozek a kůže mají podobný obsah vody, konkrétně 75,6 %, 74,8 % a 72 %. Naopak nejméně vody je v kostře (22 %) a úplně nejméně vody je v tukové tkáni (10 %), což je logické, vzhledem k hydrofobnímu charakteru lipidů.
Oxid uhličitý, amoniak
Dalšími významnými anorganickými látkami v organismu je CO2 a NH3. Oxid uhličitý je výchozí i konečná látka základních metabolických drah. Výchozí látkou je pro fotosyntézu. Je to energeticky nejchudší sloučenina uhlíku. Jako konečný produkt se vyskytuje při oxidaci organických sloučenin ve vyšších živočiších. Amoniak je výchozí látkou pro biosyntézy, někdy může být uvolňován jako produkt látkových přeměn dusíku, a u vodních organismu může být vylučován jako odpadní produkt metabolismu dusíku. U suchozemských se amoniak mění na kyselinu močovou nebo močovinu. Amoniak mohou někteří autotrofové využívat k syntéze aminokyselin. Jelikož je vnitřní prostředí v organismu většinou vodné, vyskytuje se amoniak ve formě svého kationtu, NH4+.
Fyzikálně chemické procesy v biochemii
V organismu dochází k několika základním fyzikální procesům. Z nichž jsou nejdůležitější difuse, což je pohyb iontů, molekul ve směru koncentračního spádu, následkem čehož dochází k vyrovnání koncentrací. Mechanismem difúze probíhá i aktivní transport, třeba formou pumpy, která probíhá proti koncentračnímu spádu, za účasti enzymů. Tomuto membránovému přenosu je ale zapotřebí dodávat energii. Formou difůze je i tzv. usnadněná difúze, neboli usnadněný transport, který probíhá přes bílkovinný přenašeč, kterému se jinak říká kanál. Druhým důležitým mechanismem je osmosa. Při ní dochází k přechodu molekul rozpouštědla, a to z míst s nižší koncentrací do míst s koncentrací vyšší přes fosfolipidovou membránu. Tímto způsobem je uskutečňuje pohyb vody a dochází tedy i ke vzniku osmotického tlaku.