Hemijski sastav ćelije

Biogeni elementi

Hemijski elementi koji ulaze u sastav ćelija živih bića nazivaju se biogeni elementi. Od 92 prirodna elementa samo 6 elemenata – C, H, N, O, P i S – ulazi u sastav i čini oko 99% živog tkiva. Ovi elelmenti imaju određene povoljne osobine (kao što su mali i laki atomi, elektroni blizu nukleusa, sposobni da formiraju čvrste i stabilne veze) zbog kojih su tokom stvaranja života odabrani kao elementi koji će izgrađivati živu ćeliju. Gotovo svi se javljaju u sastavu jedinjenja.

Prema količini u kojoj su prisutni u ćeliji biogeni elementi se dele na makroelemente i mikroelelmente (grč. macro= mnogo; micro= malo,sitno). Makroelelmenti su O, H, C, N, Ca, S, P, K i među njima ima najviše onih koji se u prirodi obično nalaze u gasovitom stanju. Mikroelementi se nalaze u znatno manjim količinama od makroelemenata, ali je njihovo prisustvo u živim bićima neophodno za normalno odvijanje životnih procesa. Takvi su npr. Cu, J, Br, Mn, F i dr. Značaj svih tih po život važnih elemenatat najlakše je otkriti u slučaju kada ih u okolnoj sredini nedostaje ili se nalaze u izobilju. Tada u organizmu biljaka, životinja i čoveka nastaju promene koje se najčešće ispoljavaju u vidu deformacija ili nekih drugih nedostataka u građi tela.

Neorganska jedinjenja i elementi

Voda

Voda predstavlja najrasprostranjenije jedinjenje u organizmima i neophodan uslov za njihov opstanak. Voda je jedna od glavnih komponenti živih sistema, koja čini čak 50-95% težine ćelije. Osim u samoj ćeliji, voda se nalazi u međućelijskim prostorima i krvi životinja. Kod mladih listova, stabala i korenova voda čini 80-90% sveže mase, a kod sočnih plodova (krastavaca, lubenice, paradajza) čak preko 90%. Semena sadrže svega oko 10% vode, a ponekad samo 5% (seme kikirikija). U telu nekih nižih beskičmenjaka nalazimo preko 90% vode (kod dupljara, hidre na pr). Oko dve trećine, odnosno, oko 60% težine odraslog čoveka čini voda (kod embriona oko 80%).

Količina vode u ćelijama čoveka zavisi od:

• starosti (sa starošću ćelija opada i količina vode u njima),
• vrste tkiva (krvno tkivo ima veću količinu vode od npr. masnog tkiva);
• metaboličke aktivnosti ćelije (aktivnije ćelije imaju više vode),
• pola (žene imaju manje vode od muškaraca).

Da bi organizam čoveka ispravno funkcionisao potrebno mu je oko 10l vode dnevno. Dva litra dobija spolja: unese hranom i pićem, dok ostatak stvaraju sama tkiva. Voda koja nastaje u unutrašnjosti organizma pri kataboličkim procesima (procesi razgradnje složenih jedinjenja) naziva se endogena voda (lat. endo = unutra) ili metabolička voda. Sve životinje i biljke žive od vode koju uglavnom same stvaraju. Endogena voda se zatim razlaže u tkivima i koristi u različite svrhe.

Uloge i značaj vode su:

• Ona je univerzalni rastvarač što znači da se u njoj rastvara najveći broj materija. Materije rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilne ( vole vodu), a one koje se ne rastvaraju su hidrofobne (boje se vode).
• Pogodna je sredina za odvijanje svih biohemijskih reakcija tj. metabolizma. Metabolizam je ukupan promet materije i energije (o njemu će kasnije biti više reči). Sve hemijske reakcije se odvijaju u uskom rasponu pH, između 6 i 8 (izuzetak je varenje u želucu čoveka i životinja, koje se odvija pri pH oko 2). Čista voda ima pH=7 (neutralna je).
• Voda ima osobinu da se jonizuje – na H i OH jone. U čistoj vodi broj H+ jona je jednak broju jona OH-. Rastvor koji ima više jona H+ je kiseo, dok je rastvor sa više jona OH- bazan. Kiseli rastvor ima pH manji od 7, bazni iznad 7, dok je neutralan sa ph=7.
• Transportna uloga vode ogleda se u lakom prenošenju materija koje se u njoj rastvaraju (aminokiseline, šećeri, proteini) kroz samu ćeliju i iz jedne ćelije u drugu.
• Voda ima ulogu i u termoregulaciji (održavanju stalne telesne temperature kod ptica i sisara). Znojenjem se snižava telesna temperatura. Oko 1,5 l vode za 24 časa čovek izgubi preko znoja. Kao bezbojna tečnost, voda propušta vidljivi deo Sunčevog spektra, a apsorbuje deo infracrvenog zračenja, pa je stoga dobar toplotni izolator.
• Voda učestvuje u osmoregulaciji (održavanje stalnog osmotskog pritiska). Kada u ćelijama čoveka, a pre svega u krvi, dođe do gubitka vode povećava se osmotski pritisak (pritisak soli rastvorenih u vodi), jer se povećala koncentracija soli. Krv zgusnuta za 1%, koja kroz kapilare pritiče u mozak, izvodi iz ravnoteže nervne ćelije centra u hipotalamusu. Sledi nekoliko nervnih reakcija i onda osetimo žeđ.
• Biljke iz zemljišta korenom sve materije usvajaju rastvorene u vodi.

Zanimljivosti

Nedostatak joda u hrani i piću dovodi do poremećaja u radu štitaste žlezde kod čoveka, ona ne luči hormone za čiju je sintezu neophodan jod.

Oko dve trećine, odnosno, oko 60% težine odraslog čoveka čini voda, dok belenčevine čine oko 17%, masti oko 10%, ugljeni hidrati oko 1-2% i mineralne materije oko 5%.

Voda ima osobinu da se jonizuje  na H+ i OHˉ jone. U čistoj vodi broj vodonikovih jona je jednak broju OHˉ jona.

Rastvor koji ima više H+ jona  je kiseo, dok je rastvor sa više OHˉ  jona  bazan. Kiseli rastvor ima pH manji od 7, bazni iznad 7, dok je neutralan sa pH =7.

Dehidratacija (dehidracija) je nedostatak vode u organizmu.

Oko 1,5 l vode za 24 časa čovek izgubi preko znoja.

Krv zgusnuta za 1%, koja kroz kapilare pritiče u mozak, izvodi iz ravnoteže nervne ćelije centra u hipotalamusu.Sledi nekoliko nervnih reakcija i onda osetimo žeđ.

Neorganske soli

Neorganske soli su takođe veoma zastupljene u ćelijama, a njihovi katjoni i anjoni su neophodni za održavanje bioloških struktura (gradivna uloga) i biološku aktivnost jedinjenja (metabolička uloga). Najzastupljeniji katjoni su K+, Na+, Ca++, a među anjonima su to hloridi, karbonati, bikarbonati i fosfati. Na+ i K+ obezbeđuju polarizovanost membrana nervnih i mišićnih ćelija, a time i njihov normalan rad. Među anjonima najvažniji su fosfati jer predstavljaju osnovne oblike iz kojih se koristi energija (izgrađuju ATP – adenozintrifosfat). Karbonati i bikarbonati imaju ulogu pufera, odnosno, regulišu stalnost pH vrednost vodenog rastvora. (Pri padu pH vrednosi ispod 7 čovek može da živi samo nekoliko minuta.)

Mineralne materije organizam ne stvara sam , već ih unosi hranom. Radi razumevanja značaja ovih materija biće navedene uloge nekih najbitnijih:

• Fe (gvožđe) je veoma važan sastojak hemoglobina; nedostatak gvožđa u organizmu ometa normalno stvaranje crvenih krvnih zrnaca, što prouzrokuje malokrvnost – anemiju (mada za ovu bolest postoje i drugi uzroci)
• Ca i P grade kalcijum-fosfate koji su glavni sastojci kostiju
• S ulazi u sastav nekih aminokiselina
• Na, K i Cl učestvuju u osmoregulaciji
• F sprečava karijes zuba; Co je sastavni deo vitamina B12 itd.

Organska jedinjenja

Organska jedinjenja obavezno sadrže ugljenik (C) i njihovim razlaganjem se oslobađa manja ili veća količina energije (razlika u odnosu na neorganske materije). Razlikuju se 4 grupe ovih jedinjenja:

• ugljeni hidrati
• lipidi
• proteini
• nukleinske kiseline

Ugljeni hidrati (šećeri)

To su najrasprostranjenija jedinjenja u živom svetu. Prema stepenu složenosti dele se na:

• monosaharide,
• oligosaharide i
• polisaharide.

Monosaharidi (prosti šećeri) se hidrolizom ne mogu razložiti na prostija jedinjenja. Prema broju ugljenikovih atoma dele se na:

• trioze,
• tetroze,
• pentoze,
• heksoze itd.

Pentozama (sa 5C atoma) pripadaju:

• riboza (ulazi u sastav RNK) i
• dezoksiriboza (izgrađuje DNK).

U heksoze spadaju:

• glukoza (glikoza), koja je glavni izvor energije i osnovni transportni oblik šećera u organizmu kičmenjaka
• fruktoza i dr.

Oligosaharidi (grč.oligos = malo po broju, siromašno) su izgrađeni od 2-10 monosaharida. Najznačajniji su disaharidi (od 2 monosaharida) kojima pripadaju maltoza, laktoza i saharoza. Disaharidi, kao npr. saharoza služe kao transportni šećeri kod biljaka.

Polisaharidi su makromolekuli nastali povezivanjem velikog broja monosaharida u dugačke lance (mogu da sadrže na stotine i hiljade monosaharida). Prema biološkoj funkciji se dele na rezervne i strukturne polisaharide. Rezervni polisaharidi predstavljaju molekule u kojima se čuva (skladišti) hemijska energija. Najrasprostranjeniji rezervni polisaharidi su skrob (kod biljaka) i glikogen(kod životinja). Skrob i glikogen se sastoje od većeg broja molekula glukoze. Strukturni polisaharidi učestvuju u izgradnji ćelijskih delova. Među njima su najrasprostranjeniji: celuloza (glavni je sastojak ćelijskog zida biljaka), hitin (izgrađuje skelet zglavkara) i agar (sadrže ga alge).

Energetska uloga ugljenih hidrata i insulin

Glikogen se kod kičmenjaka (time i kod čoveka) skladišti u jetri i mišićima. Kada se u krvotoku pojavi višak glukoze, jetra od glukoze sintetiše glikogen (to je pod kontrolom insulina). Kada nivo glukoze u krvi padne, u jetri dolazi do razgradnje glikogena u glukozu, koja zatim prelazi u krvotok. Iz krvotoka glukoza prelazi u ćelije, što je pod kontrolom hormona insulina (luči ga pankreas). U ćelijama se razlaganjem glukoze oslobađa energija neophodna za njihov normalan rad. Kada oboli pankreas pa se insulin nedovoljno izlučuje, dolazi do nagomilavanja šećera u krvi, dok istovremeno ćelije gladuju, tj. nemaju dovoljno glukoze. Oboljenje nastalo usled toga je dijabetes (šećerna bolest) – smrtonosna bolest, ako se ne leči. Dijabetičari insulin ne uzimaju oralno (preko usta), pošto bi, kao protein, bio razložen u crevima.

Zanimljivi tekstovi

Mozak sa ukusom skroba

Lipidi (masti)

Lipidi su jedinjenja koja se ne rastvaraju u vodi. Sadrže mnogo više energije od ugljenih hidrata. Prema građi se mogu podeliti na proste i složene masti. Prosti lipidi se sastoje od tri molekula masnih kiselina i trohidroksilnog alkohola glicerola. Složeni lipidi pored glicerola i masnih kiselina sadrže još neku komponentu, kao što npr. fosfolipidi sadrže fosfatnu grupu.

• Uloge lipida

Energetska uloga lipida ogleda se u tome što se njihovima razlaganjem oslobađa velika količina energije. Skladište se u ćelijama masnog potkožnog tkiva, odakle se prema potrebi organizma mogu koristiti. Pod dejstvom hormona masne ćelije vrše hidrolizu (razlaganje) masti u slobodne masne kiseline. Masne kiseline prelaze u krv, a zatim u ćelije koje ih koriste kao izvor energije. Višak šećera u krvi se privremeno skladišti u obliku glikogena, a zatim se trajno čuva u obliku masti. Kada se energetske potrebe organizma ne mogu zadovoljiti hranom, prvo dolazi do razlaganja rezervi glikogena, a zatim se razlažu masti.

Gradivna uloga odnosi se na to što se deo masti koristi za izgradnju i obnovu ćelija i njenih delova. Najpoznatiji strukturni lipidi su:

• fosfolipidi koji grade ćelijske membrane;
• holesterol koji pripada steroidima (derivati masti) i takođe gradi ćelijske membrane (osim kod bakterija);
• voskovi koji obrazuju zaštitni sloj na koži, krznu, perju ili lišću i plodovima biljaka (najpoznatiji je pčelinji vosak od koga pčele prave saće).

Regulatornu ulogu imaju hormoni koji su steroidi. Steroidni hormoni čoveka su polni hormoni i hormoni kore nadbubrežne žlezde, dok su ostali hormoni uglavnom proteini.

Zaštitnu ulogu imaju masno tkivo koje okružuje bubrege i potkožni sloj masti koji predstavlja toplotni izolator.

Holesterol pripada steroidima. Proizvodi se u jetri pri čemu se višak zadržava u žuči, gde može izazvati obrazovanje žučnih kamenova. Kod starijih ljudi holesterol obrazuje masne naslage na unutrašnjim zidovima krvnih sudova, što izaziva njihovo sužavanje i začepljenje. Posledice toga mogu biti povišeni krvni pritisak, srčani i moždani udar.

Proteini (belančevine)

Aminokiselina

Proteini predstavljaju za žive sisteme najznačajnije organske molekule, o čemu, uostalom, govori i sam njihov naziv – grč. proteus, što znači prvi, najvažniji. Teško je izdvojiti neku funkciju u organizmu ili ćeliji, a da se ona odvija bez pomoći proteina.

Struktura proteina

Izgrađeni su od, najčešće, velikog broja aminokiselina koje se povezuju peptidnim vezama. Aminokiselina sadrži tri grupe:

• amino grupu,
• karboksilnu i
• bočnu grupu (radikal ili R-ostatak).

Amino i karboksilna grupa su iste za sve aminokiseline, dok se bočne grupe razlikuju kod različitih aminokiselina (specifične su za svaku amino kiselinu). Peptidna veza se obrazuje između dve aminokiseline tako što se amino grupa jedne aminokiseline i karboksilna grupa druge aminokiseline povežu uz izdvajanje molekula vode.

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline su nosioci naslednog materijala (gena). Naziv su dobile prema jedru (lat. nucleus) u kome su najviše zastupljene, mada ih ima i u citoplazmi. Postoje dve vrste ovih kiselina - DNK i RNK.

Dezoksiribonukleinska kiselina (DNK)

DNK je osnovni genetički materijal koji određuje strukturu proteina, i na taj način i osobine jedinke. Osnovna jedinica građe DNK je nukleotid, koji se sastoji od po jednog molekula dezoksiriboze, fosforne kiseline i azotne baze. Dezoksiriboza (šećer pentoza) i fosforna kiselina su isti u svim nukleotidima. Nukleotidi se međusobno razlikuju po azotnoj bazi koju sadrže.

Razlikuju se dve vrste azotnih baza:

• purinske (veće baze) u koje spadaju adenin (A) i guanin;
• pirimidinske (manje baze), kojima propadaju citozin (C) i timin (T).

Nukleotidi se međusobno povezuju gradeći polinukleotidni lanac. DNK se sastoji od dva polinukleotidna lanca koji su postavljeni paralelno jedan drugom. Lanci se povezuju vodoničnim vezama preko naspramnih baza koje su međusobno komplementarne (podudarne). Uvek se vežu jedna purinska (manja) i jedna pirimidinska (veća) baza i to uvek - adenin jednog lanca za timin drugog lanca (i obrnuto), odnosno, citozin jednog za guanin drugog lanca (i obrnuto). Oba polinukleotidna lanca su uvijena u vidu dvostruke spirale (vidi šemu). Ovaj model građe DNK su 1953. g. dali Votson i Krik i za to dobili Nobelovu nagradu.

Linearni delovi DNK su geni i oni sadrže uputstvo za sintezu proteina. Uputstvo je niz nukleotida koji određuje koje će se aminokiseline i po kom redosledu povezivati u polipeptidne lance. Sve ćelije jednog organizma sadrže istu DNK, odnosno iste gene.

DNK ima sposobnost samodupliranja ili replikacije (lat.replika = kopija). Replikacija je proces pri kome od jednog molekula DNK nastaju dva potpuno ista molekula DNK. Lanci DNK se prvo razdvoje tako što se pokidaju vodonične veze između njih. Zatim, svaki od roditeljskih lanaca služi kao kalup prema kome se stvara novi lanac DNK. Novi lanci se sintetišu po principu komplementarnosti – naspram adenina roditeljskog lanca postavlja se timin novog lanca, a naspram guanina – citozin (i obrnuto: naspam T-A i C-G) .

Ribonukleinska kiselina (RNK)

RNK se, kao i DNK, sastoji od međusobno povezanih nukleotida. Za razliku od DNK, RNK je izgrađena samo od jednog polinukleotidnog lanca. Nukleotid RNK se sastoji od šećera riboze, fosforne kiseline i azotne baze. Purinske baze u RNK su iste kao u DNK, dakle, adenin i guanin, a pirimidinske su citozin i uracil (umesto timina). Postoje tri vrste RNK: informaciona RNK (i-RNK), ribozomska RNK (r-RNK) i transportna RNK (t-RNK). Informaciona RNK sadrži uputstvo (informaciju) o sintezi proteina. Transportna RNK prenosi aminokiseline do ribozoma (organele u kojima se vrši sinteza proteina). Ribozomska RNK izgrađuje ribozome. U svim ćelijama jednog organizma su r-rNK iste, dok se i-RNK i t-RNK razlikuju.

Sve vrste RNK nastaju prepisivanjem sa gena u DNK. Taj proces se naziva transkripcija (lat. transkriptio= prepisivanje). Lanci DNK se razdvoje pa jedan od njih služi kao kalup prema kome se ređaju komplementarni nukleotidi RNK (prema adeninu iz DNK postavlja se uracil RNK, a prema guaninu DNK – citozin u RNK i obrnuto). Kada se prepiše ceo gen, novostvoreni lanac RNK se odvoji, a lanci DNK se spoje u dvostruku spiralu. Biosinteza proteina naziva se translacija (lat. translatio= prevođenje) jer se redosled nukleotida DNK (gena) preko i-RNK i t-RNK prevodi u redosled aminokiselina u proteinu. Uputstvo za sintezu proteina je zapisano u genima (DNK), pa se to uputstvo prvo prepiše na i-RNK, a zatim t-RNK to uputstvo sa i-RNK prevede u redosled aminokiselina u polipeptidnom lancu (proteinu).

Za više podataka pogledati nukleinske kiseline

Literatura

• Šerban, M, Nada: Ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001
• Grozdanović-Radovanović, Jelena: Citologija, ZUNS, Beograd, 2000
• Pantić, R, V: Biologija ćelije, Univerzitet u Beogradu, beograd, 1997
• Diklić, Vukosava, Kosanović, Marija, Dukić, Smiljka, Nikoliš, Jovanka: Biologija sa humanom genetikom, *Grafopan, Beograd, 2001
• Petrović, N, Đorđe: Osnovi enzimologije, ZUNS, Beograd, 1998.

Snežana Trifunović, dipl. biolog