Chemické složení, makromolekuly, polymery
Chemické složení buňky
Živí tvorové jsou chemickými soustavami
Chemie jako obor je lidstvem studována dlouhá staletí a jen obtížně si cestu razilo poznání, že živé organismy jsou klasickými chemickými soustavami, v nichž platí klasické chemické a fyzikální zákony. Přestože byly podávány pádné důkazy o tom, že v živém organismu jsou obsaženy identické některé prvky, jako jsou v minerálech a v té době známých sloučeninách, byla snaha živé tvory od neživé přírody nějakým způsobem odlišovat. Ještě koncem 19. století bylo nezpochybnitelným tvrzení, že živočichové a rostliny obsahují nehmatatelnou životní sílu (vis vitalis), která je tvoří výjimečnými a odlišuje je tak od neživé hmoty.
Život má svá specifika
Přestože v živých organismech není z pohledu chemických a fyzikálních zákonitostí nic neobvyklého, chemie živého systému vykazuje v porovnání s běžným chápáním chemie určitá specifika. První zvláštností je mimořádná úloha uhlíku a jeho schopnost vzájemné vazby do různých struktur a řetězců. Za druhé je to určitý omezený počet prvků, které vytváří obrovské množství sloučenin s různými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, a které jsou základem živé buňky. Dalším specifikem je skutečnost, že prakticky veškeré chemické reakce, které v živém systému probíhají, se odehrávají ve vodném roztoku a především v relativně malém teplotním rozmezí (jak se zatím jeví, jedná se o zcela výjimečné podmínky, které matička Země nabízí).
Množství sloučenin, jejich obrovská rozmanitost, vzájemné interakce, posloupnost chemických procesů a schopnost určitého řízení probíhajících reakcí vytváří mimořádně složitý chemický systém, který přesahuje hranice i té nejbarvitější představivosti založené na klasickém pojetí chemie. Chemie i té nejjednodušší živé buňky je mnohonásobně složitější, než jakýkoliv klasický chemický systém.
Chemické reakce v živém systému jsou řízeny a regulovány složitými a obrovskými molekulami, které dokážou vzájemně „spolupracovat“ tak, že výsledným efektem je růst, rozmnožování a spousta dalších činností, které chápeme jako projevy života.
Molekuly živého organismu
Z pohledu biochemie je život postaven na poměrně malém počtu jednoduchých chemických sloučenin, které si buňky buď vyrábí samy, nebo je berou hotové z okolního prostředí. Prakticky se jedná o 20 základních aminokyselin, několik jednoduchých cukrů, kyselinu octovou, několik typů mastných kyselin lišících se v délce řetězce případně v začlenění násobné vazby, glycerol, 2 purinové a 3 pyrimidinové báze a kyselinu fosforečnou.
Kromě toho se ve všech organismech vyskytuje malé množství specifických sloučenin (především vitamíny) a k tomu omezený počet minerálních prvků (anorganické ionty).
Z malých molekul staví buňka obrovské makromolekuly
Všechny tyto jednoduché molekuly buňka využívá jako stavební bloky (monomery), které se navzájem spojují velice pevnou chemickou (kovalentní) vazbou v obrovské makromolekuly (polymery). Typická molekula bílkoviny obsahuje v řetězci od 100 do několika set aminokyselin, molekula deoxyribonukleové kyseliny bakterie Escherichia Coli obsahuje ve svém řetězci asi 4 x 106 párů nukleotidů a molekula škrobu obsahuje ve svém řetězci až několik miliónů molekul jednoduchých cukrů.
Vznikající řetězce zaujímají různé tvary, mohou být ve formě jednoduchých nerozvětvených řetězců připomínající nit s navléknutými korálky, jiné se mohou větvit. Jindy se molekuly polymerů různě zkrucují a jejich zkroucený tvar se stabilizuje vytvářením bočních chemických vazeb. Často k sobě řetězce polymerů přiléhají a vytváří obrovské komplexy, které jsou již v mikroskopu patrné jako vlákna, membrány apod.
Příroda využívá jen zlomek možného
Všechny makromolekuly, které si buňka vytváří, mají předurčenou svoji biologickou úlohu. Podle toho, k jakému účelu je vytvářena, má i určité fyzikální a chemické vlastnosti. Přestože je základních stavebních látek poměrně malý počet, vzájemnou kombinací může vzniknout nepředstavitelně obrovské množství různých variant a kombinací. Toto množství je tak obrovské, že pro vznik a reprodukci života stačí jen nepatrný zlomek z toho, co by mohlo být k dispozici.
Jen pro ilustraci je možné uvést několik zajímavých údajů. Předpokládejme průměrnou velikost (průměr) základních stavebních molekul (monomerů) asi 1 nm (ve skutečnosti je to necelý 1 nm, 1 m = 109 nm). Současně pro následující úvahu použijeme buňku bakterie Escherichia Coli, která vypadá jako váleček o délce asi 2 μm a průměru asi 0,8 μm. Tato jednoduchá živá buňka má tedy objem přibližně 1 μm3 (hrubé zaokrouhlení, ale pro zjednodušení dalších výpočtů uvažujme tuto hodnotu). U vytvářených polymerů závisí na pořadí monomerů, jak jsou za sebou v řetězci polymeru poskládány. Pokud bychom tedy dále uvažovali, že se v živé buňce bude vyskytovat jen 10 různých monomerů a tyto monomery budou vytvářet makromolekuly obsahující pouze 100 monomerů v řetězci, může teoreticky vzniknout 10100 různých kombinací. Každá takto vzniklá makromolekula bude zaujímat objem zhruba 100 nm3. Pokud bychom přepokládali, že bude v buňce každý typ zastoupen pouze jednou molekulou, vešlo by se do buňky bakterie Escherichia Coli zhruba 107 různých molekul, což je ve srovnání s číslem 10100 jako bychom chtěli srovnávat zrnko písku se sluneční soustavou.
Ve skutečnosti je v buňce přítomno mnohem více různých monomerů (než uvažovaných 10), navíc jsou různým způsobem chemicky modifikované (což dále zvyšuje jejich počet) a také vytvářené makromolekuly obsahují mnohem více monomerů ve svém řetězci, než předpokládaných 100. Počet možných kombinací se tak astronomicky zvyšuje. Lze tedy konstatovat, že příroda pro vznik a zachování života skutečně využívá jen některé (vývojem prověřené) kombinace.
Tvar makromolekul je pro život zásadní
Pro biologickou funkci je rozhodující tvar, který vytvořená makromolekula zaujme v prostoru a také schopnost jejího povrchu „spolupracovat“ se svým okolím. O tom, jak se makromolekula bude v prostoru formovat, rozhodují vlastnosti chemických vazeb, zejména jejich délka, polarita a úhly, které sousední vazby spolu svírají.
Živá buňka obsahuje poměrně málo prvků
I když periodická soustava prvků uvádí 112 popsaných prvků, v přírodě se přirozeně vyskytuje pouze 94. Avšak jen 85 prvků se vyskytuje v množství, které je detekovatelné klasickými analytickými metodami. Zbylých 9 se v přírodě vyskytuje ve zcela zanedbatelném množství.
V živých buňkách se však vyskytuje pouze zlomek tohoto počtu. Především se jedná o uhlík, vodík, kyslík a dusík. Tyto 4 prvky tvoří 96,5% veškeré hmoty živého organismu. Zbytek je tvořen sodíkem, hořčíkem, vápníkem, fosforem, sírou, chlórem a draslíkem. Živý organismus obsahuje ještě velmi malá množství (v součtu všech těchto prvků méně než 0,01 % hmotnosti těla) některých prvků, jako je železo, měď, molybden, zinek, mangan, selen a další. Jejich role v živém systému je zcela specifická a spočívá především v regulaci chemických reakcí a fyziologických procesů.
Související články
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.