Chemie · Střední škola · kapitola 8

Biochemie

Biochemie spojuje chemii a biologii. Popisuje látky, ze kterých jsou živé organismy postavené, a tisíce reakcí, které v nich probíhají každou sekundu – přesně řízené enzymy a propojené do metabolických drah.

1Lipidy

Lipidy jsou estery mastných kyselin, nerozpustné ve vodě, rozpustné v nepolárních rozpouštědlech.

• Tuky a oleje (triacylglyceroly) – estery glycerolu se třemi mastnými kyselinami. Nasycené mastné kyseliny (palmitová C16, stearová C18) převažují v živočišných tucích (pevné), nenasycené (olejová, linolová, linolenová) v rostlinných olejích (kapalné). Esenciální jsou omega-3 a omega-6 kyseliny. Tuky jsou nejbohatší zásobou energie (asi 38 kJ/g).
• Fosfolipidy – hydrofilní hlavička s fosfátem a dva hydrofobní řetězce; tvoří dvojvrstvu biomembrán.
• Vosky – estery mastných kyselin a vyšších alkoholů (včelí vosk, kutikula listů).
• Steroidy (izoprenoidy) – cholesterol (membrány, prekurzor), žlučové kyseliny, steroidní hormony (testosteron, estradiol, kortizol), vitamin D.

2Sacharidy

Sacharidy jsou polyhydroxyaldehydy (aldózy) a polyhydroxyketony (ketózy) a jejich polymery, obecně (CH₂O)_n.

• Monosacharidy: glukóza (aldohexóza, hroznový cukr, hlavní zdroj energie), fruktóza (ketohexóza, ovocný cukr), galaktóza, ribóza a deoxyribóza (pentózy v RNA a DNA). V roztoku tvoří cyklické formy (α a β).
• Disacharidy – spojené glykosidovou vazbou: sacharóza (glukóza + fruktóza; řepný a třtinový cukr), laktóza (glukóza + galaktóza; mléčný cukr – nesnášenlivost laktózy), maltóza (2 glukózy; sladový cukr).
• Polysacharidy: škrob (zásoba rostlin; amylóza a amylopektin, α-vazby, s jodem modrý), glykogen (zásoba živočichů v játrech a svalech), celulóza (stavební, β-vazby – člověk ji neumí strávit, ale je důležitou vlákninou), chitin (houby, členovci).

Redukující sacharidy (s volnou aldehydovou skupinou – glukóza, maltóza) dávají kladnou reakci s Fehlingovým činidlem; sacharóza je neredukující.

3Aminokyseliny a bílkoviny

Bílkoviny tvoří 20 proteinogenních α-aminokyselin (obecně H₂N–CH(R)–COOH; liší se postranním řetězcem R). Asi 9 z nich je pro člověka esenciálních – musí je přijímat potravou. V roztoku tvoří amfionty (obojetné ionty), mají izoelektrický bod. Aminokyseliny se spojují peptidovou vazbou –CO–NH– za odštěpení vody.

Struktura: primární (sekvence), sekundární (α-helix, β-skládaný list – vodíkové vazby), terciární (prostorové uspořádání – disulfidické můstky, iontové a hydrofobní interakce), kvartérní (spojení podjednotek – hemoglobin). Denaturace (teplo, kyseliny, těžké kovy, alkohol) ničí prostorovou strukturu a s ní i funkci – vaření vejce.

Funkce: katalytická (enzymy), stavební (kolagen, keratin), transportní (hemoglobin, albumin), pohybová (aktin, myozin), obranná (protilátky), regulační (inzulin), zásobní (kasein, ovalbumin). Důkaz: biuretová reakce (fialové zbarvení), xantoproteinová reakce (žluté zbarvení s HNO₃).

4Nukleové kyseliny

Nukleotid = dusíkatá báze + pentóza + fosfát. Báze purinové (adenin, guanin) a pyrimidinové (cytosin, thymin v DNA, uracil v RNA). Nukleotidy jsou spojeny fosfodiesterovými vazbami. DNA – dvoušroubovice s komplementárními páry A–T a G–C, uchovává genetickou informaci; RNA – jednovláknová, mRNA, tRNA, rRNA, regulační RNA. Nukleotidy mají i další úlohy: ATP (energie), NAD⁺, FAD, koenzym A, cAMP (druhý posel).

5Enzymy

Enzymy jsou biokatalyzátory, většinou bílkoviny (výjimkou jsou katalytické RNA – ribozymy). Mnohé se skládají z bílkovinné části (apoenzym) a nebílkovinné složky – kofaktoru (ion kovu nebo organický koenzym, často odvozený od vitaminu B). Vyznačují se specifitou substrátovou i účinkovou.

Rychlost enzymové reakce závisí na koncentraci substrátu (nasycení – Michaelisova konstanta K_m), teplotě (optimum u lidských enzymů kolem 37 °C, nad 50–60 °C denaturace), pH (pepsin pH 2, trypsin pH 8) a na inhibitorech (kompetitivní soutěží se substrátem o aktivní místo, nekompetitivní se váží jinde). Názvy končí na -áza; dělí se do 6 tříd: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy, ligázy.

6Vitaminy a hormony

Vitaminy A, D, E, K jsou rozpustné v tucích (hrozí i předávkování), B a C ve vodě. Hormony chemicky: peptidové a bílkovinné (inzulin, glukagon, růstový hormon), steroidní (pohlavní hormony, kortizol), odvozené od aminokyselin (adrenalin, tyroxin).

7Přehled metabolismu

• Glykolýza (cytoplazma): glukóza → 2 pyruvát; zisk 2 ATP a 2 NADH. Za anaerobních podmínek pyruvát → laktát (svaly) nebo ethanol + CO₂ (kvasinky).
• Oxidační dekarboxylace: pyruvát → acetyl-CoA + CO₂. Acetyl-CoA je křižovatkou metabolismu – vzniká i z mastných kyselin (β-oxidace) a aminokyselin.
• Krebsův cyklus (citrátový cyklus) v matrix mitochondrie: acetyl-CoA + oxalacetát → citrát → … → oxalacetát; uvolní se 2 CO₂, vzniknou 3 NADH, 1 FADH₂ a 1 GTP na otočku.
• Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace: elektrony z NADH a FADH₂ přecházejí přes komplexy vnitřní mitochondriální membrány na O₂; protonový gradient pohání ATP-syntázu (chemiosmotická teorie, P. Mitchell). Celkem asi 30–32 ATP z glukózy.
• Fotosyntéza: světelná fáze (fotolýza vody, ATP, NADPH, O₂) a Calvinův cyklus (fixace CO₂ enzymem RuBisCO).
• Metabolismus tuků: lipolýza → glycerol + mastné kyseliny → β-oxidace na acetyl-CoA; syntéza mastných kyselin z acetyl-CoA. Při nedostatku glukózy vznikají ketolátky.
• Metabolismus bílkovin: aminokyseliny se deaminují; amoniak se v játrech přeměňuje v močovinovém (ornithinovém) cyklu na močovinu, která se vylučuje ledvinami.

Anabolické a katabolické dráhy jsou řízeny hormony (inzulin podporuje ukládání, glukagon a adrenalin uvolňování zásob) a zpětnovazebnou inhibicí enzymů.

8Kvíz – procvič si kapitolu