4/4/2013

1

STANIČNA HEMIJA STANIČNA HEMIJA

Uvod Uvod

Stanice su složene i raznolike tvorevine uz samoreplikaciju sposobne su obavljati uz samoreplikaciju sposobne su obavljati najrazličitije specijalizirane radnje u obliku hemijskih rekacija

Tipovi staničnih molekulaProteini kao biološki katalizatoriStvaranje i korištenje metaboličke energijeBiosinteza glavnih staničnih sastojakaStruktura bioloških membrana

2

4/4/2013

2

Molekularni sastav staniceMolekularni sastav staniceSmatra se da je oko 20 elemenata bitno za normalnoodržavanje strukture i funkcije organizma◦ (C, H, O, N,◦ P, S, Ca, Mg, K, Na),◦ u manjim količinama (Cl, Fe, Mn, Zn, I, Mo i Se).

Većina su satavni dio organskih i anorganskih spojevadok neki imaju važnu ulogu kao anioni i kationi.N ki li i di bi l ški č j ihNeki metali su sastavni dio biološki značajnihmolekula, kao što su klorofil (Mg), hemoglobin icitohromi (Fe).

3

U svakoj stanici se nalazi;

Molekularni sastav staniceMolekularni sastav stanice

U svakoj stanici se nalazi;◦ Voda (~70%)◦ Anorganskih joni (Na+, Ca 2+, Mg2+, HPO4

2-, Cl-, HCO3

- )◦ Organske molekule (ugljikohidrati, lipidi,

proteini i nukleinske kiseline)

4

4/4/2013

3

VODAVODA

5

VodaVodaMala molekulska težina – tečno stanje zahvaljujući posebnoj strukturi

l k lmolekula

Visoka specifična toplota – prima ogromnu količinu toplote uz malo povećanje temperatureVisok toplotni kapacitet –Visok toplotni kapacitet toplotni izolatorVisok površinski napon –kohezija, adhezija i kapilarnost

6

4/4/2013

4

VodaVodaKljučno svojstvo vode je njena polarnost koja jojomogućava stvarnje vodikove veze sa drugimg j gmolekulama vode i ostalim polarnim molekulamaprisutnim u stanici.Ključno svojstvo vode je njenapolarnost zbog parcijalnognegativnog naboja δ− nanegativnog naboja δ nakisikovom atomu i parcijalno

pozitivnog δ+ na vodikovom atomu.

7

VodaVoda

Ostvaruje veze i sa nabijenim jonimaOstvaruje veze i sa nabijenim jonima.

8

4/4/2013

5

VodaVodaVeza koja se stvara između dvije molekule vode –vodikova veza - ima oko 1/20 jačine kovalentne vezeVodikova veza je jača kada tri atoma leže u istoj liniji.

9

VodaVoda

10

4/4/2013

6

VodaVodaNeophodna je za funkciju proteina i provođenje procesa metabolizmap

Aktivno učestvuje u procesima metabolizma

Izvan stanice ima zadaću prijenosnog sredstva (krvotok)(krvotok)

11

VodaVodaRaspodjela vode - razlikujemo tri velika prostora◦ Intracelularni (obuhvata svutekućinu unutar stanica)◦ Ekstracelularni (obuhvata vodu u krvnoj plazmi i intersticijski ◦ Ekstracelularni (obuhvata vodu u krvnoj plazmi i intersticijski

prostor)◦ Transcelularni (obuhvata sadržaj probavnog trakta)

Bilanca vode ◦ U normalnom stanju organizam prima vodu u obliku

napitaka, kao sastavni dio hrane i vodu nastalu oksidacijama. ◦ Primitak vode se kompenzira izlučivanjem◦ Primitak vode se kompenzira izlučivanjemRegulacija se postiže kroz dva sustava,;◦ osjećaj žeđi ◦ aktivnost bubrega

12

4/4/2013

7

VodaVodaVoda ima višu tačku taljenja (mekšanja), višu tačku vrelišta, kao i veću toplotu isparavanja nego većina uobičajenih otapala

13

VodaVodaVodikove veze su odgovorne i za toplinska svojstva vodesvojstva vode◦ Količina energije koja je potrebna da se jedan

gram tekućine pretvori u paru; Voda 2260 J/gEtanol 841 J/gButan 362 J/g

◦ Visok toplinski kapacitet - Energija potrebna da se temperatura podigne za 1 stepen

Voda 4,183 J/gKZrak 1,003 J/gK

14

4/4/2013

8

VodaVoda

Pomoćno sredstvo za regulaciju temperatureVisokom specifičnom toplotom sprečava nagle promjene utemperaturi (isparavanje vode je najvažniji način odvođenja tolote).

Omogućava koloidno stanje protoplazmeOtapa produkte metabolizmaKako je većina tvari otopljena u Kako je većina tvari otopljena u vodi pomaže održavanju optimalnih osmotskih odnosa stanice i okoline

15

Mineralne materije Mineralne materije Fe - sastojak hemoglobinaCa i P - grade kalcijum-fosfate koji su glavniCa i P grade kalcijum fosfate koji su glavnisastojci kostijuS - ulazi u sastav nekih aminokiselinaNa, K i Cl - učestvuju u regulaciji osmotskog pritiska F sprečava karijes zuba;F - sprečava karijes zuba; Co - je sastavni dio vitamina B, K, A

16

4/4/2013

9

Organski spojeviOrganski spojeviVećina pripadaju jednoj od četiri velike grupe;◦ Ugljikohidrati, *g j◦ Proteini makromolekule (80-90%

suhe tvari)◦ Nukleinske kiseline◦ Lipidi,

Nepolarne molekule koje ne mogu stupiti u interakcijusa vodom su hidrofobne i međusobno se združuju pa nataj način igraju važnu ulogu u formiranju staničnihmembrana.

17

UGLJIKOHIDRATIUGLJIKOHIDRATI

18

4/4/2013

10

UgljikohidratiUgljikohidrati

Osnovna molekulska formula je (CH2O)n od koje i potiče naziv od koje i potiče naziv ◦ C = “ugljiko”, H2O =“hidrat”

Jednostavni šećeri imaju od 3 do 6 C atoma ◦ Trioze - 3C atoma ◦ Pentoze - 5C atoma◦ Heksoze - 6C atoma

19

Ugljikohidrati Ugljikohidrati Jednostavni šećeri – monosaharidi

glavna stanična hrana, razgradnja osigurava energiju

20

4/4/2013

11

Ugljikohidrati Ugljikohidrati Monosaharidi se mogu međusobno povezati glikozidnom vezom g

Povezivanje dvije molekuleglukoze u α konfiguracijiizmeđu atoma C1 i C4, ‐α (1 4) glikozidnom vezomKada se poveže nekolikomolekula šećera nastajuli i k ji i joligomeri koji se nazivaju

oligosaharidi, a kad se naovaj način poveže stotine ilihiljade molekula, nastajumakromolekularni polimeripolisaharidi.

21

UgljikohidratiUgljikohidrati

Oligosaharidi i polisaharidi pored toga štosu ćelijski oblici energetskih zaliha imajusu ćelijski oblici energetskih zaliha, imajukonstruktivnu ulogu, a važni su i učesnici ubrojnim informacijskim procesima.

Vezani su za proteine gdje imaju važnu ulogu uproteinskom usmjeravanju proteina pri transportu napovršinu ćelije ili za ugradbu u različite ćelijskep j g jorganele.Obilježavaju ćelijsku površinu, pa imaju važnu ulogu prićelijskom prepoznavanju i ćelijskim interakcijama utkivima višećelijskih organizama

22

4/4/2013

12

Ugljikohidrati Ugljikohidrati

Polisaharidi

◦ Glikogen (u životinjskim ćelijama) i škrob (u biljnimćelijama) su skladišni oblici ugljikohidrata, koji suizgrađeni isključivo od glukoze u α – konfiguraciji.

◦ Celuloza je glavni gradbeni sastojak ćelijske stjenke uj g g j j jbilju, izgrađena je od glukoze u β - konfiguraciji. Zarazliku od α(1-4), veza β(1-4) uvjetuje stvaranjeispruženih lanaca celuloze koji se bočno združuju ioblikuju vlakna velike mehaničke čvrstoće.

23

Glikogen i škrob izgrađeni su od glukoza povezanih α(1‐4), a celuloza β(1‐4) vezama.Glikogen i jedan oblik škroba (amilopektin) sadržavaju ponegdje α(1‐6) veze koje služe kaomjesto grananja pri povezivanju odvojenih α(1‐4) lanaca.

24

4/4/2013

13

LIPIDILIPIDI

25

Lipidi Lipidi

Uloga

◦ Osiguravaju važan oblik uskladištene energije◦ Glavni su sastojci ćelijskih membrana◦ Važni su u ćelijskoj signalizaciji

(kao steroidni hormoni ili kao signalne molekule koje prenose signal od receptora na ćelijskoj površini do odredišta unutar stanice)

26

4/4/2013

14

N jč šć l i d ž j Najčešće lanci sadržavaju 16 – 18 C atoma. Dugi lanci imaju samo nepolarne C-Hveze koje ne ulaze u interakciju s vodom.

Hidrofobnost je odgovorna za ponašanje kompleksnih lipida pri stvaranju bioloških membrana.

Masne kiseline (najjednostavniji lipidi)

27

LipidiLipidi

Masti ◦ Masne kiseline se pohranjuju u oblikuMasne kiseline se pohranjuju u obliku

triacilglicerola ili masti.Tracilgliceroli sadrže tri masnekiseline povezane s molekulomglicerola.

◦ Netopivi su u vodi pa se u citoplazmigomilaju kao masne nakupine.

◦ Masti su efikasniji oblik zalihe energijeod ugljikohidrata, što omogućavaskladištenje energiju u upola manjetjelesne mase.

28

4/4/2013

15

LipidiLipidi

Fosfolipidi (dvije masne kiseline p ( jvezane za jednu polarnu čeonu skupinu).Kod glicerola treći C atom vezanje za fosfatnu skupinu, koja čestomože biti vezana na neku malupolarnu molekulu kao što jekolin, serin, inozitol ili etanolamin.

29

LipidiLipidi

30

4/4/2013

16

Lipidi Lipidi Svi fosfolipidi imaju nepolarne “repove” koji sesastoje od dva ugljikovodonična lanca, jednehidrofilne čeone skupine koja sadrži fosfatnuskupinu i njene polarne “privjeske”.

Fosfolipidi su amfipatične molekule (imaju jedanpolaran, hidrofilni i drugi nepolaran hidrofobni kraj),št j ž j t k d b j bi l škihšto je važno svojstvo kod obrazovanja biološkihmembrana.

31

LipidiLipidiSfingomijelin jedini jeneglicerolni fosfolipidg pćelijskih membrana, sadržidva ugljikovodonična lanca,vezana na čeonu polarnuskupinu koja sadržifosfatnu skupinu

32

4/4/2013

17

LipidiLipidiStanične membrane sadrže i◦ glikolipide g p◦ holesterol

Glikolipidi se sastoje od dva ugljikovodonična lanca vezana na polarne čeone skupine koje sadrže ugljikohidrate koje sadrže ugljikohidrate To su amfipatične molekue slične fosfolipidima

33

LipidiLipidiKolesterol se sastoji od četiri ugljikovodoničnaprstena, koji su izrazito hidrofobni, ali je –OHp , j , jskupina, slabo hidrofilna, pa je i kolesterolamfipatičan.

34

4/4/2013

18

Lipidi Lipidi Steroidni hormoni djeluju kao signalne molekule unutar i između stanica◦ Npr. estrogen i testosteron su derivati kolesterola, imaju četiri ugljikovodonična prstena na kojima se nalaze različite funkcionalne grupe.

35

PROTEINI PROTEINI

36

4/4/2013

19

Proteini Proteini Ime potiče od grčke riječi πρϖτειου što znači prvo mjesto, prvi red.p j pNajraznolikija grupa makromolekulaDjeluju kao enzimi koji kataliziraju gotovo sve hemijske reakcije u biološkim sistemimaTo su konstruktivni dijelovi stanica i tkivaPrenose informacije između stanica (hormoni)Prenose informacije između stanica (hormoni)Prenose i pohranjuju male molekule (hemoglobin prenosi kisik)Osiguravaju odbranu od infekcija

37

Proteini Proteini To su polimeri koji su satavaljeni od dvadeset različitih aminokiselina

Specifična svojstva aminokiselinskih bočnih ogranaka određuju uloge svake aminokiseline u proteinskoj strukturi i funkciji

38

4/4/2013

20

ProteiniProteiniAminokiseline se mogu razvrstati u četiri vrste prema osobinama bočnih ogranaka◦ Nepolarne aminokiseline

39

ProteiniProteiniPolarne aminokiseline (imaju hidroksilnu ili amidnu grupu u bočnom lancu) Stvaraju hidrogenove veze s vodom i uglavnom susmještene na površini proteina

40

4/4/2013

21

ProteiniProteiniBazične aminokiseline (imaju nabijene bazne grupe u bočnom lancu, u stanici nose pozitivan naboj) Histidin može biti nenabijen ili pozitivno nabijen kod fiziološkog pH

41

ProteiniProteiniKisele aminokiseline (u bočnom ogranku imajukarboksilnu grupu, u stanici su pozitivno nabijene,izrazito su hidrofilne)

42

4/4/2013

22

ProteiniProteiniAminokiseline su međusobno povezane peptidnimvezama, karboksilna grupa jedne aminokiseline

d k lpovezana je sa aminogrupom druge aminokiseline.

Polipeptidi su dugi lancikoji sadrže stotine ilihiljade aminokiselina, kojiimaju dva različita krajaamino- , N-kraj ikarboksi- , C kraj.

43

Proteini Proteini Proteinska struktura se opisuje na četiri nivoa:◦ Primarna (redoslijed aminokiselina u lancu)( j )◦ Sekundarna (pravilni lokalni raspored

aminokiselina unutar određene regije)

◦ Tercijarna (uvijenost polipeptidnog lanca)◦ Kvaterna (interakcija između različitih

polipeptidnih lanaca)

44

4/4/2013

23

NUKLEINSKE KISELINENUKLEINSKE KISELINE

45

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineDNK – deoksiribonukleinska kiselina, ima jedinstvenu ulogu kao genetička tvar, smještena u jezgru kod eukariotskih stanica stanica. RNK – ribonukleinska kiselina, ima nekoliko tipova◦ mRNK – glasnička nosi informaciju od DNK do ribosoma

gdje služi kao kalup za sintezu proteina◦ Ribosomna RNK i transportna RNK – učestvuju u sintezi

proteina◦ Ostali tipovi RNK su uključeni u doradu i prenos ◦ Ostali tipovi RNK su uključeni u doradu i prenos

ribonukleinskih kiselina i proteina. Osim što djeluje kao informacijska molekula, može katalizirati neke reakcije.

46

4/4/2013

24

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineDNK i RNK su nukleotidni polimeri koji sadržavaju purinske i pirimidinske baze baze vezane za fosforilirane šećere.DNK sadrži dva purina (adenin i gvanin) i dva pirimidina (citozin i timin), RNK umjesto timina sadrži uracil.

47

Nukleinske kiselineNukleinske kiseline

Purinske i pirimidinske baze vezane su za fosforilirane pšećere, ribozu u RNK i 2´-deoksiribozu u DNK.

48

4/4/2013

25

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineBaza nukleinske kiseline vezana samo na šećer jenukleozid.Nukleotidi dodatno sadrže jednu ili više fosfatnihskupina vezanih na 5´-ugljik nukleozidnog šećera.

49

Nukleinske kiselineNukleinske kiselinePolimerizacija nukleotida podrazumjeva stvaranje f f di t kih i đ fosfodiestarskih veza između 5´-fosfata jednog nukleotida i 3´-hidroksila drugog nukleotida.

Nastali lanac je usmjerena molekula: jedan kraj završava 5´-fosfatnom skupinom 5 fosfatnom skupinom (5´-kraj), a drugi 3´-hidroksilnom skupinom (3´-kraj).

50

4/4/2013

26

Nukleinske kiselineNukleinske kiselinePolinukleotidi se uvijek sintetiziraju u smjeru od 5´ ka 3´, tako da se slobodni nukleotid dodaje na 3´-OH skupinu rastućeg lanca, pa se dogovorno smjer baza u DNK i RNK ispisuje u smjeru 5´prema 3´.

Informacija u DNK i RNK opisuje slijedom baza u polinukleotidu

51

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineDNK je dvostrukamolkeula koja se sastoji odj jdva suprotno usmjerenapolinukleotidna lanca.

Baze se nalaze naunutrašnjoj strani, paj j , pvodikove veze izmeđukomplementarnih parovabaza povezuju dva lanca.

52

4/4/2013

27

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineAdenin se sparuje s timinom, a gvanin s citozinom.

Jedan lanac može djelovati kao kalup koji usmjerava sintezu komplementarnog lancaNukleinske kiseline imaju jedinstvenu sposobnost samoreplikacije

53

Nukleinske kiselineNukleinske kiselineInformacijski sadržaj u DNK i RNK usmjeruje sintezu specifičnih proteina koji nadziru većinu p p jstaničnih aktivnosti.Nukleotidi imaju i druge uloge u staničnim procesima, npr:◦ Adenozin-5´-trifosfat ATP, je glavni oblik

hemijske energiju u stanicama.j g j◦ Ciklički adenozin monofosfat cAMP,

predstavlja važnu signalnu molekulu

54