Χημική σύσταση του κυττάρου

1 Χημική σύσταση του κυττάρου

Τα χημικά στοιχεία, που συμμετέχουν στη δομή των βιολογικών μορίων, συγκαταλέγονται στα στοιχεία που συνθέτουν τον φλοιό της γης. Όλοι οι οργανισμοί από τον πιο απλό μέχρι τον πιο σύνθετο αποτελούνται από τα ίδια είδη χημικών μορίων, πράγμα που υποδηλώνει την κοινή τους προέλευση. Από τα 108 στοιχεία της φύσης, που μας είναι γνωστά, εκείνα που αποτελούν συστατικά των κυττάρων είναι περίπου 20. 2

Στα κύτταρα έχουν βρεθεί μονό 6 στοιχεία σε μεγάλες ποσότητες: υδρογόνο (Η), οξυγόνο (Ο), άνθρακας (C), άζωτο (N), φώσφορος (P) και θείο (S). Τα στοιχεία αυτά συνδέονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς και συνθέτουν τις διάφορες χημικές ουσίες. Οι σχηματιζόμενες ενώσεις ορίζονται ως ανόργανες όταν δεν περιέχουν άνθρακα και οργανικές όταν περιέχουν άνθρακα. 3

Οι χημικές ενώσεις που συναντάμε στο κύτταρο ποικίλλουν. Υπάρχουν μόρια μικρού μοριακού βάρους όπως οξέα, βάσεις, άλατα και ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους τα μακρομόρια. Τα μακρομόρια είναι πολυμερή που αποτελούνται από μονομερή. Αυτά τα μακρομόρια είναι κοινά για όλα τα είδη κυττάρων και είναι τα νουκλεΐκά οξέα, οι πρωτεΐνες, οι πολυσακχαρίτες και τα λιπίδια. Τα αντίστοιχα μονομερή τους είναι τα νουκλεοτίδια, τα αμινοξέα, τα σάκχαρα και τα λιπαρά οξέα. 4

Οι χημικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων των μορίων και μεταξύ των μονομερών των μακρομορίων είναι ομοιοπολικοί ή ετεροπολικοί. Στους ομοιοπολικούς δεσμούς τα ηλεκτρόνια είναι ισότιμα διαμοιρασμένα ανάμεσα στα άτομα του μορίου ενώ στους ετεροπολικούς δεσμούς τα ηλεκτρόνια είναι ανισότιμα διαμοιρασμένα. Ένας τρίτος τύπος χημικού δεσμού που συναντάται στα βιολογικά συστήματα είναι ο δεσμός υδρογόνου και δημιουργείται μεταξύ ατόμων υδρογόνου και ατόμων οξυγόνου ή αζώτου διαφορετικών μορίων. Ενώ οι δεσμοί υδρογόνου σε σύγκριση με τους ομοιοπολικούς και ετεροπολικούς είναι ασθενείς, προσφέρουν σταθερότητα στα μακρομόρια και συμβάλουν μαζί με άλλους δεσμούς στην δημιουργία της δευτεροταγούς και τριτοταγούς δομής των βιομορίων (π.χ. πρωτεϊνών, DNA). Σε ορισμένα βιομόρια αναπτύσσονται επίσης δυνάμεις Van der Waals και υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Οι δεσμοί αυτοί όπως και οι δεσμοί υδρογόνου είναι ηλεκτροστατικής φύσεως, διαμοριακοί δεσμοί και αναπτύσσονται μεταξύ μορίων. Έτσι ενώ δεν συμμετέχουν στην συνένωση των ατόμων των μορίων, παίζουν σημαντικό ρόλο στην τελική διαμόρφωση των μακρομορίων. 5

Από τους δεσμούς που αναπτύσσονται οι ομοιοπολικοί είναι ισχυροί και υπεύθυνοι για τη δημιουργία των μακρομορίων ενώ οι μη ομοιοπολικοί είναι ασθενείς κι ευθύνονται για τη λειτουργικότητα και στερεοδομή των μακρομορίων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα ένζυμα. Η πλειονότητα των ενζύμων οφείλει τη διαμόρφωσή τους στο χώρο στους ασθενείς δεσμούς. Είναι δε γνωστό ότι η ειδική διαμόρφωση των ενζύμων είναι που τους προσδίδει την πολύ εξειδικευμένη λειτουργικότητα. Η ένωση του ενζύμου-υποστρώματος οφείλεται επίσης σε ασθενείς δεσμούς. 6

7 Η περιεκτικότητα του κυττάρου σε νερό (H 2 O) είναι ιδιαίτερα υψηλή και κυμαίνεται από 70% έως 90% κατά βάρος. Το νερό είναι το υγρό υπόστρωμα μέσα στο οποίο λαμβάνουν χώρα όλες οι βιοχημικές αντιδράσεις του κυττάρου και συμμετέχει σε όλες τις βιοχημικές δραστηριότητες του (π.χ. υδρόλυση μορίων κ.α.).

Τα μόρια του κυττάρου Οι χημικές ενώσεις οι οποίες συνθέτουν τα κύτταρα όλων των οργανισμών έχουν κοινή χημική σύσταση και μπορούν να χωριστούν σε κατηγορίες ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. Τα μικρότερα μόρια, τα οποία οι οργανισμοί παραλαμβάνουν από το περιβάλλον τους, έχουν μοριακό βάρος 16-44 και είναι το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα, η αμμωνία και το μεθάνιο. Από αυτές τις ενώσεις συνθέτονται στο κύτταρο τα επόμενα σε τάξη μεγέθους συστατικά με μοριακό βάρος 50-250 και είναι οι πεντόζες, το φωσφορικό οξύ, οι αζωτούχες βάσεις, τα α- κετονοξέα, το πυροσταφυλικό οξύ και το οξικό οξύ. 8

Οι δομικές μονάδες των βιομορίων (τα μονομερή με μοριακό βάρος 100-350) είναι όπως προαναφέρθηκε τα νουκλεοτίδια, τα αμινοξέα, οι μονοσακχαρίτες, τα λιπαρά οξέα και η γλυκερίνη. Τα μακρομόρια ή πολυμερή έχουν μοριακό βάρος 10 3 10 9 και είναι τα νουκλεΐκά οξέα, οι πρωτεΐνες, οι πολυσακχαρίτες και τα λιπίδια. Αυτά τα μακρομόρια δημιουργούν μεγαλύτερα συμπλέγματα μακρομορίων, όπως γλυκοπρωτεΐνες, νουκλεοπρωτεΐνες κ.α. Από το συνδυασμό των τελευταίων προκύπτουν τα οργανίδια του κυττάρου, τα οποία αποτελούν ανώτερα επίπεδα οργάνωσης μακρομορίων που συνθέτουν το κύτταρο. 9

Νουκλεϊκά οξέα (nucleic acids) και νουκλεοτίδια (nucleotides) Υπάρχουν δύο είδη νουκλεϊκών οξέων, το δεσοξυριβονουκλεϊκό (DNA, deoxyribonucleic acid) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA, ribonucleic acid). Οι δομικές μονάδες των νουκλεϊκών οξέων είναι τα νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια του DNA (δεσοξυριβονουκλεοτίδια) περιέχουν την πεντόζη δεσοξυριβόζη, ενώ τα νουκλεοτίδια του RNA (ριβονουκλεοτίδια) περιέχουν την πεντόζη ριβόζη. 10

Οι αζωτούχες βάσεις των νουκλεοτιδίων είναι η αδενίνη (Α), η γουανίνη (G), η θυμίνη (Τ), η κυτοσίνη (C) και η ουρακίλη (U). Οι αζωτούχες βάσεις αδενίνη και γουανίνη ανήκουν στις πουρίνες (αζωτούχες βάσεις με δύο ετεροκυκλικούς δακτυλίους). ενώ οι άλλες τρεις (θυμίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη) ανήκουν στις πυριμιδίνες (αζωτούχες βάσεις με έναν ετεροκυκλικό δακτύλιο) Η θυμίνη υπάρχει μόνο στο DNA και η ουρακίλη μόνο στο RNA. Οι άλλες τρεις βάσεις αδενίνη, γουανίνη κυτοσίνη είναι κοινές και για τα δύο είδη των νουκλεϊκών οξέων. Τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς και σχηματίζουν τις αλυσίδες των πολυνουκλεοτιδίων (κλώνους). 11

Το DNA αποτελείται από μία δίκλωνη αλυσίδα που σχηματίζει μία διπλή έλικα σε όλα τα κύτταρα. Εξαίρεση αποτελεί το DNA μερικών ιών που συναντάται υπό μορφή μονόκλωνου μορίου DNA. Οι δύο κλώνοι του DNA συγκρατούνται με δεσμούς υδρογόνου, που σχηματίζονται μεταξύ των αζωτούχων βάσεων. Δεσμοί υδρογόνου δημιουργούνται μόνο μεταξύ αδενίνης και θυμίνης, γουανίνης και κυτοσίνης και τέλος μεταξύ αδενίνης και ουρακίλης. Αυτά τα ζευγάρια Α-Τ, G-C και Α-U χαρακτηρίζονται συμπληρωματικά. Οι δεσμοί υδρογόνου σταθεροποιούν την χωροδιάταξη του μορίου. 14

BIOΛOΓIA TΩN MIKPOOPΓANIΣMΩN ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

Η δευτεροταγής δομή του DNA είναι μία διπλή έλικα. Για την ανακάλυψη της δευτεροταγούς δομής του DNA, της διπλής έλικας, τιμήθηκαν το 1962 με βραβείο Νόμπελ ο Αμερικάνος James Watson και ο Άγγλος φυσικός Francis Crick. Τα μόρια του DNA φέρουν όλες τις γενετικές πληροφορίες (το γενετικό υλικό) ενός κυττάρου. Το DNA βρίσκεται στο πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων υπό μορφή χρωματοσωμάτων και εν μέρει στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες, ενώ στα προκαρυωτικά κύτταρα βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. 17

Το RNA βρίσκεται ως μονόκλωνο μόριο μέσα στα κύτταρα, εκτός από τις περιπτώσεις κάποιων ιών οι οποίοι μπορούν να περιέχουν και δίκλωνο μόριο RNA. Στο μονόκλωνο μόριο του RNA σχηματίζονται επίσης δεσμοί υδρογόνου μεταξύ μερικών αζωτούχων βάσεων με αποτέλεσμα να σχηματίζει αναδιπλώσεις που του δίνουν την δευτεροταγή του δομή. Το RNA εμφανίζεται στο κύτταρο σε τρεις διαφορετικές μορφές, σαν αγγελιαφόρο RNA (mrna, messanger RNA), σαν μεταφορικό RNA (trna, transfer RNA) και σαν ριβοσωμικό (rrna, ribosomal RNA). Το mrna είναι μονόκλωνο συμπληρωματικό μόριο του DNA, περιέχει την γενετική πληροφορία και την μεταφέρει από το DNA στα ριβοσώματα όπου γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών. Το trna μεταφέρει στα ριβοσώματα τα αμινοξέα προκειμένου να χρησιμοποιηθούν στην σύνθεση των πρωτεϊνών. Είναι υπεύθυνο για την προσαρμογή της γενετικής πληροφορίας από τη γλώσσα των νουκλεοτιδίων στην γλώσσα των αμινοξέων. 19

Το rrna αποτελεί το σύστημα σύνθεσης των πρωτεϊνών στο κύτταρο. Τα μόρια του rrna συνδέονται με τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, που είναι το απαραίτητο σωματίδιο για την πρωτεϊνοσύνθεση. Οι διεργασίες που πραγματοποιούνται κατά τη σύνθεση νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών υπακούουν μ ένα πολύ ακριβή και καθορισμένο τρόπο στο κεντρικό δόγμα της βιολογίας : 20

Οι πρωτεΐνες παράγονται με βάση τις πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες στο DNA, διαμέσου του RNA. Το RNA βιοσυντίθεται επίσης από το DNA. Το DNA αυτοδιπλασιάζεται. Η αλληλουχία λοιπόν των δομικών λίθων των πρωτεϊνών είναι απόρροια της αλληλουχίας των δομικών λίθων του μηνύματος RNA (mrna) και αυτή με τη σειρά της είναι απόρροια της αλληλουχίας των δομικών λίθων του DNA. Άρα, στην αλληλουχία των δομικών λίθων των νουκλεϊκών οξέων εμπεριέχεται η πληροφορία για τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Για την ιδιότητα τους αυτή τα νουκλεϊκά οξέα χαρακτηρίζονται ως πληροφοριακά μακρομόρια. 21

Μία τέταρτη μορφή RNA εμφανίζεται μόνο στα ευκαρυωτικά κύτταρα και είναι το μικρό πυρηνικό RNA (snrna, small nuclear RNA). Τα μόρια του snrna είναι μικρά μόρια που συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά λειτουργούν σαν ένζυμα και καταλύουν την λεγόμενη «ωρίμανση» του ευκαρυωτικού mrna, που είναι η διαδικασία της αποκοπής των εσωνίων (introns) και συρραφής των εξωνίων (exons) στο mrna. 22

Το RNA βρίσκεται τόσο στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων όσο και στο κυτταρόπλασμα, στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες. 23 Σχηματική παράσταση πρωτοτογούς δομής ενός trna

Πρωτεΐνες και αμινοξέα Οι πρωτεΐνες είναι τα πιο διαδεδομένα μακρομόρια στο κύτταρο. Διακρίνονται σε δομικές και λειτουργικές πρωτεΐνες (π.χ. ενζυμικές, ορμονικές, συσταλτικές, αμυντικές, αποθηκευτικές κα). Αποτελούνται από αμινοξέα που είναι οι δομικές τους μονάδες. Στη φύση συναντώνται μόνο 20 διαφορετικά αμινοξέα, τα οποία συνδεόμενα σε διαφορετικούς συνδυασμούς σχηματίζουν έναν τεράστιο αριθμό πρωτεΐνικών μορίων. 24

25 Τα 20 αμινοξέα που απαντώνται στη φύση

Τα αμινοξέα έχουν δύο χαρακτηριστικές ομάδες στο μόριο τους, την αμινομάδα (-NH 2 ) και την καρβοξυλομάδα (-COOH) και εμφανίζουν αμφολυτικό χαρακτήρα, δηλαδή τόσο όξινο όσο και βασικό χαρακτήρα. Ανάλογα με το ph του υδάτινου διαλύματος μέσα στο οποίο βρίσκονται μπορούν να είναι σε ουδέτερη, θετικά ή αρνητικά φορτισμένη μορφή. Το διηλεκτρικό τους σημείο (pι) είναι εκείνη η τιμή του ph, όπου όλα τα μόρια ενός αμινοξέος βρίσκονται σε ουδέτερα φορτισμένη μορφή. 26 Δομή μορίου αμινοξέος & ένωση δύο αμινοξέων με πεπτιδικό δεσμό

Ο γενικός χημικός τύπος ενός αμινοξέος είναι NH 2 -CHR-COOH. Το R είναι οργανική ρίζα. Σε αυτή την περίπτωση παρατηρούνται δύο οπτικά ισομερή για κάθε αμινοξύ, το -D και το L. Έχει παρατηρηθεί, ότι όλα τα αμινοξέα που συναντώνται στις πρωτεΐνες, είναι L ισομερή. Αν το R είναι ένα άτομο υδρογόνου, τότε το αμινοξύ είναι η γλυκίνη, το μικρότερο αμινοξύ και στο μόριο του δεν παρατηρείται οπτική ισομέρεια. Τα αμινοξέα είναι δυνατόν να περιέχουν στη ρίζα R ομάδες όπως υδροξύλια ( OH), σουλφυδρύλια (-SH), φαινύλια (-C 6 H 5 ) ή και επιπλέον καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Ανάλογα με την πολικότητα της ρίζας R διακρίνονται σε αμινοξέα με μη πολικές ή υδρόφοβες ομάδες, σε αμινοξέα με πολικές μη ιονιζόμενες ομάδες και σε αμινοξέα με πολικές και ιονιζόμενες ομάδες. 27

Τα αμινοξέα συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς, που γίνονται με αντιδράσεις συμπύκνωσης μεταξύ της καρβοξυλομάδας και της αμινομάδας με ταυτόχρονη αφαίρεση μορίων νερού. Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες που δημιουργούνται απαρτίζουν τις πρωτεΐνες. Η αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα είναι η πρωτοταγής δομή μίας πρωτεΐνης. Η ελικοειδής ή πτυχωτή μορφή, που παίρνει η πολυπεπτιδική αλυσίδα μετά από αναδίπλωση της στον χώρο υπό την επίδραση δεσμών υδρογόνου μεταξύ των καρβοξυλομάδων και των αμινομάδων, λέγεται δευτεροταγής δομή. 28

Η περαιτέρω αναδίπλωση της ήδη αναδιπλωμένης πολυπεπτιδικής αλυσίδας στον χώρο, που δημιουργείται με χημικούς δεσμούς ανάμεσα στις πλευρικές ομάδες των αμινοξέων, λέγεται τριτοταγής δομή. Στην τριτοταγή δομή συμβάλλουν δεσμοί υδρογόνου, υδρόφοβοι, δυνάμεις Van der Waals και δισουλφιδικοί ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων του θείου των κυστεΐνών. Αν η πρωτεΐνη αποτελείται από περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες, ο συνδυασμός των επιμέρους πολυπεπτιδικών αλυσίδων σε ένα ενιαίο πρωτεΐνικό μόριο δίνει την τεταρτοταγή δομή σε μία πρωτεΐνη. Το τελικό σχήμα των πρωτεϊνών είναι σφαιρικό ή ινώδες. 29

Πολυσακχαρίτες και Υδατάνθρακες Οι ενώσεις που περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο σε μία αναλογία 1:2:1 (CH 2 O) x λέγονται υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες διακρίνονται σε απλά σάκχαρα ή μονοσακχαρίτες και σε διασπώμενα σάκχαρα ή πολυσακχαρίτες. Οι μονοσακχαρίτες είναι ενώσεις που περιέχουν πολλές υδροξυλομάδες και μία καρβονυλομάδα. Ανάλογα αν η καρβονυλομάδα είναι αλδεϋδομάδα ή κετονομάδα διακρίνονται σε αλδόζες ή κετόζες. Αποτελούνται από 3-6 άτομα άνθρακα και ονομάζονται αντίστοιχα σε τριόζες, τετρόζες, πεντόζες και εξόζες. Οι γνωστοί μονοσακχαρίτες είναι η τριόζη γλυκεριναλδεΰδη και διυδρόξυκετόνη, η πεντόζη ριβόζη και δεσοξυριβόζη και οι εξόζες γλυκόζη, φρουκτόζη και γαλακτόζη. 30

Οι μονοσακχαρίτες διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν γλυκιά γεύση. Συνδέονται με γλυκοζιτικούς δεσμούς με την απόσπαση μορίων νερού από υδροξυλικές ομάδες. Οι δεσμοί αυτοί υπάρχουν ως άλφα και βήτα μεταξύ του C 1 και του C 4 ή C 6 ατόμου του μορίου τους. 31 Ένωση δύο μονοσακχαριτών με γλυκοζιτικό δεσμό

Τα πολυμερή που δημιουργούνται, είναι οι ολιγοσακχαρίτες και οι πολυσακχαρίτες και είναι τα άνυδρα παράγωγα των μονοσακχαριτών, που μπορούν πάλι με υδρόλυση να διασπαστούν σε μονοσακχαρίτες. Αλφα-1,4-γλυκοζιτικό δεσμό έχει το γλυκογόνο και το άμυλο που είναι σημαντικά αποταμιευτικά υλικά των βακτηρίων, ενώ βήτα- 1,4- γλυκοζιτικό δεσμό έχει η κυτταρίνη που είναι το άκαμπτο υλικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυκών και ανωτέρων φυτών. Οι υδατάνθρακες έχουν ποικίλους ρόλους στο κύτταρο. Αποτελούν πηγή ενέργειας για το κύτταρο και είναι και δομικά υλικά για πολλά βιομόρια. Σε συνδυασμό με πρωτεΐνες και λιπίδια σχηματίζουν γλυκοπρωτεΐνες και γλυκολιπίδια. 33

Λιπίδια Τα λιπίδια αποτελούν είτε δομικά συστατικά των κυττάρων (π.χ. συστατικά των μεμβρανών) είτε μέσο αποθήκευσης χημικής ενέργειας. Τα λιπίδια είναι πρακτικά αδιάλυτα στο νερό. Διαλύονται εύκολα σε μη πολικούς διαλύτες (π.χ. βενζίνη, χλωροφόρμιο, αιθέρας). Στους μικροοργανισμούς συναντώνται δύο κατηγορίες λιπιδίων τα ουδέτερα λίπη (τριγλυκερίδια, απλά λιπίδια ) και τα σύνθετα λιπίδια όπως είναι τα φωσφολιπίδια, γλυκολιπίδια και οι λιποπρωτεΐνες. 34

Τα (ουδέτερα) λίπη είναι εστέρες, που σχηματίζονται από την σύνδεση τριών μορίων λιπαρών οξέων με ένα μόριο γλυκερίνης: Ανάλογα με τον αριθμό ακόρεστων δεσμών (C=C) τα λίπη διαχωρίζονται σε κορεσμένα (περιέχουν μόνο απλούς δεσμούς) και ακόρεστα (με διπλούς δεσμούς, π.χ. μονοακόρεστα ή πολυακόρεστα). 36

Τα σύνθετα λιπίδια αποτελούνται από ένα μόριο γλυκερόλης συνδεδεμένο με δύο μόρια λιπαρών οξέων και ένα άλλο μόριο (π.χ. φωσφορικό οξύ, πρωτεΐνη ή υδατάνθρακα). Τα φωσφολιπίδια αποτελούνται από ένα μόριο γλυκερόλης συνδεδεμένο με δύο μόρια λιπαρών οξέων, ένα μόριο φωσφορικού οξέος συνδεδεμένο με ένα μικρότερο πολικό μόριο. Κύριο χαρακτηριστικό των φωσφολιπιδίων είναι ότι η κεφαλή τους είναι υδρόφιλη ενώ η ουρά τους υδρόφοβη. Επομένως έχουμε συσσώρευση σε διεπιφάνειες με το υδρόφιλο μέρος μέσα στο νερό και τις υδρόφοβες ουρές να προβάλλουν έξω από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού. Μπορούν να δημιουργήσουν μία θερμοδυναμικά σταθερή δομή (διπλοστιβάδα) όπου τα μόρια προσεγγίζουν το ένα πολύ κοντά στο άλλο, ώστε το υδρόφοβο μέρος του φωσφολιπιδίου να μην έρχεται σε επαφή με το νερό (Εικόνα 14). Σημαντικό για την συγκρότηση και λειτουργικότητα της κυτταρικής μεμβράνης. 37