CHEMICZNE PODSTAWY ŻYCIA

Związki nieorganiczne - substancje niezawierające atomów węgla (wyj. dwutlenek węgla, kwas węglowy i jego sole) np. woda, sole mineralne

Związki organiczne - substancje, których głównym składnikiem jest węgiel np. węglowodany, tłuszcze, białka, kwasy nukleinowe

Pierwiastki

• makroelementy (powyżej 0,01% zawartości w suchej masie)
• pierwiastki biogenne (wchodzą w skład związków organicznych budujących wszystkie organizmy) - C, H, O, N, S, P
• C, H, O, N - niedobór w sytuacjach skrajnego głodu lub odwodnienia; składniki wszystkich związków organicznych budujących organizmy
• siarka (S) - składnik aminokwasów budujących białka, umożliwia tworzenie wiązań (mostków disiarczkowych - utrzymanie struktury przestrzennej białek)
• fosfor (P) - w kwasach nukleinowych i lipidach stanowiących budulec błon komórkowych (fosfolipidy), składnik wysokoenergetycznych związków np. ATP, reguluje procesy przemiany materii i energii, buduje kości
• pozostałe : Ca, Mg, K, Na, Cl
• wapń (Ca) - składnik szkieletów, wpływa na skurcze mięśni, bierze udział w krzepnięciu krwi
• magnez (Mg) - składnik kości, aktywator licznych enzymów, niezbędny do uzyskiwania energii z ATP, składnik chlorofilu
• potas (K) - udział w przewodzeniu impulsów nerwowych, u zwierząt składnik płynów ustrojowych, wpływa na skurcze mięśni, u roślin aktywator enzymów
• sód (Na) - udział w przewodzeniu impulsów nerwowych, u zwierząt ważny składnik płynów ustrojowych
• mikroelementy (poniżej 0,01% zawartości w suchej masie) - Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Se, Cr, I, F
• żelazo (Fe) - składnik białek złożonych, transportujących (hemoglobina), magazynujących (mioglobina) tlen, wchodzi w skład wielu enzymów biorących udział w fotosyntezie i oddychaniu tlenowym
• jod (I) - składnik hormonów tarczycy 

Wiązania i oddziaływania chemiczne

• wiązanie kowalencyjne (atomowe) - silne wiązanie powstające przez uwspólnienie jednej lub kilku par elektronów należących do różnych atomów
• niespolaryzowane - wiązanie, w którym rozmieszczenie wspólnej pary elektronów jest równomierne 
• spolaryzowane - wiązanie, w którym wspólna para elektronów jest przesunięta w kierunku jednego z atomów tworzących wiązanie. Cząsteczka związku chemicznego zyskuje wtedy charakter dwubiegunowy - staje się DIPOLEM. 
• wiązanie jonowe - powstaje w wyniku przyciągania różnoimiennych jonów. Nie występują w komórce ze względu na panujące w niej środowisko wodne. 
• wiązanie wodorowe - powstają między atomem wodoru a atomem fosforu, tlenu lub azotu. Pojedyncze wiązania są słabe, ale występując w dużej liczbie decydują np. o wysokiej temperaturze topnienie i wrzenia, dużym cieple właściwym i dużym napięciu powierzchniowym wody. 
• siły van der Waalsa - słabe oddziaływania międzycząsteczkowe
• oddziaływania hydrofobowe - słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, powstają gdy w wodnym środowisku znajdują się cząsteczki niedipolowe, niepolarne

Woda

• w temperaturze pokojowej jest cieczą - zapewnia płynne środowisko wewnątrz komórek; stanowi środowisko życia wodnych organizmów
• jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem - stanowi środowisko reakcji chemicznych zachodzących w komórkach; jest główną substancją transportującą w organizmach
• ma duże napięcie powierzchniowe (<-kohezja) - tworzy na granicy z powietrzem warstwę umożliwiając utrzymywanie na jej powierzchni małych organizmów
• w stanie stałym (lód) ma mniejszą gęstość niż w stanie ciekłym - lód tworzący się na powierzchni chroni wodę pod nim przed zamarzaniem umożliwiając organizmom wodnym przetrwanie zimy
• ma zdolność adhezji - cząsteczki wody przylegają do powierzchni polarnych, dzięki czemu poziom wody w kapilarach może się podnosić wbrew sile grawitacji
• ma wysokie ciepło parowania - rola w termoregulacji organizmu np. ochładzaniu (pocenie/transpiracja)
• duże ciepło właściwe - ogranicza wahania temperatur w dużych zbiornikach wodnych = stabilne warunki życia organizmów 
• bezbarwna i przezroczysta - zapewnia przenikanie światła słonecznego = fotosynteza u roślin wodnych
• większa gęstość niż powietrza - utrzymywanie się w niej dużych organizmów
• mała ściśliwość - utrzymuje turgor w komórce

Węglowodany

• MONOSACHARYDY - cukry proste; zawierają od 3 do 7 atomów węgla; każdy cukier posiada kilka grup hydroksylowych i jedną karbonylową: 
• aldehydową (aldozy) 
• heksozy: glukoza, mannoza, galaktoza
• pentozy: ryboza, deoksyryboza (składniki kwasów nukleinowych)
• triozy: aldehydfosfoglicerynowy (PGAL)
• ketonową (ketozy)
• fruktoza
• fosfodihydroksyaceton
• Cukry proste tworzą pierścienie - między grupą karbonylową, a grupą hydroksylową przy ostatnim asymetrycznym atomie węgla tworzy się mostek tlenowy. 
• w środowisku zasadowym wykazują właściwości redukujące - ulegają utlenieniu w reakcjach
• Tollensa
• Trommera
• Fehlinga
• DISACHARYDY - powstają z połączenia (kondensacji) dwóch cząsteczek cukrów prostych
• sacharoza (glukoza + fruktoza)
• laktoza (glukoza + galaktoza)
• maltoza (glukoza + glukoza)
• OLIGOSACHARYDY - zbudowane z 3-10 łańcuchów
• POLISACHARYDY - wielocukry, glikany; powstają w wyniku polikondensacji monosacharydów łączącyh się wiązaniami O-glikozydowymi; w odróżnieniu od innych cukrów - NIEROZPUSZCZALNE W WODZIE => mogą pełnić funkcje zapasowe
• skrobia - z amylozy i amylopektyny - materiał zapasowy u roślin
• glikogen - materiał zapasowy u zwierząt i grzybów
• celuloza - główny składnik ścian komórkowych roślin
• chityna - główny składnik ścian komórkowych grzybów

Lipidy

• niepolarne - nie rozpuszczają się w wodzie; dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych np. benzenie
• gęstość mniejsza od wody - utrzymują się na jej powierzchni
• kryteria podziałów:
• ze względu na konsystencję w temperaturze pokojowej:
• stałe (smalec, masło)
• ciekłe (olej, tran)
• ze względu na pochodzenie:
• roślinne (oleje)
• zwierzęce (masło, smalec) - zwykle stała konsystencja, ponieważ zawierają głównie nasycone ( bez wiązań podwójnych ) kwasy tłuszczowe 
• ze względu na budowę cząsteczki
• PROSTE (alkohol + wyższe kwasy tłuszczowe)
• tłuszcze właściwe (glicerol + kwasy tłuszczowe) - materiał zapasowy i termoizolacyjny
• woski (alkohol z jedną grupą hydroksylową + kwas tłuszczowy) - ochrona przed parowaniem u roślin i przemakaniem u zwierząt
• ZŁOŻONE (alkohol + wyższe kwasy tłuszczowe + inne związki chemiczne)
• fosfolipidy (alkohol + kwasy tłuszczowe + reszta kwasu fosforowego) - składniki budulcowe błon biologicznych; mają hydrofilowo-hydrofobowy charakter
• glikolipidy (alkohol + kwasy tłuszczowe + cukry) - składniki budulcowe błon biologicznych
• IZOPRENOWE (produkty polimeryzacji izoprenu)
• steroidy (np. cholesterol) - składnik błon komórek zwierzęcych, substrat do syntezy hormonów sterydowych i kwasów żółciowych
• karotenoidy (np. barwniki nadające barwę kwiatom i owocom biorące udział w fotosyntezie)

Białka

Aminokwas - podstawowa jednostka budulcowa białek; sklada się z centralnie usytuowanego atomu węgla połączonego wiązaniami kowalencyjnymi z grupą aminową, karboksylową, wodorem i charakterystycznym dla danego aminokwasu podstawnikiem (R), który może mieć charakter łańcucha lub pierścienia. 

Cząsteczki aminokwasów (z wyjątkiem glicyny) są asymetryczne - występują w dwóch formach przestrzennych będących swoimi lustrzanymi odbiciami tzw. izomery optyczne L i D. W skład białek wchodzą tylko L-aminokwasy. 

W roztworach aminokwasy występują w formie:

• jonu obojnaczego - zjonizowane grupy karboksylowa i amionowa
• anionu - zjonizowana grupa karboksylowa
• kationu - zjonizowana grupa aminowa

O tym, która z form dominuje decyduje odczyn roztworu. Ze względu na charakter podstawników aminokwasy można podzielić na kwasowe (kwas asparaginowy, kwas glutaminowy), zasadowe ( lizyna, arginina, histydyna) i obojętne (polarne - aspargina, glutamina, seryna, treonina, tyrozyna i niepolarne - alanina, glicyna, walina, leucyna, izoleucyna, cysteina, prolina, fenyloalanina, metionina, tryptofan)

Białka są zbudowane z aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. W zależności od liczby aminokwasów w łańcuchu wyróżnia się oligopeptydy (wazopresyna,oksytocyna), polipeptydy (insulina), makropeptydy (albumina).

Właściwości białek:

• w większości rozpuszczając się w wodzie tworząc koloidy - mieszaniny, w której jedna substancja jest rozproszona w drugiej (zol) po dodaniu np. NaCl zachodzi koagulacja białka - z zolu powstaje żel - proces odwracalny
• ulegają denaturacji pod wpływem wysokiej temperatury, promieniowania UV, czynników chemicznych (stężonych kwasów, zasad, kationów metali ciężkich, fenolu, chloroformu), skutkiem czego jest zerwanie stabilizujących strukturę przestrzenną bialek

Struktura białek:

• struktura pierwszorzędowa - wyznaczana przez kolejność aminokwasów w łańcuchu peptydowym
• struktura drugorzędowa - stanowią ją łańcuchy polipeptydowe tworzące strukturę alfa-helisy (prawoskrętne zwinięcie łańcucha polipeptydowego) i beta-harmonijki (położenie łańcucha polipeptydowego na plaszczyźnie). Powstaje na skutek wytworzenia wiązań wodorowych między grupą aminową a karboksylową innego wiązania peptydowego
• struktura trzeciorzędowa - powstaje w wyniku pofałdowania łańcucha o strukturze drugorzędowej i określa kształt białka. Jest stabilizowana przez różne rodzaje wiązań: wodorowe, mostki dwusiarczkowe etc.
• struktura czwartorzędowa - najwyższy poziom organizacji, powstaje na skutek polączenia kilku podjednostek o strukturze trzeciorzędowej np. hemoglobina

PODZIAŁ BIAŁEK:

• podział ze względu na pełnione funkcje biologiczne:
• strukturalne - utrzymują kształt komórek (tubulina) i struktur pozakomórkowych (kolagen)
• enzymatyczne - przyśpieszają przebieg reakcji chemicznych (pepsyna)
• odpowiedzialne za przekazywanie informacji pomiędzy komórkami i w obrębie komórki (hormony białkowe np. insulina)
• magazynujące substancje (np. mioglobina)
• odpowiedzialne za ruch komórki (aktyna)
• transportujące substancje w obrębie organizmu (hemoglobina)
• odpornościowe - uczestniczą w reakcjach obronnych organizmu
• zapasowe - występują głównie w nasionach, stanowią rezerwę substancji odżywczych 
• podział ze względu na strukturę:
• fibrylarne - długie, włókniste cząsteczki, nierozpuszczalne w wodzie, pełnią funkcje strukturalną (np. keratyna, kolagen)
• globularne - cząsteczki kuliste, zwykle rozpuszczalne w wodzie:
• albuminy - składnik osocza
• globuliny - białka odpornościowe, transport hormonów sterydowych
• histony - składnik chromatyny
• podział ze względu na obecność elementów nieaminokwasowych:
• proste (zbudowane wyłącznie z aminokwasów)
• złożone (aminokwas + część niebiałkowa)
• glikoproteiny (aminokwas + cukier) np. antygen grup krwi
• fosfoproteiny (aminokwas + reszta fosforanowa) np. kazeina
• lipoproteiny (aminokwas + tłuszcze) np. LDL, HDL
• metaloproteiny (aminokwas + atomy metalu) np. ferrytyna (magazynuje żelazo w wątrobie)
• hemoproteiny (aminokwas + barwniki) np. hemoglobina transportująca tlen i dwutlenek węgla we krwi
• nukleoproteiny (aminokwas + kwas nukleinowy) 

Kwasy nukleinowe

W komórkach występują dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). Podstawową jednostką ich budowy jest nukleotyd, składający się z:

• jednej z organicznych zasad azotowych: adeniny, guaniny, cytozyny oraz tyminy (DNA) lub uracylu (RNA)
• cukru pięciowęglowego - deoksyrybozy lub rybozy
• reszty kwasu fosforowego (V)

Nukleotydy łączą się ze sobą za pomocą wiązania fosfodiestrowego. 

Budowa przestrzenna DNA -> struktura podwójnej helisy utrzymująca się dzięki wiązaniom wodorowym między komplementarnymi (A--T; C---G) zasadami azotowymi

W komórkach prokariotycznych DNA ma zwykle postać kulistego genoforu oraz niewielkich plazmidów. W eukariotycznej występuje głównie w jądrze komórkowym, oraz w małych ilościach w mitochondriach i chloroplastach.

Rodzaje RNA:

1. mRNA - informacyjny, przenosi informacje genetyczną z jądra do miejsca syntezy białka w cytoplazmie
2. rRNA - rybosomowy, buduje rybosomy, katalizuje niektóre reakcje
3. tRNA - transportujący - transportuje aminokwasy na rybosomy, gdzie odbywa się synteza białek