Biochemija: vanduo, angliavandeniai ir lipidai

Biochemija – tai mokslas, tiriantis cheminius procesus gyvuose organizmuose. Tai – tiltas tarp biologijos ir chemijos, aiškinantis, kaip negyvos molekulės sąveikauja ir sukuria sudėtingą, dinamišką reiškinį, kurį vadiname gyvybe.

Visos gyvosios sistemos yra sudarytos iš tų pačių cheminių elementų, kuriuos randame ir negyvojoje gamtoje. Tačiau gyvybei būdinga ypatinga šių elementų organizacija. Apie 96% gyvų organizmų masės sudaro vos keturi elementai:

• Anglis (C)
• Vandenilis (H)
• Deguonis (O)
• Azotas (N)

Šie elementai jungiasi ir sudaro gyvybei svarbias molekules. Jas galima skirstyti į dvi pagrindines grupes:

1. Neorganinės molekulės: Paprastos sandaros, dažnai neturinčios anglies atomų (nors yra išimčių, pvz., CO₂). Svarbiausia gyvybei neorganinė molekulė yra vanduo (H₂O).
2. Organinės molekulės: Sudėtingos, anglies pagrindo molekulės, sudarančios ląstelių struktūras ir vykdančios gyvybines funkcijas. Trys pagrindinės organinių molekulių klasės yra angliavandeniai, lipidai ir baltymai (baltymus ir fermentus nagrinėsime kitoje temoje).

Šioje pamokoje detaliai išnagrinėsime vandens, angliavandenių ir lipidų struktūrą bei funkcijas.

Nors vanduo yra neorganinė molekulė, be jo gyvybė, kokią pažįstame, būtų neįmanoma. Vanduo sudaro apie 70–95% ląstelės masės. Jo unikalios savybės kyla iš molekulės poliškumo ir gebėjimo formuoti vandenilinius ryšius.

Vandens molekulės poliškumas

Vandens molekulėje (H₂O) deguonies atomas yra elektroneigiamesnis nei vandenilio atomai. Tai reiškia, kad jis stipriau traukia elektronus. Dėl to prie deguonies atomo susidaro dalinis neigiamas krūvis (δ-), o prie vandenilio atomų – daliniai teigiami krūviai (δ+). Tokia molekulė, turinti atskirus teigiamą ir neigiamą polius, vadinama poline molekule.

Vandeniliniai ryšiai

Dėl poliškumo vienos vandens molekulės teigiamas polius (H) yra traukiamas kitos molekulės neigiamo poliaus (O). Ši silpna traukos jėga tarp molekulių vadinama vandeniliniu ryšiu. Kiekviena vandens molekulė gali sudaryti iki keturių vandenilinių ryšių su gretimomis molekulėmis, suformuodama nuolat kintantį tinklą.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schema, vaizduojanti kelias vandens molekules. Aiškiai parodyti daliniai krūviai (δ+ ir δ-) ant atomų ir punktyrine linija pažymėti vandeniliniai ryšiai tarp molekulių.

Šios savybės lemia unikalias vandens funkcijas:

Angliavandeniai (sacharidai) – tai organinės molekulės, kurių bendroji formulė artima (CH₂O)n. Jie yra pagrindinis ląstelių energijos šaltinis ir svarbi struktūrinė medžiaga.

Monomerai ir polimerai

Angliavandeniai, kaip ir daugelis kitų organinių molekulių, yra sudaryti iš pasikartojančių vienetų. Pavienis vienetas vadinamas monomeru. Monomerai, susijungę į ilgą grandinę, sudaro polimerą. Šis procesas, kai iš monomerų susidaro polimeras, vadinamas polimerizacija, o reakcija – kondensacijos (dehidratacijos) reakcija, nes jos metu atskeliama vandens molekulė. Atvirkštinis procesas, kai polimeras skaidomas į monomerus, sunaudojant vandenį, vadinamas hidrolize.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Paprasta schema, iliustruojanti kondensacijos (du monomerai + H₂O atskėlimas -> dimeras) ir hidrolizės (dimeras + H₂O sunaudojimas -> du monomerai) reakcijas.

Angliavandenių klasifikacija

1. Monosacharidai (paprastieji cukrūs)

Tai angliavandenių monomerai. Svarbiausi yra heksozės (C₆H₁₂O₆):

• Gliukozė: Pagrindinis ir universalus energijos šaltinis visoms ląstelėms, ląstelinio kvėpavimo substratas.
• Fruktozė: Vaisių cukrus.
• Galaktozė: Pieno cukraus sudedamoji dalis.

2. Disacharidai

Sudaryti iš dviejų monosacharidų, sujungtų glikozidiniu ryšiu.

• Sacharozė (gliukozė + fruktozė): Valgomasis cukrus, pagrindinė transportinė forma augaluose.
• Laktozė (gliukozė + galaktozė): Pieno cukrus.
• Maltozė (gliukozė + gliukozė): Salado cukrus, susidaro skaidant krakmolą.

3. Polisacharidai

Tai polimerai, sudaryti iš daugybės monosacharidų grandinių. Jie atlieka kaupimo arba struktūrinę funkciją.

Lipidai – tai didelė ir įvairi organinių molekulių grupė, kurią vienija viena savybė – jie yra hidrofobiški (netirpūs vandenyje) dėl savo nepolinės prigimties. Jie atlieka daugybę svarbių funkcijų.

1. Trigliceridai (riebalai ir aliejai)

Tai labiausiai paplitę lipidai, sudaryti iš vienos glicerolio molekulės ir trijų riebalų rūgščių, sujungtų esteriniais ryšiais. Pagrindinė jų funkcija – ilgalaikis energijos kaupimas. Riebalai yra efektyvesnis energijos šaltinis nei angliavandeniai (1 g riebalų ≈ 9 kcal; 1 g angliavandenių ≈ 4 kcal). Jie taip pat atlieka termoizoliacinę funkciją ir apsaugo vidaus organus.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Triglicerido susidarymo schema (glicerolis + 3 riebalų rūgštys -> trigliceridas + 3 H₂O) ir sočiosios bei nesočiosios riebalų rūgščių struktūrų palyginimas.

2. Fosfolipidai

Jų struktūra panaši į trigliceridų, bet viena riebalų rūgštis yra pakeista fosfato grupe. Dėl to molekulė tampa amfipatinė:

• Hidrofilinė „galvutė“ (fosfato grupė) yra polinė ir linksta į vandenį.
• Hidrofobinės „uodegos“ (riebalų rūgštys) yra nepolinės ir vengia vandens.

Ši dvejopa prigimtis lemia jų pagrindinę funkciją – jie yra pagrindinis ląstelių membranų komponentas, vandens aplinkoje savaime susirenkantis į dvisluoksnį.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Fosfolipido molekulės struktūra, aiškiai pažymint hidrofilinę galvutę ir hidrofobines uodegas.

3. Steroidai

Tai lipidai, kurių struktūros pagrindą sudaro keturi sujungti anglies atomų žiedai. Svarbiausi steroidai:

• Cholesterolis: Gyvūnų ląstelių membranų komponentas, palaikantis jų takumą. Jis taip pat yra prekursorius (pradinė molekulė) kitų steroidų, pvz., lytinių hormonų (testosterono, estrogenų) ir vitamino D, sintezei.
• Lytiniai hormonai: Reguliuoja lytinių organų vystymąsi ir dauginimosi funkcijas.

Įtvirtinkime pagrindines žinias palyginamojoje lentelėje.