2.12 : Chemistry of the Cell

Komórka składa się chemicznie z wody, cząsteczek organicznych i jonów nieorganicznych.

Woda

Polarność cząsteczki wody i wynikające z niej wiązanie wodorowe sprawia, że woda jest wyjątkową substancją o specjalnych właściwościach, które są ściśle związane z procesami życia. Życie pierwotnie ewoluowało w środowisku wodnym, a większość chemii komórkowej i metabolizmu organizmu zachodzi w wodnej zawartości cytoplazmy komórki. Szczególnymi właściwościami wody są jej wysoka pojemność cieplna i ciepło parowania, zdolność do rozpuszczania cząsteczek polarnych, właściwości kohezyjne i adhezyjne oraz dysocjacja na jony, która prowadzi do podstawy pH. Zrozumienie tych cech wody pomaga wyjaśnić jej znaczenie w utrzymaniu życia.

Jedną z ważnych właściwości wody jest to, że jest to cząsteczka polarna: wodór i tlen w cząsteczkach wody (_H2O) tworzą polarne wiązania kowalencyjne. Chociaż cząsteczka wody nie ma ładunku netto, polaryzacja wody tworzy lekko dodatni ładunek wodoru i lekko ujemny ładunek tlenu, przyczyniając się do właściwości przyciągania wody. Woda generuje ładunki, ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż wodór, co zwiększa prawdopodobieństwo, że wspólny elektron znajdzie się w pobliżu jądra tlenu niż jądra wodoru, generując w ten sposób częściowy ładunek ujemny w pobliżu tlenu.

W wyniku polarności wody każda cząsteczka wody przyciąga inne cząsteczki wody z powodu przeciwnych ładunków między cząsteczkami wody, tworząc wiązania wodorowe. Woda przyciąga również lub jest przyciągana przez inne polarne cząsteczki i jony. Substancja polarna, która łatwo oddziałuje z wodą lub rozpuszcza się w niej, jest hydrofilowa. Natomiast cząsteczki niepolarne, takie jak oleje i tłuszcze, nie oddziałują dobrze z wodą. Te niepolarne związki są hydrofobowe.

Cząsteczki organiczne

Białka, węglowodany, kwasy nukleinowe i lipidy to cztery główne klasy makrocząsteczek biologicznych – dużych cząsteczek niezbędnych do życia, które są zbudowane z mniejszych cząsteczek organicznych. Makrocząsteczki składają się z pojedynczych jednostek, które naukowcy nazywają monomerami, które są połączone wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc większe polimery. Polimer jest czymś więcej niż sumą swoich części: nabiera nowych właściwości i prowadzi do ciśnienia osmotycznego, które jest znacznie niższe niż to, które tworzą jego składniki. Jest to ważna zaleta w utrzymaniu komórkowych warunków osmotycznych. Monomer łączy się z innym monomerem z uwalnianiem cząsteczki wody, co prowadzi do powstania wiązania kowalencyjnego. Naukowcy nazywają to reakcjami odwodnienia lub kondensacji. Kiedy polimery rozpadają się na mniejsze jednostki (monomery), używają cząsteczki wody dla każdego wiązania zerwanego w tych reakcjach. Takie reakcje są reakcjami hydrolizy. Reakcje odwadniania i hydrolizy są podobne dla wszystkich makrocząsteczek, ale każda reakcja monomeru i polimeru jest specyficzna dla swojej klasy. Reakcje odwadniania zazwyczaj wymagają inwestycji energii w tworzenie nowych wiązań, podczas gdy reakcje hydrolizy zazwyczaj uwalniają energię poprzez zrywanie wiązań.

Węglowodany Węglowodany to grupa makrocząsteczek, które są niezbędnym źródłem energii dla komórki i zapewniają wsparcie strukturalne komórkom roślinnym, grzybom i wszystkim stawonogom, w tym homarom, krabom, krewetkom, owadom i pająkom. Węglowodany można podzielić na cukrów prostych, disacharydy i polisacharydy. Magazynowanie glukozy w postaci polimerów, takich jak skrobia lub glikogen, sprawia, że jest ona nieco mniej dostępna dla metabolizmu; Zapobiega to jednak wyciekaniu z komórki lub wytwarzaniu wysokiego ciśnienia osmotycznego, które mogłoby spowodować pobieranie przez komórkę nadmiaru wody.

Białka Białka to klasa makrocząsteczek, które pełnią różnorodny zakres funkcji w komórce. Pomagają w metabolizmie, działając jako enzymy, nośniki lub hormony i zapewniają wsparcie strukturalne. Budulcem białek są aminokwasy.

Lipidy Lipidy to klasa makrocząsteczek, które mają charakter niepolarny i hydrofobowy. Główne rodzaje to tłuszcze i oleje, woski, fosfolipidy i sterydy. Tłuszcze są zmagazynowaną formą energii i są również znane jako triacyloglicerole lub trójglicerydy. Cholesterol jest rodzajem sterydu i jest ważnym składnikiem błony komórkowej, gdzie pomaga w utrzymaniu płynnej natury błony.

Kwasy nukleinowe Kwasy nukleinowe to cząsteczki złożone z nukleotydów, które kierują aktywnością komórkową, taką jak podział komórek i synteza białek. Istnieją dwa rodzaje kwasów nukleinowych: DNA i RNA. DNA przenosi plan genetyczny komórki i przekazuje go z rodziców na potomstwo. RNA bierze udział w syntezie białek i ich regulacji.

Jony nieorganiczne

Jony nieorganiczne stanowią mniej niż 1% masy komórki, ale mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania komórki. Te znajdujące się w komórce to sód, potas, magnez, wapń, fosforan i chlorek.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.