-1-

1. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -1- CH / III -2- 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE Svojou zložitou štruktúrou túto premenu nielen urýchľujú, ale súčasne aj orientujú určitým smerom v súlade s požiadavkami organizmu. Osobitosťou živých sústav je, že reakcie látkovej premeny sú navzájom prepojené. Produkt jednej reakcie sa stáva východiskovou látkou ďalšej, ktorá na ňu nadväzuje. Látky, ktoré vstupujú do chemických reakcií, nazývajú sa substráty. Vzájomná spätosť biochemických dejov môže byť lineárna alebo cyklická (obr. 23). Uvedená následnosť reakcií tvorí základ pre ich vzájomnú reguláciu na princípe dynamickej chemickej rovnováhy. 4.1 CHEMICKÉ JAVY V ŽIVEJ A NEŽIVEJ PRÍRODE str. 108 – 109 Chemické procesy v živej a neživej prírode sa riadia spoločnými chemickými zákonmi a rovnakými (fyzikálnymi a chemickými )vzťahmi medzi molekulami prítomných látok. Už z biológie viete, že základný rozdiel je v organizovanosti hmoty vpriestore a čase (procesy v mikropriestore bunky – presne riadené a koordinované ). Moderné fyzikálne a fyzikálno-chemické metódy v súčasnosti umožňujú spoznávať aj veľmi zložité štruktúry, napr. bielkovín a nukleových kyselín, a objasňovať ich biologické funkcie. Možno sledovať chemické premeny látok v organizme čiže látkový metabolizmus. Týmito otázkami sa zaoberá biochémia.Je to hraničná vedná disciplína medzi chémiou a biológiou. Biochémia študuje chemické deje prebiehajúce v živých sústavách. Biochémia významne prispieva k rozvoju biológie tým, že na základe štruktúry molekúl umožňuje vysvetľovať biologickú funkciu látok (vzťah štruktúry a biologickej funkcie). Poznatky biochémie nachádzajú významné uplatnenie v medicíne, v poľnohospodárstve, vo výžive aj v priemysle. E1 E1 E2 E2 E3 E4 E4 Otázky a úlohy E3 E5 1.Charakterizujte základný rozdiel medzi živou a neživou prírodou. b [- Riadia sa spoločnými chemickými zákonmi (rovnakými fyzikálnymi a chemickými vzťahmi). Otázky a úlohy -základný rozdiel je v organizovanosti hmoty v priestore a čase (procesy v mikropriestore bunky – presne riadené a koordinované ).] a 1. Vymenujte a stručne charakterizujte chemické znaky živých sústav. 2.Čím sa zaoberá biochémia? [a) Jednotný chemický základ – sacharidy, lipidy, bielkoviny, nukleové kyseliny; minerálne látky – voda, anorganické soli a iné zlúčeniny. [Biochémia študuje chemické deje ( napr. premeny látok t.j. látkový metabolizmus) v živých sústavách.] b) Chemická premena (metabolizmus) látok, pri ktorej sa uvoľňuje energia a nastáva biosyntéza bielkovín, nukleových kyselín a iných zlúčenín. 4.2 CHEMICKÉ ZNAKY ŽIVÝCH SÚSTAV str. 109 – 111 Chemické znaky živých sústav sú: c) Výmena látok a energie s okolitým prostredím. Organizmus je zložitý otvorený systém (medzi organizmom a okolitým prostredím sa udržuje dynamická rovnováha). Živé organizmy sú schopné premieňať (transformovať) a ukladať získanú energiu do tzv. makroergických zlúčenín (ATP). a) Jednotný chemický základ – sacharidy, lipidy, bielkoviny, nukleové kyseliny; minerálne látky – voda, anorganické soli a iné zlúčeniny. b) Chemická premena (metabolizmus) látok, pri ktorej sa uvoľňuje energia a nastáva biosyntéza bielkovín, nukleových kyselín a iných zlúčenín. d) Enzýmový charakter chemických dejov. (enzýmy – biokatalyzátory; vzájomná spätosť biochemických dejov môže byť lineárna (obr. 23a) alebo cyklická (obr. 23b).] c) Výmena látok a energie s okolitým prostredím. 2. Vysvetlite makroergické zlúčeniny a ich funkciu v organizme. Živé organizmy sú schopné premieňať (transformovať) a ukladať získanú energiu do tzv. makroergických zlúčenín (ATP). [Živé organizmy sú schopné premieňať (transformovať) a ukladať získanú energiu do tzv. makroergických zlúčenín (ATP).] P D D A B C P S S B A C Organizmus je zložitý otvorený systém (medzi organizmom a okolitým prostredím sa udržuje dynamická rovnováha). 3. Čo charakterizuje organizmus z termodynamického hľadiska? [ Výmena látok a energie s okolitým prostredím- organizmus je zložitý otvorený systém (medzi organizmom a okolitým prostredím sa udržuje dynamická rovnováha). ] d) Enzýmový charakter chemických dejov. Chemické reakcie v živých sústavách sa podstatne nelíšia od tých, ktoré realizujeme v chemickom laboratóriu, alebo ktoré prebiehajú pri chemickej výrobe v priemyselných zariadeniach. Majú charakter reakcií protolytických, oxidačno-redukčných ai. Vyznačujú sa však relatívne veľkou reakčnou rýchlosťou a prebiehajú už pri nízkej teplote (37°C), pri konštantnom tlaku a bez objemových zmien. Rýchlosť chemických dejov v živých sústavách súvisí s účinkom štruktúrne veľmi zložitých makromolekulových látok (bielkovinovej povahy) – enzýmov, ktoré majú funkciu biokatalyzátorov. V porovnaní s anorganickými alebo organickými katalyzátormi majú veľmi dôležitý špecifický účinok. To znamená, že môžu katalyzovať len určitý typ chemickej premeny, často jedinej látky. 4. Charakterizujte biologickú funkciu enzýmov. [Enzýmový charakter chemických dejov- enzýmy – biokatalyzátory; v porovnaní s anorganickými alebo organickými katalyzátormi majú veľmi dôležitý špecifický účinok . To znamená, že môžu katalyzovať len určitý typ chemickej premeny jedinej látky. Vzájomná spätosť biochemických dejov môže byť lineárna alebo cyklická ,obr. 23).] 23.Vzájomná nadväznosť biochemických dejov a lineárna, b cyklická, S substrát, Pprodukt, E1 – E5 enzýmy, A-D medziprodukty

2. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -3- CH / III -4- 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4.3 CHEMICKÉ ZLOŽENIE ŽIVÝCH SÚSTAV str. 112 – 116 Chemickou analýzou rastlinných a živočíšnych tiel sa dokázalo, že sa skladajú z tých istých prvkov, ktoré sa vyskytujú v zemskej kôre, v prostredí, v ktorom živé organizmy vznikajú, vyvíjajú sa, rozmnožujú i odumierajú. Prvkové zloženie živých sústav sa odlišuje od zloženia neživého prostredia len v množstve, t.j. v kvantitatívnom zastúpení prvkov (obr. 24). Prvky vyskytujúce sa v biosfére, ktoré sú potrebné na stavbu a životnú činnosť organizmov, nazývajú sa biogénne prvky. Podľa zastúpenia v organizme sa zaraďujú do skupín (tab. 5, pozri s. 115). 24. Prvkové zloženie A ľudského organizmu, B zemskej kôry % Makroprvky> ako 0,005% z celkovej hmotnosti organizmu. Päť prvkov tejto skupiny sú základné biogénne prvky – C, H, N, O, P (tvoria 98% hmotnosti organizmu). Druhú skupinu tvoria mikroprvky< ako 0,005% z celkovej hmotnosti organizmu , zvyčajne sa viažu v bielkovinách (enzýmoch). 50 Tabuľka 5 A Makroprvky ( > ako 0,005% ) Mikroprvky (< ako 0,005% ) 25 Zn – zinok Mn – mangán Cu – meď Mo – molybdén I – jód Co – kobalt B – bór F – fluór Br – bróm Se – selén As – arzén Si – kremík Li – lítium Al – hliník Ti – titán V – vanád C – uhlík H – vodík N – dusík O – kyslík P – fosfor základné biogénne prvky (tvoria 98% z celkovej hmotnosti organizmu). 25. Relatívne zastúpenie hlavných skupín látok v organizmoch A voda, B nukleové kyseliny, C minerálne látky, D lipidy, E sacharidy, F bielkoviny VODA, OXID UHLIČITÝ A AMONIAK AKO ZÁKLADNÉ BIOGÉNNE ZLÚČENINY str. 114 – 115 O C H N Ca P Cl S Na Fe K Mg Si S – síra Ca – vápnik Mg – horčík Na – sodík Cl – chlór K – draslík Fe – železo A 65% Základné látky v biosyntéze organických zlúčenín, vrátane biomakromolekulových látok, sú voda, oxid uhličitý a amoniak (príp. molekulový dusík). Autotrofné organizmy sú schopné syntetizovať z týchto jednoduchých a energeticky chudobných látok zložité štruktúry sacharidov, aminokyselín, heterocyklických zlúčenín a i. Tie potom využívajú ako stavebné jednotky biomakromolekúl(polysacharidov, bielkovín, nukleových kyselín) alebo ako zdroj energie potrebnej pre životnú činnosť. Takto syntetizované látky sú potom živinami pre vyššie organizmy, ktoré ich prijímajú vo forme potravy a metabolizujú ich. Tým opäť tvoria základ pre stavbu zložitejších štruktúr alebo sú zdrojom energie. V kolobehu chemických premien (spaľovaním, kvasením, hnitím a dýchaním) sa voda, oxid uhličitý a amoniak vracajú späť do pôvodnej anorganickej formy. Tak sa zabezpečuje rovnováha medzi vnútorným a vonkajším prostredím organizmu aj neprestajné obnovovanie živej hmoty. F 12% E 9% D 8% 25 B 3% B C Biogénne prvky sa vyskytujú v živých sústavách takmer výlučne v zlúčeninách. Sú to jednak anorganické zlúčeniny (minerálne) – voda, oxid uhličitý, amoniak, anorganické soli, a jednak jednoduché aj zložité bioorganické zlúčeniny. Relatívne zastúpenie hlavných skupín látok vidieť na obr. 25. Mnohé z nich majú extrémne veľké molekuly a mimoriadne pevnú štruktúru. Aj najjednoduchšie bunky, napr. baktérie, obsahujú niekoľko tisíc organických zlúčenín, vrátane bielkovín a nukleových kyselín. V zložitom ľudskom organizme sa nachádza asi 50 000 rôznych bielkovín. Každý biologický druh má svoje špecifické bielkoviny a nukleové kyseliny, ale ich biologické funkcie prebiehajú podobným spôsobom. Jednoduché organické zlúčeniny môže organizmus využívať nielen ako stavebné jednotky biomakromolekúl, ale aj ako štruktúrny základ pri metabolických premenách a pri výmene energie. Napríklad aminokyseliny sa zúčastňujú na stavbe bielkovín, ale súčasne sa z nich v organizme utvárajú aj hormóny, alkaloidy a iné zlúčeniny. Nukleotidy sa zúčastňujú na stavbe nukleových kyselín, ale sú aj nosičmi energie (ATP) a pod. 3% 50 Voda - tvorí prostredie, v ktorom prebiehajú fyzikálne a chemické deje; zúčastňuje sa na mnohých biochemických reakciách ––hydrolýza, adície. Oxid uhličitý – (spolu s vodou) je východisková látka pri fotosyntéze sacharidov a konečným produktom biologickej oxidácie organických zlúčenín. Amoniak – je východisková látka biosyntézy a konečný produkt látkových premien dusíkatých organických zlúčenín.

3. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -5- CH / III -6- 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE KOLOIDNÝ A HETEROGÉNNY CHARAKTER ŽIVÝCH SÚSTAV 4.3 CHEMICKÉ ZLOŽENIE ŽIVÝCH SÚSTAV str. 112 – 116 Koloidný systém (koloidný roztok) znamená prostredie, v ktorom rozptýlené častice majú veľkosť 1 až 100 nm. Sú to molekuly makromolekulových látok – bielkovín, nukleových kyselín, polysacharidov aj syntetických polymérov. Niektoré nízkomolekulové látky tvoria koloidné častice tak, že ich molekuly sa pri rozpúšťaní grupujú (agregujú) do väčších celkov, do tzv. micel. Molekuly týchto látok majú polárnu i nepolárnu časť. Sú to napr. soli vyšších karboxylových kyselín (mydlá), zložité lipidy, steroidy a i. V polárnom (vodnom) prostredí sa ich molekuly orientujú medzimolekulovými silami určitým spôsobom (obr. 9,str.58 a obr.27,str. 118. Otázky a úlohy 1.Ako sa odlišuje prvkové zloženie živých sústav od neživého vonkajšieho prostredia? [Chemickou analýzou rastlinných a živočíšnych tiel sa dokázalo, že sa skladajú z tých istých prvkov, ktoré sa vyskytujú v zemskej kôre, v prostredí, v ktorom živé organizmy vznikajú, vyvíjajú sa, rozmnožujú i odumierajú. Prvkové zloženie živých sústav sa odlišuje od zloženia neživého prostredia len v množstve, t.j. v kvantitatívnom zastúpení prvkov (obr. 24).] H2O 2.Charakterizujte jednotlivé skupiny biogénnych prvkov. [ Makroprvky> ako 0,005% z celkovej hmotnosti organizmu. Päť prvkov tejto skupiny sú základné prvky – C, H, N, O, P (tvoria 98% hmotnosti organizmu). Druhú skupinu tvoria mikroprvky< ako 0,005% z celkovej hmotnosti organizmu , zvyčajne sa viažu v bielkovinách (enzýmoch).] Na princípe micelárnych koloidov je vybudovaná základná štruktúra membrán . Membrány oddeľujú bunku od okolitého prostredia a utvárajú vnútornú heterogénnu štruktúru bunky. [ Biogénne prvky sa vyskytujú v živých sústavách takmer výlučne v zlúčeninách. Relatívne zastúpenie hlavných skupín látok vidieť na obr. 25.] Od pravých roztokov, ktorých častice sú menšie ako 1 nm, sa koloidné roztoky odlišujú určitými charakteristickými vlastnosťami. Zvyčajne majú jemný, bežnou filtráciou neoddeliteľný zákal. 3.Charakterizujte biologický význam vody, oxidu uhličitého a amoniaku. a [Voda-tvorí prostredie, v ktorom prebiehajú fyzikálne a chemické deje; zúčastňuje sa na mnohých biochemických reakciách ––hydrolýza, adície. Oxid uhličitý – (spolu s vodou) je východisková látka pri fotosyntéze sacharidov a konečným produktom biologickej oxidácie organických zlúčenín. Amoniak – je východisková látka biosyntézy a konečný produkt látkových premien dusíkatých organických zlúčenín.] – – – – 4.Vysvetlite význam biosyntézy vody v živých sústavách. – – [Veľký biologický význam má biosyntéza vody z atómov vodíka, ktoré sa uvoľňujú pri dehydrogenácii (oxidácii) organických látok, a z kyslíka, ktorý sa dostáva do organizmu z vonkajšieho prostredia (difúziou alebo dýchaním).Biosyntézou vody organizmus získava najväčšie množstvo energie, jej časť využije na tvorbu ATP a zostávajúca časť sa premieňa na teplo. Pri vzniku jedného molu vody sa uvoľní 234 kJ energie. ] – – + – + + b + – – – 4.4FYZIKÁLNO-CHEMICKÉDEJE V ŽIVÝCH SÚSTAVÁCH (str. 116 – 120) + Biochemické deje v živých sústavách sú spojené s určitými fyzikálnochemickými procesmi. Sú to predovšetkým difúzia a osmóza. Tieto procesy zabezpečujú ustavičný pohyb a výmenu látok vnútri organizmu, ako aj medzi jeho vonkajším a vnútorným prostredím. + + – – a + Difúzia- je samovoľný prechod častíc z miest s vyššou koncentráciou na miesta s nižšou koncentráciou t.j. v smere koncentračného spádu. Δ h = π + Osmóza- je samovoľný prechod molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú (semipermeabilnú) membránu. Keďže membrána prepúšťa iba molekuly rozpúšťadla, nastane jednosmerný prechod jeho molekúl do roztoku. Tak sa zníži koncentrácia roztoku a súčasne sa zvýši jeho objem (obr. 26). + – 27Vznik heterogénnych štruktúr agregáciou molekúl polárnych lipidov (fosfolipidov) a micela (koloidná častica) b dvojvrstva, c membránová štruktúra 28 Štruktúra koloidnej častice a jadro kooidnej častice b solvatačný obal + a b – + + Osmotický tlak je priamo úmerný koncentrácii roztoku a teplote. Možno ho vyjadriť aj výškou stĺpca vytlačenej kvapaliny alebo tlakom, ktorým musíme pôsobiť na povrch roztoku, aby sa zabránilo zväčšenie jeho objemu t.j. osmóze. – + c + – Na stabilitu koloidných systémov vplýva najmä elektrický náboj na povrchu ich častíc. Ten zabraňuje odpudivými elektrostatickými silami agregácii (utváraniu väčších celkov), a tým vylučovaniu koloidov z roztoku. Významný vplyv na stabilitu koloidov má aj solvatačný obal koloidných častíc. V živých sústavách ho utvárajú molekuly vody (hydratačný obal). Na koloidné častice sa molekuly vody pútajú elektrostatickými silami, keďže voda má polárny charakter (obr. 28). Stratou elektrického náboja alebo narušením hydratačnej vrstvy strácajú koloidy svoju stabilitu. Častice utvárajú agregáty, ktoré sa vylučujú z roztoku (pozri laboratórne cvičenie 13). – – – – 26.Znázornenie osmózy a osmotického tlaku a roztok, b rozpúšťadlo, c polopriepustná membrána b c Aktívny transport - je pohyb častíc proti koncentračného spádu. Umožňuje ho zložitá štruktúra biomembrán a účasť špecifických enzýmov (vyžaduje energiu).

4. CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -7- CH / III -8- 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4 ZÁKLADY BIOCHÉMIE 4.4FYZIKÁLNOCHEMICKÉDEJE V ŽIVÝCH SÚSTAVÁCH (str. 116 – 120) Otázky a úlohy 1.Charakterizujte fyzikálnochemické deje prebiehajúce v živých sústavách. [Biochemické deje v živých sústavách sú spojené s určitými fyzikálnochemickými procesmi. Sú to predovšetkým difúzia a osmóza. Tieto procesy zabezpečujú ustavičný pohyb a výmenu látok vnútri organizmu, ako aj medzi jeho vonkajším a vnútorným prostredím.] 2.Vysvetlite biologický význam difúzie, osmózy a aktívneho transportu. [Difúzia- je samovoľný prechod častíc z miest s vyššou koncentráciou na miesta s nižšou koncentráciou t.j. v smere koncentračného spádu.] [Osmóza- je samovoľný prechod molekúl rozpúšťadla cez polopriepustnú (semipermeabilnú) membránu. Keďže membrána prepúšťa iba molekuly rozpúšťadla, nastane jednosmerný prechod jeho molekúl do roztoku. Tak sa zníži koncentrácia roztoku a súčasne sa zvýši jeho objem (obr. 26).] [Osmotický tlak je priamo úmerný koncentrácii roztoku a teplote. Možno ho vyjadriť aj výškou stĺpca vytlačenej kvapaliny alebo tlakom, ktorým musíme pôsobiť na povrch roztoku, aby sa zabránilo zväčšenie jeho objemu t.j. osmóze.] [Aktívny transport- je pohyb častíc proti koncentračného spádu. Umožňuje ho zložitá štruktúra biomembrán a účasť špecifických enzýmov (vyžaduje energiu).] 3.Vysvetlite, čo sú koloidy a čím sa odlišujú od pravých roztokov. [Koloidný systém (koloidný roztok) znamená prostredie, v ktorom rozptýlené častice majú veľkosť 1 až 100 nm. Sú to molekuly makromolekulových látok – bielkovín nukleových kyselín, polysacharidov aj syntetických polymérov. Niektoré nízkomolekulové látky tvoria koloidné častice tak, že ich molekuly sa pri rozpúšťaní grupujú (agregujú) do väčších celkov, do tzv. micel. Molekuly týchto látok majú polárnu i nepolárnu časť. Sú to napr. soli vyšších karboxylových kyselín (mydlá), zložité lipidy, steroidy a i. V polárnom (vodnom) prostredí sa ich molekuly orientujú medzimolekulovými silami určitým spôsobom (obr. 9,str.58 a obr.27,str. 118. Od pravých roztokov, ktorých častice sú menšie ako 1 nm, sa koloidné roztoky odlišujú určitými charakteristickými vlastnosťami. Zvyčajne majú jemný, bežnou filtráciou neoddeliteľný zákal. ] 4.Čo spôsobuje stabilitu koloidných systémov? [Na stabilitu koloidných systémov vplýva najmä elektrický náboj na povrchu ich častíc. Ten zabraňuje odpudivými elektrostatickými silami agregácii (utváraniu väčších celkov), a tým vylučovaniu koloidov z roztoku. Významný vplyv na stabilitu koloidov má aj solvatačný obal koloidných častíc. V živých sústavách ho utvárajú molekuly vody (hydratačný obal). Na koloidné častice sa molekuly vody pútajú elektrostatickými silami, keďže voda má polárny charakter (obr. 28). ] 5.Akú majú štruktúru a biologickú funkciu biomembrány? [Na princípe micelárnych koloidov je vybudovaná základná štruktúra membrán . Membrány oddeľujú bunku od okolitého prostredia a utvárajú vnútornú heterogénnu štruktúru bunky.]