Lekce 5. Makromolekula

Jsme to, co jíme

Všechno živé na Zemi je složeno ze 4 základních složek: cukrů, tuků, bílkovin a nukleových kyselin. To platí o vás, vašem psovi, jeho střevních bakteriích i trávníku, na kterém ho venčíte. Jedná se často o velké molekuly, tzv. makromolekuly, tvořené stovkami až tisíci atomů. Makromolekuly tvoří stavební části našeho těla, slouží jako zásoba energie a uchovávají genetickou informaci.

První tři složky, cukry, tuky a bílkoviny objevil britský vědec před dvěma sty lety. Zjistil, že jsou nějakým způsobem nezbytné pro všechny živé organismy a ty je musí tedy buď vyrábět nebo získávat z potravy.

Všechny makromolekuly se skládají jen z hrstky základních molekul, které slouží jako stavební kameny – několik monosacharidů, 21 aminokyselin, několik druhů lipidů, 5 nukleotidů. Z těchto několika základních sloučenin dokáže tělo tvořit tisíce a tisíce dalších, které mají různé využití.

polymer	monomer	prvky	význam
polysacharid	monosacharid	C, H, O	zdroj energie
protein	aminokyselina	C, H, O, N	stavební funkce, enzymy
lipid	mastná kyselina	C, H, O	buněčná membrána, skladování energie
nukleová kyselina	nukleotid	C, H, O, N, P	genetická informace a genová exprese

Život je sladký

Z potravy vstřebáváme monosacharidy glukózu, fruktózu a galaktózu. Fruktóza a galaktóza jsou z větší části v játrech přeměněny na glukózu a molekuly glukózy se následně spojují a řetězí. Molekula fruktózy spojená s glukózou se nazývá sacharóza, kterou znáte prostě pod názvem cukr krystal. Molekula glukózy s galaktózou tvoří disacharid laktózu, která je přítomná v mléce savců.

Sacharidy – neboli cukry – jsou klíčovým zdrojem energie. Energie je z cukrů uvolněna chemickým rozkladem. Proto tvoří hlavní součást naší potravy.

Pokud je energie dostatek, skládají se přebytečné monosacharidy, které tělo nepotřebuje ihned přeměnit na energii, do dlooouhatánských řetězců o tisících molekul, tzv. zásobních polysacharidů – mezi ně patří rostlinný škrob, který tvoří hlavní složku naší potravy, a živočišný glykogen, který se u člověka ukládá v játrech a ve svalech a při poklesu energie a hladovění je rozložen zpět na glukózu. Dalším důležitým polysacharidem u rostlin je celulóza – ta tvoří hlavní stavební složku obalu rostlinných buněk.

Teď ten vtip je v tom, že celulóza, glykogen i škrob jsou všechno jen dlouhé řetězce glukózy, akorát jinak uspořádané a v celulóze je trochu jiný typ chemické vazby, kterou žádný enzym v našem těle neumí rozštěpit. Většina našich příloh – chleba (mouka), rýže, brambory… to je převážně škrob. Celulóza je ta část zeleniny, kterou nestrávíme a prochází naším trávicím traktem nezměněná… ven. Říkáme jí vláknina.

My lidé, stejně jako všichni živočichové, netvoříme škrob. Pokud sníme moc kalorií, které naše tělo nespotřebuje, část se jich uloží ve formě glykogenu do jater a svalů. Ve chvíli, kdy hladovíme, se glykogen rozkládá zpátky na glukózu, ze které získáváme energii. Takhle získává tělo energii např. ve spánku, ale stačí nejíst pár desítek hodin a zásoby glykogenu jsou pryč. Ale tělo si tvoří i dlouhodobější zásoby a to ve formě… tuku.

Okrasný tukový prstenec

Tuky, neboli lipidy nejsou naši nepřátelé, ale jsou to důležité součásti každé buňky našeho těla. Jsou dvojího druhu: cholesterol, který nevytváří velké molekuly, a triacylglyceroly, ve kterých tělo ukládá energii na horší časy do tukové tkáně. Jejich součástí jsou tzv. mastné kyseliny, dlouhé uhlovodíkové řetězce (proto jsou nepolární a hydrofobní) navázané na glycerol, který vzniká v těle např. z glukózy.

Z cholesterolu vzniká žluč, vitamín D a různé hormony (např. pohlavní).

Tuky – oleje, mléčný tuk (máslo), i sádlo – to jsou převážně mastné kyseliny. Dlouhé uhlovodíkové řetězce. Jak se liší rostlinné oleje a živočišné tuky (mléčný a sádlo)? Odpověď se ukrývá ve vazbách v uhlovodíkovém řetězci. Živočišné tuky mají mezi uhlíky v řetězci jen jednoduché vazby, proto jsou máslo a sádlo při pokojové teplotě pevné. Rostlinné tuky obsahují ty samé mastné kyseliny, akorát jsou v jejich řetězcích násobné (dvojné, trojné) vazby. To způsobuje jejich tekutost při pokojové teplotě a nazýváme je oleje.

Síla nejslabšího článku

Řetězení tak jak jsme si ho popsali je typické hlavně pro proteiny a nukleové kyseliny. Pět druhů nukleotidů se spojuje v řetězce DNA a RNA. Jednadvacet druhů aminokyselin se podobně řetězí do dlouhých polymerů zvaných proteiny. Řetězce jsou tvořeny tisíci a někdy i miliony monomerů a mají podobu dlouhého vlákna. Působením nevazebných interakci – hydrofobních, hydrofilních interakcí a vodíkových můstků se tyto dlouhé molekuly stáčí, spojují a tvarují ve velké a různorodé útvary.

Kromě těchto podobností je jim společná ještě jedna klíčová charakteristika: pokud se v řetězci zamění jen jediný článek, celá molekula může být zničená. Proteiny a RNA ztratí svou funkci, genetická informace DNA je znehodnocená.

Živé organismy jsou vysoce organizované, mají vysokou uspořádanost, hodnota entropie se u nich snižuje na minimum – zvýšený stupeň organizovanosti lépe odolává nejen vnitřním vlivům, např. teplotě a změně koncentrací látek v těle, ale i zevním vlivům. Víme přitom, že celý vesmír směřuje k maximu entropie, k zvýšení neuspořádanosti. Proti tomu živé organismy „bojují“, ovšem zvyšování uspořádanosti něco stojí – energii.

tvorba biomolekul = snižování entropie = spotřeba energie

Organismy zvyšují uspořádanost svých těl za cenu snížení uspořádanosti svého okolí, tedy živin, které konzumují. Už jsme si ukázali, že i první primitivní formy života musely být schopny přijímat látky a koncentrovat energii z okolí a používat energii z přeměny přijatých látek k tvorbě vlastních molekul za účelem růstu a reprodukce.

štěpení biomolekul = zvyšování entropie = uvolňování energie

V průběhu evoluce trvající miliony let se vytvořilo obrovské množství druhů s velmi rozdílnými vlastnostmi a tvary. Přes nesmírný rozdíl, který na první pohled spatřujeme mezi bakterií, pampeliškou, blechou a slonem, v jejich buněčných funkcích vládne jednota a podstatné rysy jejich metabolismu neboli látkové výměny jsou totožné.

metabolismus = soubor všech reakcí v těle

Tak např. molekula bílkoviny vzniká v bakterii na stejném principu jako v listech jabloně i v jaterní buňce člověka. Důsledkem téměř stejných metabolických reakcí je pak to, že i látkové složení těl živočichů a rostlin i mikroorganismů je podobné, tzn. že jsme všichni tvořeni podobnými molekulami (i když se může lišit množství, např. obsah vody v suchém semenu rostliny bude okolo 1-5% a v těle medúzy přes 90%).
Právem můžeme hovořit o jednotě života na planetě Zemi. To zase nepřímo ukazuje na jednotné místo vzniku života, na jediného prapředka. Princip života eventuálně transportovaného z kosmu by byl pravděpodobně jiný.