Biochemie

Biochemie se zabývá látkami v živých organizmech (většinou jde o organické látky) a jejich přeměnami.

Jednotlivé skupiny přírodních látek popisují následující kapitoly:

• Lipidy – Tuky, vosky a další látky nerozpustné ve vodě.
• Sacharidy – Cukry a příbuzné látky. Bývají pohotovým zdrojem energie či se podílejí na stavbě organizmů.
• Proteiny – Bílkoviny, skládají se z aminokyselin. Zajišťují stavbu i funkci živých organizmů.
• Enzymy – Umožňují průběh chemických reakcí v živých organizmech.
• Nukleové kyseliny – Nesou informace o tom, jak organizmy budou vypadat a fungovat.
• Vitaminy – Organizmy je potřebují v malém množství.
• Alkaloidy a návykové látky – Látky, které využívají zejména rostliny k obraně. Některé z nich mohou způsobovat závislost.
• Skupiny přírodních látek: mix

Metabolickými přeměnami látek se zabývají tyto kapitoly:

• Fotosyntéza – Ukládání energie světla do chemických vazeb.
• Buněčné dýchání, kvašení – Uvolňování energie oxidací organických sloučenin.
• Reakce v živých organizmech: mix

Lipidy jsou skupinou látek nepolární povahy, jsou obvykle nerozpustné ve vodě. Patří mezi ně tuky, steroly, fosfolipidy nebo vosky.

Tuky (a související)

Molekuly tuků v základu sestávají z části pocházející z propan-1,2,3-triolu (glycerolu) a zpravidla ze 3 zbytků mastných kyselin (proto se také označují jako triacylglyceroly, chemicky jde o estery mastných kyselin). Mastné kyseliny jsou zpravidla vyšší karboxylové kyseliny. Mohou být:

• nasycené – Obsahují v uhlíkovém řetězci jen jednoduché vazby. Tuky s převahou těchto mastných kyselin jsou při pokojové teplotě zpravidla tuhé. Patří sem např. kyselina stearová či palmitová.
• nenasycené – Obsahují v uhlíkovém řetězci dvojné vazby. Tuky s převahou těchto mastných kyselin jsou při pokojové teplotě zpravidla tekuté (oleje). Patří sem např. kyselina olejová.

Žluknutí je rozklad molekul tuků, často vlivem činnosti bakterií.

Tuky lze získávat ze živočichů (např. sádlo či lůj z podkožního tuku, máslo z mléka, rybí tuk) i rostlin (zejména z plodů a semen, např. palma olejná, slunečnice, řepka, olivovník, kokosovník).

Vosky

Vosky jsou estery mastných kyselin a jednosytných alkoholů s vyšším počtem atomů uhlíku. Příkladem je včelí vosk či vosky tvořící kutikulu rostlin (výrazná je zvláště u sukulentů, které díky ní zamezují ztrátám vody). Vosky jsou významnou součástí lanolinu, který se získává z ovce domácí a používá se v kosmetice či kožních léčivech.

Sacharidy jsou skupinou přírodních látek. Většinou mají rostlinný původ, vznikají v rámci fotosyntézy. Sacharidy sestávají z jedné či více monosacharidových jednotek. Obsahují atomy \mathrm{C}, \mathrm{O}, \mathrm{H}.

Monosacharidy

Nejjednodušší sacharidy, jejich molekuly jsou samy o sobě monosacharidovou jednotkou. Patří sem například:

• glukosa (hroznový, krevní cukr) – V plodech rostlin. Rychlý zdroj energie pro buňky lidského těla, jeho hladina v krvi se označuje jako glykemie (glukosemie). Vzniká mnohdy rozkladem složitějších sacharidů.
• fruktosa – V plodech rostlin, společně s glukosou v medu. Sladší než glukosa.
• galaktosa – V mléce savců, součástí molekul laktosy.

Disacharidy

• sacharosa – V mírném pásu se získává z cukrové řepy, zdrojem sacharosy v (sub)tropech je cukrová třtina. Tento cukr je běžně využíván v kuchyni (krystal, krupice, moučka). Hnědý řepný či třtinový cukr je buď nerafinovaný (obsahuje zbytky melasy), nebo druhotně obarvený karamelem. Hnědý i bílý cukr jsou prakticky jen sacharóza, jejich vliv na organizmus je tedy totožný. Molekula sestává z jednotky glukosy a jednotky fruktosy.
• laktosa – V mléce savců. Někteří lidé mají intoleranci laktosy (v dospělosti u nich nefunguje enzym laktáza, který laktosu štěpí; vede k zažívacím obtížím). Molekula sestává z jednotky glukosy a galaktosy.
• maltosa – Sladový cukr, vzniká např. při klíčení obilek ječmene. Molekula sestává ze dvou jednotek glukosy.

Jednoduché sacharidy (monosacharidy a disacharidy) obvykle chutnají sladce a označují se jako cukry.

Polysacharidy

• škrob – Hlavní zásobní látka rostlin (např. v bramborách, rýži, obilovinách). V těle štěpen enzymem α-amylázou. Tvořen velkým množstvím jednotek glukosy, ty jsou uspořádány do molekuly amylosy a amylopektinu.
• celulosa – Pro člověka nestravitelná, součást vlákniny. U rostlin jde o stavební sacharid, tvoří buněčné stěny. Celulosu obsahuje např. papír, vata, bavlna.
• glykogen – Zásobní látka živočichů, zejména v játrech a svalech. Je tvořen rozvětvenými řetězci glukosy.

Proteiny (jiným označením bílkoviny) jsou složité organické látky, které se podílejí na stavbě a fungování všech živých organizmů.

Chemická podstata proteinů

Proteiny se v základu skládají z 20 druhů aminokyselin. Aminokyseliny jsou odvozené z karboxylových kyselin, na uhlíkovém řetězci mají navázanou aminoskupinu \mathrm{–NH_2}. Proteiny sestávají z nevětveného řetězce aminokyselin, který může být různě prostorově uspořádaný. Obsahují více než 100 aminokyselinových jednotek spojených peptidickou vazbou.

Denaturace je proces, kdy proteiny ztrácejí své prostorové uspořádání (např. vlivem teploty, přítomnosti těžkých kovů, změny pH) a tím pádem mnohdy i funkčnost. Denaturace v kuchyni běžně probíhá např. při tepelné úpravě masa či vajec.

Tvorba a zdroje proteinů

Rostliny jsou schopné aminokyseliny vytvářet z anorganických sloučenin dusíku, živočichové musejí některé aminokyseliny přijímat v potravě (ty se označují jako esenciální).

Živé organizmy si tvoří vlastní proteiny z aminokyselin na základě informace zahrnuté v nukleových kyselinách (zejména DNA). Pokud tedy např. přijmeme protein v potravě, v trávicí soustavě se rozloží na aminokyseliny, z nichž se následně v buňkách vytvoří naše „vlastní“ proteiny.

Typickými zdroji bílkovin (respektive aminokyselin) jsou např. vejce, mléko, maso, obiloviny či luštěniny.

Enzymy (biokatalyzátory) jsou nezbytné pro fungování všech živých organizmů. Urychlují chemické reakce, které probíhají v jejich buňkách i mimo ně. Umožňují průběh reakcí, které by jinak za daných podmínek prakticky neprobíhaly, snižují jejich aktivační energii. Enzymy se mohou se podílet např. na trávení, tvorbě a kopírování nukleových kyselin, proteosyntéze, uvolňování energie či fungování svalů.

Enzymy se připravují i uměle (často za pomoci geneticky upravených bakterií), využívají se např. do čisticích prostředků, při výrobě potravin či v lékařství.

Chemická podstata enzymů

Enzymy jsou převážně proteiny. Mohou navíc obsahovat nebílkovinné části, kofaktory. Mezi kofaktory patří např. organické molekuly, vitaminy či ionty kovů.

Účinek a aktivita enzymů

Enzymy obvykle mají specifický účinek, urychlují často jednu reakci (či jednotky reakcí). Obsahují aktivní místo, které svým tvarem umožňuje přijetí substrátu (výchozí látka, na kterou enzym působí). Enzym se substrátem vytvoří enzym-substrátový komplex, následně dochází k přeměně a uvolnění produktu.

Aktivita enzymů je ovlivňována koncentrací substrátu, enzymu, pH či teplotou. Inhibitory jsou látky, které zpomalují či zastavují aktivitu enzymů.

Třídění enzymů

Enzymy se podle charakteru prováděných reakcí dělí do 7 skupin.

Nukleové kyseliny nesou genetickou (dědičnou) informaci živých organizmů. Jedná se o biopolymery skládající se z nukleotidů. Každý nukleotid obsahuje dusíkatou bázi, zbytek kyseliny fosforečné a sacharidovou část.

Mezi základní nukleové kyseliny patří DNA a RNA:

• DNA (deoxyribonukleová kyselina) má zpravidla podobu pravotočivé dvoušroubovice. Sestává z nukleotidů obsahujících adenin (A), thymin (T), guanin (G), cytosin (C). Každý nukleotid obsahuje zbytek deoxy-D-ribosy. U bakterií se DNA nachází volně v cytosolu, u eukaryotních organizmů (zejména živočichů, rostlin, hub) se mimo dobu dělení buňky nachází v buněčném jádře. Také je přítomna v semiautonomních organelách. Samostatné molekuly DNA se označují jako chromozomy.
• RNA (ribonukleová kyselina) je zpravidla jednovláknová, sestává z nukleotidů obsahujících adenin (A), uracil (U), guanin (G), cytosin (C). Obsahuje zbytek D-ribosy. Má zpravidla kratší životnost než DNA.

Dědičnou informaci předávají rodiče potomkům při rozmnožování. Informace obsažené v DNA, respektive RNA, mohou být podkladem pro tvorbu proteinů (bílkovin), které zodpovídají za vytváření znaků organizmů. RNA také může fungovat jako katalyzátor (tvoří ribozymy).

Nukleové kyseliny/chromozomy mohou podléhat změnám v rámci mutací. Ty mohou být navozené i cíleně, např. při vytváření geneticky modifikovaných organizmů (GMO).

Vitaminy jsou organické látky, které živé organizmy k zachování životních funkcí či růstu potřebují v malém množství. Živočichové či houby je přijímají s potravou nebo si je sami tvoří (např. z provitaminů, které mohou být na vitaminy v organizmu přeměněny). Rostliny si veškeré vitaminy vytvářejí samy.

Vitaminy mohou umožňovat funkci enzymů (jako kofaktory) nebo působit jako antioxidanty.

Vitaminy rozpustné ve vodě

Ve vodě je rozpustný vitamin C a vitaminy skupiny B.

• vitamin C (kyselina askorbová) – Funguje jako antioxidant. Je nezbytný pro syntézu proteinu kolagenu (ten je např. nezbytnou součástí kůže, tvoří se při hojení ran). Zdrojem je zejména ovoce a zelenina.
• vitaminy skupiny B – Podílejí se na metabolických přeměnách či krvetvorbě. Mezi významné zdroje patří vejce, mléko, maso, kvasnice. Vitamin B₁₂ je přítomen ve větší míře jen v živočišných produktech, u vegetariánů či veganů je vhodné myslet na jeho odpovídající příjem. Vitaminy skupiny B jsou tvořeny i střevním mikrobiomem.

Vitaminy rozpustné v tucích

V tucích jsou rozpustné vitaminy A, D, E, K.

• vitamin A – Nezbytný pro tvorbu pigmentů v sítnici. Antioxidant. Nachází se např. v játrech. Při nadměrném příjmu vitaminu A v těhotenství hrozí poškození zárodku/plodu. Jeho provitaminem je β-karoten (např. v mrkvi).
• vitamin D – Má vliv na metabolizmus vápníku, vývoj kostí a zubů. Výchozí látka nutná k jeho tvorbě se v těle tvoří působením UV záření na cholesterol.
• vitamin E – Antioxidant. Např. v ořeších, semenech, zelenině.
• vitamin K – Podílí se na srážení krve. Např. v rostlinných olejích, zelenině.

Hypervitaminóza je nadměrný příjem vitaminu, hypovitaminóza naopak jeho nedostatek. V rozvinutých zemích je nedostatek vitaminů vzácný, jejich dostatečné množství je obsaženo ve vyvážené stravě.